許炳勛 周揚 徐建理 甄文安 成澤琨 張芳

       棕剛玉是一種人造工業原料，廣泛應用于耐火材料工業、各種材質的固結磨具、涂附磨具和研磨膏等，是國家現代化建設中它又是一個不可缺少的工業原料。棕剛玉產業在我國起步較晚，是1951年由當時的沈陽蘇家屯砂輪廠研制成功，至今已經走過60多年的里程。半個世紀以來，我國的棕剛玉產業從無到有，從小到大。
       在上世紀80年代之前，我國只有中國第一砂輪廠、第二砂輪廠、第三砂輪廠、第四砂輪廠、第七砂輪廠等幾家大的國營企業生產棕剛玉，當時的產量也不過十幾萬噸。自從我國改革開放以來，棕剛玉生產像雨后春筍般蓬勃發展起來，到目前為止，全國的棕剛玉生產能力已經突破300萬噸，成為世界棕剛玉生產第一大國。但是棕剛玉的生產是非常消耗能源的，當今，節能減排不僅是國家政策所趨，也是降低成本、提倡低碳經濟所需，所以現在筆者就棕剛玉節能措施的研究展開論述。

       降低冶煉成本

       棕剛玉傾倒爐在生產過程中大量消耗電能，是名副其實的“電老虎”。在如何降低耗電量方面，我們經過不斷實踐，主要從以下三方面進行改進：
       鋁礬土是生產棕剛玉的主要原材料，但它也是鋁工業、耐火材料工業和石油工業的主要原材料。隨著國家工業化進程的不斷提速以及鋁工業、耐火材料工業、石油工業的飛速發展，高品位的鋁礬土礦已蹤跡難覓，棕剛玉生產對鋁礬土礦的要求與鋁工業、耐火材料工業不同，后者要求鋁礬土礦的品位較低。
       我國的棕剛玉生產起初都是用固定爐進行生產的，上世紀70年代出現了傾倒爐生產工藝，目前我國棕剛玉生產使用固定爐和傾倒爐的比例大約為3∶4。不論是固定爐也好或是傾倒爐生產也罷，其生產工藝基本相似，都是以鋁礬土為主要原材料，再配以其它輔助材料在礦熱爐中經高溫熔化，經一系列的物理化學反應而制得的，是一種能耗比較高的產品，其能耗費用占生產成本的2/5~1/2，因此鋁礬土品質的好壞決定了能耗的高低。上世紀80年代之前，生產棕剛玉所用的鋁礬土其Al2O3含量均為80%左右，鋁硅比為20∶1。用這種高品鋁礬土生產棕剛玉時，固定爐的單位耗電為2600千瓦時左右，傾倒爐單位耗電為2500千瓦時左右。
       目前在我國境內Al2O3含量達到85%的鋁礬土礦奇缺，或者說已經枯竭。現在生產棕剛玉所用的鋁礬土其Al2O3的含量多在70%~80%之間,SiO2含量在5%~15%之間。鋁礬土中SiO2含量的高低對單位耗電的影響顯著，有資料表明，SiO2在鋁礬土中的含量每增加2%時其單位耗電可增加8%~16%。因此，目前各棕剛玉生產企業單位耗電都居高不下，固定爐單位耗電達到2800千瓦時左右，傾倒爐單位耗電達到2700千瓦時左右，有些甚至更高，加之電力和原材料價格不斷上漲，使生產成本長期在高位運行，企業生產成本壓力很大，同時也給節能減排帶來了巨大的困難。
       目前，生產棕剛玉所用鋁礬土的Al2O3含量為70%~75%的礦居多，用這樣的鋁礬土礦去冶煉棕剛玉時單位耗電已在3000千瓦時以上，按當前的電價計算，能耗費用要占生產成本的2/5以上，生產企業已基本上無利可圖。由于諸多基礎工業及剛玉制造業的快速發展，鋁礬土需求量迅猛增長。由于鋁礬土資源的匱乏，再加上有的礬土供應商和中間環節的不規范行為，棕剛玉冶煉所用的熟鋁礬土數量難以得到保證，而且質量嚴重下滑，棕剛玉冶煉成本更是節節攀升。因此嚴格控制原材料入廠標準，不僅是降低生產能耗的要求，更是企業生存的需要。

       改進冶煉設備

       縮短短網的長度。縮短短網的具體措施有以下幾個：電爐變壓器要在滿足安全距離和操作間距的情況下盡量靠近爐體，在變壓器下加支持底座，使各段短網處于同一水平面上，變壓器低壓出線的中部位置與短網的水平面的高度相等，這樣就省略了從變壓器出線至短網水平面這一段。
       減少接觸電阻。為了減少短網電阻，短網各部分連接方式應盡量采用焊接，或減少接頭或增大接觸面積，并有足夠的接觸壓力，以減少短網各部分的接觸電阻。
       傾倒爐短網的接頭較多，而通過短網的電流很大。連接不良，就會使接觸電阻增大，不但會增大短網的功率損耗，還可能燒毀接頭。因此應盡量減少接頭，對不拆卸的接頭應采用焊接的方法或增大接觸面積，接觸面應保持清潔平整，使之有足夠的壓力。
       此外，可采取的改進措施還包括降低短網溫度、改進電極把持器、減少附加電阻、改進循環水冷卻方式等等，方式眾多，在此不一一贅述。

       改進冶煉工藝

       半個多世紀以來，棕剛玉生產仍沿用傳統的工藝，從未改變。隨著時代的變遷、礦產資源銳減、礦產品的質量不斷下降、原材料和能源價格的不斷提升，節能減排任務日趨繁重，棕剛玉生產已經四面楚歌，如果在技術上沒有新的突破，可以預測十年之后生產棕剛玉的單位能耗及生產成本均會出現驚人的大幅上升，一部分棕剛玉生產企業也會因此而被迫關停。按照目前市場價格為不變價進行測算，屆時棕剛玉的生產成本將穩定在4500元~5000元/噸，節能減排將成為不可逾越的難題。鑒于以上各種因素，未來的棕剛玉生產和發展必須在科學發展觀的指導下盡快轉變生產發展方式，走技術創新之路。
       棕剛玉的冶煉工藝過程分為起弧、熔煉、控制、精煉4個階段。
       起弧是棕剛玉冶煉的前提，為使三相電極之間電流相同，要擺放起弧焦。起弧焦擺放時，先加少量礬土，平整爐底，電極稍離爐底。用鐵屑與碳粒混合以一定形狀鋪設在爐池中心，三根電極下部多鋪設起弧焦，使三相電極互相成通路。起弧焦擺放方法有3種：星形擺放法、實心三角形擺放法和空心三角形擺放法。經過實踐對比選擇星形擺放法，其優點是起弧焦用量少，爐內增碳少，起弧快，熱量集中在爐池中心。
       擺放好起弧焦后進行送電起弧，落下三相電極至起弧焦上，看到弧光和聽到電弧聲時，說明已經起弧。待電流升至正常負荷的20%～50%時，在電極外側和弧光區加少量爐料壓住弧光。待電流上升到80%負荷時，正常加料，進入熔煉階段。
       熔煉占全部冶煉時間的80%以上，能有效把握棕剛玉冶煉的熔煉階段是十分重要。在熔煉階段，要使爐料熔化成液態，使雜質還原，生成鐵合金并與剛玉溶液分離。在熔煉過程中，要不斷地用沾棍對熔液質量檢查做出必要的爐前調整，還要防止各種“反常現象”的發生。根據熔煉程度料層會緩慢下落，保證爐內熔液充足在熔煉過程中要進行投料，投料以加滿電爐使熔煉期終了為主要目標。新工藝改進主要是更進一步掌控熔煉階段這一重要環節，熔煉階段是關系著冶煉生產安全、能源消耗、冶煉單位時間利用、煙塵排放和工人勞動強度的重要環節。
       所謂控制就是在一定時期內，停止加料，讓爐內的料盡量熔融和還原，并使熔化面積向外擴大。爐況控制得好，溶液緩慢上升，整個料面就均勻下沉，料下得多，熔化得快。在控制期內，應盡量把熱量用到擴大熔化面積上，待結束后在投入爐邊預熱料繼續熔煉。在控制期內，如果爐料并未完全熔融，應避免溶液溫度降低讓爐料緩慢進入熔液，這樣就會造成弧光暴露在外，爐內熱損失大，電能損耗過大。
       精煉的目的是把雜質充分還原，使鐵合金較好地沉淀聚集，爐內氣體暢通排出，同時進一步提高熔液溫度和擴大熔化面積。電爐轉入精煉時要停止加料，采用低電壓，使投入的爐料盡量熔化。精煉充分的特征是：爐內料層很薄，電極周圍的爐料和熔液緊緊相貼，液面十分穩定；三相電極電流表指針穩定。電極根逸出氣體不多，電弧聲一致不間斷。精煉期如果控制不好會過分地增加電能的消耗。精煉的好壞直接影響剛玉的質量和產量。
       在長期的實踐過程中，我們對冶煉工藝不斷進行改進，摸索出一套適合生產現狀的冶煉新方法。傾倒爐冶煉新工藝結合了自身條件，在冶煉過程中可以調整碳量的配比，彌補了因化驗誤差、配方不準導致爐況不穩定的缺陷；增加補料次數，將暴露在外的弧光掩埋，提高對電弧熱能的利用水平；降低料面高度，增大爐殼上部到水冷蓋下部的空間，增加爐內空間，保證煙塵可以被很好地捕集，減少煙塵的排放；采用薄料面運行，使還原反應產生的氣體均勻排出，降低爐內氣體壓力，避免噴爐現象的發生。
       通過比較敞弧法和埋弧法的優缺點，結合我們生產中的實際運用，棕剛玉冶煉新工藝采用半敞半埋的方式。新工藝可以控制原料的投入量，降低了料面高度，跟傳統傾倒爐冶煉工藝相比料面高度降低40厘米，增加了爐內空間；降低了煙塵在爐內的密度，有效地對排放出來的煙塵進行處理，使得煙塵不外逸在操作區內。相比傳統的傾倒爐冶煉工藝，其環保效果更加明顯，讓工人避免接觸到排放出的煙塵，更能保障工人的健康。
       從實際生產數據可以看出，傾倒爐冶煉工藝能有效地提高產量、降低電耗，保證經濟效益的穩步增長。
       節能關乎企業的生存和發展，通過不斷改革創新，增強企業的競爭力、生命力，創造良好的經濟效益和社會效益是企業所應追求的。
       隨著近年來中國經濟快速發展，棕剛玉行業技術創新力度不斷加大，未來其有望成為中國磨料磨具大類中占比最大的產品種類。同時，棕剛玉在研磨工業鏈后期的獨特優勢，也極大地推動了棕剛玉在拋光中的應用。只有不斷地技術創新，走節能減排的道路，才是棕剛玉行業今后發展的必經之路。
       （此文刊登于《中國冶金報》2015年3月3日12版）