概 况

棕刚玉是一种人造工业原料，广泛应用于耐火材料工业、各种材质的固结磨具、涂附磨具或研磨膏等，在国家现代化建设中它又是一个不可缺少的行业，棕刚玉在我国起步较晚，是1951年由当时的沈阳苏家屯砂轮厂研制成功，至今已经走过六十三年的里程，半个世纪以来我国的棕刚玉产业从无到有，从小到大。在上世纪八十年代之前，我国的棕刚玉生产，也只有中国第一砂轮厂、第二砂轮厂、第三砂轮厂、第四砂轮厂、第七砂轮厂等几家大的国营企业在生产，当时的产量也不过十几万吨，自从我国改革开放以来，棕刚玉生产像雨后春笋般蓬勃发展起来，到目前为止，全国的棕刚玉生产能力已经突破300万吨，成为世界上棕刚玉生产第一大国，但是棕刚玉的生产是非常消耗能源的，当今世界，节能减排不仅是国家政策所趋，也是降低成本、提倡低碳经济所需，它关系能源、关乎环保，将永远为人类所重视、所追求，所以今天我们就棕刚玉节能措施的研究展开论述：

在这里，主要阐述的是在棕刚玉倾倒炼炉生产中积累的一些认识和体会。作为这项产品多年的生产厂家，我们通过不断的学习、摸索、改进、实践，一步一个台阶，达到现在这样一个比较理想的阶段。

降 低 冶 炼 成 本

棕刚玉倾倒炉在生产过程中大量消耗电能，是名副其实的电老虎，在如何降低耗电量这方面我们经过不断实践，主要从以下三方面进行改进：铝矾土是生产棕刚玉的主要原材料，但它也是铝工业、耐火材料工业和石油工业的主要原材料。随着国家工业化进程的不断提速以及铝工业、耐火材料工业、石油工业的飞速发展，高品位的铝矾土矿已踪迹难觅，棕刚玉生产对铝矾土矿的要求与铝工业、耐火材料工业不同，后者要求铝矾土矿的品位较低。

我国的棕刚玉生产起初都是用固定炉进行生产的，上世纪七十年代出现了倾倒炉生产工艺，目前我国棕刚玉生产使用固定炉和倾倒炉的比例大约为3:4。不论是固定炉也好或是倾倒炉生产也罢，其生产工艺基本相似，都是以铝矾土为主要原材料，再配以其它辅助材料在矿热炉中经高温熔化，经一系列的物理化学反应而制得的，是一种能耗比较高的产品，其能耗费用在生产成本中约占2/5-1/2，因此铝矾土品质的好坏决定了能耗的高低。上世纪八十年代之前，生产棕刚玉所用的铝矾土其Al₂O₃含量均为80%左右，铝硅比为20:1，用这种高品铝矾土生产棕刚玉时，固定炉的单位耗电为2600KWh左右，倾倒炉单位耗电为2500KWh左右。铝矾土中的Al₂O₃含量与单位耗电的关系如图

目前在我国境内Al₂O₃含量达到85%的铝矾土矿奇缺，或者说已经枯竭。现在生产棕刚玉所用的铝矾土其Al₂O₃的含量多在70%-80%之间,SiO₂含量在5%-15%之间。铝矾土中SiO₂含量的高低对单位耗电的影响显著，有资料表明，SiO₂在铝矾土中的含量每增加2%时其单位耗电可增加8%-16%，为此目前各棕刚玉生产企业单位耗电都居高不下，固定炉单位耗电达到2800KWh左右，倾倒炉单位耗电达到2700KWh左右，有些甚至更高，加之电力和原材料价格不断上涨，使生产成本长期在高位运行，企业生产成本压力很大，同时也给节能减排带来了巨大的困难。

目前用于生产棕刚玉所用的铝矾土其Al₂O₃的含量为70%-75%左右的矿居多，从上文中的图表上可以看出，用这样的铝矾土矿去冶炼棕刚玉时单位耗电已在3000KWh以上，按当前的电价计算能耗费用要占生产成本的2/5以上，生产企业已基本上无利可图，由于诸多基础工业及刚玉制造业的快速发展，铝矾土需求量迅猛增长，也由于铝矾土资源的匮乏，再加上有的矾土供应商和中间环节的不规范行为，致使棕刚玉冶炼所用的熟铝矾土数量保证困难，而且质量严重下滑，棕刚玉冶炼成本更是节节攀升，因此严格控制原材料入厂标准，不仅是降低生产能耗的要求更是企业生存的需要。

2.1进料控制

在铝矾土矿原料入厂前，必须依据技术条件或质量标准来对其品质进行严格控制，抓住源头第一关，加强管理，对每批进厂矾土及辅料要有质量记录，以便合理配料和控制冶炼成本。

2.2备料前预选

备料工序是将合格的铝矾土、铁屑、无烟煤(焦碳)按质量和粒度要求进行准备，以便冶炼使用。在这个环节中，要有专人负责，必须严格控制入炉三大原料的质量。对矾土而言，首先要把混入的劣质不合格的杂质矿分拣出去，其次要区分粉料质量，对高含泥土的劣质粉料，必须过筛清除，这是重要的一个经济技术保障环节。

2.3炉料粒度控制

根据棕刚玉冶炼工艺规程的要求，入炉矾土粒度一般控制在30mm以下。分期炉料配制入炉矾土粒度对冶炼过程的技术经济指标有一定的影响。在实际冶炼过程中，前、中、后期的入炉矾土粒度要求是不一样的，以前期投入混合料、中期颗粒料、后期细粒、精炼期粉料的工艺为最佳工艺。

改 进 冶 炼 设 备

3.1缩短短网的长度

缩短短网的具体措施有以下几个：电炉变压器要在满足安全距离和操作间距的情况下尽量靠近炉体，在变压器下加支持底座，使各段短网处于同一水平面上，变压器低压出线的中部位置与短网的水平面相等，这样就省略了从变压器出线至短网水平面这一段。

此外，短网还要有可挠部分，用以达到电极升、降的要求，为了满足倾倒炉生产要求，在变压器外墙与电极横臂间采用挠性水冷电缆(或软铜带)。水冷电缆(或软铜带)的长度应考虑电极的升降高度，以及在保证其曲率半径及扭曲的情况下尽可能缩短，以减少短网导体电阻。

3.2减少接触电阻

为了减少短网电阻，短网各部分连接方式应尽量采用焊接，或减少接头或增大接触面积，并有足够的接触压力，以减少短网各部分的接触电阻。倾倒炉短网的接头较多，而通过短网的电流很大。连接不良，就会使接触电阻增大，不但会增大短网的功率损耗，而且还可能烧毁接头。因此应尽量减少接头，对不拆卸的接头应采用焊接的方法或增大接面积，接触面应保持清洁平整，使之有足够的压力。

近年来，随着电极接触导电膏的问世，在接头处涂抹导电膏又成为降低接触电阻的新方法。导电膏是一种含导电填料和胶黏剂的具有流动性的糊状导电涂料，使用导电膏不仅可以降低接头的接触电阻值，而且还可以降低温升，据相关资料介绍，使用导电膏后，可使夹头的电阻值下降25%--75%，温升下降25%--75%。

3.3减少附加电阻

附加电阻的产生与短网附件的铁磁构件在电磁感应作用下产生的涡流和磁滞损耗有关。这些构件的损失约占电阻损失的15%--20%。降低附加电阻的办法是在短网周围尽量避免使用磁性材料;钢质物体应离短网远些;在闭合的钢性物体中建立空气隙和加绝缘垫。

由于变压器低压出线端的电流很大，因此用来固定变压器出线的变压器箱体材料均采用非导磁材料;由于大电流在铁质构件类构件中产生的涡流损耗是非常大的，该损耗很难计算，因此短网附件尽可能不布置铁质构件，所有的短网夹件、吊件、固定构件均使用非导磁材料，如铝、铜、耐火砖等;由于棕刚玉冶炼倾倒炉一般均有炉罩，

而电极又必须穿过炉罩，为了减少涡流损耗，将电极穿过的周围炉罩部分用不锈钢制作;减少电极与电极卡子之间的接触电阻，采用压缩空气操动气缸，使电极卡子与电极接触处有较大的接触压力值。

此外，尽量使三相负荷平衡，使三相短网长度的差距缩小，以此来减少短网的附加电阻。

3.4降低短网温度

短网电阻随着温度升高会增大，使短网的功率损耗增加。如在10KA运行下的短网，温度每升高1摄氏度，每米母线约增加3-6W损失，因此需要降低短网的温度，减少电能损耗，在采用水冷短网的基础上，将原来位于炉罩正上方的挠性电缆部分移至倾倒炉侧面，通过此方法来进一步降低短网温度。

为了避免因变压器靠近倾倒炉而引起辐射热增加，在倾倒炉炉体上增设循环水对倾倒炉进行冷却。

3.5改进电极把持器

由于原卡头通有冷却水部分和无水冷部分是一个整体，无水冷部分和把持臂部分用大螺栓固定，通过中间的绝缘云母片产生绝缘的作用，二者连接在一起，更换损坏的卡头时不得不来回松动用来绝缘的云母片螺丝，由于云母片比较脆，这样频繁的更换极易造成云母片被拧透，导致冶炼过程中卡头漏电打火的恶性循环。

现将通有冷却水部分和无水冷部分分离，每次更换只需换掉水冷部分，无水冷部分仍和电极把持臂连接，不需要拆掉，克服了打弧和漏水现象，提高了绝缘性能。

设计气动压紧式自动松紧装置，代替人工压紧螺栓松紧装置，利用杠杆压紧力量，锁紧电极，空气压缩机压气缸，传动杆动作，压缩弹簧，放松压紧环，电极下移，当下移一定高度，气压传动杆回到原位置，弹簧动作、电极锁紧。

设计的气动压紧式自动松紧装置，冶炼时，在整个传动作业过程中电极下移，不需停电，不需间断冶炼，炉温保持不变。该装置具有结构简单，传动平稳，操作方便，安全可靠，省时节电，并改善了工人工作条件的优点。

改进后装置不易变形，工作可靠，特别是电极夹紧装置改进后，电极把持器夹紧力大，增大其接触压力，提高了电极导电能力，在冶炼过程中电极基本上没有滑落现象。事故率减少95%以上。改造后卡头结构简单，体积小，维修方便，大大地提高了电极卡头及铜带的寿命。

3.6改进循环水冷却方式

棕刚玉冶炼冷却水由原来的喷淋式改为全密闭式，设备使用全密闭方式对水冷盖、炉体和电气设备进行循环冷却，水量损失仅仅来源于循环水在换热过程中的能量损失，能较好的减少对水资源的浪费，改进循环水冷却方式就是在尽量节约水资源的前提下，合理利用现有资源对棕刚玉冶炼设备进行更好的冷却。有效的提高冶炼设备的换热效果，防止冶炼设备或电气设备因过热造成的损坏，减少热停炉现象，避免因事故造成的冶炼过程中断，延长了循环设备的使用寿命和维护周期，确保冶炼设备的降温效果。

改造后倾倒炉平均电耗得到了明显下降。

改进冶炼工艺

半个世纪以来，棕刚玉生产仍沿用传统的工艺从未改变。随着时代的变迁，矿产资源锐减，矿产品的质量不断下降，原材料和能源价格的不断提升，节能减排任务日趋繁重，棕刚玉生产已经四面楚歌，如果在技术上没有新的突破，可以预测十年之后生产棕刚玉的单位能耗及生产成本均会出现惊人的大幅上升，一部分棕刚玉生产企业也会因此而被迫关停。按照目前市场价格为不变价进行测算，届时棕刚玉的生产成本将会在4500-5000元之间，节能减排将成为不可逾越的难题，鉴于以上各种因素，未来的棕刚玉生产和发展必须在科学发展观的指导下尽快转变生产发展方式，走技术创新之路。

棕刚玉的冶炼工艺过程分为起弧、熔炼、控制、精炼四个阶段。

起弧是棕刚玉冶炼的前提，为使三相电极之间电流相同，要摆放起弧焦。起弧焦摆放时，先加少量矾土，平整炉底，电极稍离炉底。用铁屑与碳粒混合以一定形状铺设在炉池中心，三根电极下部多铺设起弧焦，使三项电极互相成通路。起弧焦摆放方法有三种：星形摆放法、实心三角形摆放法和空心三角形摆放法。经过实践对比选择星形摆放法，其优点是起弧焦用量少，炉内增碳少，起弧快，热量集中在炉池中心。

摆放好起弧焦后进行送电起弧，落下三项电极至起弧焦上时，看到弧光和听到电弧声时，说明已经起弧。待电流升至正常负荷的20%～50%时，在电极外侧和弧光区加少量炉料压住弧光。待电流上升到80%负荷时，正常加料、进入熔炼阶段。

熔炼占全部冶炼时间的80%以上，能有效把握棕刚玉冶炼的熔炼阶段是十分重要。在熔炼阶段，要使炉料熔化成液态，杂质还原，生成铁合金并与刚玉溶液分离。在熔炼过程中，要不断的用粘棍对熔液质量检查做出必要的炉前调整，还要防止各种“反常现象”的发生。根据熔炼程度料层会缓慢下落，保证炉内熔液充足在熔炼过程中要进行投料，投料以加满电炉使熔炼期终了为主要目标。新工艺改进主要是更进一步掌控熔炼阶段这一重要环节，熔炼阶段是关系着冶炼生产安全、能源消耗、冶炼单位时间利用、烟尘排放和工人劳动强度的重要环节。

所谓“控制”就是在一定时期内，停止加料，让炉内的料尽量熔融和还原，并使熔化面积向外扩大，炉况“控制”的好，溶液缓慢上升，整个料面均匀下沉，料下得多，熔化的快。在控制期内尽量把热量用到扩大熔化面积上。待结束后在投入炉边预热料继续熔炼。控制期内炉料并未完全熔融，避免溶液温度降低会让炉料缓慢进入熔液，弧光暴露在外，炉内热损失大，电能损耗过大。

精炼的目的是把杂质充分还原，铁合金较好的沉淀聚集，炉内气体畅通排出，同时进一步提高熔液温度和扩大熔化面积。电炉转入精炼时要停止加料，采用低电压，使投入的炉料尽量熔化。精炼充分的特征是：炉内料层很薄，电极周围的炉料和熔液紧紧相贴，液面十分稳定;三相电极电流表指针稳定。电极根逸出气体不多，电弧声一致不间断。精炼期如果控制不好会过分的增加电能的消耗。精炼的好坏直接影响刚玉的质量和产量。

在长期的实践过程中，我们对冶炼工艺不断进行改进，摸索出一套适合生产现状的冶炼新方法，倾倒炉冶炼新工艺的采用，结合了自身条件，在冶炼过程中调整碳量的配比，弥补因化验的误差、配方的不准导致的炉况不稳定。增加补料次数，将暴露在外的弧光掩埋，提高对电弧热能的利用。降低料面高度，增大炉壳上部到水冷盖下部空间，增加炉内空间，保证烟尘很好的捕集，降低烟尘的排放。采用薄料面运行，使还原反应产生的气体均匀排出，降低炉内气体压力，避免喷炉现象的发生。通过比较敞弧法和埋弧法的优缺点，结合我们生产中的实际运用，棕刚玉冶炼新工艺采用半敞半埋的方式，新工艺控制原料的投入量，降低了料面高度，跟传统倾倒炉冶炼工艺相比料面高度降低40cm，增加了炉内空间。降低了烟尘在炉内的密度,有效的对排放出来的烟尘进行处理，使得烟尘不外逸在操作区内，相比传统倾倒炉冶炼工艺的环保效果更加明显，让工人避免接触到排放出的烟尘，比传统冶炼工艺更加能保障工人的健康。

从实际生产数据可以看出倾倒炉冶炼工艺能有效的提高产量，降低电耗，保证经济效益的稳步增长。

总 结

节能关乎企业的发展和生命，通过不断改革创新，增加企业的竞争力、生命力，创造良好的经济效益和社会效益毕竟是企业所追求的。

随着近年来中国经济快速发展，棕刚玉行业技术创新力度不断加强，未来其将成为中国磨料磨具大类中占比最大的产品种类，同时由于棕刚玉在研磨工业链后期的独特优势，极大的推动了棕刚玉抛光中的应用。只有不断的技术创新，走节能减排的道路，才是棕刚玉行业今后发展的必经之路。

中国耐火材料行业协会刚玉分会