延長大型高碳鉻鐵電爐爐襯壽命的技術探討

1、 延長大型高碳鉻鐵電爐爐襯壽命的技術探討王學武，周廷富，羅詠梅( 貴州正業(yè)工程技術投資有限公司，貴州 貴陽 550005)摘 要: 通過 25 mva 高碳鉻鐵電爐爐襯的解剖，論述了冶煉過程中爐襯的侵蝕機理及影響爐襯壽命的主要因素，并總結出有效延長大型高碳鉻鐵電爐爐襯壽命的方法。關鍵詞: 高碳鉻鐵; 爐襯; 侵蝕; 壽命1 引言高碳鉻鐵主要作為不銹鋼的原材料，占不銹鋼總比重的四分之一至三分之一。2011 年，我國的不銹鋼粗鋼產(chǎn)量已經(jīng)突破 1259 萬 t，對高碳鉻鐵的表觀需求量達到 315 萬 t1。為滿足市場需求及國家產(chǎn)業(yè)政策，各地新建、改建了許多大中型

2、高碳鉻鐵電爐。雖然在礦熱爐冶煉過程中，電爐爐襯的損壞不可避免，但是大型高碳鉻鐵電爐的爐膛實際冶煉環(huán)境遠比中小型電爐的復雜，由于冶煉溫度高，渣鐵滲透能力強以及熔渣、金屬和耐火材料的相互作用，導致爐襯侵蝕嚴重，壽命縮短，而且處于不穩(wěn)定狀態(tài)。云南某鐵合金公司有兩臺 25 mva 硅鐵電爐，2010 年轉產(chǎn)高碳鉻鐵合金，爐襯主要采用鎂磚和碳磚砌筑( 圖 1) ，但正常生產(chǎn)百余天就出現(xiàn)出鐵口根部被燒穿、電極小面爐殼發(fā)紅和爐底溫度增高的現(xiàn)象，造成非正常停爐。我公司在進行技術服務的時候，通過爐襯受損情況的分析，對爐襯結構、耐火材料的選擇和爐襯維護使用等方面進行了技術改進，使爐襯壽命大幅延長。本文介紹了延長大

3、型高碳鉻電爐爐襯壽命的實踐。2 冶煉特點及爐襯損壞的原因分析2 1 冶煉特點高碳鉻鐵的生產(chǎn)，是在礦熱爐內，以碳質還原劑還原鉻礦中氧化鉻和氧化鐵，生成各種形態(tài)的鉻鐵復合碳化物的一系列物理化學過程。25 mva 電爐出爐鐵水溫度在 1 993 2 063 k，而合金熔點為 1913 k 左右，鐵水過熱度達 80 150 k，一般情況下，熔池內的鐵水實際溫度比出爐鐵水還要高一些。高碳鉻鐵爐渣呈弱堿性，一般控制在 1 1 1 3，所以目前在我國廣泛采用鎂質爐襯生產(chǎn)高碳鉻鐵，也是基于高碳鉻鐵冶煉為高鎂堿性渣的角度出發(fā)的。2 2 爐襯受損狀況電爐停產(chǎn)后，自然冷卻一段時間，即開始對爐襯解剖。拆爐時采取分層澆

4、水，邊降溫邊操作的辦法，將爐內爐料、渣鐵清除干凈，襯磚熔蝕面全部露出后，測繪熔蝕深度。爐襯熔蝕情況見圖 2。在拆爐過程中，通過測量發(fā)現(xiàn)三相大面爐墻鎂磚較為完整，基本未被侵蝕; 三相小面和出鐵口根部，以及爐底碳磚侵蝕十分嚴重，其中爐底碳磚侵蝕最重，金屬爐底的最深處已接近爐底永久層。2 3 爐襯損壞的機理分析高碳鉻鐵電爐筑爐材料的一些特性見表 1。2 3 1 爐體設計本身的因素鐵合金電爐爐體的參數(shù)和操作電氣參數(shù)與爐襯的侵蝕有著密切的關系。設計院設計電爐時，一般是根據(jù)建設單位提出的冶煉品種、產(chǎn)量、單位電耗、爐襯壽命等技術要求，從而確定極心圓直徑尺寸、爐殼直徑、爐膛直徑、電極直徑、爐變二次電壓等參數(shù)，

5、使其保持相對合理性。當操作電氣參數(shù)一定時，爐膛、爐殼直徑過小，則將使爐膛的體積功率或面積功率密度過大，以及極墻距變小，從而使合金和爐渣的過熱度上升，此時，為爐襯侵蝕反應創(chuàng)造了熱力學和動力學條件。當爐膛和爐殼過大時，盡管爐膛功率密度下降，極墻距變大，但此時會使爐內總的操作電阻變大，電極下插過深，尤其是在出鐵后，為了送足負荷下插電極，會造成爐底直接受到高溫電弧的破壞。2 3 2 物理侵蝕爐墻和出鐵口砌筑所用燒結鎂磚的荷重軟化溫度為 1 823 k，在該溫度以上，鎂磚內部將會產(chǎn)生液相。因三相小面與電極距離較近，受電弧高溫作用使得小面爐墻難以掛渣保護，所以鎂磚與合金接觸的界面實際呈軟化狀態(tài)。由于鐵水和

6、鎂磚的密度分別為 6 5 103kg / m3和 2 6 103kg / m3，二者之間存在著較大的密度差。高溫鐵水沿鎂磚基質相的軟化帶和砌縫滲透擴散，基質相被滲進的鐵水排斥上浮而入渣，同時滲透進的鐵水也破壞了主晶相方鎂石的網(wǎng)狀結構使其離解上浮。高碳鉻鐵電爐為間斷式生產(chǎn)，出鐵口四周鎂磚由于受急冷急熱作用，且和渣鐵直接接觸，在其內部產(chǎn)生的熱應力超過其結構強度時，就會產(chǎn)生剝落和崩裂，造成局部損壞。熔池內的強大弧光和電磁攪拌作用使得爐渣和鐵水劇烈運動，加劇對爐襯的沖刷，爐墻鎂磚也因此逐步變薄。2 3 3 碳磚的化學侵蝕承受爐內液態(tài)渣鐵的爐缸部分的耐火材料是碳磚與縫糊( 電極糊) 。碳質耐火材料為中性

7、，其特點是耐火度很高，導熱性很好，在還原性氣氛下，化學穩(wěn)定性、抗渣性和抗碳飽和金屬液良好，但在高溫下其抗氧化能力較弱。根據(jù)高碳鉻鐵的生產(chǎn)特點可知，一般爐內渣鐵溫度不會超過 2 273 k，只要不是電弧光( 中心溫度 3 000 k) 直接作用，碳質材料能夠承受渣鐵熔體的高溫作用。從抗渣性分析，渣的酸性或堿性氧化物不易與碳元素發(fā)生化學反應，碳磚對爐渣的化學侵蝕有較好的抵御能力，但是當渣中含有大量的 cr2o3、cro( 尤其在渣層上部的初渣中含量更多) 時，其氧化性強，與碳質材料接觸，會迅速發(fā)生下列反應:2 /3cr2o3+ 26 /9c = 4 /9cr3c2+ 2co tk=1 373 k(

8、 或者生成 cr7c3、cr23c6，反應開始溫度略高些) 。2cro + 10 /3c = 2 /3cr3c2+ co( 或者生成 cr7c2，cr23c6) 。從抗液態(tài)金屬分析，碳質耐火材料雖然有抵御高溫的性能，但是當合金液中碳未飽和時，碳質材料中的碳元素會參與到使合金碳飽和的物化反應中去。文獻2亦對此作了闡述，在 fe-cr-c 三元系中，碳的溶解度與溫度和鉻含量存在著如下關系式:%c= 12 62923-13133 6/t + 0 063996%cr這一經(jīng)驗公式定量闡述了合金熔體中碳的溶解度隨溫度和鉻含量的升高而增大，反之則溶解度下降，始終存在著一種動態(tài)的關系。在高碳鉻鐵的冶煉中，殘礦

9、層、液態(tài)合金與碳磚之間的碳傳輸可以用圖 3 表示。合金中的碳可以充當還原劑與殘礦層界面發(fā)生如下反應:cr2o3+ ( crfe)7c3= 2cr + 7( crfe) + 3co這個界面反應使得合金中碳含量下降，此時若合金的過熱度大，就會加劇爐底碳磚界面向合金滲碳傳質，其反應為: c石墨cfe-cr-c根據(jù)碳質爐襯侵蝕的機理分析及碳質爐襯受損的狀況，碳質耐材不管是塊狀砌筑，還是整體焙燒的爐襯均不是生產(chǎn)高碳鉻鐵的理想爐襯材料3。2 3 4 鎂磚的化學侵蝕鎂磚的主要特點是耐火度高，抗堿性渣性能好，在氧化氣氛中穩(wěn)定，但高溫下荷重軟化溫度較低，在大于 1 773 k 的還原氣氛中不穩(wěn)定，抗酸性渣性能差

10、。結合高碳鉻鐵生產(chǎn)中的一些特點，從承受高溫的角度分析，鎂磚耐火度大于 2 273 k，能夠承受高溫渣鐵熔體。但鎂磚荷重軟化溫度為 1 723 1 823k，低于渣鐵熔體實際溫度。因此，如果鎂磚與鎂渣鐵熔體直接接觸，則界面呈軟化狀態(tài)。當鐵水與鎂磚接觸時，由于二者密度差較大，被軟化的鎂磚半熔體會在合金液中浮起。當爐渣與鎂磚接觸時，會發(fā)生下列反應:mgo + sio2= mgosio2mgo + cao + sio2= caomgosio2這些反應生成物熔點均在 1 723 k 以下，較易進入渣中。當渣中 sio2含量高，而渣中 mgo 低時，為達到平衡，鎂磚中的 mg2 +就進入爐渣中，生成mgs

11、io3，導致鎂磚被侵蝕。從抗高溫液態(tài)合金角度分析，鎂磚對 ca、fe、c的承受力較好。當合金中 si 含量高時，會發(fā)生下列反應，使鎂磚受損。2mgo + si = 2mg + sio23mgo + si = 2mg + mgsio3當鎂磚與水蒸汽接觸時，還會發(fā)生下列水化反應:mgo + h2omg( oh)2此反應為放熱反應，并伴隨著較大的體積膨脹，這是造成鎂磚粉化的原因。2 3 5 其它影響電爐爐襯除了承受上述可能侵蝕的因素外，還要受到周期性出鐵過程的侵蝕，即出鐵時的渣鐵沖刷以及開眼的氧氣燃燒和開眼機的沖擊等。爐襯砌筑施工不規(guī)范、烘爐制度不完善和爐料搭配不合理等也是造成爐襯被侵蝕的重要原因。

12、此外，電爐冶煉生產(chǎn)人員的操作方法對爐襯壽命的影響也不能忽視，如隨意降低或抬高爐眼位置、堵眼不深、渣鐵排放不及時和爐眼倒換不及時等等。3 延長爐襯壽命的實踐3 1 復合爐襯的砌筑綜合考慮爐襯的侵蝕部位、耐材性質、冶煉品種的特點及耐材價格等諸多因素，原則上在爐襯的特定部位砌筑特定耐材，以充分利用其良好的性能，以下為生產(chǎn)高碳鉻鐵的復合爐襯基本構成( 圖 4) 。3 1 1 爐底的搗制鎂質搗打料爐襯整體無縫，體積穩(wěn)定，耐蝕性能強，具有不滲渣鐵、不翻爐底、不漲爐殼等優(yōu)點，是替代鎂磚、碳磚構筑高碳鉻鐵電爐爐底的最佳選 擇4。鎂質搗打料理化指標如表 2 所示。爐底先鋪 20 mm 厚石棉板一層，上面平鋪一層

13、厚 100 mm，粒度為 3 8 mm 的耐火磚顆粒，做為彈性層。彈性層上干砌一層粘土磚，其上再側砌五層鎂磚，做為永久層。緊靠爐殼貼鋪一層 20 mm 的石棉板，再貼一層 30 mm 厚的纖維氈，在纖維氈和爐墻砌磚間用粒度為 3 8 mm 的膨脹砂填充，厚度為 90 mm。開始搗打鎂質打結料之前，靠爐殼側砌鎂磚二圈。每鋪 50 mm 打結料用平板振動機均勻打實，體積密度達 2 7 2 8 g/cm3，每層( 約 100 mm) 打結完以后用耙子耙出深 20 mm 的“人”字及“ ”形溝，再進行下一次打結，特別注意邊緣打實。3 1 2 爐墻的砌筑高碳鉻鐵冶煉過程中，熔池渣線部位是爐墻最薄弱的環(huán)節(jié)

14、，其中又以三相小面爐墻和出鐵口四周最易受侵蝕。所以在砌筑爐墻時需特別加以對待。三相大面爐墻。由上述爐襯損壞機理分析可知，爐襯被損壞的主要原因是高溫熔體與爐襯的直接接觸而發(fā)生的一系列物理化學作用，從而被侵蝕。因此，只要防止高溫熔體與碳磚或鎂磚直接接觸，即在爐襯上形成一定厚度的固態(tài)“假爐襯”，就可以阻止爐襯被繼續(xù)侵蝕。當爐內功率密度、熱分布狀態(tài)、渣鐵傳質傳熱性質及爐襯的散熱條件一定時，從爐心高溫區(qū)至爐殼的溫降梯度總是一定的，降低爐內溫度，改變熱分布狀態(tài)，或者加快爐殼散熱速度，不難使爐墻鎂磚內側溫度降低到渣鐵熔點以下，熔體在此處被凝結成固相。這個形成的固相結構( “假爐襯”) 可以阻礙高溫液態(tài)熔體對

15、爐襯的繼續(xù)侵蝕。同時得出，在每個出鐵周期內，存在著這樣的清況:隨著爐內渣鐵熔體的聚積增多，溫度升高，附著在爐襯上的“假爐襯”結構被逐漸融化進入液態(tài)熔體而使爐襯變薄; 出鐵后，熔體減少，溫度下降，則在“假爐襯”的融化面發(fā)生一次掛渣過程，使爐襯又增厚。這樣，只要渣型選擇合理，其熔點、黏度合適，渣鐵及時順暢排出，即可確?！凹贍t襯”在熔化變薄至掛渣增厚過程中始終有一定厚度，以保證大面爐墻不受侵蝕，因此在大面仍采用鎂磚砌筑。三相小面爐墻。三相小面的侵蝕主要原因是電極與爐墻距離較近，受電弧高溫作用使得小面爐墻鎂磚難以掛渣保護，尤其當爐心化料速度慢，電極工作端長時，電極會向小面傾斜，使得極墻距變小，此時，高

16、溫電弧侵蝕和殘礦層與小面爐墻鎂磚的反應趨勢增大，爐墻侵蝕嚴重。由表 3 可知，鎂鋁磚在高溫化學性能方面的抗酸性、抗金屬性均優(yōu)于鎂磚，鎂鋁磚的荷重軟化溫度為 1 893 1 933 k，高于鎂磚的 1 823 k。在結構性能方面，鎂鋁磚組織結構中，方鎂石與鎂鋁尖晶石的晶粒之間呈直接結合結構，而鎂磚的結構特點為方鎂石晶粒之間以緊密聯(lián)結形式存在，所以鎂鋁磚的結構性能顯著優(yōu)于鎂磚。價格上，鎂鋁磚略高于鎂磚。因此，小面爐墻采用鎂鋁磚砌筑，在略微增加成本情況下可顯著提高小面爐襯的抗渣性和荷重軟化溫度。出鐵口。由于出鐵口除了承受上述可能侵蝕的因素外，還要受到周期性出鐵過程的侵蝕，即出鐵時的渣鐵沖刷以及開眼的

17、氧氣燃燒和開眼機的沖擊等等，所以電爐的爐襯事故往往是從出鐵口開始的。鎂碳磚在生產(chǎn)工藝上采用真空處理、高壓成型的手段，故其顯氣孔率低、致密度高、耐沖刷性好，考察表 4，鎂碳磚的抗渣性、抗熱震性均優(yōu)于鎂磚，有報道表明3，在生產(chǎn)高碳鉻鐵電爐的出鐵口部位使用，效果良好。出鐵口周圍采用鎂碳磚，有利于提高出鐵口的耐沖刷性、抗渣性及抗熱震能力，有利于出鐵口的壽命和維護。其他。根據(jù)以往的生產(chǎn)經(jīng)驗，一般大型電爐爐墻從爐口往下 1 200 mm 處才開始出現(xiàn)明顯的侵蝕跡象，且靠近三根電極的小面爐墻侵蝕比相應的大面明顯。在不影響爐襯壽命的條件下，從爐口往下 1 000 mm 的爐墻采用粘土質耐火磚砌筑，以減少投資。

18、3 2 烘爐制度的改進高碳鉻鐵電爐復合爐襯全部采用干砌，電烘爐期間主要是焙燒電極和爐襯升溫。選擇合理的供電制度，保證足夠的烘爐時間，降低烘爐功率的上升速度，維持合理的升溫曲線，以保證電極焙燒強度和爐膛溫度。但是此時爐底的鎂質搗打料還沒有開始燒結，需在熔池溫度達到 1 873 k，3 h 以上方能燒結。若此時按正常冶煉的料批投料，會造成開爐初期爐襯損耗過快，因為在熔池溫度達到 1 873 k 之前，鉻礦中的金屬氧化物已經(jīng)開始被還原，液態(tài)合金滲入尚未燒結好的顆粒狀爐底中，使其融化，減少了爐底的工作高度6。為避免液體合金對爐底的侵蝕，在投料初期，少用或不用鉻礦配料，而采用高碳鉻鐵爐渣，從而有利于爐底

19、的快速燒結。3 3 爐底金屬底的形成一般情況下，高碳鉻鐵熔體的過熱度都在 150k 以下，在這種較低的過熱度下，液態(tài)金屬層的下部溫度很容易降到其熔點以下而形成固相。特別是在底部碳磚被部分侵蝕后形成的凹坑，其空腔被金屬或其它沉淀物填充，該區(qū)域的液態(tài)物受電磁力的攪拌作用減弱而容易形成一個靜止液態(tài)區(qū)域，對流傳熱作用減弱，溫度降低，這個靜態(tài)區(qū)的液態(tài)物更容易凝結成固相。因此，只要渣鐵的過熱度控制得合理，流動性不太強，把電極工作端控制在合適位置，防止對底部碳磚繼續(xù)“打井”，則在爐底以上的位置是可以形成并可維持一定厚度的固態(tài)金屬層。這個固態(tài)金屬層可以充當爐底的作用。3 4 爐料的合理搭配合理的爐料搭配，不僅

20、對爐內還原反應的順利進行非常重要，而且對延長爐襯壽命也很重要。而爐料的搭配是基于合理渣型的選擇，綜合考慮爐渣的三元熔點、爐渣黏度、導電性、sio2含量、mgo/al2o3等因素，使爐內有適宜的溫度條件、流動性，既能形成假爐襯結構，保護好金屬爐底，又能使每種爐渣、合金的排放順暢。根據(jù)三根電極插入深度及合金中 si 含量，焦炭配入量以理論值的 110% 115% 為宜。當電極下插過深時，可配加一定比例的大塊焦，減小爐料比電阻，增大焦炭層厚度，防止電極對金屬爐底造成“打井”損壞。3 5 加強冶煉操作水平3 5 1 準確掌握爐眼倒換時間開眼只能開正常眼位，嚴禁降低眼位，破壞爐底的金屬爐底層; 也不許抬高眼位，防止高溫區(qū)上移，影響渣鐵排放及破壞假爐襯，甚至侵蝕爐襯上部的鎂碳磚。發(fā)現(xiàn)兩側出鐵口液體深度相差較大時，立即倒換爐眼，保持爐底水平。3 5 2 確保渣鐵及時排盡電爐的熱停，特別是在熔煉后期，勢必造成爐渣、鐵水長時間接觸四周爐墻，加劇熔蝕作用。同時如熱停時間較長，也會使襯磚剝落或崩裂，更易被侵蝕。此時應及時找準原因，對癥下藥，使渣鐵及時排出，防止爐內積渣鐵過多，損壞爐