延長大型高碳鉻鐵電爐爐襯壽命的技術(shù)探討王學(xué)武，周廷富，羅詠梅(貴州正業(yè)工程技術(shù)投資有限公司，貴州貴陽550005)摘要:通過25MVA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(jī)理及影響爐襯壽命的主要因素，并總結(jié)出有效延長大型高碳鉻鐵電爐爐襯壽命的方法。關(guān)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(dá)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(shí)際冶煉環(huán)境遠(yuǎn)比中小型電爐的復(fù)雜，由于冶煉溫度高，渣鐵滲透能力強(qiáng)以及熔渣、金屬和耐火材料的相互作用，導(dǎo)致爐襯侵蝕嚴(yán)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25MVA硅鐵電爐，2010年轉(zhuǎn)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(jìn)行技術(shù)服務(wù)的時候，通過爐襯受損情況的分析，對爐襯結(jié)構(gòu)、耐火材料的選擇和爐襯維護(hù)使用等方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，使?fàn)t襯壽命大幅延長。本文介紹了延長大型高碳鉻電爐爐襯壽命的實(shí)踐。2冶煉特點(diǎn)及爐襯損壞的原因分析21冶煉特點(diǎn)高碳鉻鐵的生產(chǎn)，是在礦熱爐內(nèi)，以碳質(zhì)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(fù)合碳化物的一系列物理化學(xué)過程。25MVA電爐出爐鐵水溫度在19932063K，而合金熔點(diǎn)為1913K左右，鐵水過熱度達(dá)80150K，一般情況下，熔池內(nèi)的鐵水實(shí)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1113，所以目前在我國廣泛采用鎂質(zhì)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。22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。拆爐時采取分層澆水，邊降溫邊操作的辦法，將爐內(nèi)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(yán)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。23爐襯損壞的機(jī)理分析高碳鉻鐵電爐筑爐材料的一些特性見表1。231爐體設(shè)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(guān)系。設(shè)計院設(shè)計電爐時，一般是根據(jù)建設(shè)單位提出的冶煉品種、產(chǎn)量、單位電耗、爐襯壽命等技術(shù)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)，使其保持相對合理性。當(dāng)操作電氣參數(shù)一定時，爐膛、爐殼直徑過小，則將使?fàn)t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(yīng)創(chuàng)造了熱力學(xué)和動力學(xué)條件。當(dāng)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?fàn)t內(nèi)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(fù)荷下插電極，會造成爐底直接受到高溫電弧的破壞。232物理侵蝕爐墻和出鐵口砌筑所用燒結(jié)鎂磚的荷重軟化溫度為1823K，在該溫度以上，鎂磚內(nèi)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(hù)，所以鎂磚與合金接觸的界面實(shí)際呈軟化狀態(tài)。由于鐵水和鎂磚的密度分別為65103kg/m3和26103kg/m3，二者之間存在著較大的密度差。高溫鐵水沿鎂磚基質(zhì)相的軟化帶和砌縫滲透擴(kuò)散，基質(zhì)相被滲進(jìn)的鐵水排斥上浮而入渣，同時滲透進(jìn)的鐵水也破壞了主晶相方鎂石的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力超過其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生剝落和崩裂，造成局部損壞。熔池內(nèi)的強(qiáng)大弧光和電磁攪拌作用使得爐渣和鐵水劇烈運(yùn)動，加劇對爐襯的沖刷，爐墻鎂磚也因此逐步變薄。233碳磚的化學(xué)侵蝕承受爐內(nèi)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(zhì)耐火材料為中性，其特點(diǎn)是耐火度很高，導(dǎo)熱性很好，在還原性氣氛下，化學(xué)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(diǎn)可知，一般爐內(nèi)渣鐵溫度不會超過2273K，只要不是電弧光(中心溫度3000K)直接作用，碳質(zhì)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(xué)反應(yīng)，碳磚對爐渣的化學(xué)侵蝕有較好的抵御能力，但是當(dāng)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(qiáng)，與碳質(zhì)材料接觸，會迅速發(fā)生下列反應(yīng):2/3Cr2O3+26/9C=4/9Cr3C2+2COTk=1373K(或者生成Cr7C3、Cr23C6，反應(yīng)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(zhì)耐火材料雖然有抵御高溫的性能，但是當(dāng)合金液中碳未飽和時，碳質(zhì)材料中的碳元素會參與到使合金碳飽和的物化反應(yīng)中去。文獻(xiàn)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(guān)系式:%C=1262923-131336/T+0063996%Cr這一經(jīng)驗(yàn)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(guān)系。在高碳鉻鐵的冶煉中，殘礦層、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(dāng)還原劑與殘礦層界面發(fā)生如下反應(yīng):Cr2O3+(CrFe)7C3=2Cr+7(CrFe)+3CO這個界面反應(yīng)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(zhì)，其反應(yīng)為:C石墨CFe-Cr-C根據(jù)碳質(zhì)爐襯侵蝕的機(jī)理分析及碳質(zhì)爐襯受損的狀況，碳質(zhì)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。234鎂磚的化學(xué)侵蝕鎂磚的主要特點(diǎn)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1773K的還原氣氛中不穩(wěn)定，抗酸性渣性能差。結(jié)合高碳鉻鐵生產(chǎn)中的一些特點(diǎn)，從承受高溫的角度分析，鎂磚耐火度大于2273K，能夠承受高溫渣鐵熔體。但鎂磚荷重軟化溫度為17231823K，低于渣鐵熔體實(shí)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(dāng)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(dāng)爐渣與鎂磚接觸時，會發(fā)生下列反應(yīng):MgO+SiO2=MgOSiO2MgO+CaO+SiO2=CaOMgOSiO2這些反應(yīng)生成物熔點(diǎn)均在1723K以下，較易進(jìn)入渣中。當(dāng)渣中SiO2含量高，而渣中MgO低時，為達(dá)到平衡，鎂磚中的Mg2+就進(jìn)入爐渣中，生成MgSiO3，導(dǎo)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(dāng)合金中Si含量高時，會發(fā)生下列反應(yīng)，使鎂磚受損。2MgO+Si=2Mg+SiO23MgO+Si=2Mg+MgSiO3當(dāng)鎂磚與水蒸汽接觸時，還會發(fā)生下列水化反應(yīng):MgO+H2OMg(OH)2此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并伴隨著較大的體積膨脹，這是造成鎂磚粉化的原因。235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(jī)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。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(shí)踐31復(fù)合爐襯的砌筑綜合考慮爐襯的侵蝕部位、耐材性質(zhì)、冶煉品種的特點(diǎn)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(fù)合爐襯基本構(gòu)成(圖4)。311爐底的搗制鎂質(zhì)搗打料爐襯整體無縫，體積穩(wěn)定，耐蝕性能強(qiáng)，具有不滲渣鐵、不翻爐底、不漲爐殼等優(yōu)點(diǎn)，是替代鎂磚、碳磚構(gòu)筑高碳鉻鐵電爐爐底的最佳選擇4。鎂質(zhì)搗打料理化指標(biāo)如表2所示。爐底先鋪20mm厚石棉板一層，上面平鋪一層厚100mm，粒度為38mm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(cè)砌五層鎂磚，做為永久層。緊靠爐殼貼鋪一層20mm的石棉板，再貼一層30mm厚的纖維氈，在纖維氈和爐墻砌磚間用粒度為38mm的膨脹砂填充，厚度為