延长大型高碳铬铁电炉炉衬寿命的技术探讨.doc

http:/www.gtjia.com延长大型高碳铬铁电炉炉衬寿命的技术探讨王学武，周廷富，罗咏梅(贵州正业工程技术投资有限公司，贵州贵阳550005)摘要:通过25MVA高碳铬铁电炉炉衬的解剖，论述了冶炼过程中炉衬的侵蚀机理及影响炉衬寿命的主要因素，并总结出有效延长大型高碳铬铁电炉炉衬寿命的方法。关键词:高碳铬铁；炉衬；侵蚀；寿命1引言高碳铬铁主要作为不锈钢的原材料，占不锈钢总比重的四分之一至三分之一。2011年，我国的不锈钢粗钢产量已经突破1259万t，对高碳铬铁的表观需求量达到315万t1。为满足市场需求及国家产业政策，各地新建、改建了许多大中型高碳铬铁电炉。虽然在矿热炉冶炼过程中，电炉炉衬的损坏不可避免，但是大型高碳铬铁电炉的炉膛实际冶炼环境远比中小型电炉的复杂，由于冶炼温度高，渣铁渗透能力强以及熔渣、金属和耐火材料的相互作用，导致炉衬侵蚀严重，寿命缩短，而且处于不稳定状态。云南某铁合金公司有两台25MVA硅铁电炉，2010年转产高碳铬铁合金，炉衬主要采用镁砖和碳砖砌筑(图1)，但正常生产百余天就出现出铁口根部被烧穿、电极小面炉壳发红和炉底温度增高的现象，造成非正常停炉。我公司在进行技术服务的时候，通过炉衬受损情况的分析，对炉衬结构、耐火材料的选择和炉衬维护使用等方面进行了技术改进，使炉衬寿命大幅延长。本文介绍了延长大型高碳铬电炉炉衬寿命的实践。2冶炼特点及炉衬损坏的原因分析21冶炼特点高碳铬铁的生产，是在矿热炉内，以碳质还原剂还原铬矿中氧化铬和氧化铁，生成各种形态的铬铁复合碳化物的一系列物理化学过程。25MVA电炉出炉铁水温度在19932063K，而合金熔点为1913K左右，铁水过热度达80150K，一般情况下，熔池内的铁水实际温度比出炉铁水还要高一些。高碳铬铁炉渣呈弱碱性，一般控制在1113，所以目前在我国广泛采用镁质炉衬生产高碳铬铁，也是基于高碳铬铁冶炼为高镁碱性渣的角度出发的。22炉衬受损状况电炉停产后，自然冷却一段时间，即开始对炉衬解剖。拆炉时采取分层浇水，边降温边操作的办法，将炉内炉料、渣铁清除干净，衬砖熔蚀面全部露出后，测绘熔蚀深度。炉衬熔蚀情况见图2。在拆炉过程中，通过测量发现三相大面炉墙镁砖较为完整，基本未被侵蚀；三相小面和出铁口根部，以及炉底碳砖侵蚀十分严重，其中炉底碳砖侵蚀最重，金属炉底的最深处已接近炉底永久层。http:/www.gtjia.com23炉衬损坏的机理分析高碳铬铁电炉筑炉材料的一些特性见表1。231炉体设计本身的因素铁合金电炉炉体的参数和操作电气参数与炉衬的侵蚀有着密切的关系。设计院设计电炉时，一般是根据建设单位提出的冶炼品种、产量、单位电耗、炉衬寿命等技术要求，从而确定极心圆直径尺寸、炉壳直径、炉膛直径、电极直径、炉变二次电压等参数，使其保持相对合理性。当操作电气参数一定时，炉膛、炉壳直径过小，则将使炉膛的体积功率或面积功率密度过大，以及极墙距变小，从而使合金和炉渣的过热度上升，此时，为炉衬侵蚀反应创造了热力学和动力学条件。当炉膛和炉壳过大时，尽管炉膛功率密度下降，极墙距变大，但此时会使炉内总的操作电阻变大，电极下插过深，尤其是在出铁后，为了送足负荷下插电极，会造成炉底直接受到高温电弧的破坏。232物理侵蚀炉墙和出铁口砌筑所用烧结镁砖的荷重软化温度为1823K，在该温度以上，镁砖内部将会产生液相。因三相小面与电极距离较近，受电弧高温作用使得小面炉墙难以挂渣保护，所以镁砖与合金接触的界面实际呈软化状态。由于铁水和镁砖的密度分别为65×103kg/m3和26×103kg/m3，二者之间存在着较大的密度差。高温铁水沿镁砖基质相的软化带和砌缝渗透扩散，基质相被渗进的铁水排斥上浮而入渣，同时渗透进的铁水也破坏了主晶相方镁石的网状结构使其离解上浮。高碳铬铁电炉为间断式生产，出铁口四周镁砖由于受急冷急热作用，且和渣铁直接接触，在其内部产生的热应力超过其结构强度时，就会产生剥落和崩裂，造成局部损坏。熔池内的强大弧光和电磁搅拌作用使得炉渣和铁水剧烈运动，加剧对炉衬的冲刷，炉墙镁砖也因此逐步变薄。233碳砖的化学侵蚀承受炉内液态渣铁的炉缸部分的耐火材料是碳砖与缝糊(电极糊)。碳质耐火材料为中性，其特点是耐火度很高，导热性很好，在还原性气氛下，化学稳定性、抗渣性和抗碳饱和金属液良好，但在高温下其抗氧化能力较弱。根据高碳铬铁的生产特点可知，一般炉内渣铁温度不会超过2273K，只要不是电弧光(中心温度3000K)直接作用，碳质材料能够承受渣铁熔体的高温作用。http:/www.gtjia.com从抗渣性分析，渣的酸性或碱性氧化物不易与碳元素发生化学反应，碳砖对炉渣的化学侵蚀有较好的抵御能力，但是当渣中含有大量的Cr2O3、CrO(尤其在渣层上部的初渣中含量更多)时，其氧化性强，与碳质材料接触，会迅速发生下列反应:2/3Cr2O3+26/9C=4/9Cr3C2+2COTk=1373K(或者生成Cr7C3、Cr23C6，反应开始温度略高些)。2CrO+10/3C=2/3Cr3C2+CO(或者生成Cr7C2，Cr23C6)。从抗液态金属分析，碳质耐火材料虽然有抵御高温的性能，但是当合金液中碳未饱和时，碳质材料中的碳元素会参与到使合金碳饱和的物化反应中去。文献2亦对此作了阐述，在Fe-Cr-C三元系中，碳的溶解度与温度和铬含量存在着如下关系式:%C=1262923-131336/T+0063996%Cr这一经验公式定量阐述了合金熔体中碳的溶解度随温度和铬含量的升高而增大，反之则溶解度下降，始终存在着一种动态的关系。在高碳铬铁的冶炼中，残矿层、液态合金与碳砖之间的碳传输可以用图3表示。合金中的碳可以充当还原剂与残矿层界面发生如下反应:Cr2O3+(Cr·Fe)7C3=2Cr+7(Cr·Fe)+3CO这个界面反应使得合金中碳含量下降，此时若合金的过热度大，就会加剧炉底碳砖界面向合金渗碳传质，其反应为:C石墨CFe-Cr-C根据碳质炉衬侵蚀的机理分析及碳质炉衬受损的状况，碳质耐材不管是块状砌筑，还是整体焙烧的炉衬均不是生产高碳铬铁的理想炉衬材料3。234镁砖的化学侵蚀镁砖的主要特点是耐火度高，抗碱性渣性能好，在氧化气氛中稳定，但高温下荷重软化温度较低，在大于1773K的还原气氛中不稳定，抗酸性渣性能差。结合高碳铬铁生产中的一些特点，从承受高温的角度分析，镁砖耐火度大于2273K，能够承受高温渣铁熔体。但镁砖荷重软化温度为17231823K，低于渣铁熔体实际温度。因此，如果镁砖与镁渣铁熔体直接接触，则界面呈软化状态。当铁水与镁砖接触时，由于二者密度差较大，被软化的镁砖半熔体会在合金液中浮起。当炉渣与镁砖接触时，会发生下列反应:MgO+SiO2=MgO·SiO2MgO+CaO+SiO2=CaO·MgO·SiO2这些反应生成物熔点均在1723K以下，较易进入渣中。当渣中SiO2含量高，而渣中MgO低时，为达到平衡，镁砖中的Mg2+就进入炉渣中，生成MgSiO3，导致镁砖被侵蚀。从抗高温液态合金角度分析，镁砖对Ca、Fe、C的承受力较好。当合金中Si含量高时，会发生下列反应，使镁砖受损。2MgO+Si=2Mg+SiO23MgO+Si=2Mg+MgSiO3http:/www.gtjia.com当镁砖与水蒸汽接触时，还会发生下列水化反应:MgO+H2OMg(OH)2此反应为放热反应，并伴随着较大的体积膨胀，这是造成镁砖粉化的原因。235其它影响电炉炉衬除了承受上述可能侵蚀的因素外，还要受到周期性出铁过程的侵蚀，即出铁时的渣铁冲刷以及开眼的氧气燃烧和开眼机的冲击等。炉衬砌筑施工不规范、烘炉制度不完善和炉料搭配不合理等也是造成炉衬被侵蚀的重要原因。此外，电炉冶炼生产人员的操作方法对炉衬寿命的影响也不能忽视，如随意降低或抬高炉眼位置、堵眼不深、渣铁排放不及时和炉眼倒换不及时等等。3延长炉衬寿命的实践31复合炉衬的砌筑综合考虑炉衬的侵蚀部位、耐材性质、冶炼品种的特点及耐材价格等诸多因素，原则上在炉衬的特定部位砌筑特定耐材，以充分利用其良好的性能，以下为生产高碳铬铁的复合炉衬基本构成(图4)。311炉底的捣制镁质捣打料炉衬整体无缝，体积稳定，耐蚀性能强，具有不渗渣铁、不翻炉底、不涨炉壳等优点，是替代镁砖、碳砖构筑高碳铬铁电炉炉底的最佳选择4。镁质捣打料理化指标如表2所示。炉底先铺20mm厚石棉板一层，上面平铺一层厚100mm，粒度为38mm的耐火砖颗粒，做为弹性层。弹性层上干砌一层粘土砖，其上再侧砌五层镁砖，做为永久层。紧靠炉壳贴铺一层20mm的石棉板，再贴一层30mm厚的纤维毡，在纤维毡和炉墙砌砖间用粒度为38mm的膨胀砂填充，厚度为90mm。开始捣打镁质打结料之前，靠炉壳侧砌镁砖二圈。每铺50mm打结料用平板振动机均匀打实，体积密度达2728g/cm3，每层(约100mm)打结完以后用耙子耙出深20mm的“人”字及“×”形沟，再进行下一次打结，特别注意边缘打实。312炉墙的砌筑高碳铬铁冶炼过程中，熔池渣线部位是炉墙最薄弱的环节，其中又以三相小面炉墙和出铁口四周最易受侵蚀。所以在砌筑炉墙时需特别加以对待。