浅谈提高电炉炉衬寿命的措施

1 浅谈提高电炉炉衬寿命的措施浅谈提高电炉炉衬寿命的措施 王 刚 摘要摘要 本文通过介绍电炉炉衬的侵蚀机理 电炉炉衬材料 合理的炉衬烘烤烧结工艺 以及良好的工艺操作等方面分析了影响炉衬寿命的主要因素 并简要地提出了提高电 炉炉衬寿命的几项措施 关键词 关键词 电炉 炉衬 寿命 措施 1 前言前言 电炉炉衬的使用寿命对于需要连续大规模生产的冶金 铸造企业来说具有重大意 义 由于炉龄是一项综合性指标 炉龄的高低直接影响到钢产量的提高和原材料消耗 因此提高电炉炉衬寿命 降低耐火材料消耗 提高电炉炉龄己引起人们的普遍关注 2 电炉炉衬侵蚀机理及对其性能的要求电炉炉衬侵蚀机理及对其性能的要求 2 1 电炉炉衬侵蚀机理电炉炉衬侵蚀机理 1 炼钢电弧炉的炉顶 炉墙热点部位 如渣线 及炉底是电弧炉的薄弱环节 炉顶耐火材料损毁的原因 一是飞溅物 炉尘的侵蚀作用 二是由于电极周围温 度高 炉顶温差较大造成的熔蚀和热震作用 常用的耐火材料有高铝砖 镁铬砖 白 云石砖 硅砖等及相应材质的耐火浇注料或捣打料 炉墙热点部位的内衬容易蚀损 其原因是温度过高 熔渣 钢水侵蚀严重 装料 时的冲击作用等 常用的耐火材料主要是各种碱性耐火材料砌筑 损坏时常进行喷补 或铲补 炉底损毁的主要原因是化学侵蚀和机械冲击 常用碱性耐火捣打料或浇注料 电炉各部位炉衬损毁的原因 如表2 1所示 表2 1 电炉各部位炉衬损毁的原因 电炉部位主要损毁原因 炉底 炉坡 熔池高温钢水 熔渣的侵蚀和冲刷 废钢加入的机械冲击 热点 渣线区 钢水和熔渣的严重侵蚀和冲刷 废钢加入的机械冲击高温热辐射和钢水 熔渣的搅拌作用 不同冶炼时期气氛的影响 2 电炉部位主要损毁原因 炉门口下侧 两侧及出钢口 除与热点 渣线区相似的损毁原因外 扒渣时的侵蚀和冲刷 吹氧气 的影响 炉料 熔剂 石灰 莹石等 高温下产生液相 气相对砖的渗 透 电炉炉盖 炉顶 温度急变 热辐射 不同时期的气 液相渗透和侵蚀 2 电炉中耐火材料最普遍的损毁机理是侵蚀 冲刷 熔融 剥落和水化 五种因 素中最主要的是侵蚀 电炉耐火材料承受两种类型的侵蚀 化学侵蚀 氧化铁 FeO 或渣中的酸性组分 例如二氧化硅与氧化钙和氧化镁之间的化学反 应如下式所示 FeO MgO FeO MgO SiO2 2MgO 2MgO SiO2 CaO SiO2 MgO CaO MgO SiO2 所有这些反应使炉衬变为熔渣而导致耐火材料损毁 氧化是经常发生在电炉炉衬中耐火材料侵蚀的一种特殊形式 在此侵蚀机理中耐 火材料的碳成分由氧化铁或氧气而被侵蚀 FeO C Fe CO O2 2C 2CO 渣中的氧化铁与砖衬的热面中的石墨或焦油 树脂反应 或氧气侵蚀砖衬冷面的石 墨或碳粘结剂 在这两种情况下 砖的强度降低 并可能被熔渣或钢水冲蚀 冲刷是第二位的耐火材料损毁机理 由于钢水或熔渣流过耐火材料表面并物理地磨损或冲刷炉衬而导致了物理损毁 在电炉的出钢口 渣线 电极口或排气口平台等处冲刷蚀损机理是最普遍的 一个更为错综复杂的耐火材料损毁机理称之为剥落 这是由于炉衬耐火材料遭受 迅速加热和冷却导致耐火材料产生应力而造成的 该应力常常超过耐火材料的强度 因而导致裂纹的相交贯穿 炉衬的碎片将会剥落或完全脱落 这种情况普遍发生在电 炉炉顶上 水化也是电炉耐火材料损毁的一个因素 假如水渗入炉盖或炉墙 水或水蒸汽能 侵蚀耐火材料炉衬 其中的氧化镁和其它碱性氧化物与水或水蒸汽发生如下反应而被 3 水化 MgO H2O Mg OH 2 水化的耐火材料衬耐熔渣和钢水的渗透性差 2 2 电炉炉衬对耐火材料性能的要求电炉炉衬对耐火材料性能的要求 1 耐火度 电弧温度高达3000 以上 炼钢温度常在1550 1650 之间 在返回吹氧冶炼不 锈钢时 吹氧末期钢液温度在短时期内高达1800 以上 因此耐火材料的耐火度必须 高 2 荷重软化温度 电炉熔炼是在高温负荷和经受钢水冲刷的恶劣条件下进行的 因此耐火材料要有 高的荷重软化温度 3 热稳定性 电炉熔炼时温度高 而出钢后 开出炉体 或旋转炉盖 进料时 温度由1600 左 右骤然降至900 以下 因此要求耐火材料有良好的热稳定性 4 抗渣性 电炉熔炼是一个复杂多变的物理化学反应过程 为抵抗高温时不同性质 不同成 分的炉渣和钢液以及炉气的化学侵蚀 耐火材料必须有良好的抗渣性 化学稳定性 5 耐压强度 耐火材料经常受炉料冲击 必须有高的耐压强度 6 导热率和导电率 为减少电炉熔炼时的热损失 以降低电耗 因此耐火材料的导热率和导电率必须 低 3 提高电炉炉衬寿命的措施提高电炉炉衬寿命的措施 3 1 耐火材料的选用耐火材料的选用 筑炉用耐火材料的性能直接影响着炉衬的使用寿命 水晶石英砂具有较高的耐火 度 较小的膨胀系数以及较低的导热性 有足够高的强度和化学稳定性 能抵抗熔渣 的侵蚀 能承受加料时固体金属炉料的冲击和融化后液体金属的静压力 有较好的耐 急冷急热性 能反复承受金属液融化的高温以及出炉后的降温过程 其化学成分和使 4 用性能如下表 3 1 所示 表 3 1 石英砂的化学成分和使用性能 化学成分SiO2CaOFe2O3 FeOAl2O3软化温度耐火度 数 值99 89 0 01 0 004 0 01 1650 1750 保证石英砂质量 除了严把进料关外 在打结炉衬前还需对石英砂做如下处理 过筛或手选 去除块状物及其他杂质 磁选 完全去除磁性杂质 一般要求石英砂中的水分含量应小于0 5 对其应缓慢烘干处理 烘干温度为 210 280 时间在4h 3 2 粘结剂的选用粘结剂的选用 选用硼酸 H2BO3 作为粘结剂 硼酸在石英砂混合料中主要起粘结作用 硼酸的 加入量在2 3 之间比较合适 但在生产过程中发现 当炉衬中硼酸的含量大于2 5 时 随硼酸加入量的增加 炉龄显著下降 且在熔炼后 炉壁表面有液体晶体向下流 动 其侵蚀速度随硼酸含量的增加而增大 因此 在烧制炉衬过程中硼酸的加入量的 选择为2 0 2 5 3 3 粒度配比粒度配比 炉衬材料中粗细颗粒各起不同的作用 一粗颗粒起骨架作用 它抗冲击性强 高 温性能好 抗渣性能强且能改善炉子的隔热性能 但打结密度差 在与金属接触的表 面上难以形成稳固 完整的烧结层 膨胀较大 容易引起炉衬松散 破裂 细颗粒用 来填充粗颗粒之间的空隙 增加接触表面 以得到较致密的炉衬 但细砂易烧蚀 若 含量太高 耐火度及抗浸蚀能力会降低 同时由于细砂表面活性大 形成的大量玻璃 态物质将与铁水和炉渣积极反应 促使炉衬过快侵蚀 此外由于高温 细砂粒容易融 合 使炉衬收缩 产生裂纹 石英砂的粒度配比及捣固方法影响炉衬的使用寿命 其主要影响炉衬的耐蚀性能 和抗高温冲击性能 经试验 炉衬的抗侵蚀能力与其基体密度成正比 炉衬密度越大 基体组织越密 炉衬的抗侵蚀能力越强 石英砂配方如表3 2所示 表3 2 炉衬石英砂配方 石英砂的粒度 目 8 1010 2020 4070 140270 5 新工艺1124202025 配比 旧工艺1025251030 3 4 制定合理的炉衬烘烤烧结工艺制定合理的炉衬烘烤烧结工艺 炉衬材料中的水分来源有 硼酸转变时析出的水分 石英砂中的残余水分和隔 热层中石棉板等材料的少量水分 修补耐火砖层 炉体时带入的水分 根据水分来 源 可预先脱水 在打结前 除了对石英砂进行烘干外 需对硼酸进行部分脱水处理 可放在电烤箱中烘烤 炉温控制在160 200 之间 1小时后取出 冷却到60 时就可 以与石英砂搅拌 经此方法处理后 可减少15 18 的水分 烘炉初期 由于炉衬含 水量较大 水分又不易排除 这就要求升温缓慢 否则 水蒸汽排不出去 使炉口上 涨 造成炉衬松散 水蒸汽残留在烧结层中形成峰窝状孔洞 极易渗漏铁水 在随后的烘炉过程中 石英砂将发生晶形转变 600 前 完成 晶形转变 体积急剧膨胀 870 900 完成 石英 鳞石英转变 体积变化较大 1200 后 石英变成磷石英和方石英的速度加快 体积膨胀较明显 因此 在600 前和1200 后 要特别控制升温速度 过快 会使炉衬厚度方向温度不均 易造成膨胀不一致引起开 裂 而且石英砂膨胀过快 在炉衬各层间易形成较大的剪切力 引起裂纹及剥落 3 5 减少炉渣对炉衬的影响减少炉渣对炉衬的影响 炉料中的铁锈 回炉料带入的型砂以及加料 出钢水时钢水溅在炉口和炉壁上被 氧化等 产生大量的FeO炉渣 这些FeO与炉衬中的SiO2 炉渣中的SiO2 Al2O3等氧化 物形成FeO SiO2 Al2O3系熔渣 在温度较低时 这些炉渣挂在炉壁上 温度较高时 又易于上浮 严重浸蚀时 粘结在炉壁上的炉渣冷却后不易清除 特别是大量炉渣不 早扒除 或生成粘糊状的炉渣过多 会结成一体 像锅盖一样盖在熔化的钢水表面 造成钢水过热 加速对炉衬的浸蚀 挂在炉壁上的炉渣冷却会掩盖炉衬的真实裂纹 导致因没有早期发现而造成钢水渗人或漏炉 为了减少炉渣对炉衬的影响 可采用如 下措施 熔炼过程中勤扒渣 避免炉渣沉积在炉壁上 不可同时使用含有SiO2和 Al2O3的材料 回炉料应清理干净 生铁和废钢需经除锈处理 在熔渣附着较多时 可加一些石灰石除渣 熔化切屑时 应保持切屑干燥 清洁 无锈无杂质 3 6 优化操作工艺优化操作工艺 在引用新材料和新技术的同时 还要对操作工艺进行优化 主要有以下几个方面 1 合理热装铁水 6 考虑到电炉的配碳量 供氧强度和脱碳速率对炉衬寿命的影响 在满足工艺要求 的前提下 配加占装入量 30 40 的铁水代替生铁 铁水随第一批料装入 由于相对减 少了装料次数 同时铁水带入大量的物理 化学热 使冶炼时间相对缩短 从而减少 了高温钢水对炉衬的浸蚀时间 提高了炉体寿命 2 采用泡沫渣操作 氧化期造泡沫渣的工艺参数最佳值如下 碱度 1 8 2 1 时泡沫渣高度达 250mm 此时当渣中 FeOn为 20 25 时泡沫渣持续时间最长为 40 秒 合适的加发泡剂的温 度为 1530 1600 根据某厂实际情况 确定在装第一批钢铁料时炉底垫入 350 450Kg 石灰 在熔池形成后 均匀加入 C 粉使其发泡 在还原期 该厂造泡沫渣操作 的经验值为 石灰 20 27 公斤 吨 萤石 4 6 公斤 吨 Si C 粉分两批 每次 75Kg 均 匀撒开 发泡效果仍然良好 如新建电炉时 采用碳氧枪喷吹造泡沫渣 效果更好 采用泡沫渣操作后 降低了炉衬的侵蚀速度 同时由于渣层厚 埋弧送电 也减 少了高温电弧对炉衬和炉盖的烧损 改善了耐火材料的工作环境 相应延长了耐火材 料的使用寿命 3 合理装料 首先严把配料关 将形状不规则的料进行切割 尽量减少装料次数 减少因多次 旋转炉盖造成的热损失 配料时做到好次料重轻料合理搭配 料斗内布料应达到下密 上疏松 中间高四周低 穿井快不搭桥 同时 根据不同的炉役采用不同的装入量 避免因装入量不合理造成升温速度慢 炉衬侵蚀加剧 4 控制吹氧 控制吹氧压力在 0 4 0 6MPa 严禁大氧压吹氧 吹氧时以割料为主 不得压管子 吹氧和深插钢水吹氧 确保氧末碳受控率 防止出现过氧化现象 5 温度控制 冶炼全过程注意温度控制 确保氧化温度 扒渣温度的合理 避免出现后期