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 25 MVA 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 t［1］。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 25 MVA 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

2． 1 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。25 MVA 电炉出炉铁水温度在 1 993 ～ 2 063 K，而合金熔点为 1913 K 左右，铁水过热度达 80 ～ 150 K，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 1． 1 ～ 1． 3，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。

2． 2 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。

2． 3 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。

2． 3． 1 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。

2． 3． 2 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 1 823 K，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 6． 5 × 103kg / m3和 2． 6 × 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。

2． 3． 3 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 2 273 K，只要不是电弧光( 中心温度＞ 3 000 K) 直接作用，碳质材料能够承受渣铁熔体的高温作用。

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+ 2CO 

Tk=1 373 K( 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］= 12． 62923-13133． 6/T + 0． 063996［%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→［C］Fe-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］。

2． 3． 4 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 1 773 K 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 2 273 K，能够承受高温渣铁熔体。但镁砖荷重软化温度为 1 723 ～1 823K，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·SiO2

MgO + CaO + SiO2= CaO·MgO·SiO2

这些反应生成物熔点均在 1 723 K 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 + SiO2

3MgO + Si = 2Mg + MgSiO3

当镁砖与水蒸汽接触时，还会发生下列水化反应:

MgO + H2O→Mg( 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。

2． 3． 5 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

3． 1 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) 。

3． 1． 1 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。

⑴炉底先铺 20 mm 厚石棉板一层，上面平铺一层厚 100 mm，粒度为 3 ～8 mm 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。

⑵紧靠炉壳贴铺一层 20 mm 的石棉板，再贴一层 30 mm 厚的纤维毡，在纤维毡和炉墙砌砖间用粒度为 3 ～8 mm 的膨胀砂填充，厚度为 90 mm。

⑶开始捣打镁质打结料之前，靠炉壳侧砌镁砖二圈。每铺 50 mm 打结料用平板振动机均匀打实，体积密度达 2． 7 ～2． 8 g/cm3，每层( 约 100 mm) 打结完以后用耙子耙出深 20 mm 的“人”字及“× ”形沟，再进行下一次打结，特别注意边缘打实。

3． 1． 2 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。

⑴三相大面炉墙。由上述炉衬损坏机理分析可知，炉衬被损坏的主要原因是高温熔体与炉衬的直接接触而发生的一系列物理化学作用，从而被侵蚀。因此，只要防止高温熔体与碳砖或镁砖直接接触，即在炉衬上形成一定厚度的固态“假炉衬”，就可以阻止炉衬被继续侵蚀。当炉内功率密度、热分布状态、渣铁传质传热性质及炉衬的散热条件一定时，从炉心高温区至炉壳的温降梯度总是一定的，降低炉内温度，改变热分布状态，或者加快炉壳散热速度，不难使炉墙镁砖内侧温度降低到渣铁熔点以下，熔体在此处被凝结成固相。这个形成的固相结构( “假炉衬”) 可以阻碍高温液态熔体对炉衬的继续侵蚀。

同时得出，在每个出铁周期内，存在着这样的清况:随着炉内渣铁熔体的聚积增多，温度升高，附着在炉衬上的“假炉衬”结构被逐渐融化进入液态熔体而使炉衬变薄; 出铁后，熔体减少，温度下降，则在“假炉衬”的融化面发生一次挂渣过程，使炉衬又增厚。

这样，只要渣型选择合理，其熔点、黏度合适，渣铁及时顺畅排出，即可确保“假炉衬”在熔化变薄至挂渣增厚过程中始终有一定厚度，以保证大面炉墙不受侵蚀，因此在大面仍采用镁砖砌筑。

⑵三相小面炉墙。三相小面的侵蚀主要原因是电极与炉墙距离较近，受电弧高温作用使得小面炉墙镁砖难以挂渣保护，尤其当炉心化料速度慢，电极工作端长时，电极会向小面倾斜，使得极墙距变小，此时，高温电弧侵蚀和残矿层与小面炉墙镁砖的反应趋势增大，炉墙侵蚀严重。

由表 3 可知，镁铝砖在高温化学性能方面的抗酸性、抗金属性均优于镁砖，镁铝砖的荷重软化温度为 1 893 ～1 933 K，高于镁砖的 1 823 K。在结构性能方面，镁铝砖组织结构中，方镁石与镁铝尖晶石的晶粒之间呈直接结合结构，而镁砖的结构特点为方镁石晶粒之间以紧密联结形式存在，所以镁铝砖的结构性能显著优于镁砖。价格上，镁铝砖略高于镁砖。因此，小面炉墙采用镁铝砖砌筑，在略微增加成本情况下可显著提高小面炉衬的抗渣性和荷重软化温度。

⑶出铁口。由于出铁口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等，所以电炉的炉衬事故往往是从出铁口开始的。

镁碳砖在生产工艺上采用真空处理、高压成型的手段，故其显气孔率低、致密度高、耐冲刷性好，考察表 4，镁碳砖的抗渣性、抗热震性均优于镁砖，有报道表明［3］，在生产高碳铬铁电炉的出铁口部位使用，效果良好。出铁口周围采用镁碳砖，有利于提高出铁口的耐冲刷性、抗渣性及抗热震能力，有利于出铁口的寿命和维护。

⑷其他。根据以往的生产经验，一般大型电炉炉墙从炉口往下 1 200 mm 处才开始出现明显的侵蚀迹象，且靠近三根电极的小面炉墙侵蚀比相应的大面明显。在不影响炉衬寿命的条件下，从炉口往下 1 000 mm 的炉墙采用粘土质耐火砖砌筑，以减少投资。

3． 2 烘炉制度的改进

高碳铬铁电炉复合炉衬全部采用干砌，电烘炉期间主要是焙烧电极和炉衬升温。选择合理的供电制度，保证足够的烘炉时间，降低烘炉功率的上升速度，维持合理的升温曲线，以保证电极焙烧强度和炉膛温度。但是此时炉底的镁质捣打料还没有开始烧结，需在熔池温度达到 1 873 K，3 h 以上方能烧结。若此时按正常冶炼的料批投料，会造成开炉初期炉衬损耗过快，因为在熔池温度达到 1 873 K 之前，铬矿中的金属氧化物已经开始被还原，液态合金渗入尚未烧结好的颗粒状炉底中，使其融化，减少了炉底的工作高度［6］。

为避免液体合金对炉底的侵蚀，在投料初期，少用或不用铬矿配料，而采用高碳铬铁炉渣，从而有利于炉底的快速烧结。

3． 3 炉底金属底的形成

一般情况下，高碳铬铁熔体的过热度都在 150K 以下，在这种较低的过热度下，液态金属层的下部温度很容易降到其熔点以下而形成固相。特别是在底部碳砖被部分侵蚀后形成的凹坑，其空腔被金属或其它沉淀物填充，该区域的液态物受电磁力的搅拌作用减弱而容易形成一个静止液态区域，对流传热作用减弱，温度降低，这个静态区的液态物更容易凝结成固相。因此，只要渣铁的过热度控制得合理，流动性不太强，把电极工作端控制在合适位置，防止对底部碳砖继续“打井”，则在炉底以上的位置是可以形成并可维持一定厚度的固态金属层。这个固态金属层可以充当炉底的作用。

3． 4 炉料的合理搭配

合理的炉料搭配，不仅对炉内还原反应的顺利进行非常重要，而且对延长炉衬寿命也很重要。而炉料的搭配是基于合理渣型的选择，综合考虑炉渣的三元熔点、炉渣黏度、导电性、SiO2含量、MgO/Al2O3等因素，使炉内有适宜的温度条件、流动性，既能形成假炉衬结构，保护好金属炉底，又能使每种炉渣、合金的排放顺畅。

根据三根电极插入深度及合金中 Si 含量，焦炭配入量以理论值的 110% ～ 115% 为宜。当电极下插过深时，可配加一定比例的大块焦，减小炉料比电阻，增大焦炭层厚度，防止电极对金属炉底造成“打井”损坏。

3． 5 加强冶炼操作水平

3． 5． 1 准确掌握炉眼倒换时间

开眼只能开正常眼位，严禁降低眼位，破坏炉底的金属炉底层; 也不许抬高眼位，防止高温区上移，影响渣铁排放及破坏假炉衬，甚至侵蚀炉衬上部的镁碳砖。发现两侧出铁口液体深度相差较大时，立即倒换炉眼，保持炉底水平。

3． 5． 2 确保渣铁及时排尽

电炉的热停，特别是在熔炼后期，势必造成炉渣、铁水长时间接触四周炉墙，加剧熔蚀作用。同时如热停时间较长，也会使衬砖剥落或崩裂，更易被侵蚀。此时应及时找准原因，对症下药，使渣铁及时排出，防止炉内积渣铁过多，损坏炉衬。

3． 5． 3 及时修补炉墙

由于炉底侵蚀速度相对较慢，炉墙的维护就显得至关重要。每班设专人在出炉后对四周炉墙进行观察，对薄弱处及时进行修补。

3． 5． 4 精心维护炉眼

堵眼必须深堵，开眼( 人工开眼) 尽量少用氧气吹，修眼必须深修。

4 结语

⑴根据 25 MVA 高碳铬铁电炉炉衬损坏原因，结合高碳铬铁的冶炼特点，重新设计了炉衬结构，配合正确的操作工艺，电炉长期高负荷运行，而炉衬从未出现过异常情况，炉衬寿命得到有效延长。

⑵电炉炉衬寿命长短受到各方面的因素综合作用，只有采取全面的技术措施，才能使大型高碳铬铁电炉炉衬寿命达到最佳效果。

⑶研发新型物优价廉的耐火材料替代现用衬砖，采用复合炉衬结构砌筑，提高炉体整体的抗高温性能，是延长炉衬寿命的的发展方向。

参考文献:

［1］ 中国特钢企业协会不锈钢分会． 2011 年中国不锈钢产量表观统计［EB/OL］． 2012． 02． 06，http: / /www． exbxg．com / html / chanyeshuju / lanmu /2012． 02． 06 /46639．html．

［2］ 张 鉴． Fe-Cr-C 熔体的碳溶解度和作用浓度［C］． 第八届国际铁合金大会文献，1998: 181-187．

［3］ 翁安善． 铬铁电炉复合炉衬材料的选择［J］． 铁合金，2002( 4) : 14-17．

［4］ 王首元，王艳铃． 高碳铬铁电炉高基质千式打结料的研究［J］． 铁合金，1996( 4) : 50-51．

［5］ 李漫春． 镁铝砖等几种耐火材料性能的检测［J］． 铁合金，2007( 1) : 19-24．

［6］ 李长山． 使用复合炉底延长中低碳铬铁炉衬寿命的探讨［J］． 铁合金，2010( 2) : 9-11/ /15．