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：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：电炉炉衬寿命措施

1 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

2.1 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

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。

①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。

②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

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

3.1 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SiO2CaO Fe2O3+FeO Al2O3 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:

①过筛或手选，去除块状物及其他杂质；

②磁选，完全去除磁性杂质；

③一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

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

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）8~10 10~20 20~40 70~140 270

新工艺11 24 20 20 25 配比（%）

旧工艺10 25 25 10 30

3.4 制定合理的炉衬烘烤烧结工艺

炉衬材料中的水分来源有:①硼酸转变时析出的水分；②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；③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