第五章 电炉系统用耐火材料

第五章电炉系统用耐火材料第1页电炉照片电炉炼钢以电能作为主要热源，使用三相交流电流或直流电流。炉料和电极间直接产生电弧，利用电弧高温熔化炉料，然后加入氧化剂、造渣剂、铁合金等以去除夹杂。将钢水化学成分和温度调整至规定值后注入钢包.80年代以来，电炉向大型化、超高功率化、直流化、连续化和自动化的方向发展，世界电炉炼钢生产技术得到更迅速的发展。电炉的工作原理电炉的工作原理电炉用耐火材料示意图电炉用耐火材料示意图电炉俯视图电炉俯视图电炉俯视图电炉俯视图5第一节第一节电炉炉顶用耐火材料电炉炉顶用耐火材料第一节第一节电炉炉顶用耐火材料电炉炉顶用耐火材料电炉炉顶最初采用硅砖砌筑，自60年代末期开始试用高铝质材料以来，因其耐火度、高温抗侵蚀性能以及良好的热震稳定性比硅砖优益，因此，高铝质材料在电炉炉顶上被长期使用。到90年代后，全水冷炉顶技术的广泛采用，为降低停炉时间，降低工人劳动强度，在电极三角区位置普遍采用以高铝质或刚玉质并添加有钢纤维的耐火浇注料整体预制炉盖。在未采用水冷炉顶的钢厂其电极三角区仍然采用磷酸盐（主要是磷酸铝）结合烧成或不烧高铝砖砌筑。砖种化学成分％耐火度℃显气孔率％荷重软化点温度℃常温耐压强度MPaAl2O3SiO2TiO2Fe2O3R2O高铝砖8573.681.750.3179015~191565~1590107.9~201.4不烧蓝晶石7814.42.141.310.15179019~221530~155070~105烧成红柱石砖54.28//1.74/179014.61620108.5烧成莫来石刚玉砖73.06//0.69/179019.9171081.7电炉炉顶常用耐火砖性能表濮耐电炉顶性能表牌号PN－DLD30DLD33DLD39化学成分％Al2O3+MgO80Al2O3+Cr2O39292体积密度g/cm31500℃×3h2.83.23.2耐压强度MPa1500℃×3h308080抗折强度MPa1500℃×3h51212线变化率％1500℃×3h0~+1.00~+1.00~+1.0最高使用温度℃180018001800濮耐生产的交流电炉顶实物图电炉顶损毁机理电炉炉盖是带有电极孔和排烟孔的球面形结构，外环部分称主炉盖，中间部分称小炉盖（又叫三角区），装料时炉盖可移开。电炉冶炼工艺极其复杂，三角区预制件使用条件非常苛刻。主要是受到电极弧光辐射、急冷急热、钢水和炉渣的化学侵蚀、除尘时所形成的高速气流冲击磨损以及炉盖结构不合理等因素的综合影响。使用中的电炉顶A弧光辐射电炉冶炼时电极放电所产生弧光温度高达4000℃以上，对小炉盖工作面进行剧烈熔损。起弧阶段，电弧暴露在炉料上方，距炉顶近，热辐射大，电弧越长，功率越大，对炉顶辐射热越大，炉顶损坏越快。一般钢厂要求在起弧时采用较低档送电，控制电弧长度；在穿井过程中逐渐采用大电压大电流供电，都是为了保护炉盖。B急冷急热电弧加热、出钢和炉盖旋转到炉外装料造成急冷急热，进而使炉盖产生热应力造成工作面剥落。C除尘系统抽力除尘系统抽尘所形成的高速气流对炉盖工作面的冲击磨损。抽力不足时，废钢熔化所产生的烟气和火焰大部分从电极与电极孔之间的间隙逸出，气流长时间剧烈冲刷使电极孔扩孔严重。在主炉盖呈球形或弧形结构时，将造成小炉盖工作面以弧形侵蚀。为此，操作者应定期清理除尘系统烟道内的杂物，以免烟道堵塞，影响除尘效果。D化学侵蚀钢水和炉渣喷溅至炉盖工作面，其中某些化学成分与工作面发生化学反应，并渗透到工作面内部，形成变质层。当温度骤变时所产生的热应力促使变质层剥落，进而形成新的工作面又遭受到循环损毁。熔池液面与小炉盖工作面距离越高，喷溅作用愈小，化学侵蚀影响就越小。高度一般在1.5m以上。E铁水兑入比例铁水中含有较高的硅和硫，在氧化气氛下易形成氧化硅和少量的氧化硫等酸性物质，将加剧对小炉盖的损毁。铁水兑入比例越高，影响越大。F电极喷淋水电极采用喷淋水措施不但降低了电极消耗，而且造成电极孔周围的温度降低，从而在一定程度上抑制了高温熔损。如果未采用该措施将加剧电极孔损毁（主要表现为扩孔）。G可更换水冷圈的漏水影响可更换水冷圈在很多钢厂都存在漏水现象。漏水时，水迅速被气化并随烟气抽出，对小炉盖影响不大。但是漏水严重时有可能导致钢水大喷或炉子爆炸事故，为预防该事故发生，往往提前将水冷圈换下焊接。与此同时小炉盖随之被吊下。重新焊接好后再一起吊上使用，此时工作面变质层遭受到严重的急冷急热，将导致小炉盖寿命大幅度降低。特别是一个小炉盖在使用过程中遭遇水冷圈频繁漏水、频繁焊接后循环使用遭到的损毁尤甚。有时见小炉盖在冷却状态下开裂严重或衬体较薄时，使用者便将之翻掉，人为地限制了小炉盖的使用寿命。因此，杜绝可更换水冷圈漏水是钢厂的首要任务。水冷预制炉盖H炉盖结构影响平顶结构炉盖在自重作用下，因电极孔之间的筋开裂，在无外力支撑的条件下易造成松动、蹋落，甚至3个电极孔连成1个大孔（主要由蹋落造成），最终导致使用者更换炉盖。如果是拱顶结构，即使有裂缝也会在炉盖自重作用下将裂缝挤紧，不会造成松动，可延续炉盖的寿命。因此，拱顶结构的炉盖在使用效果上要比平顶结构好。I造泡沫渣技术水平电炉冶炼后期，需要造泡沫渣。泡沫渣覆盖在钢水表面，将电极弧光埋住，不但提高热效率，而且弧光外露较少，对小炉盖工作面的熔损作用小。造泡沫渣有两种方法，一种是利用钢水中含有较多量的碳，在氧化气氛下，可自动形成一氧化碳穿过炉渣形成泡沫渣；另外一种方法利用的较普遍，在炉门口利用碳氧枪喷吹碳粉和氧气，生成一氧化碳穿过炉渣形成泡沫渣，同时也可以人工补加碳粉造渣。可见泡沫渣造的好坏对小炉盖的使用也有一定影响。第二节第二节水冷炉壁水冷炉壁第二节第二节水冷炉壁水冷炉壁22为强化冶炼，缩短冶炼时间，提高效益，许多钢厂采用氧燃助熔技术。氧燃助熔的喷嘴，可安装在炉门、炉壁或炉盖上。主要采用氧－油、氧－煤喷吹技术。水冷炉壁主要采用铸铁或锅炉钢焊接而成，附设有挂渣钉，具有良好的挂渣能力。水冷炉壁通过挂渣，可有效避免电弧将之击穿导致漏水。水冷炉壁由若干块炉壁块组成，与炉壳内侧向平齐，确保每个炉壁块可垂直向上吊出炉壳。使用水冷炉壁的好处是耐火材料和电极消耗下降，炉料有效容积扩大；电炉维修工作量和停炉时间相应减少，水冷内壁不需修理，作业率提高。第三节第三节电炉侧墙用耐火材料电炉侧墙用耐火材料第三节第三节电炉侧墙用耐火材料电炉侧墙用耐火材料第23页电炉侧墙的结构一般可分为保温层和工作层两个部分。保温层用石棉板和粘土砖砌筑。电炉侧墙的寿命主要决定于局部损坏。炉墙下部渣线长时间处于高温炉渣的浸泡之中，炉渣的物理渗透和化学侵蚀都是非常严重的，通过流动的熔渣和钢水的冲刷，往往造成深深的凹槽，导致渣线超前蚀损。此外，炉墙各部位的温度分布也是不均匀的，其中的“热点”区域的温度最高，该处炉衬损毁最快。而且，三个热点部位的损毁程度也不一样，尤以2号电极附近的炉墙，特别是该部位的渣线处蚀损最严重，常常成为停炉的主要原因。普通功率侧墙用耐火材料不带水冷炉壁的电炉侧墙，一般采用MgO－C砖砌筑。热点区域和渣线部位是使用条件最苛刻的部位，不仅受到钢水和炉渣的严重侵蚀和冲刷以及加入废钢时的机械撞击，而且还受到温度高达4000℃的电极弧光的热辐射。热点和渣线用镁碳砖的性能见上表。钢厂MgO％C％体积密度g/cm3显气孔率％常温耐压强度MPa高温抗折强度MPa(1400℃)舞钢75吨电炉76172.8543412.6大冶钢厂50吨电炉7616.42.8433114.5UHP电炉侧墙用耐火材料超高功率电炉侧墙几乎都是使用MgO－C砖砌筑，其热点区域和渣线部位则使用性能突出的MgO－C砖砌筑，尤以全碳基质MgO－C砖更适合这些部位的使用条件，能大幅度地提高其使用寿命。对于采用EBT出钢的超高功率电炉，其水冷面积已达到70％，从而大幅度降低耐火材料的使用量。现代水冷技术需要高导热性能MgO－C砖。UHP电炉用MgO－C砖最新发展技术是以高纯电熔镁砂和鳞片状石墨作原料，以酚醛树脂作结合剂，经配料、混合后在高压下成型，采用高温烧成后再浸渍沥青，生产所谓烧成沥青浸渍MgO－C砖。通常将MgO－C砖埋入碳中或者在还原气氛中直接烧成，烧成温度在800~1500℃。对于含石墨耐火材料的烧成，日本还提出另一种烧成方法，即在含石墨耐火材料表面涂敷由50~70％玻璃粉、15~30％长石粉以及10~20％金属硅粉的混合物加硅溶胶作结合剂制成的泥浆，待干燥后，在氧化气氛下进行高温烧成，从而制得性能优异的含石墨耐火材料。侧墙工作层厚度与电炉容量有关，一般在200~450mm左右，其永久衬厚度在100mm左右。电炉用镁碳砖理化指标指标与牌号MT8AMT8BMT8CMT10AMT10BMT10CMgO(%)，≥828078807876C(%)，≥888101010气孔率(％)，≤567456体密(g/cm3)，≥3.002.952.902.972.932.90常温耐压(MPa)，≥454035404035高温抗折(MPa)，≥(1400℃×30min)654654电炉用镁碳砖理化指标指标与牌号MT12A1MT12AMT12BMT12CMT14A1MT14AMT14BMT14CMgO(%)，≥7978767478767474C(%)，≥1212121214141414气孔率(％)，≤44564456体密(g/cm3)，≥2.962.962.932.902.952.952.902.90常温耐压(MPa)，≥4040403540404035高温抗折(MPa)，≥(1400℃×30min)8876121285第四节第四节电炉炉底用耐火材料电炉炉底用耐火材料Ø绝热层Ø永久层Ø工作层Ø电炉底干式捣打料施工方法A绝热层用耐火材料绝热层是炉底最下层，其作用是降低电炉的热损失，并保证降低熔池上下钢液的温度差。通常是在炉壳上先铺一层石棉板，再铺硅藻土粉，其上面平砌一层绝热砖。B永久层用耐火材料在绝热层之上是永久层，其作用是保证熔池的坚固性，防止漏钢。通常，永久层用MgO为95~96％的烧成镁砖砌筑，镁砖先用磨砖机修整，以保证砌砖的质量。镁砖的耐火度可达2000℃以上，其荷重软化开始温度，一般镁砖在1520~1600℃之间，而高纯镁砖可达1800℃。20~1000℃下镁砖的线膨胀率一般为1.2~1.4％，并近似呈线性。镁砖的热导率较高，在耐火制品中仅次于碳砖和碳化硅砖，并随温度的升高而降低。镁砖的抗热震性较差，提高镁砖的纯度可适当提高抗热震性。镁砖在常温下的导电率很低，但在高温下如1500℃却不可忽视，若用于电炉炉底应引起注意。普通镁砖的烧成温度一般为1500~1650℃，高纯镁砖的烧成温度则高达1700~1900℃。该部位也可以采用镁碳砖砌筑，但比较少见。C工作层用耐火材料永久层上面是工作层，它直接与钢水接触，热负荷高，化学侵蚀严重，机械冲刷作用强，极易蚀损。因此，应选用优质耐火材料。工作层分打结、振动和砖砌三种方法。砖砌炉底通常用沥青结合镁砖，无碳炉衬用卤水结合镁砖。打结和振动工作层使用镁砂，结合剂用焦油、沥青；而制作无碳炉衬时，用卤水或水玻璃作结合剂。采用砖砌或焦油、沥青作结合剂镁砂打结的修砌方法因耐用性有限、寿命低而被淘汰。目前，在高功率和超高功率电炉其工作层普遍采用镁质干式捣打料施工，该材料是以高铁高钙合成镁砂和电熔镁砂作骨料，以合成镁砂和电熔镁砂作细粉，临界粒度在5~6mm左右，以合成镁砂中C2F（铁酸二钙）作助烧结剂，不添加任何结合剂，采用多级配料精制而成。通过强力捣打施工，保证施工后的密度，能够在适当的温度下烧结成坚实的整体，其寿命比上述施工方法要提高几倍，一般情况下使用干式捣打料其一次性寿命可达到300炉以上，通过热修补可延长到500~600炉。不但减少停炉次数，而且吨钢耐火材料消耗明显降低，为钢厂创造了可观的经济效益。D炉底干式捣打料施工方法由濮耐公司生产的电炉底干捣料是以高铁高钙合成镁砂及电熔镁砂作骨料，以电熔镁砂作细粉，以合成砂中所含的C2F（铁酸二钙）作为助烧结剂，不加任何结