电炉炉盖耐火材料

电炉炉衬的结构
电炉由炉盖(顶炉壁(炉墙)和炉底构成炉体。炉体外壳为钢板。内衬由耐火材料构成，分炉底、炉坡、熔池和炉壁。炉壁一方是炉门，另一方是出钢口与出钢槽相通。炉盖可移动，外环为钢制，多为水冷式，顶部除水冷圈以外，均由耐火材料构成。电炉结构如图2-1所示。 电炉炼钼以电能作为主要热源，使用三相交流电或直流电。炉料和电极间直接产生电弧，利用电弧高溫熔化炉料，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。
为降低电耗提高产量，电炉还采用重油或吹氧加速熔炼。由于炉内温度高、气氛变化大、冶炼周期短、炉料一般为冷态，因此，电炉炉衬经常处于髙温、熔渣侵蚀和急冷急热状态。
电炉炉衬寿命较低的部位是炉壁，因工作条件苛刻在高温下熔渣高功率电炉、炉衬表面热负荷要达到1000W/m2，承受温度髙达6000℃的电极弧光的热辐射，热点钢水温度高达2000℃。为此，普遍采用泡沫渣来缓解弧光对炉壁的辐射，同时调节三相电极的输入功率不平衡度，控制二次电压来改善和提高超髙功率电炉炉衬寿命。 随着电炉的大型化、超高功率化、智能化发展，对耐火材料提出更高的要求。UHP电炉体耐火材料内衬如图2-2所示。耐火材料的蚀损速率与炉子大小、功率高低等直接相关.20世纪70年代初期，电炉用耐火材料是以改善材质、形状和砌筑方法来降低消耗。70年代后期，随着电炉冶炼技术发展，炉盖、炉壁开始采用水冷并很快普及，此后，为生产特殊钢开发了炉外精炼装置(LF)，同时，出钢方式由槽式改为EBT式,水冷面积增加，耐火材料单位消耗随之降低。到80年代，炉盖耐火材料消耗达到10kg/t以下，90年代其消耗降低到0.5kg/t以下。炉壁耐火材料消耗则为1.0kg/t,电炉总的耐火材料消耗为2.0kg/t,虽然炉盖和炉壁水冷装置增多降低了耐火材料综合消耗量，但对耐火材料的性能要求越来越高。
炉盖用耐火材料
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。电炉盖简图如图2-3所示。 1电炉盖水冷技术
由于高功率操作使电炉的生产能力增大，但同时也使炉盖耐火材料的热负荷显著增大，以致不可能用改进耐火材料来延长炉盖使用寿命。因此发展并迅速普及水冷技术.
水冷技术是20世纪80年代从主炉盖开始的。主炉盖釆用水冷结构，小炉盖为砌砖和不定形耐火材料预制块，使炉盖耐火材料消耗降低了一半，达到1.5kg/t。
20世纪80年代中后期，在二次电压低的小炉盖也采用了水冷，进而实现了全水冷炉盖。现在电炉全水冷炉盖已普遍采用，只有电极周围的套砖为耐火材料，电炉盖的耐火材料消耗已下降到0.1kg/t以下。
水冷炉盖用锅炉钢板焊接而成,整个炉盖都通水冷却。在水冷炉盖上只有3个电极孔是以耐火材料或整块耐火预制件砌筑，也可用不定形耐火材料，例如用刚玉浇注料进行浇注，以防止电极碰撞水冷炉盖造成打弧而被击穿。
大炉盖为箱式型或管式结构，小炉盖一般为内部分割通水型结构。北京冶金设备研究院设计的水冷炉盖，自1991年用于张家港市永新钢铁厂70tUHP电炉以来，运行良好，吨钢成本下降明显。该装置由水冷炉盖和水冷炉壁两部分组成。水冷炉盖为径向管式结构，由强制对流冷却水冷却。炉盖中心部分为耐火砖砌筑的3个电极孔，中心小炉盖使用寿命300次左右。在炉盖内壁及上表而有耐火材料覆盖层，层内预埋有防止耐火材料脱落的加强筋。目前，长城特殊钢公司的30tUHP电炉和福建中钢公司的50tUHP电炉已使用这种国产水冷炉盖，获得好的技术经济效益，
90年代开发了整体型喷淋式水冷方法。原来的箱型结构，加压通水时有时发生漏水情况,漏水量多了就难以继续使用。喷淋水冷是在小水量下形成湍流，传热系数大大增加，且用常压通水，漏水量少可安全使用。喷淋水冷条件适用于超高功率电炉盖、炉壁、排烟弯管等处。喷淋冷却炉盖具有良好的挂渣性能。美国Plymenth厂和德国Badishe厂的喷淋冷却炉盖寿命超过1000炉，日本大同制钢公司扣多厂最高寿命可达9000炉。喷淋冷却和常规冷却的比较(炉盖、炉壁和排烟弯管)见表2-1。喷淋冷却炉盖三角区耐火材料寿命提高约一倍。
据美国Vcar公司统计。采用喷淋冷却系统的效果如下：
(1)由于节约耐火材料和减少热停工时间及维修时间，吨钢经济效益可达35美元;
(2)喷淋水冷传热系数高，用水量减少50%;
(3)由于用常压水，安全性大为提高;
(4)结构简单，重量减轻。
2电炉盖用耐火材料
1炉盖耐火材料的工作条件
电炉炉盖内衬是整个炉体的薄弱环节，炉盖用耐火材料的部位如图2-4所示。 炉盖耐火材料受操作因素和结构因素影响。操作因素包括作业率、最大功率消耗、用氧体积比、脱氧炉数比和复渣炉数比等。结构因素主要是炉子大小，炉盖厚度和熔池-炉盖间的距离等。归纳起来影响炉盖寿命的因素有：
(1)热震。电弧加热、出钢和炉盖移动造成的温度急变;
(2)化学侵蚀。熔渣钢水飞溅至砖面，引起化学侵蚀，以及炉内CO、CO2和SO2等的作用;
(3)弧光辐射。电弧加热产生的热辐射引起的熔损;
(4)炉内高速抽尘形成的高速气流的磨损;
(5)拱顶结构在自重作用下，因砖缝先行损坏造成的结构松动等
这几种因素的综合作用，对炉盖寿命产生了重大影响。弧光辐射造成的超高温加剧了化学侵蚀;熔渣钢水的侵蚀，导致耐火材料内衬厚度减薄和结构变化，在热震作用下加速了耐火材料的剥落损毁。
因此,炉盖用耐火材料要求具备良好的抗热震性，对炉渣高温喷溅的抗侵蚀性，以及整体性好，结构牢固不开裂等。
炉盖用耐火材料的发展趋势是:砖→预制块→整体浇注，各国具体条件不一，使用材质不尽相同。
2砖砌炉盖
(1)硅砖。20世纪50年代电炉盖使用硅砖(Si0293%〜95%)砌筑，其真比重低为2.37〜2.39,质轻价廉，具有良好的高温结构强度和抗蠕变性能。全硅质炉盖砖用于30t电炉，最高寿命约80次，用于100t大型电炉,寿命为25〜35次。60年代后期，电炉炼钢开始推广吹氧技术，炼钢操作进一步强化，这种酸性硅砖炉盖不适应碱性冶炼，且冶炼温度已高出硅砖的温度，髙温下熔融后的SiO2产生连续性的熔滴现象，导致炉渣碱度降低，影响冶炼作业，因而开发使用了性能更好的高铝砖。
(2)高铝砖炉盖。高铝砖砌筑电炉炉盖始于50年代末。当时美国钢公司和Armco钢公司，采用高铝砖炉盖(A12O365%〜80%)比硅砖炉盖寿命提高4倍，烧成高铝砖(A12O380%~85%)和磷酸盐结合的不烧髙铝砖(A12O380%〜85%)以及烧成莫来石砖或不烧磷酸盐结合莫来石砖，它们的共性是抗热震性优良。60年代初炉盖的寿命已达200炉左右。
法国SAULVE钢厂85tUHP电炉炉盖采用一般高铝砖(A12O375%左右)，平均使用寿命150次。130t电炉则为133炉，用至90炉左右需停炉中修一次，每吨钢耐火材料单耗2.75kg。电极孔砖则在高铝矾土骨料中加入约使用寿命至254炉以上，耐火材料单耗每吨钢降至1.0kg以下。
日本电炉盖普遍采用高铝砖，在电极孔和排烟孔周围熔损严重部位使用高纯氧化铝为主要原料的烧成高铝砖。或部分使用抗侵蚀、耐剥落的不烧砖，该砖加入适量CrO3而具有高强度和耐侵蚀性能。此外，在不采用水冷炉盖四周使用不烧高铝砖的居多，耐使用镁铬不烧砖的倾向减少。
(3)浸渍炉盖。20世纪70年代日本炉盖砖用浸渍工艺改善高铝制品性能取得良好效果。采用MgO、Cr2O3、CaO、SiO2等氧化物作浸渍剂浸至制品孔隙中弥补基质易被熔蚀的缺陷，以改善制品结构提高其耐用性。使用Cr2O3为浸渍剂可减少低融物对炉盖砖的侵入，提高抗蠕变性能。经Cr2O3浸渍的刚玉砖的高温强度提高一倍以上，在高温下的变形量降低35%。
(4)碱性炉盖。电炉盖用镁质砖。为保证炉盖结构的稳定和减少镁砖变形及剥落，采用铁皮镁砖或砌筑时插入铁片。由于铁皮产生感应电流(高功率电炉盖尤甚)，形成局部过热改用非磁性钢做砖壳。另一方面纯镁砖的线膨胀系数过大，用量不多。
其他碱性砖如镁铬质、铬镁质、白云石质、镁铝质等相继使用，有高温烧成砖或不烧砖，或经焦油浸渍的白云石砖等。它们具有优良的耐火性能和抗氧化铁与熔渣的侵蚀能力，在苛刻条件下，使用性能优于高铝砖。但因碱性砖体积密度高，炉盖重(比硅砖重50%，比高铝砖重30%)，为此，改进炉盖结构的施工方法，采用不同材质综合砌筑以提高电炉盖的使用效果。
(5)综合炉盖。日本钢管公司在30t电炉盖曾采用高铝砖和碱性砖综合砌筑时，寿命达到200~300炉，耐火材料每吨钢单耗2~3kg。
当主炉盖水冷面达到70%~80%时，炉龄达300炉;另一公司在40t电炉炉盖的外环上采用16块水冷箱板，小炉盖用化学结合镁铬砖砌筑，电极孔周围用高铝质耐火捣打料，其炉龄由190炉提高到600炉左右。
3预制块炉盖
砖砌炉盖的缺点之一是对成型砖的尺寸公差要求极严。炉盖全水冷后在炉盖中心电极孔周围采用了预制块。采用预制块与砌砖相比优点是:简化了施工，运输方便，施工完毕无需干燥，只需短时间预热，使用寿命提高。
德国对炉盖用预制块进行了多方面的改进：
(1)结构设计：为获得好的机械性能，选择环形和三角形预制块。将预制块的边角改为圆形，以提高对膨胀和收缩的适应性。预制块外形如图2-5所示。
(2)材质选择：一般炉盖预制块的蚀损，主要因水平裂纹、渗透和致密层的脱落所致，高铝质预制块气孔率较高易于蚀损。采用刚玉质预制块，其组织致密，气孔率低，透气性小，强度髙，抗热震性良好，可提高使用效果.
(3)砌筑施工：在预制块之间的空隙以及侧壁和预制块之间的三角区使用与预制块同材质的耐火捣打料充填;2)为补偿预制块之间以及水冷区之间的膨胀，使用了耐火纤维毯。
预制炉盖使用次数由原传统砖衬的150炉提高至160炉。电炉盖用各类材质的性能见表2-7。
日本大阪窑业公司超高功率电炉原用捣打料(A12O3>85%，SiO29%,P2O33.4%)和砖组成的小炉盖平均使用寿命453炉，改用高强度浇注料(A12O3>85%,CaO0.8%，SiO29%)预制块使用寿命逐步由506炉提髙至1029炉。
和歌山钢厂80tUHP电炉盖实现水冷化后整个炉盖全用预制块制成，三角区用3块刚玉-莫来石预制块，电极圈为10块镁铝尖晶石预制块。小炉盖是在预先制好的胎模上进行，先用泥装铺砌电极孔，然后从边缘向中心环接-环砌，最后在三角区和电极孔周围灌入刚玉质浇注料脱模后经养护备用。预制块炉盖寿命已达600炉，吨钢耐火材料降至0.4kg。
4整体浇注炉盖
采用整体浇注炉盖促进了炉盖寿命的进一步提高。英国舍菲尔德(SMACC)钢厂130tUHP电炉原为高铝砖砌炉盖，平均使用寿命133炉。炉盖水冷后，电极周围也实行水冷，从材质上选用含Cr2O33%的高铝超低水泥浇注料并加不锈钢纤维，炉盖在稍有修补的情况下使用了594炉，寿命提高约4倍。
5我国电炉盖用耐火材料
50年代初，我国电炉盖采用大块特异形硅质组合砖，砌筑方便、严密，整个炉盖应力分布较均勻。但这种砖成型比较困难，且因硅砖难于适应强化冶炼作业的需要，以后逐渐不再使用。我国最早研究使用髙铝质电炉盖砖，由唐钢耐火厂生产的髙铝砖在抚钢15t电炉上使用达到150〜200炉。以后相继开发出了各种结合剂(水玻璃、磷酸、磷酸二氢铝等)制备的不烧髙铝砖，或在配料中引入硅线石族矿物原料，添加微粉、尖晶石、碳化硅等，近年来又研制了各类耐火浇注料，以满足超高功率电炉发展的需要。
(1)高铝砖炉盖。我国髙铝矾土资源丰富、品种齐全，为开发高级高铝质耐火材料提供了有利条件。在50年代中期就开发使用了DK型水铝石-高岭石，I级矾土熟料(Al2O3>80%)为基料的高铝砖，该砖选用组织结构均勻，杂质少，烧结好(体积密度3.1〜3.2g/cm3)的矾土熟料为原料，用可塑性好的粘土作结合剂，控制熟料细粉(<0.088mrn>90%)的加入量(40%〜50%)，以缓冲坯体在烧成过程中因二次莫来石化反应所引起的体积膨胀，防止制品结构松散。1987年唐钢耐火厂生产Al2O3>85%的髙铝砖,在舞铜75t电炉成功地使用了193炉，耐火材料每吨钢单耗1.34kg。主晶相为刚玉的烧成高铝砖，用于超高功率电炉盖，使用寿命大约150炉，广州钢厂40tUHP电炉盖采用水冷小炉盖用1等高铝砖寿命达300~400炉。烧成高铝耐火砖理化性能见表2-11。 对炉盖使用后残砖显微结构的分析，表明该砖的损毁机理为化学侵蚀和剥片。喷溅到炉盖上的炉渣(主要成分为CaO和FeO)和补炉料及炉壁镁质耐火材料的熔解和挥发的MgO等碱件组分与高铝砖发生化学反应，产生化学侵蚀。炉盖砖受高温下的化学侵蚀作用，形成熔渣、渗透层和原砖层的层带结构，在周期性温度激变条件下,在渗透层和原砖层之间形成横向裂纹直到剥片，剥片厚度有时会达到50〜100mm;少则也在10〜30mm,发生在炉役初期阶段的剥片，有时更厚、面积亦较大。防止剥落和提高抗侵蚀性是延缓耐火砖损毁的关键。
(2)含“三石”的炉盖砖。三石”包括硅线石、蓝晶石、红柱石，属硅线石族矿物，为同质异形体。其理论组成为A12O363.l%、SiO236.9%、化学分子式为A12O3.SiO2或Al2SiO3。因生成条件和结构不同表现在阳离子配位上的差异，使理化性能既有共性又有差别，3种矿物原料均属高铝矿物，具有髙铝矿物的性能，但其独特性能又不为普通高铝原料所具备^。“三石”被加热至一定温度不可逆的转变为莫来石晶体(呈短柱状、针状的网络结构，一般长约3微米，最长可达20微米)，并析出SiO2，在加热反应过程中，伴随莫来石化引起体积膨胀，其中以蓝晶石膨胀率为大，红柱石居中。转化温度与膨胀率见表2-12。