資華

(1.衡陽(yáng)華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421000；2.中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

電爐爐齡是電爐煉鋼生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一[1-3]。某煉鋼分廠90 t UHP電弧爐于2006年11月建成投產(chǎn)，投產(chǎn)初期全廢鋼冶煉，2009年高爐投產(chǎn)后，開始熱兌鐵水工藝生產(chǎn)；2014年1月90 t電爐改造爐底底吹工藝；2016年5月對(duì)氧槍系統(tǒng)進(jìn)行改造。隨著工藝條件的不斷改變，電爐耐材侵蝕狀況也在不斷變化，而爐齡一直徘徊在400～500爐，故提高和穩(wěn)定90 t電爐爐齡，減少電爐更換次數(shù)，提高電爐作業(yè)率，減少電爐噸鋼耐材成本、提高鋼水質(zhì)量，是煉鋼分廠提高生產(chǎn)效率和效益的重點(diǎn)攻關(guān)課題。

1 電爐耐材的侵蝕機(jī)理分析

電爐耐材工作層主要由鎂碳磚、爐底搗打料、出鋼口袖磚組成，只有了解其侵蝕的機(jī)理后并采取相關(guān)措施才能將爐齡不斷提高[4-7]。

1.1 電爐爐襯鎂碳磚的侵蝕機(jī)理

正常冶煉過程中，高溫鋼水與爐襯、爐渣直接接觸，因此爐襯的工作條件十分惡劣，爐襯損壞主要有：爐渣、鋼水、煙氣對(duì)爐襯的沖刷、電弧的熱輻射、爐渣對(duì)爐襯的化學(xué)侵蝕、加廢鋼和兌鐵水對(duì)爐襯的沖刷與沖擊、爐內(nèi)溫度變化引起的爐襯剝落等[8-9]。

1.2 電爐爐底搗打料的物理侵蝕

目前電爐爐底耐材物理侵蝕主要是廢鋼加入、爐頂高位兌鐵水對(duì)爐底耐材造成較大的機(jī)械沖撞與沖刷，導(dǎo)致爐底搗打料脫層并在局部形成凹坑，造成爐底溫度升高并超出合理的溫度范圍[10-11]。

1.3 熔渣對(duì)爐襯的化學(xué)侵蝕

電爐吹煉在強(qiáng)氧化性氣氛中進(jìn)行，高溫氧化會(huì)脫除磚中部分碳，致使磚體工作面顯微結(jié)構(gòu)松動(dòng)脆化，在煙氣、鋼液沖刷下剝落而被蝕損[12]。鎂碳磚受爐渣中FeO、O2、爐氣中的CO2等氧化物氧化，其反應(yīng)式為

(FeO)+C→CO(g)+[Fe]

CO2(g)+ C→CO(g)

O2(g)+C→CO(g)

上述反應(yīng)使鎂碳磚表面形成了1～2 mm厚的脫碳層而蝕損，磚中碳被氧化后形成孔隙，熔渣從孔隙或裂紋處滲入，與MgO反應(yīng)生成CMS(CaO·MgO·SiO2)、C3MS2(3CaO·MgO2SiO2)等低熔點(diǎn)固溶體，加速了爐襯的熔損。因此，爐渣中FeO是渣線鎂碳磚侵蝕的主要原因。影響爐襯磚壽命幾大原因如圖1所示。

圖1 影響爐襯磚壽命的因素

1.4 電爐搗打料的侵蝕機(jī)理分析

電爐爐底搗打料屬于一個(gè)整體：分爐底和爐坡。電爐底搗打料以MgO為主晶相，F(xiàn)e2O3為燒結(jié)劑，在高溫下主晶相與結(jié)合相通過晶界相互擴(kuò)散并發(fā)生固溶反應(yīng),形成一些高熔點(diǎn)物相，這樣便在爐底表面形成燒結(jié)層。隨通電時(shí)間延長(zhǎng)，溫度越來越高，硬殼也越來越厚，當(dāng)燒結(jié)層達(dá)到一定厚度時(shí)爐底爐坡便能具有很高的強(qiáng)度，較好的防滲透能力、抗侵蝕和抗沖刷能力。

爐底搗打料的經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后侵蝕主要受加廢鋼、兌鐵水、氧槍氣流的直接沖擊和沖刷、生產(chǎn)過程中的不連續(xù)性等因素，導(dǎo)致爐底燒結(jié)層容易出現(xiàn)開裂(滲入冷鋼)、剝層的的現(xiàn)象，因此對(duì)爐底搗打料的要求較高，必須具有良好的抗氧化性、抗沖刷、抗熱震性等。

2 提高爐齡具體相關(guān)措施

2.1 提高爐襯鎂碳磚耐材性能

目前國(guó)內(nèi)電爐爐襯磚采用的基本是MT14AT型鎂碳磚，為了提高其相關(guān)性能，在鎂碳磚生產(chǎn)前加入大結(jié)晶鎂砂，采用大噸位壓機(jī)生產(chǎn)，并調(diào)整配比粒度，目的是提高磚的致密度并降低顯氣孔率，通過增大熔渣滲透阻力以提高抗侵蝕和抗氧化性能。在實(shí)際生產(chǎn)中，改進(jìn)配方后的理化指標(biāo)與之前相比體密度提高了0.04～0.06 g/cm3；氣孔約降低1%左右；增大提高抗氧化劑加入比例，以適合目數(shù)的Al粉為主，Al2O3與爐渣形成CA6(熔點(diǎn)1 850 ℃)提高了抗侵蝕性。

2.2 提高爐底搗打料耐材性能

針對(duì)爐坡料與爐底料侵蝕機(jī)理的不同，合理調(diào)整兩種耐材配方：爐坡部分適當(dāng)提高M(jìn)gO含量、降低Fe2O3含量，使用納米級(jí)微粉提高燒結(jié)性能，形成陶瓷結(jié)合，這樣既能保證原有強(qiáng)度又能增加抗侵蝕性；爐底部分加進(jìn)微量進(jìn)口燒結(jié)劑充分保證爐底的燒結(jié)強(qiáng)度。改進(jìn)后搗打料理化指標(biāo)見表1。

表1 改進(jìn)后搗打料理化指標(biāo)

2.3 優(yōu)化砌筑工藝

爐門口區(qū)域作為爐襯最薄弱的環(huán)節(jié)，在日常使用過程中受熱膨脹的影響該位置耐材易出現(xiàn)起拱、跑磚現(xiàn)象，為了解決爐門口起拱的問題，根據(jù)每批次鎂碳磚熱膨脹系數(shù)的不同，在砌筑過程中磚與磚之間提前預(yù)留1～3 mm的磚縫，磚縫之間搗入一種防熱膨脹的特殊材料，基本消除了鎂碳磚因熱膨脹造成的起拱現(xiàn)象。爐門口砌筑采用臺(tái)階式砌筑方式，每層磚向爐門口方向遞減30 mm，避免和減少了爐門氧槍對(duì)爐門口爐襯磚的直接吹損。

爐底搗打料的打結(jié)采用固定胎膜和“十”交叉法打結(jié)方式打結(jié)爐底。爐底搗打料的加入需定量分批次加入爐內(nèi)，每批次加入的厚度要求小于搗打機(jī)鋼釬的長(zhǎng)度(要求<150 mm)，打結(jié)完后檢測(cè)層厚和實(shí)密度，通過此方式打結(jié)的爐底：爐膛尺寸精確，爐底、爐坡的致密度提高20%，冶煉過程中爐底、爐坡的侵蝕速率較之前減少30%，真正解決了加廢鋼、兌鐵水對(duì)爐底搗打料的物理沖刷與沖擊。

2.4 調(diào)整造渣制度

提高爐渣堿度、渣中MgO含量，降低渣中FeO含量，有利于降低爐渣對(duì)耐火材料的侵蝕。在使用造渣材料中，在使用活性石灰、輕燒白云石的同時(shí)，配加入少量的鎂球等易化渣、高M(jìn)gO含量的造渣材料。適當(dāng)配加鎂碳球或白云石，爐渣中MgO含量在5%～8%，使?fàn)t渣進(jìn)入CaO-SiO2-MgO-MnO渣系的低熔點(diǎn)區(qū)域。減少鎂碳磚中MgO向渣中轉(zhuǎn)移，提高爐渣界面張力，加快鋼渣分離速度。在冶煉過程前期適當(dāng)流出部分高Si熔渣，中后期適量向渣面噴入碳粉，減少渣中FeO含量，渣中(FeO)控制在17%左右。2016—2018年電爐爐渣成份對(duì)比見表2。

通過優(yōu)化料源結(jié)構(gòu)，保證廢鋼清潔，加強(qiáng)鐵水罐撈渣，堅(jiān)持入爐精料原則，優(yōu)化供氧工藝和造渣工藝，并于2017年10月開始使用集束氧槍[13-15]，有利于降低渣中FeO含量，提高爐渣黏度。降低渣中FeO含量，既有利于減輕對(duì)爐襯的直接侵蝕，又有助于爐渣具備自動(dòng)掛渣能力，使?fàn)t襯表面自然形成一層爐渣保護(hù)層。

表2 2016—2018年電爐爐渣成份對(duì)比

2.5 實(shí)施濺渣護(hù)爐工藝

借鑒轉(zhuǎn)爐濺渣護(hù)爐的實(shí)踐，有針對(duì)性的對(duì)電爐進(jìn)行濺渣護(hù)爐。在實(shí)施濺渣護(hù)爐時(shí)，提前控制好爐內(nèi)余水(<8 t)，氧末終點(diǎn)合格后，在出鋼前加入300～500 kg的白云石、石灰或鎂球，促使?fàn)t渣發(fā)泡，出鋼后將集束氧槍氧氣的射流設(shè)置在600～1 200 m3/h，輪流開啟集束氧槍濺渣，開啟時(shí)間控制在20～45 s，通過氧氣流將爐內(nèi)的熔渣噴濺至爐襯壁，使用爐襯表面快速形成一層熔渣保護(hù)層，從而達(dá)到保護(hù)爐襯的效果。

2.6 冶煉工藝改進(jìn)

嚴(yán)格控制終點(diǎn)碳，防止過氧化鋼水對(duì)爐襯的過度侵蝕。冶煉過程中除低碳鋼外，中高碳鋼根據(jù)工藝有不同的終點(diǎn)碳要求，正常工藝要求冶煉終點(diǎn)碳在0.10%以上。在入爐料配碳量不足或終點(diǎn)碳控制不好的情況下，通過加入適量的石墨球或噴入碳粉來解決鋼水氧化性問題；出鋼終點(diǎn)溫度嚴(yán)格控制在1 610～1 630 ℃，有效減輕高氧化性、高溫鋼水對(duì)爐襯耐材的侵蝕。

3 實(shí)施效果

通過提高耐材的理化指標(biāo)、優(yōu)化爐襯砌筑及爐底打結(jié)的方式、調(diào)整爐渣的堿度、優(yōu)化冶煉操作工藝，實(shí)施濺渣或掛渣護(hù)爐工藝，爐襯鎂碳磚侵蝕明顯減緩而且均衡，爐底搗打料幾乎未出現(xiàn)開裂、剝層等現(xiàn)象，整個(gè)爐役在使用過程中幾乎不需要對(duì)爐襯和爐底進(jìn)行補(bǔ)爐、護(hù)爐，爐襯壽命大幅度提高，耐材消耗顯著下降(見圖2)。從圖2可以看出電爐爐齡從2016年約450爐提高至2018年約850爐，電爐使用周期從20天提高到32天，電爐補(bǔ)爐料由60 t/爐役下降到10 t/爐役。

4 結(jié) 論

電爐爐齡與鋼廠的冶煉條件、冶煉工藝、耐材質(zhì)量的穩(wěn)定等存在密切的關(guān)系，鋼廠通過提高耐材質(zhì)量，改進(jìn)砌筑和搗打工藝，提高耐材抗侵蝕能力；推行精料入爐原則，優(yōu)化供氧和造渣工藝，提高爐渣堿度，降低渣中FeO含量和鋼水氧化性，以減輕對(duì)爐襯的侵蝕作用。電爐一次性爐齡大大提高，且爐襯的安全得到有效的保障。目前電爐換爐頻率由兩個(gè)月?lián)Q三次爐變成一個(gè)月?lián)Q一次，極大地提高了電爐的生產(chǎn)作業(yè)率，有效的降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度與煉鋼生產(chǎn)成本。

圖2 實(shí)施效果