超高功率直流电弧炉耐火设计

超高功率直流电弧炉耐火设计

1炉底极端系统该钢的150吨新型高速电拱炉已由法国clecim公司推出。功率为99ma，最大电流密度为28a/cm2，最大二次电压为670v。采用了先升热、造泡沫炉、填埋钢、旋转炉、水冷炉壁、水冷炉盖、碳氧化铵复合吹扫器、双挡式砌块、密封性能和其他新技术。钢的设计时间为54min，生产区面积为100万吨。主要钢种为油管钢和高压锅炉管钢。炉底阳气系统采用冷混凝土横截面，炉壳直径9.230mm。2150吨大型能源电弧炉的材料设计电弧炉耐火材料由外商设计,主要耐火材料从欧洲进口。2.1底电极套管砖底电极采用3根直径250mm钢棒外套上中下三节套筒砖,材质为镁铝质浇注料预制件,经300～400℃低温干燥,外径500mm,内径252mm,总高度1410mm。底电极套筒砖采用齿形状设计,可以防止套筒砖上浮,与炉底耐材紧密结合,底电极套筒砖与钢棒之间间隙不填料。底电极套筒砖理化性能见表1。由于采用高纯镁砂和尖晶石为原料,抗钢水熔渣侵蚀性能很好,同时由于以磷酸钠为结合剂,抗热震性能较佳。与第一代镁碳砖套筒砖相比,镁铝质浇注料预制件套筒砖具有高温通电状况下更好的抗钢水熔渣侵蚀和抗热震冲击能力。图1是镁碳砖套筒砖与镁铝质浇注料预制件套筒砖的熔损比较。最近,根据实验室研究和批量工业性试验结果,认为在原有的材质基础上添加5%左右的Cr2O3,使用性能可望提高10%～20%。2.2覆岩炉底捣出料及制作炉底采用镁钙质干式捣打料,陶瓷结合,低硅、高钙、适量的铁,细粉多,具有烧结层薄、烧结致密、高密度、高热态强度,卓越的抗钢水渗透性以及良好的体积稳定性等特点。炉坡捣打料厚度为765mm,炉底捣打料厚度为1200mm,施工时分层铺料,每层150mm,用脚踩实,用钢钎戳实利于排气,最后用专用振捣机振实。表2是炉底干式捣打料的理化性能。2.3壁厚材料炉壁为沥青结合镁碳砖,采用大晶粒烧结镁砂和鳞片状石墨为主原料。镁碳砖的理化性能见表3。2.4出钢口内管砖和镁碳砖电弧炉出钢方式为偏心炉底出钢,出钢口耐材由端砖、内管砖和外围砖组成。出钢口内管砖与外围砖之间用干式捣打料填充,以利于热态更换。出钢口内管砖采用锥形设计,以利于出钢口填料的迅速打开。出钢口端砖为树脂结合镁碳砖,采用高纯烧结镁砂和鳞片状石墨为主要原料,外加抗氧化剂。内管砖也为树脂结合镁碳砖,采用电熔镁砂和鳞片状石墨为主要原料,外加抗氧化剂。外围砖为沥青浸渍镁砖,采用高质量烧结镁砂为主要原料。出钢口填料采用镁橄榄石砂,单层作业。2.5小烤箱的耐材在水冷炉盖的中心电极孔周围有一个可拆卸的小炉顶,耐材采用高品位的刚玉质浇注料预制件,理化性能见表4。2.6械手和麻黄喷补机联合补炉料有两种,一种为镁质喷补料,以喷补渣线为主,采用喷补机械手和手动喷补机结合,水在枪头混合。另一种补炉料为炉底炉坡热态修补料,镁钙质,陶瓷结合,高铁,以利于高温下的迅速烧结,添加油,以防止作业过程中灰尘飞扬,用专用的撒料机进行作业。3艺操作水平不高投产初期由于生产不正常,产量较低,工艺操作水平不高,设备故障带来的电炉间歇作业频繁,投产15个月只炼了3千多炉钢,耐火材料使用状况受到较大限制。3.1第二炉役在设备已修提前结束时,底电极套管砖是在其目前还增加了20炉龄下合成的底电极耐材使用情况良好,第一炉役一个炉子历时9个月进行第一次大修,大修炉龄为820炉,另一个炉子历时10个月进行第一次大修,大修炉龄为814炉,均超过设计700炉大修炉龄。两个炉子底电极耐材均未冷修过,热态修补也很少,底电极套筒砖熔损深度为600mm左右,还有一定潜力。第二炉役由于设备年修提前结束了大修炉龄,两个炉子大修寿命分别为598炉和740炉,底电极套筒砖熔损深度分别为450mm和500mm,还有相当潜力。损毁形式主要为高温熔损和冲刷,经分析,损毁机理可以认为,基质中由于2%的磷酸钠的存在,使其抗热震性能较佳,但同时降低了高温性能,经钢水长期冲刷,逐渐熔损。底电极套砖是电弧炉最关键的耐火材料,直接决定着电弧炉的大修炉龄,如果底电极套砖可以有效地进行修补,那么电弧炉大修炉龄将大幅度地提高。但是底电极套筒砖热修效果不理想,一般只能维持50炉寿命。冷态下挖修又相当困难,一是由于套筒砖与周围炉底捣打料烧结后相当坚硬,且混有冷钢,拆除很困难;二是由于套筒砖孔径扩大,底电极钢棒上端直径增粗,新的套筒砖套不进去。但是笔者还是开发并成功尝试了冷态下底电极套砖接长修补技术,并取得了延长大修炉龄200炉的实绩。3.2表面捣打料热态修补炉底炉坡耐材使用情况良好,炉底炉坡干式捣打料烧结层很致密,陶瓷化,平均厚度100mm左右,烧结层下面是散料,过渡带很薄,只有20～30mm。炉底和炉坡修补量较少,热态修补料单耗0.1～0.2kg/t,冷态修补每次中修进行一次,耗量10～15t。炉底炉坡干式捣打料损毁形式主要为侵蚀和冲刷,经分析,损毁机理可以认为,捣打料中的Fe2O3与CaO反应生成低熔相C2F(铁酸钙),由于钢水中的Fe2O3不断补充,C2F不断累积,捣打料高温性能逐渐降低,到一定程度后,随钢水冲刷翻起。实际使用情况也是如此,捣打料的损毁不是连续性的,而是间歇性的。经验表明,干式捣打料的使用好坏还与捣打料施工时的捣实程度密切相关,捣打不密实,不仅熔损快,而且易渗冷钢。3.3出炉壁破损原因炉壁镁碳砖受泡沫渣工艺操作不佳、电弧烧损严重、钢水滞留时间过长以及间歇作业频繁等因素的影响,寿命较低,损毁形式主要为熔渣侵蚀、电弧烧损和脱碳氧化。目前炉壁最薄弱的部位在炉门口及两侧炉壁,熔渣侵蚀和扒渣机械冲撞为主要损毁原因;其次为左右两侧炉壁顶部离电极最近的热点部位,电弧烧损和脱碳氧化为主要损毁原因;再次为炉壁渣线部位,熔渣侵蚀和钢渣冲刷为主要损毁原因;出钢口侧炉壁为冷区,损毁最轻。目前电弧炉中修炉龄为300炉左右,渣线残砖长度为250mm左右,尚有潜力,但炉门口及两侧炉壁和炉壁顶部离电极最近的热点部位损毁严重,制约了电弧炉中修炉龄的提高。3.4出钢口热态修补出钢口耐材是很多电弧炉的薄弱环节,一般情况下,出钢口寿命只有100～150炉,不能与中修炉龄即渣线炉衬砖寿命同步,因此很多电弧炉采用热态更换出钢口的方法来解决这一问题,但是有不少电弧炉出钢口部位结钢渣严重,出钢口区域炉坡堆积很高,热态更换出钢口相当困难,有时就因出钢口砖的制约,提前结束了炉龄。为此,笔者成功开发了出钢口热态修补技术,延长出钢口砖寿命,使之与电弧炉炉衬砖寿命同步,整个修补过程不到半小时。热态修补一次可以延长出钢口寿命40～50炉,经多次修补,出钢口寿命可以达到300炉以上。出钢口修补料采用高纯大结晶镁砂为主原料,并添加少量Cr2O3。3.5熔渣石墨电极损伤小炉顶耐材受电弧弧光辐射、间歇作业带来的冷热变化热冲击、石墨电极喷淋冷却、飞溅的熔渣化学侵蚀以及电弧炉冶炼过程中强烈的震动的影响,损毁严重,损毁主要形式为剥落、烧损和化学侵蚀。目前平均寿命为120～150炉,最高寿命为185炉。3.6撒料、加工过程喷补料受炉壁砖同样损毁原因的影响,喷补后一般只能维持2～3炉,寿命较短,目前喷补料单耗在1.5～2.0kg/t。炉底炉坡热态修补料使用效果良好,撒料后能够迅速烧结,抗熔损性能较好,一般能维持50炉以上,单耗也较低,在0.1～0.2kg/t。存在的问题有两个,一是有时由于热面留有较多钢渣,喷补料、热修料易被钢水整块冲刷翻起,浮在钢水表面,又不被钢水熔化,出钢时流向出钢口,造成出钢口侧炉坡堆积过高,严重时还造成出钢口严重堵塞。二是热态修补时炉底炉坡原有的捣打料上面还附有残钢残渣,易渗钢,形成“夹心面包”,拆炉比较困难。4浇注料用材料超高功率电弧炉是近几年发展起来的炼钢炉,其工艺操作与传统小电炉、转炉有很大的不同,其耐火材料有独特性。下面对超高功率电弧炉用耐火材料提几点看法。(1)造好泡沫渣埋弧操作是决定炉壁耐火材料寿命的关键因素,最好的镁碳砖也抗不了超高功率电弧弧光的辐射烧损及其造成的飞溅钢水和熔渣的侵蚀。造泡沫渣一可以埋弧,二可以提高渣的粘度,减缓熔渣的机械冲刷和侵蚀。(2)对水冷钢棒型底电极系统,用高纯镁铝尖晶石浇注料预制件作底电极套筒砖是合适的,其抗钢渣侵蚀和抗热震性能较佳,寿命长。如果调整基质中结合剂成分,提高其抗高温熔损和冲刷性能,同时又使热震稳定性能不受较大影响,用于二次电压较高、钢水翻腾激烈的炉子更加合适。(3)冷态下底电极套砖接长修补技术虽然在操作中存在困难,但是可行的,修补一次能延长200炉寿命,电弧炉大修寿命可大大提高。(4)用阿尔卑斯山脉特有的高钙、低硅、适量的铁的烧结镁砂制成的炉底捣打料,其性能优越,烧结层相当致密,陶瓷化,热态强度高,熔损小。而且其烧结层薄,过渡带短,既利于拆炉,烧结层下面的捣打料不必更换,可以再次使用,又可防止炉底捣打料整体开裂,有效地阻止钢水渗透。如果适当地降低一些钙和铁的含量,那么其抗高温侵蚀性能将会提高,用于二次电压较高、钢水翻腾激烈的底电极周围和炉底中心部位更加合适。(5)热态修补出钢口技术非常有效