提高电炉炉龄的工艺实践

谢刚峰，马进军，张正伟，杨 斌（河北永洋特钢集团有限公司，河北 邯郸市永年县 057150）摘要：炼钢厂 7...

摘要：炼钢厂 70tUHP 电弧炉自投产以来，炉龄一直徘徊在 600 炉左右，经过对电炉耐材侵蚀机理的分析,结合冶炼工艺的现状，通过炉衬耐材综合砌筑、改造炉壁氧枪、优化操作工艺等措施，在不挖修不喷补的条件下，2015 年的平均炉龄提高到 1978 炉/届，2016 年最高达到 1986 炉/届，取得了显著的经济效益,处于国内领先水平。

关键词：电弧炉 炉龄 镁碳砖

前言

电炉炉龄是电炉炼钢生产的主要技术经济指标之一，是电炉工艺操作水平最直观的体现。炼钢厂 70 吨 UHP 电弧炉于 2007 年 5 月建成投产，装备了废钢预热并连续加入的水平进料系统。投产初期全废钢冶炼，2009 年因废钢供应紧张,全废钢冶炼成本与转炉相比差距较大，开始铁水热装生产；2012 年初试行铁水比 80%以上的高铁水比热装操作，在成功实施一个炉役零电耗冶炼的基础上，报停电炉变压器、取消了电极。随着工艺条件的改变，电炉耐材侵蚀状况也在不断变化，而炉龄一直徘徊在 600 炉左右，提高炉龄以减少电炉更换次数，有效提高作业率，降低电炉整体冶炼成本，是电炉炼钢在激烈的行业竞争中得以生存的根本。

1、  电炉高铁水比热装操作工艺流程

1.1 准备：前一炉出钢完毕，填充出钢口、清理炉门。

1.2 料槽顶装 5%废钢，500kg 生白云石。

1.3 兑入 80～85%的铁水（约 70～80t,分两次顶装）。

1.4 供氧吹炼（氧枪供气参数见表 1），加入石灰 2000～4000Kg，镁球 200～300Kg,返矿0~3000Kg。



1.5 熔池温度≥1500℃时，通过水平进料系统连续加入约 10%废钢（8～15t）。

1.6 温度≥1550℃，C≤0.50%时，排渣。

1.7 取样，符合工艺条件，出钢。

2 2 、电炉耐材侵蚀机理分析

电炉工作层耐材由熔池渣线镁碳砖、炉底捣打料、出钢口砖三大部分组成。炉龄主要由渣线镁碳砖残的长度所决定，充分认识其侵蚀机理是提高炉龄的关键。

2.1  渣线镁碳砖侵蚀机理

2.1.1  物理作用

加废钢、兑铁水、熔池受氧气超音速射流作用产生的剧烈反应、快速流动等操作都会对耐材产生强烈的冲击、磨损、冲刷，钢液高温使耐材受热膨胀、剥落，这是炉衬耐材侵蚀损毁普遍存在的因素。

2.1.2  化学作用

电炉吹炼在一个强氧化性气氛中进行，高温氧化会脱除砖中部分碳，致使砖体工作面显微结构松动脆化，在烟气、钢液冲刷下剥落而被蚀损 [1] 。

镁碳砖首先受炉渣中 FeO、供入的 O 2 、炉气中的 CO 2 等氧化物氧化，其反应式为：(FeO)+C→CO(g)+[Fe] ,CO 2 (g)+ C→CO(g),O 2 (g)+C→CO(g)

上述反应使镁碳砖表面形成了 1～2mm 厚的脱碳层而蚀损，同时，砖中碳被氧化后形成孔隙，熔渣从孔隙或裂纹处渗入，与 MgO 反应生成 CMS（CaO·MgO·SiO 2 ）、C 3 MS 2 (3CaO·MgO·2SiO 2 )等低熔点固溶体，加速了炉衬的熔损。

因此，炉渣中 FeO 是渣线镁碳砖侵蚀的主要原因。

2.2  炉底捣打料

电炉炉底捣打料经烧结成形后形成一个致密的整体，一直处于废钢冲击、铁水冲刷、高温钢液（渣）浸泡的恶劣条件下，因此要求捣打料具有良好的抗氧化、抗冲刷、抗热震性。

捣打料烧结层体积随温度变化而产生较大变化，由于电炉生产的连续性较差，在设备检修、换浇次等停炉状态下，裸露的炉底很快就会冷却产生收缩出现裂缝，在兑铁时铁水渗入缝隙内，温度再次升高时体积膨胀，炉底容易分裂甚至整块剥落，局部出现凹坑导致炉底外壳温度上升，影响炉衬整体寿命。

3 3 、提高炉龄的工艺措施

3.1  优化砌筑工艺

炉门口的镁碳砖是炉墙闭环砌筑的薄弱点。镁碳砖在经历冶炼高温后会产生较大的热膨胀，在炉门口区域集中释放，使镁碳砖拱起。为此在砌筑炉门口镁碳砖时，通过添加特殊材料，预留 1～2mm 砖缝，满足镁碳砖之间膨胀空间，消除热膨胀影响。

炉门电极用于固定炉门口砖、便于炉渣清理，传统砌筑时用石墨电极，由于自身的烧损使用寿命较短，用钢制水冷模拟电极替代，很好的解决了这个难题，使用寿命能达到 2000炉以上。

渣线镁碳砖在冶炼过程中侵蚀相对较快，为了使渣线部位与其它部位的镁碳砖使用寿命同步，将其长度由原来的 450mm 增加到 500mm，材质选用 MT14AT。

砌筑工艺优化后，加强了整个炉衬镁碳砖的薄弱部位，侵蚀消耗均衡，为提高炉龄奠定了基础。

3.2  改进炉壁氧枪结构

炉壁氧枪是电炉高铁水比热装冶炼的主要供氧设备，原有炉壁水冷铜箱内安装氧枪的结构形式，使用时存在一定的局限性: ①受水冷炉壁横向水冷主管道的位置限制，炉壁枪安装位置偏高；②炉壁氧枪的环氧、燃气孔分布圆直径较大、射流集束效果不佳，导致氧枪射流下方形成高温区，耐材侵蚀严重，成为炉衬的薄弱点；③水冷铜箱成本高，寿命有限，更换不方便。

炉壁氧枪的这些局限性，影响了氧气效率的发挥，炉渣氧化性难以控制（尤其是吹炼的中后期）。在氧枪厂家的配合下，进行了全面的改进：

3.2.1 加长枪体有效长度，达到 1200mm。

3.2.2 氧枪枪体直径由Φ180mm 改为Φ140mm,同步缩小了环氧孔和天然气孔的中心圆分布直径。

3.2.3 氧枪出口端面由平面改为半球面，减少了主氧孔的烧损，稳定主氧射流出口马赫数在2.0 的水平。

3.2.4 设计制作了价格低廉的钢制水冷套，既保护了氧枪又能快速便捷的更换。

3.2.5 为了适应炉役中后期熔池钢液面下降、水套角度变化的需要，特别设计了弯头氧枪（见图 1），使炉壁氧枪的工作角度始终处于设定的 45°±1°状态（见图 2）。

通过上述改进，炉壁氧枪出口与钢液面距离由原来的500mm以上降低到300～400mm，环氧、天然气对主氧的集束效果得到提高，高功率状态下主氧射流有效长度达到 1000mm 以上，氧枪寿命延长，最高已达到 2000 炉以上。

氧枪改进后，扩大了氧枪射流的调节范围,提高了射流穿透渣层的能力，均匀了熔池成分和温度，减少渣中 FeO 的富集，减轻枪氧周围的热点效应，可使耐材均匀侵蚀。



3.3  调整冶炼操作工艺

3.3.1  调整炉渣碱度，适当提高渣中 MgO  含量，稳定渣中 FeO电炉高铁水比热装冶炼，相比废钢冶炼时带入更多的Si，在通常2.5的炉渣碱度下操作，炉渣发泡现象严重，导致跑渣跑钢。随着供氧强度的增加，排出大量的气体，这就要求炉渣具有良好的透气性，提高炉渣碱度、降低炉渣粘度是最有效的办法。经反复实践，炉渣碱度在 3.0～3.5 最为适宜，形成以铁水 Si 含量为主线的操作理念，减弱炉渣中 SiO 2 富集对炉衬的侵蚀。

适当配加镁球或白云石，炉渣中 MgO 含量在 5～8%，使炉渣进入 CaO-SiO 2 -MgO-MnO渣系的低熔点区域。减少镁碳砖中 MgO 向渣中转移炉，提高炉渣界面张力，加快钢渣分离速度。

通过调节炉壁氧枪运行模式控制氧气射流长度，模拟转炉变枪位操作的功能，调节炉渣流动性，结合炉门和炉壁喷碳系统，在冶炼过程中适量向渣面喷碳，减少渣中 FeO 含量，渣中(FeO)控制在 17%以下（见表 2）。



3.3.2  严格要求终点控制

冶炼终点碳在 0.08%以上，严格控制钢水不过氧化；出钢终点温度控制在 1600～1630℃范围内，有效减轻高氧化性、高温钢水对熔池耐材的侵蚀。

3.3.3  加强炉衬保护

每炉钢兑铁水前加适量废钢和渣料，减弱铁水对炉底的直接冲刷；减少空炉时间，对于超过一个小时的停炉，兑 20 吨左右的铁水铺满炉底，以避免炉底冷却收缩而出现裂缝；电炉班组定时测量炉底外壳温度，出现异常变化，利用换浇次时间出净余钢、检查炉底，必要时用炉底捣打料垫补，保证炉底外壳温度不得超过 400℃。

4 4 、实施效果

通过砌炉优化、氧枪改进、操作工艺调整后，冶炼过程中炉渣过稀的情况得到明显改善，出钢后炉壁挂渣良好，镁碳砖侵蚀明显减缓而且均衡，不需要进行渣线喷补和局部挖修，炉衬寿命逐步提高，耐材消耗显著下降(见图 3)。



从图 3 可以看出电炉耐材吨钢消耗从 3.61Kg/t 降至 1.65Kg/t，耐材吨钢成本从 2013 年的 12 元/t 降至 2016 年的 6.72 元/t，降低额 5.28 元/t，按年产钢 60 万吨计算，年节约金额约316 万元。

5 5 、结 论

电炉高铁水比热装冶炼与常规电炉冶炼相比具有其本质的变化，结合电炉和转炉的工艺特点进行优化，电炉高铁水比热装冶炼条件下的炉龄可以达到 1986 炉的水平，换炉频率由两个月换三次炉变成三个月换一次炉，极大地提高了电炉的生产作业率，降低了工人劳动强度与炼钢生产成本。

参考文献

[1] 李广田等，新一代电炉炉底用捣打料技术特性及耐蚀机理探讨，东北大学学报（自然科学版），2001 年 2 月，第 22 卷第 1 期

[2] 傅杰等，现代电炉炼钢生产技术手册.冶金工业出版社.2009

[3] 陈家祥.钢铁冶金学[M].北京冶金工业出版社，1999

[4] 陈肇友，化学热力学与耐火材料.北京：冶金工业出版社，2005：492～510

[5] 王维帮，耐火材料工艺学，第二版，北京：冶金工业出版社，1993：125～135

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