摘 要：由三根電極的普通交流電弧爐發(fā)展為超高功率(UHP)及一根電極的直流(DC)電弧爐，爐體結(jié)構(gòu)有一些改變。針對各部位的損毀因素，內(nèi)襯用的耐火材料也有所發(fā)展。例如普通電弧爐的爐頂用高鋁磚、爐墻鎂磚砌筑，而UHP及DC電弧爐采用大面積水冷爐頂、爐墻，爐頂三角區(qū)采用剛玉澆注料或預(yù)制件，爐墻用鎂碳磚，蝕損嚴(yán)重部位采用噴補(bǔ)作業(yè)。還介紹了日本等一些國家DC和UHP的各種爐型用耐火材料。
煉鋼電弧爐是以電極端部和爐料之間發(fā)生的電弧為熱能進(jìn)行煉鋼的設(shè)備。電弧爐以廢鋼為爐料直接煉鋼，與礦石煉鐵后再煉鋼相比，基建投資少，節(jié)能60%、節(jié)水40%、減少廢氣排放86%、減少廢渣97%[1]。交流電弧爐歷史悠久，交流電是通過三根石墨電極輸入爐內(nèi)，在電極下端與金屬料之間產(chǎn)生電弧，利用電弧高溫直接加熱爐料，使煉鋼過程得以進(jìn)行。供電功率越高，爐料熔化速度越快，降低能量消耗越多，因此出現(xiàn)超高功率(UHP)電弧爐。在超高功率的基礎(chǔ)上發(fā)展了直流(DC)電弧爐煉鋼。直流電弧爐是以一根石墨電極的端點(diǎn)為陰極，爐底為陽極，石墨電極位于爐膛中心部位。與UHP相比設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，建設(shè)費(fèi)用低，熔池中的電流與熱量分布比較均勻，不存在過熱區(qū)域，因此耐火材料損耗比較小、節(jié)能且噪音小等。目前，煉鋼電弧爐向大型化、控制自動(dòng)化方向發(fā)展。
我國的電弧爐主要用來生產(chǎn)合金鋼。煉鋼水平與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比差距較大，如2015年我國電爐鋼占粗鋼總產(chǎn)量的6.1%,2020年有所提高，但也不超過10%，與世界平均水平的30%相比還有較大差距。我國已經(jīng)引進(jìn)先進(jìn)水平的UHP和DC電弧爐，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)化程度提高，必然伴以廢鋼資源數(shù)量增加，同時(shí)發(fā)展鐵礦石直接還原煉鐵技術(shù)，代替廢鋼，增加電弧爐煉鋼的爐料，還有核電的發(fā)展，使電弧爐煉鋼有了物質(zhì)保證。電弧爐的內(nèi)襯是耐火材料構(gòu)成的，隨著UHP和DC技術(shù)的發(fā)展，需要新型優(yōu)質(zhì)耐火材料與之相配套。有人說[2]：沒有優(yōu)質(zhì)爐襯、爐底耐火材料支持長壽爐齡，超高功率電弧爐就無法發(fā)揮高效生產(chǎn)的優(yōu)勢。爐底耐火材料是直流電弧爐得以實(shí)現(xiàn)的必要條件，反映了煉鋼與耐火材料技術(shù)的互相影響，互為依存，在電弧爐煉鋼系統(tǒng)優(yōu)化生產(chǎn)中有不可分割的作用。
1 電弧爐的結(jié)構(gòu)變化
傳統(tǒng)的電弧爐由爐頂(又稱爐蓋)、爐墻、爐坡、爐底和出鋼槽構(gòu)成，全部用耐火材料構(gòu)筑，外包鋼制爐殼。爐墻一側(cè)設(shè)有爐門，另一側(cè)為出鋼口，并與出鋼槽相連。而UHP和DC電弧爐采用偏心爐底出鋼，使?fàn)t體由傾動(dòng)式改為固定式，爐底有供氣攪拌設(shè)置，爐頂安裝氧-燃料燒嘴，在爐底偏心位置設(shè)置出鋼口，代替出鋼槽。由于取消了傾動(dòng)設(shè)備，擴(kuò)大了水冷面積，緩和了爐襯的損毀，適當(dāng)降低了出鋼溫度，并縮短了出鋼時(shí)間，從而降低生產(chǎn)成本。爐墻采用鑲砌水冷箱式水冷套措施，其內(nèi)表面噴涂一層耐火涂料，使其掛渣形成保護(hù)層，可有效降低耐火材料消耗，但電耗可能增加。國外有的電弧爐功率達(dá)1 000 kV·A/t以上，爐墻壽命達(dá)2 000爐次以上，水冷爐蓋壽命達(dá)4 000爐次，降低耐火材料消耗60%以上。
2 耐火材料內(nèi)襯的損毀因素
電弧爐內(nèi)襯的耐火材料長期處于高溫、熔渣侵蝕和急熱急冷狀態(tài)下，工作條件極其惡劣。在煉鋼的熔化期和氧化期，不致于因高溫?fù)p壞爐襯，但在還原期的鋼液溫度相當(dāng)高，又受電弧直接輻射(有時(shí)溫度達(dá)4 000℃以上)，爐襯很容易造成熔融損壞。出完鋼裝料時(shí)，爐襯溫度突然下降，裝完料開始送電，溫度又逐漸升高，這種急冷急熱是爐襯剝落的直接原因，主要是爐頂容易剝落。
耐火材料內(nèi)襯損毀的主要因素包括[3]:(1)化學(xué)侵蝕。FeO或渣中SiO2與耐火材料中的CaO、MgO之間的化學(xué)反應(yīng)，使?fàn)t襯變?yōu)槿墼鴮?dǎo)致?lián)p毀。(2)耐火材料內(nèi)襯中的碳成分被含氧成分(如FeO、O2、MgO等)氧化，導(dǎo)致耐火材料脫碳而損毀。(3)沖刷和機(jī)械沖擊。鋼水或熔渣流過耐火材料表面，以物理性磨損或沖刷爐襯，而導(dǎo)致內(nèi)襯損毀;在出鋼口、渣線、電極口或排氣口平臺等沖刷嚴(yán)重，廢鋼等爐料吊入往往撞擊爐襯而損毀。(4)水化。在生產(chǎn)過程中，往往會出現(xiàn)爐頂或爐墻漏水或滲水，還有水蒸氣，與堿性耐火材料中的MgO、CaO進(jìn)行水化反應(yīng)，使內(nèi)襯損毀。
3 電弧爐用耐火材料
根據(jù)電弧爐的結(jié)構(gòu)，由于各部位承受的熱負(fù)荷大小不同，與熔渣、鋼水接觸作用及機(jī)械損壞程度存在差異，不同部位必須采用不同的耐火材料[4]。
3.1 爐頂(蓋)
我國中小電弧爐普遍采用燒成或不燒高鋁磚，局部用高鋁質(zhì)或剛玉質(zhì)不定形耐火材料預(yù)制件。大型超高功率電弧爐和直流電弧爐采用水冷技術(shù)，除三角區(qū)外，爐頂耐火材料不是關(guān)鍵。三角區(qū)由于強(qiáng)烈熱震及電極熱輻射苛刻，國外普遍采用剛玉質(zhì)或鋁鉻質(zhì)搗打料，我國一般用高鋁質(zhì)或剛玉質(zhì)搗打料。天津鋼管集團(tuán)公司150 t超高功率電弧爐，爐頂三角部分(三個(gè)電極孔周圍)采用鉻剛玉質(zhì)澆注料預(yù)制件，預(yù)先烘烤，現(xiàn)場直接使用，并解決了電極孔定位的難題。還針對氧槍上部損毀較快問題，在該區(qū)域采取局部加厚處理，使?fàn)t頂各部分損毀速度基本一致，最高壽命達(dá)676爐次。
3.2 爐墻(壁)
分為一般爐墻、渣線區(qū)和臨近電弧的熱點(diǎn)部位爐墻。一般爐墻主要用鎂磚、白云石磚砌筑，也有用不燒鎂磚和瀝青結(jié)合的鎂質(zhì)及白云石質(zhì)搗打料。超高功率和直流電弧爐冶煉特殊鋼的爐壁使用鎂鉻磚和優(yōu)質(zhì)鎂磚砌筑。由于渣線和熱點(diǎn)部位是爐墻的薄弱環(huán)節(jié)，爐墻的壽命主要取決于熱點(diǎn)部位的損壞程度，因此特別重視熱點(diǎn)部位的耐火材料，早期使用鎂鉻磚，使用壽命100～150爐次，現(xiàn)在使用鎂碳磚，壽命達(dá)300爐次以上。為使?fàn)t墻損毀趨于平衡，延長壽命，在爐墻鑲砌水冷箱或水冷套措施，其表面噴涂一層耐火涂料，使用時(shí)掛渣形成保護(hù)層，不但提高爐墻壽命，還能使電極消耗降低0.5 kg/t，生產(chǎn)成本降低5%～10%。
3.3 爐底和爐坡
爐底和爐坡構(gòu)成熔池，是裝爐料和鋼液匯集的部位。爐底普遍采用優(yōu)質(zhì)電熔鎂砂打結(jié)內(nèi)襯，一般分兩層，下層用鎂磚或?yàn)r青結(jié)合的鎂磚砌筑，上面用鎂質(zhì)或鎂鈣鐵質(zhì)搗打料，工作層打結(jié)料直接影響爐底壽命。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的鎂鈣鐵質(zhì)干式搗打料，施工方便、燒結(jié)速度快、使用中形成良好的燒結(jié)層，提高了抗侵蝕和抗沖刷性能，耐火材料消耗降到2 kg/t以下。爐坡料與爐底料被侵蝕的情況有些不同，某公司[5]在爐坡部分采取適當(dāng)提高M(jìn)gO含量，降低Fe2O3含量，使用納米級微粉提高燒結(jié)性能，改進(jìn)后搗打料的理化指標(biāo)見表1。爐坡上部的渣線部位，由于熔渣侵蝕嚴(yán)重，要進(jìn)行噴補(bǔ)作業(yè)。
3.4 出鋼槽(口)
一般的側(cè)式出鋼槽，我國普遍采用高鋁磚、蠟石磚等砌筑，或者用搗打料、澆注料制成整體出鋼槽。20世紀(jì)80年代開發(fā)的偏心出鋼口，由原來的傾動(dòng)式出鋼改為固定式出鋼，偏心底出鋼對耐火材料來說有許多優(yōu)點(diǎn)：可使水冷區(qū)域擴(kuò)大、耐火材料用量及鋼包渣量減少等。因此，可降低出鋼溫度13℃、降低爐底耐火材料消耗0.5 kg/t、降低鋼包耐火材料消耗0.43 kg/t、降低噴補(bǔ)耐火材料消耗0.64 kg/t。出鋼口磚為瀝青浸漬燒成鎂磚、管磚為鎂碳磚，端部為Al2O3-SiC-C磚或鎂碳磚。出鋼口管由于反復(fù)出鋼，侵蝕沖刷嚴(yán)重，直徑擴(kuò)大，需要維修更換。日本人發(fā)明一種Al2O3-MgO-C磚，含碳量低，具有很好的耐磨性和抗侵蝕性能。因此，可把初始管磚的孔徑擴(kuò)大，使出鋼時(shí)間縮短，提高操作效率。出鋼口磚的性能見表2。為了使出鋼順利，常采用鎂橄欖石基質(zhì)的粗砂引流料。爐底吹氣元件普遍用鎂碳質(zhì)供氣磚和供氣干式料。
3.5 噴補(bǔ)料
噴補(bǔ)料主要用于電弧爐的渣線及熱點(diǎn)部位，還有直流電弧爐的電極套管。我國和日本開發(fā)的白云石質(zhì)、鎂鈣質(zhì)、鎂質(zhì)噴補(bǔ)料理化指標(biāo)見表3。
直流電弧爐的電極套管需要經(jīng)常修補(bǔ)，也是通過熱噴補(bǔ)，噴補(bǔ)溫度≥800 C°。日本開發(fā)的碳結(jié)合鎂碳質(zhì)和鋁鎂碳質(zhì)熱態(tài)噴補(bǔ)料性能較好，見表4。
3.6 直流電弧爐用耐火材料
直流電弧爐的爐頂、爐墻、出鋼口系統(tǒng)用耐火材料與超高功率電弧爐大同小異，唯有底電極的結(jié)構(gòu)不同。有兩種材質(zhì)的底電極，即MgO-C質(zhì)耐火材料底電極和金屬底電極。金屬底電極是以鑲嵌于爐底耐火材料中的金屬元件為陽極，分為風(fēng)冷式金屬觸針底電極、鋼片底電極和水冷式1-4根金屬棒底電極，分別以ABB、GHH、Clecim為代表。對于直流電弧爐來說，底電極的壽命就是爐底耐火材料的壽命。爐底吹氣元件，普遍用MgO-C供氣磚和供氣干式料。
世界主要國家和地區(qū)電弧爐用耐火材料見表5。
表1 改進(jìn)后的爐坡、爐底搗打料理化指標(biāo)
表1 改進(jìn)后的爐坡、爐底搗打料理化指標(biāo)
表2 出鋼口用鎂碳磚和AI2O3-MgO-C磚性能
表2 出鋼口用鎂碳磚和AI2O3-MgO-C磚性能
表3 日本和中國噴補(bǔ)料的理化指標(biāo)
表3 日本和中國噴補(bǔ)料的理化指標(biāo)
表4 電極套管磚熱態(tài)噴補(bǔ)料性能
表4 電極套管磚熱態(tài)噴補(bǔ)料性能
表5 一些國家和地區(qū)電弧爐用耐火材料
表5 一些國家和地區(qū)電弧爐用耐火材料
4 討論
4.1 煉鋼電弧爐用耐火材料，隨著爐子結(jié)構(gòu)變化而發(fā)展
一般交流電弧爐(功率500～700 kV·A/t)[6]發(fā)展為超高功率(UHP)電弧爐及直流(DC)電弧爐，爐子結(jié)構(gòu)改變，爐蓋、爐壁大面積水冷，爐蓋上安裝氧-燃料燒嘴，偏心爐底出鋼和噴吹惰性氣體等，還有8%左右的鋼水和熔渣留在爐內(nèi)，甚至無渣出鋼，這樣一來，不但耐火材料用量減少，而且對爐襯和鋼包耐火材料的侵蝕也有所減輕。如英國ASW公司120 t電弧爐運(yùn)行表明：降低爐底耐火材料消耗0.5 kg/t、降低鋼包耐火材料消耗0.43 kg/t、降低噴補(bǔ)料消耗0.64 kg/t。對于超高功率(UHP)電弧爐的三角區(qū)(電極孔周圍)、熱點(diǎn)區(qū)域和渣線，使用條件苛刻，必須選擇優(yōu)質(zhì)的高檔耐火材料。而DC與UHP電弧爐相比，DC電弧爐唯有一根電極，位于爐膛中心，熔池中的電流與熱量分布相對比較均勻，且不存在熱點(diǎn)區(qū)域，因而耐火材料的損耗速度減小，同時(shí)由于爐齡延長，耐火材料綜合消耗降低50%～60%。唯有爐底導(dǎo)電是直流電弧爐的最主要特征，無論是采用爐底耐火材料為陽極，還是以鑲嵌于爐底耐火材料中的金屬元件為陽極，其所處的工作環(huán)境和工作條件都十分嚴(yán)苛，爐底電極壽命就是爐底耐火材料壽命，是DC電弧爐用耐火材料的主攻方向。目前一般爐底電極周圍使用MgO-C質(zhì)或MgO質(zhì)套磚，其他部位使用干式料，可冷補(bǔ)。隨著電弧爐設(shè)備改進(jìn)及冶煉技術(shù)的提高，電力工業(yè)發(fā)展，電爐鋼成本不斷下降，現(xiàn)在電弧爐不但用于生產(chǎn)合金鋼，還大量用來生產(chǎn)碳素鋼，發(fā)展前景可觀。因此應(yīng)該加強(qiáng)電弧爐用耐火材料的研究。
4.2 電弧爐煉鋼工藝的變化對耐火材料的影響不可輕視
如某公司的90 t超高功率電弧爐，剛投產(chǎn)時(shí)用全廢鋼冶煉，三年后開始采用兌鐵水的工藝生產(chǎn)，再過五年改為爐底底吹工藝，然后又對氧槍系統(tǒng)進(jìn)行了改造。隨著煉鋼生產(chǎn)工藝條件的改變，內(nèi)襯用耐火材料的侵蝕狀況更加嚴(yán)重，爐齡下降到400～500爐次。為此，該公司采取了選用優(yōu)質(zhì)耐火材料、優(yōu)化爐墻砌筑和爐底打結(jié)工藝、改進(jìn)冶煉工藝、調(diào)整造渣制度、實(shí)施濺渣護(hù)爐和掛渣護(hù)爐工藝，使?fàn)t襯耐火材料大幅度提高到850爐次以上，補(bǔ)爐料由60 t/爐役，下降到10 t/爐役。
4.3 必須做好耐火制品的砌筑，保證澆注料、搗打料的施工質(zhì)量
由于電弧爐使用條件苛刻，爐墻鎂碳磚的外形尺寸精度和砌筑質(zhì)量，對耐火材料內(nèi)襯壽命的影響，甚至超過鎂碳磚本身的物理化學(xué)性能。為了防止高溫?zé)崤蛎洺霈F(xiàn)的起拱或跑磚現(xiàn)象，磚與磚之間預(yù)留1～3 mm磚縫，并搗入一種防熱脂的特殊材料。特別要關(guān)注超高功率(UHP)和直流(DC)電弧爐爐底的施工，工作層打結(jié)的好壞，直接影響爐底的壽命。尤其要重視鎂鈣鐵質(zhì)打結(jié)料，要能形成致密的燒結(jié)層。因此，要采用固定胎模和“十”字交叉法進(jìn)行打結(jié)，打結(jié)料分批加入，每批打結(jié)料厚度<150 mm，充分搗打，達(dá)到致密。
5 結(jié)語
煉鋼電弧爐，由三根電極的普通交流電弧爐發(fā)展為超高功率(UHP)及一根電極直流(DC)電弧爐，其爐體結(jié)構(gòu)有所改變，采用偏心爐底出鋼、爐底噴吹氣體，直流電弧爐用爐底做陽極導(dǎo)電等。其內(nèi)襯所用的耐火材料也隨著變化。由普通電弧爐爐頂用高鋁磚、爐墻用鎂磚、白云石磚、爐底用鎂質(zhì)、白云石質(zhì)搗打料、出鋼槽由高鋁磚砌筑或高鋁質(zhì)澆注料整體澆注出鋼槽。而超高功率和直流電弧爐變?yōu)闋t頂三角區(qū)用剛玉質(zhì)澆注料或預(yù)制件，爐墻用鎂碳磚，并對爐頂、爐墻采用大面積水冷，減少耐火材料用量，提高內(nèi)襯壽命。超高功率電弧爐的熱點(diǎn)區(qū)域及渣線等侵蝕比較嚴(yán)重部位采取噴補(bǔ)。爐底和爐坡用鎂鈣鐵質(zhì)打結(jié)料。直流電弧爐無熱點(diǎn)區(qū)域，可是爐底作為陽極要求耐火材料具有導(dǎo)電性，采用鎂碳磚或鑲嵌金屬元件的鎂碳磚。
