熔分電爐耐火材料的選擇與優(yōu)化

查笑樂(lè)，郝建章

（1.攀枝花攀鋼集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川攀枝花 617023；2.攀鋼集團(tuán)研究院有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

根據(jù)釩鈦磁鐵礦綜合利用的需要，攀鋼于20 世紀(jì)80 年代著手于釩鈦磁鐵礦直接還原的工藝研究。該工藝在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)釩鈦磁鐵礦特色大膽的提出直接還原-熔分深還原-鐵水提釩-高鈦渣的新工藝路線(xiàn)，不僅實(shí)現(xiàn)了釩鈦磁鐵礦冶煉鐵水的短流程，還創(chuàng)造性的實(shí)現(xiàn)鐵、釩、鈦的一次性分離和綜合回收利用[1]。但是新工藝熔分電爐自投產(chǎn)以來(lái)，存在較多生產(chǎn)運(yùn)行問(wèn)題，其中明弧溫度過(guò)高導(dǎo)致?tīng)t蓋變形嚴(yán)重、爐襯與酸性鈦渣不匹配導(dǎo)致?tīng)t襯的過(guò)快侵蝕，對(duì)生產(chǎn)、試驗(yàn)運(yùn)行影響最大。

目前，熔分電爐采用中碳鎂碳磚（C：14%～16%）作為耐火材料，使用壽命較低，不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的需要。為此，需要選擇一種適合熔分電爐冶煉的耐火材料。通過(guò)開(kāi)展各種耐火磚的動(dòng)態(tài)抗渣侵蝕對(duì)比試驗(yàn)、計(jì)算、分析等方式，找到滿(mǎn)足熔分電爐工況可長(zhǎng)期生產(chǎn)的耐火材料。特別是該耐火材料需具備較好的耐氧化亞鐵和二氧化鈦酸性爐渣的侵蝕性能，抗低碳鐵水的沖刷性?xún)?yōu)良，而且本身耐火度高，適合電爐的高溫和超高溫冶煉。

1 熔分電爐耐火材料概況

1.1 熔分電爐概況

中試線(xiàn)的熔分電爐主要由爐基、爐身、爐壁（爐門(mén)）、爐蓋、三相石墨電極（A 相、B 相、C 相）、耐火材料、出鐵口、出渣口、操作平臺(tái)、電極升降裝置、加料系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等部分組成，功率12 500 kV·A，爐體直徑7.4 m，爐膛直徑5.2 m、深2.1 m，熔池直徑3.8 m、深0.8 m。出渣口與出鐵口垂直90°分布，出鐵口正對(duì)中A 相電極。

熔分電爐冶煉末期渣鐵分離后，開(kāi)渣口出渣，渣出干凈后再開(kāi)鐵口出鐵。渣系為酸性渣，堿度0.2 左右。

1.2 熔分電爐耐火材料使用情況

1.2.1 初始設(shè)計(jì)耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)

熔分電爐初始設(shè)計(jì)耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)工作層主要材料是中碳鎂碳磚，爐襯永久層用鎂磚，爐底永久層采用高鋁磚、鎂磚綜合砌筑。出鐵口和出渣口采用鎂碳質(zhì)預(yù)制件。

1.2.2 熔分電爐1～5 爐役耐火材料砌筑情況

熔分電爐投產(chǎn)后，由于侵蝕過(guò)快，對(duì)耐火材料進(jìn)行大修、更換，前后實(shí)施了2～5 爐役，情況如下：第2 爐役耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)是在第1 爐役砌筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，減薄了熔池部位的耐火材料厚度，并在出鐵口和出渣口采用轉(zhuǎn)爐，目前使用出鋼口套磚，替代了預(yù)制件。第3 爐役耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，降低了鎂磚永久襯的厚度，增加了鎂碳磚襯的厚度，同時(shí)在第2 爐役基礎(chǔ)上增加熔池渣線(xiàn)以上部位耐火材料的厚度，出鐵口和出渣口仍采用出鋼口套磚，出鐵口降低50 mm 左右。第4 爐役耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)與第3爐役接近，變化不大，主要是熔池部位耐火材料稍微加厚，熔池直徑變小。第5 爐役前期耐火材料砌筑結(jié)構(gòu)與第4 爐役相同，試驗(yàn)后期，熔分電爐上沿鋼殼發(fā)紅，對(duì)熔分電爐的上部耐火材料進(jìn)行改進(jìn)，加厚了上沿鎂碳磚厚度，并砌筑鎂磚用于保護(hù)鋼殼。

1.2.3 熔分電爐1～5 爐役耐火材料侵蝕情況分析

熔分電爐1～5 爐役耐火襯在試驗(yàn)中后期出現(xiàn)嚴(yán)重侵蝕和損毀，爐襯侵蝕嚴(yán)重的位置主要在渣線(xiàn)附近，特別是三相電極背后區(qū)域，呈現(xiàn)明顯的三相梅花瓣?duì)钶喞?。在鐵線(xiàn)及以下耐火材料和渣線(xiàn)上部耐火材料侵蝕和損毀都不嚴(yán)重，說(shuō)明爐渣對(duì)耐火材料的侵蝕影響最顯著。

根據(jù)熔分電爐的工況和冶煉條件，分析爐襯侵蝕損毀原因主要有4 點(diǎn)：

（1）酸性熔渣（FeO、SiO2和TiO2）對(duì)耐火材料侵蝕，鎂碳磚中的碳被氧化損失，形成孔洞，熔渣進(jìn)入后與氧化鎂反應(yīng)形成鐵酸鎂、硅酸鎂、鈦酸鎂等低熔點(diǎn)物質(zhì)。

（2）超高溫冶煉條件和電弧的照射與沖刷造成耐火材料侵蝕和損毀。

（3）間歇式操作使耐火材料受冷熱交替的熱震作用，產(chǎn)生裂紋并掉塊，降低耐火材料的性能。

（4）熔渣與低碳鐵水受電弧的攪拌，強(qiáng)烈沖刷耐火材料，造成爐襯的機(jī)械沖刷損毀。

2 耐火材料侵蝕機(jī)理分析

2.1 用后耐火材料的性質(zhì)變化

對(duì)用后殘存的鎂碳磚進(jìn)行物理性能分析：用后耐火磚氣孔率高于原磚，超出原磚2～4 倍，體積密度略低于原磚，強(qiáng)度指標(biāo)不到原磚強(qiáng)度性能的1/2，說(shuō)明耐火磚使用后性能顯著降低，同一塊磚工作層性能最差，過(guò)渡層次之，永久層稍好；原磚的碳含量15%左右，經(jīng)使用后，耐火磚沿工作層方向碳含量逐步降低，說(shuō)明耐火磚靠近工作層的碳跟熔渣反應(yīng)并被氧化流失，使磚基體疏松。

2.2 用后耐火材料微觀結(jié)構(gòu)分析

取用后鎂碳磚殘磚（粘渣）分析渣層的物相組成，其XRD（X-Ray Diffraction，X 射線(xiàn)衍射儀）圖如圖1 所示。用后鎂碳磚物相分析顯示：鎂碳質(zhì)耐火材料與渣反應(yīng)后的主要物相為鎂橄欖石（Mg2SiO4）、鎂鈦尖晶石（MgTi2O5）和鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）。鎂橄欖石、鎂鈦尖晶石和鎂鋁尖晶石的耐火性能遠(yuǎn)低于氧化鎂或鎂碳質(zhì)耐火材料，在高溫或超高溫下形成熔體，對(duì)耐火材料侵蝕嚴(yán)重。

圖1 鎂碳磚XRD 圖譜

3 熔分電爐耐火材料的選擇

3.1 常規(guī)物理性能對(duì)比分析

選擇鎂碳磚（高碳、中碳、低碳）、鎂碳化硅碳磚、鎂磚、鋁碳化硅碳磚、碳磚、奧爾磚（剛玉復(fù)合磚）、鎂鉻磚、碳化硅磚等進(jìn)行常規(guī)物理性能分析，鎂碳磚系列體積密度、氣孔率、常溫耐壓強(qiáng)度、高溫抗折強(qiáng)度等性能都隨著碳含量的增加而降低，相比于鎂碳磚系列，鎂磚、碳磚、奧爾磚、鎂鉻磚、碳化硅轉(zhuǎn)氣孔率都較高，說(shuō)明致密性較差。此外，由于該類(lèi)磚都屬于燒成磚，表明該類(lèi)磚高溫強(qiáng)度性能相對(duì)較差[2]。結(jié)合熔分電爐的冶煉條件，可初步確定鎂碳磚系列優(yōu)于其他品種的耐火磚。

3.2 動(dòng)態(tài)抗渣侵蝕性分析

經(jīng)過(guò)3 組動(dòng)態(tài)抗渣侵蝕試驗(yàn)，第1 組為鎂碳系列磚（高、中、低鎂碳磚）、碳磚、鎂磚、鋁碳磚、奧爾磚（剛玉復(fù)合磚）、鎂鉻磚、碳化硅磚；第2 組為鎂碳系列磚（高、中、低鎂碳磚）、鎂碳化硅碳磚、鋁碳磚、鋁碳化硅碳磚及鋁鎂碳磚；第3 組為高鎂碳磚、鋁碳化硅碳磚系列、鎂碳化硅碳磚系列，3 組通過(guò)互相對(duì)比，找出最佳抗熔分電爐熔渣侵蝕性的耐火材料種類(lèi)。

（1）第1 組：鎂碳磚系列優(yōu)于鋁碳磚，碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚浸入熔渣中的部已經(jīng)被全部侵蝕掉，說(shuō)明碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚抗熔分渣侵蝕較差，不能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求。鋁碳化硅碳磚抗侵蝕能力明顯比鎂碳磚系列差。而且鎂碳磚系列呈現(xiàn)隨著碳含量的增加，抗渣侵蝕性有所提高，說(shuō)明碳的含量的提高與抗侵蝕性呈正比[3]。而對(duì)比熔渣及鐵水對(duì)耐火磚的侵蝕程度，渣是耐火材料被侵蝕的第一因素。

通過(guò)第1 組試驗(yàn)對(duì)比，得出鎂碳磚系列耐火材料動(dòng)態(tài)抗熔分渣侵蝕性明顯優(yōu)于鋁碳磚，碳磚、鎂磚、碳化硅磚、鎂鉻磚、剛玉磚。

（2）第2 組：高碳鎂碳磚、鋁碳化硅碳磚和鎂碳化硅碳磚的渣線(xiàn)被侵蝕深度最少，抗侵蝕性能最好。低碳鎂碳磚、中碳鎂碳磚渣線(xiàn)侵蝕相對(duì)較重，鋁鎂碳磚和鋁碳磚渣線(xiàn)侵蝕深度最深，抗侵蝕性能最差。

通過(guò)第2 組試驗(yàn)對(duì)比，得出高碳鎂碳磚、鎂碳化硅碳磚和鋁碳化硅碳磚動(dòng)態(tài)抗熔分渣侵蝕性?xún)?yōu)于其他耐火磚。

（3）第3 組：鎂碳化硅碳磚的抗熔分渣侵蝕性?xún)?yōu)于鋁碳化硅碳磚和高碳鎂碳磚，而且隨著碳化硅含量的增加，抗侵蝕性有進(jìn)一步提高的趨勢(shì)，說(shuō)明在鎂碳磚中添加碳化硅，能提高磚的抗渣侵蝕性。

表1 給出了高碳鎂碳磚（GMT）、中碳鎂碳磚（MT）、低碳鎂碳磚（DMT）、鎂碳化硅碳磚（MST）、鋁碳化硅碳磚（LST）、鋁碳磚（LT）、鋁鎂碳磚（LMT）的脫碳反應(yīng)層厚度，其中GMT、MST 和LST 試樣被侵蝕深度最小，LT 試樣被侵蝕深度最大。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)常規(guī)物理性能分析和動(dòng)態(tài)抗渣侵蝕試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：

表1 試樣脫碳反應(yīng)層的厚度 mm

（1）鎂碳磚系列耐火材料耐高溫性能優(yōu)良，基體密實(shí)，氣孔率低，動(dòng)態(tài)抗熔分渣侵蝕性較好，而且隨著碳含量的增加，性能更優(yōu)。

（2）在鎂碳磚中添加碳化硅，能進(jìn)一步改善磚的抗熔分渣侵蝕性，提高磚在高溫下的抗氧化性能。

（3）高碳鎂碳磚、鎂碳化硅碳磚更適合熔分電爐的冶煉要求。

（4）提出在熔分電爐上采用高碳鎂碳磚替代中碳鎂碳磚開(kāi)展應(yīng)用試驗(yàn)的建議。