電弧爐水冷爐蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

趙靜 黃永紅 尹倩

摘 要： 本文所研究的是一座40t的非標(biāo)電弧爐，并配有一套一機(jī)三流的連鑄機(jī)，主要是用來對(duì)三種斷面方坯以及合金鋼圓管坯進(jìn)行生產(chǎn)。其電弧爐爐殼的直徑達(dá)到4600mm;而變壓器的容量是30000 kVA，并且能夠超載20%;通過偏心爐出鋼;在爐壁配有兩支集束氧槍、爐門口一支爐門氧槍以及偏心區(qū)一支EBT氧槍，供氧量整體達(dá)到5700 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)）;通過第四孔除塵;出鋼量最大可達(dá)55t，出鋼量平均達(dá)到52t;平均55 min/爐的冶煉時(shí)間。應(yīng)用水冷爐蓋因?yàn)槁┧闆r頻繁出現(xiàn)會(huì)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生影響，并且難以保障鋼液質(zhì)量。針對(duì)這一情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)水冷爐蓋結(jié)構(gòu)，能夠有效提升電弧爐的煉鋼質(zhì)量，確保有順暢的生產(chǎn)節(jié)奏，可以提升經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞： 電弧爐;水冷爐蓋;結(jié)構(gòu)

【中圖分類號(hào)】TF748+.06 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.35.128

目前電弧爐操作不斷加強(qiáng)，在水冷爐蓋應(yīng)用方面不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，電弧爐中的水冷爐蓋主要優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用壽命長以及節(jié)省耐火材料等，目前應(yīng)用比較廣泛。然而根據(jù)現(xiàn)階段我國各廠家應(yīng)用水冷爐蓋的實(shí)際情況來說，還有一些問題存在著，例如應(yīng)用水冷爐蓋之后會(huì)消耗更多電能;焊縫容易開裂從而出現(xiàn)漏水問題;爐蓋內(nèi)襯使用的耐火材料壽命比較短;電極孔的耐火絕緣密封磚應(yīng)用壽命短。這些問題的存在會(huì)影響電弧爐的運(yùn)行，因此應(yīng)采取合理的策略加以解決，保證其充分發(fā)揮效用，降低能耗，并提升運(yùn)行效率，以此提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)。

1 水冷爐蓋簡介

我國使用最早的爐蓋結(jié)構(gòu)是由楔形磚砌筑水冷外圈而成的，在冶煉爐數(shù)不斷增加的情況下，耐火磚慢慢被燒損，在使用后期，因?yàn)闋t頂是由耐火磚砌成的沒有良好強(qiáng)度，極易有爐蓋磚坍塌情況出現(xiàn)。有效改造高功率和集束氧槍后，能夠有效提升電弧爐變壓器的功率，并且加快生產(chǎn)節(jié)奏，由耐火磚構(gòu)成的爐蓋無法滿足現(xiàn)階段的生產(chǎn)要求。某電爐研究所在改造高功率時(shí)配套運(yùn)用水冷爐蓋。其中水冷爐蓋是應(yīng)用102mm×15mm的209無縫鋼管制作而成，能夠解決爐蓋坍塌這一問題。然而其爐蓋使用剛性的連接結(jié)構(gòu)，進(jìn)行冶煉時(shí)，需要長時(shí)間處在高溫狀態(tài)下，因?yàn)榇嬖跔t渣反射，最高的爐蓋溫度能夠達(dá)到l800℃。此外爐蓋經(jīng)常會(huì)受到急冷和急熱的影響，爐蓋在出鋼后其溫度快速降低至l000℃以下，并且有時(shí)會(huì)有較長的待料以及裝料時(shí)間，極易造成爐蓋的開裂以及剝落。除此之外，進(jìn)行冶煉時(shí)，高溫爐氣、煙塵和爐渣等會(huì)侵蝕和沖刷爐蓋。在對(duì)電弧爐進(jìn)行一次除塵改造之后，會(huì)增加爐蓋偏載力，使得爐蓋漏水不斷惡化，最嚴(yán)重的情況是每月焊補(bǔ)爐蓋需要停產(chǎn)20h以上，對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并且浪費(fèi)能源和材料，增加員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。如果沒有及時(shí)、有效的進(jìn)行處理，則會(huì)出現(xiàn)水分解情況，增加氫含量，最終嚴(yán)重影響鋼液質(zhì)量。

2 分體式及整體式水冷爐蓋的結(jié)構(gòu)對(duì)比

整體式的水冷爐蓋因?yàn)闊嶙冃问沟盟錉t蓋鋼管產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力難以有效分解，極易使主管出現(xiàn)重復(fù)拉裂情況，并且漏水，對(duì)冶煉順利進(jìn)行有著嚴(yán)重影響。優(yōu)化改造之后的分體式水冷爐蓋具有以下特征：（1）運(yùn)用分體式的水冷爐蓋之后，不改變其安裝的方式和尺寸，將小爐蓋旁擋火支撐水管去掉，以此縮短爐蓋水循環(huán)的路徑，提升水冷效果。（2）水冷爐蓋在改進(jìn)后使用168mm×12 mm、159mm×12 mm的無縫鋼管，將其制作為兩圈大環(huán)管，此外，使用五根l59 mm×12 mm的無縫鋼管，將其連接在一起制作成管支架，并安裝吊耳，這一構(gòu)件的主要作用是承受爐蓋和除塵彎頭的載荷。并且下部掛三塊70 mm×10mm無縫鋼管構(gòu)制的水冷塊，其中一塊開除塵第四孔以及加料孔，不改變開孔位置與尺寸，鋼管之間留出6 mm的間隙，在爐蓋上方使用5 mm扁鋼來焊接，確保無縫鋼管的熱變形空間充足，從而避免鋼管受到熱變形影響出現(xiàn)拉裂的現(xiàn)象。（3）將大爐蓋劃分為受力和受熱兩個(gè)部件，其中受力部件即為管支架，因?yàn)橛兴鋲K遮擋不會(huì)遇到強(qiáng)熱，能夠承受爐蓋上全部載荷和自重兼分水器，而受熱部件即為水冷板，其只能承受自重，無法承受其他載荷，主要作用是遮擋高熱。（4）增加進(jìn)出水口，從原本的三進(jìn)三出改造為十二進(jìn)十二出，將水路循環(huán)路徑合理縮短，水循環(huán)能夠有效加快速度。（5）受熱部件可以劃分為三件，因?yàn)榉殖扇谱鳎冃慰臻g充足，內(nèi)應(yīng)力可減小，能夠杜絕受熱變形而產(chǎn)生的鋼管拉裂情況。

3 優(yōu)化結(jié)果分析

3.1 冷卻水溫度

水冷爐蓋在改造前個(gè)改造后的平均進(jìn)水溫度是23℃，改造之前的出水溫度平均是42℃，其平均溫差是19℃;在改造之后出水溫度平均是37℃，其平均溫差是14℃;使得進(jìn)出水溫差降低5℃，可有效提升水冷效果。

3.2 使用壽命

在改造之前，整體式的水冷爐蓋難以有效分解熱應(yīng)力，造成其平均使用壽命通過多次焊補(bǔ)后只有大約l000爐;在改造之后能夠?qū)?yīng)力進(jìn)行有效分解，一次性的使用壽命能夠達(dá)到4508爐。

3.3 氫含量

水冷爐蓋存在漏水情況會(huì)增加鋼液W（H），這會(huì)對(duì)鋼液質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。在改造前后分別取樣來分析其氣體含量，圖1為W（H）分布對(duì)比圖。而圖2是使用兩種水冷爐蓋后鋼液平均w（U）對(duì)比圖。通過這兩個(gè)圖能夠看出，在改造前有較高的w（H），平均在4×10-6以上，因?yàn)闋t蓋在改造前處于漏水狀態(tài)，而少量漏水對(duì)冶煉不會(huì)產(chǎn)生影響，從而為了提升生產(chǎn)效率，沒有及時(shí)焊補(bǔ)處理爐蓋。爐蓋改造后能夠有效提升其使用壽命，并在不同程度上使鋼液降低。水冷爐蓋結(jié)構(gòu)在改造之后，平均鋼液從4.48×10-6降低至3.55×10-6，這能夠減輕后期真空處理和精煉的脫氣壓力。

結(jié)束語：在改造電弧爐的水冷爐蓋后能夠獲得以下實(shí)際應(yīng)用效果：（1）改造水冷爐蓋前整修2次，使用壽命累計(jì)小于1000爐，在改造后，可提升使用壽命到4508爐;（2）在改造之后平均進(jìn)出水溫差可降低5℃，能夠提升水冷效果;（3）從4.48×10-6的鋼液平均w（H）降低至3.55×10-6;（4）員工勞動(dòng)強(qiáng)度降低，故障停爐時(shí)間減少，受到水冷爐蓋損壞漏水產(chǎn)生的設(shè)備故障率下降，并且會(huì)降低水冷爐蓋損壞產(chǎn)生的設(shè)備停機(jī)損失，生產(chǎn)成本隨之降低，最終提升冶煉效率。

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