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热熔渣矿棉电炉冷凝炉衬的研究

彩钢2019-09-19 来源:中国冶金报

  钢铁及铁合金在冶炼过程中会产生一定量的热熔渣,而产出的热熔渣在矿棉电炉中经过调质后,能够生产出一种保温隔热材料——矿棉。然而,热熔渣在矿棉电炉(矿热炉)中进行调质生产时,电炉内衬使用的耐火材料寿命不稳定、炉龄短的问题始终困扰着有关生产企业。为此,笔者提出了采用冷凝炉衬的思路,对其使用性进行了分析及探讨。

  矿棉电炉炉衬耐火材料的损坏

  矿棉电炉即矿热炉,在矿棉的整个生产系统中,有着承上启下的作用,是调质补热的重要设备,也是熔渣成纤集棉的载体。矿棉电炉是否能够正常的运转,对整个矿棉的生产系统影响是很大的。矿棉电炉设备的主要任务是将工业热熔渣进行补热调酸熔炼后,控制热熔渣输送到离心机的渣温和渣量,达到生产矿棉板、散棉的要求。其炉型有一个出渣孔和一个出铁口,5MVA矿棉炉出渣口能力约为4t/h,年产量可达到2.5万吨~3万吨,出铁口的作用是供出余铁使用。整个炉体的组成包括炉壳、炉盖、电极系统、短网、液压系统、冷却水系统、氮气保护系统、炉衬耐火材料等。

  其中炉衬耐火材料是唯一不能在损坏后采取外部修补的地方,必须要停炉维修。在一次性生产投入后,就要到整个炉衬损坏直至造成了停炉才能够进行修补,而这期间的维修时间短则7天~10天,长则10天~15天,对于只有一台电炉的企业就造成了高炉冶炼所产生的热熔渣不能够及时回收利用的问题。因此,保持电炉炉衬耐火材料的长寿是一项重要的工作,在整个矿棉生产系统中电炉炉衬耐火材料要受到热熔渣的高温侵蚀、冲刷和渣线位置变化产生的冷热交替,对炉衬耐火材料造成损坏过快、炉龄短,最终导致企业不能连续生产。

  目前,在国内使用热熔渣生产矿棉的企业还在少数,并没有形成集群产业化,对炉衬耐火材料的了解更是少之又少,多数还是在理论和实验阶段。

  笔者所在企业走访的几家目前使用热熔渣生产矿棉的企业,对矿棉电炉炉衬耐火材料的使用寿命上也是各有见解,其中使用寿命最短的在7天左右,长的在4个月~5个月之间,也有的在1个月或者2个月不等。造成炉衬耐火材料损坏的原因为热熔渣的酸性侵蚀过快,特别是在渣线部位。图1是山西地区某公司使用的矿棉电炉炉衬耐火材料的配置,使用期间渣线部位寿命不稳定,最短仅1个月,其中炉墙高铝砖和炉底材料及炉口使用笔者公司产品,炉墙捣打料使用另一家产品。

  后经笔者所属公司对热熔渣生产矿棉的特性、操作工艺、热熔渣的炉前样和炉中样进行详细分析和总结,最终定性炉衬损坏过快的原因有以下几点:

  根据热熔渣的炉前样分析,热熔渣在进入电炉调质酸度系数前,炉渣成分中的碱性氧化物是大于酸性氧化物的。根据山西某公司提供的锰铁渣和河北某公司提供的高炉生铁渣化验结果(见表1、表2),可以看出,只有炉前样进入到电炉中加入一定数量的调质料以后,熔渣的成分逐渐转变为酸性氧化物大于碱性氧化物。可见热熔渣的侵蚀不单单是酸性侵蚀,而是由碱性逐渐转换为酸性的侵蚀,所以炉衬耐火材料必须能够抵抗酸碱侵蚀。

  根据热熔渣的出渣时间,判断高炉一般是在固定的时间内排放出一定量的渣液。比如高炉在间隔1.5h~2h后排出渣液,然后装入渣水包由汽车拉到矿棉车间再倒入矿棉电炉内。在这一过程中,矿棉电炉内原有的渣液在不间断地通过渣铁口砖流向炉外,而此时矿棉炉内的渣线也在不停地下降。新加入的渣液和流出的渣液就形成了时间差,因此在渣线部位的耐火材料就会受到液线下降及加入新渣后液面上涨而产生的冷热侵蚀。

  新加入的渣液通过溜槽流向炉内,溜槽的高度与炉内渣液的位置还有一定的距离,当渣液垂直流进炉内时产生一定的热浪,冲击炉壁耐火材料。

  矿棉电炉冷凝炉衬的研究

  根据以上热熔渣矿棉电炉耐火材料的损坏原因,笔者所属公司结合高炉炉缸部位用耐火材料以及锰硅合金冶炼矿热炉用耐火材料的原理,提出了热熔渣矿棉电炉炉壁特别是渣线部位采用“冷凝炉衬”的方法,具体配置如图2所示。

  冷凝炉衬的原理就是将有效的冷却与较薄的热效率和热传导性好的炉衬耐火材料相结合,使耐火材料的热表面温度远远低于热熔渣液的反应温度,这样使其冷表面易于将生产中产生的杂质和金属凝固其上,形成绝热层。由于有效的冷却使得渣壳下的耐火材料的热表面保持完整,这也有利于耐火材料保持在较低的温度,低于工艺中所有化学反应的“临界反应温度”。如果耐火材料的温度维持在低于反应的“临界”温度,那么化学反应就不会发生,因而只要保持有效的冷却,炉壁耐火材料的温度就会足够降低,以防止化学侵蚀的发生,这就减少了由于化学侵蚀导致的耐火材料损毁,确保了炉衬寿命。

  冷凝炉衬原理的一个主要因素是在炉衬结构中尽量少用耐火材料,这样可减少生产工艺和冷却之间的热阻。然而,实际上耐火材料的厚度往往比最佳的厚度厚,在这种情况下就要合理地使用高传导性的耐火材料,确保达到较低的炉墙热表面温度,促进渣壳的形成,从而达到真正的热平衡。耐火材料并不随时间而逐渐被侵蚀,能保持其完整性,保证了炉衬的寿命。

  另外,对促使达到真正热平衡有积极意义的是减少整个炉衬的热损失。这是由于耐火材料被侵蚀后厚度降低,热损失增大,直至最后在热流量最大处漏炉。在真正的热平衡状态下可防止炉衬的损失,热损失是可预测的并保持为一最佳的常数值。因而,只要保证冷却效率和热阻为开始提供的数值,就会确保较低的耐火材料温度,并可在其热表面上形成一层保护渣层。因炉底一直处在埋弧工作状态下,只要炉底使用抗酸、碱侵蚀性强的炉衬耐火材料,一般都不会出现漏底问题;与此同时,就需要考虑炉底保温的工作,炉底采用导热系数低的轻质保温砖或增加绝缘层的厚度。

  总结

  利用工业热熔渣生产矿棉的工艺,目前在国内还处于稳步发展阶段,实现生产操作流畅化还需一段时间。关系到熔制系统的电炉用耐火材料,虽有耐材可供选用但与实际生产中的能效相比,价格太高增加了成本,比如铬锆刚玉砖、高铬砖,一次性投资较大。所以,必须寻找一种低成本的抗侵蚀耐火材料,笔者推荐采用冷凝炉衬。

  目前,热熔渣生产矿棉的企业分别采用两种方法:一种是采用低成本的高铝质耐火材料,电炉设计成快速更换的结构,定期更换。另一种是采用增加矿棉电炉水冷系统,使耐火材料内壁形成渣壳,从而提高耐火材料寿命,连续化生产,但缺点是会增加电耗和热损失。理想的炉衬,应根据矿棉产品所在销售区域的价格来选择合适的炉衬耐火材料。

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