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义望铁合金责任有限公司 1 矿热炉炉衬的发展趋势 矿热炉炉衬改造理论分析白万立 王利民 摘要 1 随着时间的推移，优质矿产资源日益减少，加上环境保护意识的增强，有效利用劣矿 产资源，节能降耗降本增利成为铁合金生产商 不断追求的目标，矿热炉生产技术的发展主要就是 围绕这条主线展开的. 矿热炉炉大型化，控制自动化， 微调精确化， 提高冶炼强度、 提高热效率， 提高生产率、 集中冶炼，这正是未来矿热炉发展的主要方向。 2 目前，俄罗斯研制成世界上最大的密闭 式矩形高锰合金炉；并试制成功巨型容量的矩形矿热炉，以及开发出熔炼硅锰合金的2MVA 等离子竖式炉。 在大型炉子的设计中，全部利用计算机的最佳数学模型来计算确定大型矿热 炉的最佳参数和最佳工作状态。 国内以碳质材料做工作层的矿热炉广泛采用保温法炉衬结构。由于矿热炉炉衬在高温条 件下炉渣及成品液的机械冲刷和化学侵蚀。无论采用何种高品质的耐火材料，炉衬的损毁均 在所难免，其各部分的损坏速度也不一致，炉墙下部，炉底中心部位、出铁口等损坏较快， 因而降低了炉衬使用寿命。 现代矿热炉的发展趋势是增加反应区的冶炼强度。许多炉衬结构的工作条件已经接近甚 至超过了耐火材料的可承受的性能范围，单纯的材质改进已经无法适应冶炼工艺的发展要 求。影响矿热炉炉衬的寿命的关键因素是炉壁冷却程度，炉壁冷却技术的提高逐渐成为制约 矿热炉发展的关键因素 在采用碳质炉衬的矿热炉中，其炉衬结构、 耐火材料的选着、炉衬的冷却方式及维护使 用，正是是矿热炉工作者研究的课题。 义望铁合金责任有限公司 2 近年来， 3 河南方圆碳素集团有限公司对矿热炉炉衬技术的研究，不仅单纯的追求材质 方面的改进而且结合电路炉衬结构采取强制冷却措施，以延长炉衬寿命。国外的主流热压炭 砖- SLTD 技术也逐渐在国内打开了市场。还有针对矿热炉炉壁冷却的各种技术也在不断试 验研究之中。 延长矿热炉炉衬使用寿命除了炉壁的冷却程度外，还需科学管理、规范操作、，选择优 质的耐火材料， 优良的施工质量。新技术、新材料的开发，为实现冶炼重金属矿热炉整体寿 命的提高提供了可能。 关键词矿热炉、冷却技术、炉衬使用寿命 Summary Over time, high-quality mineral resources dwindling, coupled with awareness of environmental protection, efficient use of inferior mineral resources, energy saving and cost reduction and increased profits become ferroalloy manufacturers continue to pursue the goal, submerged arc furnace production technology mainly focus on the development of the main line expanded. Submerged arc furnace large-scale, control automation, precision fine-tuning to improve the smelting intensity, improve thermal efficiency, increase productivity, focus smelting, which is the main direction of the future development of the submerged arc furnace. At present, Russia developed into the world's largest enclosed rectangular high manganese 义望铁合金责任有限公司 3 alloy furnace; and successful trial giant rectangular submerged arc furnace capacity, as well as the development of silico-manganese alloy smelting 2MVA plasma shaft furnace. In large furnace designs, all of the best mathematical model using a computer to calculate and determine the optimum parameters of large submerged arc furnace and the best working condition. To do domestic work carbonaceous material layer submerged arc furnace method widely used in insulation lining structure. Since arc furnace slag lining in high temperature conditions and finished fluid mechanical erosion and chemical attack. Regardless of the high quality refractory lining are inevitable damage, damage to the speed of its parts are inconsistent, the lower part of the furnace wall, bottom center of the taphole and other damage faster, thereby reducing the lining life . Modern trends submerged arc furnace smelting is to increase the intensity of the reaction zone. Many structures lining the working conditions are close to or even exceed the performance of refractory affordable range of pure material improvements have been unable to adapt to the development needs of the smelting process. Affect the life of submerged arc furnace lining furnace wall is a key factor in the degree of cooling, furnace wall cooling technology to improve gradually become the key factor restricting the development of submerged arc furnace. 义望铁合金责任有限公司 4 In submerged arc furnace using carbon lining, the lining of its structure, the selection of refractory, lining and maintenance of cooling method used, it is submerged arc furnace worker study. In recent years, Henan Fangyuan Carbon Group Limited submerged arc furnace lining technology research, not only the simple pursuit of material improvements in the structure and bonding circuit lining forced cooling measures taken to extend lining life. Foreign mainstream hot charcoal briquette - SLTD technology has gradually opened up in the domestic market. There submerged arc furnace wall cooling for a variety of experimental techniques are constantly being studied. Extend the submerged arc furnace wall lining life in addition to the degree of cooling, the need of scientific management, standardized operation, select high-quality refractory materials, excellent construction quality. New technologies, new materials development, for the realization of the submerged arc furnace smelting metal to improve the overall life possible. Keywords：submerged arc furnace, cooling technology, lining life 义望铁合金责任有限公司 5 第一章矿热炉炉壁冷却技术的发展概况 1.1 矿热炉简介 4 矿热炉它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。主要生产硅 铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业中重要工业原料及电石 等化工原料。 其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极。 电 极插入炉料进行埋弧操作， 利用电弧的能量及电流通过炉料的，因炉料的电阻而 产生能量来熔炼金属，陆续加料，间歇式出铁渣，连续作业的一种工业电炉。 矿热炉属于结构繁杂、 品种繁多的一类冶金设备。 根据不完全统计， 目前世 界上铁合金的品种已达到200 多种，随着钢铁工业的不断发展， 世界各国的铁合 金总产量可达 4000 万吨，中国的铁合金产量可达300 万吨以上。目前全世界各 国的新建的矿热炉均向高效率、大型化发展， 大型化矿热炉具有热效率高、单位 产品投资低、产量高、劳动力省、合金元素挥发少、操作稳定、电耗低、运行成 本低、以及有利于烟尘净化和余热利用。 1.2 矿热炉炉衬材质 1.2.1 传统碳砖主要缺陷 传统工艺生产炭砖，是选用优质原料，经混捏、高压挤压成型、高温焙烧而 成，该生产工艺生产的炭砖具有几个不可避免的缺点： 生产周期长。 现代社会是一个追求效率的社会，是一个竟争的社会， 要求早 投入、早收益，焙烧炭砖的正常生产周期为每窑20-30 天，严重制约了生产的高 速发展。 气孔率高。炭质材料在高温阶段产生大量的挥发份，挥发份在逸出过程中， 使炭块形成大量的直径较大的贯通气孔，这些气孔的存在， 使炭砖在高温冶炼过 义望铁合金责任有限公司 6 程中，受到高炉内污染物及碱金属的侵入，侵入物的膨胀引起炭砖胀裂、剥落， 缩小了高炉的使用寿命。 产品质量均质性差。 因焙烧炉为大容积高温窑炉， 炉内温度场温差较大， 引 起同一窑炉内产品烧成温度不一，产品质量不一致， 导致产品质量差， 容易使炉 内形成“象脚“侵蚀，缩短高炉使用寿命。 传统碳砖宽缝砌筑炉衬整体性差，炭块和填充料高温收缩、 砖缝增大致冶金 产物钻入炉底，导致炉衬早起破损。 1.2.2 自焙碳砖 5 自焙碳砖是上世纪70 年代初研究开发的一种新型炭质筑炉材料。最初仅应 用在小型矿热炉及电炉上使用。 随着应用技术的成熟， 逐步在炼铁高炉和大型矿 热炉上使用。 在矿热炉应用中， 由于自焙炭砖炉衬的整体无缝结构特点，加之出 铁口部位采用半石墨炭 -碳化硅砖后，在使用过程中一代炉龄寿命在冶炼同类产 品的情况下提高约3 倍。特别是在微渣产品冶炼中，一代炉龄可达十年以上。 1.2.2.1自焙炭砖的优点 自焙无缝技术在矿热炉的应用， 基本解决了炉底渗碳， 炉衬短寿的重大难题， 一定程度上改变了电炉的工艺条件，实现了高负荷， 高炉温并增产节能降耗奠定 了基础。 自焙炭砖炉底、 炉衬利用烘炉和生产过程中的热量及炉内的还原性条件，逐 步石墨化、 最后焙烧成坚实、 致密整体性强的炭质炉衬。 并且随着温度的升高发 生质的变化，即炭质向石墨质的转化。自焙炭砖（见表4）在高温下形成致密的 近似于无缝的整体。 使合金难以渗透炉底， 大大提高了炉衬的抗腐蚀能力，达到 了延长炉衬寿命的目的， 是生产尽可能长时间的连续进行， 提高了炉子的利用率， 增加了导热和导电性能， 提高了熔池温度， 利用电极深插， 同时也节约了因停炉 而引起的各种消耗。 义望铁合金责任有限公司 7 炉底蓄热能力增强， 使炉内难熔杂质不易凝固， 且很容易随流动的高温液体 排出，不易是炉底上涨。 低温炭捣料的应用改善了工人的劳动条件，避免焙烧炭 砖砌筑时的款缝捣打不实和烘烤时的收缩而出现的渗铁现象。、 1.2.2.2自焙碳砖的砌筑 义望铁合金责任有限公司 8 自焙炭砖在矿热炉上的砌筑于传统的筑炉方法不同，避免使用焙烧炭块宽缝 砌筑的缺点。砌筑自焙烧炭砖时配套使用无水压入泥浆即碳素胶泥（见表1）和 浸润剂（也称细缝糊，见表2）并施力压紧，炭砖缝使用性能匹配的低温粗缝糊 （见表 3）捣实。所有的炭砖要全部进行加工并预砌。出铁口部位采用抗渣性好 的半石墨炭 - 碳化硅砖。炭质炉底、炉衬都要符合整体化的加工和施工精度标准。 1.2.2.3自焙碳砖在矿热炉上的应用价值 矿热炉炉衬的寿命主要取决于出铁口部位浸蚀程度，而半石墨炭-碳化硅砖 能较好的解决这一问题， 但该材料的在高温条件下易于堵泥中的水发生反应，裸 露空气部分也易氧化。而采用无水堵泥则彻底解决这一问题。大修期延长约2 年以上，自焙碳砖材料及砌筑费用比焙烧碳砖的费用高10% ，但相对铁口大修所 带来的直接或间接费用大幅减少，相对的经济价值就会体现出来。 自焙碳砖炉衬的相对寿命长，其应用经济价值明显，值得推广。 1.3 热压炭砖 - SLTD 1.3.1 热压炭砖 6 为使高炉在强化冶炼条件下安全、长寿的生产， 目前国内外矿热炉采用炭质 材料，利用炭质材料的高导热性，让熔融物料在炉缸壁上冷却，形成渣壳，直至 义望铁合金责任有限公司 9 1150等温线处于渣壳中。 同时炭质材料具有高强度和高抗化学侵蚀性，从而达 到高炉长寿的目的。 热压炭砖选用优质炭素材料， 在高温高压下， 粘结剂形成胶质状态， 从而使 物料在粘结剂成胶质状态下高压烧结而成，同一块产品质量均匀， 全面提高了产 品的品质。 1.3.1.1热压碳砖的优点。 高的导热性。本工艺采用高纯炭素材料， 物料在高温高压下结合， 气孔率低， 产品性能大幅提高，产品具有较高导热率，从而将铁水凝固1150等温线向上 推移，并把 800左右的化学反应等温线推至保护层内，从而减缓了炉底的侵蚀 速度，保护了炉缸，达到了高炉长寿目的。 透气性低，抗侵蚀性高。 本专利工艺产品， 物料是在结合剂为胶质状态下经 高压高温结合， 因挥发份挥发形成的气孔由胶质结合剂封闭，透气性比焙烧炭砖 大幅降低，有效地阻挡了高炉内有害物质的侵入，提高了炉缸的抗侵蚀性。 高的耐压强度。本专利工艺所生产的炭砖的常温耐压强度比焙烧炭砖大幅提 高。本专利产品具有较高的耐压强度，使其能够承受炉缸内高温液态渣、铁的静 压力，温差应力，铁水环流冲刷、磨损以及高 速煤气流的冲刷。 产品均质性好。 本专利工艺采用全过程电脑控制，每块产品的烧成温度、 成 型压力一致， 产品质量均均匀稳定， 从而避免由产品质量不均匀造成的炉缸“象 脚”侵蚀现象。 生产效率高， 本专利工艺将炭砖的生产周期由20-30 天缩短为几分钟， 大大 提高了生产效率，可为客户创造更大的经济效益。 1.3.1.2 国内厂家的热压碳砖的技术参数 河南远洋新材料技术有限公司的热模压炭砖分为SLTA和 SLTD两种型号， SLTA是一种性能特别均匀，结构特别致密的微孔炭砖，其耐压强度及导热系数 高于焙烧微孔炭砖， 并且具有高强的抗化学侵蚀性，该公司推荐SLTA炭砖用于 义望铁合金责任有限公司 10 高炉炉缸部位； SLTD具有更高的导热性能，所以SLTD炭砖用于炉底下部周边冷 却壁的环形部位。 产品成型后， 经六面精磨，产品尺寸偏差小。 本产品尺寸为： 459×230×114 （） 、348×230×114（） 、222×230×114（）三种规格二十余种型 号，可以根据高炉直径不同任意配砌，也可根据客户要求尺寸加工，最大尺寸为 460×230×120（） 。 技术指标： 项目单位 SLTD 引用标准 保证值典型值 体积密度g/cm3 1.72 1.77 YB/T119-1997 炭素 材料体积密度的测 定方法 灰分8 7 YB/T5146-2000 高纯石墨制品灰分 的测定 显气孔率18 16 YB/T908-1997 炭素材料显气孔率 测定方法 耐压强度MPa 29 31 GB1431-85 炭素材料耐压强度 测定方法 义望铁合金责任有限公司 11 重烧线变化 率 ±0.1 ±0.1 YB/T910-2000 自焙炭块焙烧收缩 率的测定方法 抗折强度MPa 9 10 GB/T3074.1-1982 石墨电极抗折 强度测定方法 铁水熔蚀指数 YB/4036-1991 高 炉 炭 块 铁 水 熔 蚀 指 数 试 验 方 错误！未找 到目录项。 法 氧化率10 9 YB/T5292-1999 高炉炭块氧化性试 验方法 义望铁合金责任有限公司 12 1.4 矿热炉冷却壁 【7】 矿热炉冷却壁技术是高炉冷却壁技术的一中迁移，是近年来刚刚发展起来的 新兴专利技术， 目前还没有得到广泛的推广应用。该专利计属宝钢工程技术集团 有限公司。 该技术涉及一种矿热炉铜冷却壁，包括炉壳和耐火材料， 还包括铜板和铜冷 却水管，铜板和铜冷却水管构成铜水冷元件，由此组成数个铜水冷元件。 所述铜 板预埋在炉壳内的耐火材料中， 铜板内部设置循环水路。 所述铜冷却水管安置在 铜板外侧，铜冷却水管与铜板的接口连接。 本实用新型的矿热炉铜冷却壁是在炉 壳内耐火材料中预埋铜板，铜板外侧接循环冷却水，这样可改变炉体工作环境， 透气度mDa 7 5 GB/T9973-1988 炭素材料透气度试 验方法 导 热 系 数 室温 W/m.K 50 60 YB/T5291-1999 高炉炭块导热系数 试验方法 30045 52 60040 42 抗碱性U、LC、C U U YB/T5213-1993 高炉炭块耐碱性试 验方法 义望铁合金责任有限公司 13 使炉体耐火材料外自然镀上一层固态的薄膜，以抵抗液态产物侵蚀， 使用寿命可 延长至五年，同时延长了检修周期，大大降低了耗材成本。 第二章炉衬长寿的理论分析 面对残酷的行业竞争，国家相关的指标要求，大型、高冶炼强度、高自动化 的矿热炉已经成为必然的趋势。 延长矿热炉炉衬使用寿命以降本增利，已经迫在 眉睫。 2.1 炉衬使用延长的基本原理 在高强度的冶炼强度下， 炉衬不仅承受到高热负荷、 强热震，还要抵御炉料 的冲刷、气流冲刷等的破坏， 减弱这种破坏效应的有效办法是在冷却设备的热面 快速形成稳定的渣皮（所谓的自然炉衬） ，要达到这种效果必须降低冷却设备热 面的温度，采取的主要措施就是降低冷却设备的热阻，而铜冷却壁的导热系数高 达 340-350w/(m*k) 是其他冷却设备的几十倍，由戈文艾莫伊登厂开发出的一个 数学模表明：减少冷却系统和耐火材料内衬的热阻会加速渣皮的形成和降低内衬 温度，铜冷却壁的高导热性使冷却壁热面于炉内形成很大的温度梯度，促使矿热 炉渣界面及炉体下部软熔态的渣金混液牢牢的粘附在冷却壁的热面，从而形成稳 定的渣皮，可以对冷却设备起到很好的保护作用，一方面可以极大的减缓炉料对 炉壁的磨损和气流对炉壁的冲刷，而且渣皮的导热系数很低，约1.2w/(m*k),因 此渣皮有很高的热阻，降低能量从炉内的散失。 2.2 铜冷却壁的优势 由于铜冷却壁具有良好的导热能力， 因此在铜冷却壁热面不仅能形成稳定的 渣皮，使冷却壁热疲劳得到抑制； 而且在渣皮脱落时， 也能够快速的重新生成渣 皮。大量实践表明， 铜冷却壁重新形成渣皮只需2030 分钟， ，可见铜冷却壁不 义望铁合金责任有限公司 14 仅能形成稳定的渣皮， 即使在渣皮脱落时， 能够快速的重新生成渣皮。 另外铜具 有较高的延伸率，从而使铜冷却壁具有很高的耐热震性能。 铜冷却壁是靠渣皮在炉内工作的，而渣皮的导热系数很小、 隔热，降低传到 铜冷却壁的热流强度，使热负荷大大降低。生产中渣皮厚度为50 mm 时，实际的 热流强度仅为 26.9 kW m2 ，远远小于铜冷却壁能承受的最大热流强度。同时铜 冷却壁工作时， 热量直接由铜冷却壁传递给冷却水，铜冷却壁具有优良的抗热冲 击性能。 由于铜冷却壁具有高导热性能、 良好的抗热震性能和抗热流冲击性能，因而 在高炉上应用铜冷却壁一方面可以省下了价格昂贵的高级耐火材料，可大大减少 这部分投资，同时炉内不需砌砖，炉墙变薄，对于同等大小的炉壳，使用铜冷却 壁的有效炉容可以比使用铸铁冷却壁扩大1015；另一方面，由于铜冷却 壁使用寿命长， 不会出现铸铁冷却壁易发生破损的情况，因此铜冷却壁在生产过 程中不用更换，也不需要备品备件，可大大降低设备维护费用。此外，由于铜冷 却壁能快速重建渣皮，因此热损失较低，同时可降低3040的冷却水量， 使用铜冷却壁还可以减少生产运行费用和冷却水系统的投资费用。 2.3 铜冷却壁应用状况 铜冷却壁的研制是于20 世纪 70 年代末从欧洲开始起步， 从 90 年代开始欧洲的 高炉逐步普及了这项技术，到目前为止国外已有120 多座高炉安装了铜冷却壁， 使用重量 23100 多吨，应用比例超过90，国内于 2000 年下达了国家技术创新 重点项目“铜冷却壁的制造与应用” ，汕头华兴冶金备件厂有限公司自主创新， 研制生产了我国第一代铜冷却壁，并于2000 年在首钢 2 号高炉上成功进行工业 化试验。截止 2010 年 6 月，我国共有超过 70 个钢铁企业的 200多座大中型高炉 安装了 27300多块铜冷却壁，合计使用了铜冷却壁47800 多吨。 为了适应矿热炉的发展， “铜冷却壁在矿热炉的应用技术”应运而生，该技 义望铁合金责任有限公司 15 术目前在国内还未广泛应用， 处于发展阶段， 但是其优良的性能给它带来了广阔 的发展前景。 第三章能量分析 以某厂矿热炉为例，热压碳砖与铜冷却壁在炉膛保温于炉壁冷却方面的比 较。 3.1 热压碳砖做炉衬 电炉容量 : 18000 KVA 冶炼品种：富锰渣 计算条件：炉衬各部位的尺寸厚度（估算） 热压碳砖层 230mm 石墨碳砖层 70mm 炉壳 碳素钢 30mm 炉底为 半石墨碳砖层 700MM 石墨碳砖 500MM 碳素钢 30MM 热压碳砖平均导热系数45 chmKJ/ 石墨碳砖平均导热系数35 chmKJ/ 半石墨碳砖 10 chmKJ/ 炉壳平均导热系数 80 chmKJ/ 义望铁合金责任有限公司 16 炉膛的平均温度 1380 炉壳表面平均温度 30 炉底表面的平均温度 137 散热面积炉壁： 2137 2 m 炉底： 475 2 m 计算公式： 炉体的散热假定为多层平壁稳定热流传热有8 ni i ii ke ni ii i ke AR tt S tt q 11 tFQQ 式中， q热流密度 (hmMJ 2 /) i S 某层厚度 M i某层的导热系数（ chmKJ /） e t k t 某层内外温度 义望铁合金责任有限公司 17 i R 某层的材料的热阻（kJChm/ 2 ） n层数 F散热面积（ 2 m） t 散热时间（ h） Q 散热量（hMJ /） 将上述数据带入公式得到的数据如下： 热流密度去 1 q =1.4 hmMJ 2 / 名称 炉壁炉底 热流量密度 q（hmMJ 2 /） 0.140 0.0135 散失热量 Q （hMJ /）299.18 6.4125 总散失热量 Q （hMJ /）305.5925 3.2.采用铜冷却壁后假设炉体基本结构不变 义望铁合金责任有限公司 18 渣皮“ 自然炉衬 ” 厚度50mm 渣皮导热系数1.2 chmKJ/ 铜冷却壁的平均导热系数 370 chmKJ/ 铜冷却壁工作层厚度 135 MM 名称 炉壁炉底 热流量密度 q（hmMJ 2 /） 0.0318 0.0135 散失热量 Q （hMJ /）69.1014 6.4125 总散失热量 Q （hMJ /）75.5139 由上述数据即可看出在同等的条件下，矿热炉采用铜冷却壁后散失的热量是 原来的 4 1 。 第四章结论分析 本文主要介绍了现代矿热炉的炉衬的几种材料、分析比较了各种材料的优 劣，通过比较，矿热炉铜冷却壁在保护炉壁、节能方面要都具有优良的性能。 义望铁合金责任有限公司 19 矿热炉大型化、高冶炼强度、正是矿热炉发展的必然趋势，这给“矿热炉铜 冷却壁技术”的推广带来了机遇，虽然初期的投资较大，但是其高使用寿命、低 故障率、节约能源方面科做出补偿。所以，“矿热炉铜冷却壁技术”具有很大的 潜力。 参考文献： 1 李建伟、牛苍天、业乐、刘鸿昌、李宏伟矿热炉炉衬改革.铁合金第四期 义望铁合金责任有限公司 20 2 郑州博远耐火材料有限公司.矿热炉的现状和未来.2012-5-29 3 河南方圆碳素集团有限公司.矿热炉炉衬的研究.2012-1-18 4 任然 .5000VA 矿热炉改造.铁合金 .32-39 5 朱兴、李兴波、杨树明.自焙炭砖在大型矿热炉上的应用 6 河南远洋新材料技术有限公司.热压碳砖 -STLA 7 宝钢工程技术技术集团有限公司.矿热炉铜冷却壁专利号：201020282445 8E.M. 斯特隆斯基矿热熔炼炉.冶金工业出版社.