電爐耐火小爐蓋通風冷卻技術的研究與應用

孟憲華

（山東鋼鐵萊蕪分公司特鋼事業部，山東萊蕪 271104）

0 引言

電爐煉鋼是一種以能量換取合格鋼水的過程，主要特點是以電極端部和爐料之間發生的電弧為熱源、熔化廢鋼進行煉鋼。電爐由爐蓋、爐壁、爐底和電極等系統構成。水冷爐蓋呈圓拱形，可以移動、拆卸，整體為水冷式鋼結構，為防止電極與水冷爐蓋聯電打弧，水冷爐蓋中心區采用電爐耐材小爐蓋將電極與水冷爐蓋隔離開。電爐耐材小爐蓋采用剛玉質整體預制成型，理化指標見表l，其突出特點是耐高溫、耐侵蝕、不剝落、荷重軟化溫度高，易安裝。

表1 剛玉質整體預制爐蓋理化指標

1 生產現狀

特鋼事業部50 t電爐采用高鐵水比例冶煉操作以來，鐵水比例維持在50%～70%的較高范圍內，由于強化了供氧操作，縮短了冶煉時間，隨著冶煉強度的提高，爐內熱負荷增大等不利因素的影響，電爐耐材小爐蓋侵蝕加劇，平均使用壽命＜60爐次，冶煉過程中頻繁更換耐材小爐蓋，造成后部工序節奏緊張，影響VD（Vacuum Degassing，真空脫氣）比率及效果，引起連鑄拉速波動，嚴重影響鋼水的產量和質量。因此，分析導致50 t電爐耐材小爐蓋使用壽命較低的原因，并采取措施以提高電爐耐材小爐蓋的使用壽命，減少電爐生產中的熱停工時，對于穩定、順行煉鋼生產節奏，提高鋼水產量、質量具有重要意義。電爐耐材小爐蓋見圖1。

2 耐材小爐蓋使用壽命低的原因分析

電爐在冶煉過程采用高鐵水比例，強化了供氧操作，提高了冶煉強度，由于爐頂特別是電極極心圓處耐材小爐蓋，長期處于高溫狀態，在爐內O2，CO，CO2，SO2等煙氣的氧化侵蝕、爐渣的沖刷侵蝕和電極弧光的高溫熱輻射下，加上電爐爐蓋提升、旋轉和電極升降過程中的機械振動、溫度驟變等作用，使得電爐耐材小爐蓋成為整個電爐系統中最薄弱的部位，惡劣的工作環境使電爐小爐蓋使用壽命越來越短。通過分析現場生產操作和工藝，總結出當前小爐蓋壽命較以前持續降低的主要原因。

圖1 電爐耐材小爐蓋

2.1 鐵水兌入比例提高，反應劇烈，熱負荷增大

鐵水兌加比例由原來的30%增至現在的50%～70%，由于鐵水比例提高，爐中配碳量由1%～1.5%提高到現在的＞2.7%，脫碳一般都是在高溫熔融狀態下進行氧化熔煉，較高的配碳量導致鋼水脫氧沸騰、噴濺比較劇烈，增加了對小爐蓋的侵蝕；氧化過程帶來了大量的物理熱和化學熱，使小爐蓋的熱負荷劇增，導致壽命縮短。而且鐵水中還含有一定量的Si，Mn等元素，在氧化氣氛下形成SiO2和少量的SO2等酸性物質，加劇對小爐蓋的損毀，使爐頂使用壽命降低50%以上。

2.2 供氧強度增大，爐內氧氣濃度升高

原鐵水比例為30%左右時，爐壁氧槍、爐門氧槍基本不用高氧就能將鋼中碳脫至要求范圍，現由于較高的配碳量，必須用4支爐壁槍加上個別時間段的爐門氧槍同時用高氧脫碳，供入爐內的氧氣流量＞5200 m3/h，因短時間內供氧強度大，將造成O2擴充在爐內渣層的自由空間內，造成爐內O2濃度升高（測定O2濃度最高可達20%以上），半熔狀態下的小爐蓋在高濃度氧氣氛圍下氧化速度進一步加快；同時高濃度的O2與爐內的CO氣體發生二次燃燒反應，瞬間放出的大量熱使爐內溫度升高，小爐蓋承受的熱應力增大，耐材爐蓋黏結劑成半熔狀態，造成爐蓋下表面剛玉料脫落嚴重，導致爐蓋壽命嚴重降低。

3 改進措施

3.1 優化電爐供電、用氧操作，提高熱效率

由于當前鐵水兌入比例提高，原料一次配料即可滿足電爐需求，為減少氧化期脫碳時熔池的激烈沸騰時間，建議控制熔清后碳含量在0.6%～1.2%，根據熔清碳分析結果適當調整氧氣壓力，碳偏高，上限控制；碳偏低，下限控制。同時進行爐門口噴焦碳粉造泡沫渣，并適時供電，吹氧脫碳過程中根據煙氣和爐渣情況，合理使用爐門氧槍和爐壁氧槍。爐門氧槍脫碳效果較好，但因容易造成爐蓋粘鋼，控制氧壓≤1 MPa，爐門氧槍使用過程中，可采取關停1#或4#氧槍的操作方式，氧化后期，停止使用爐門氧槍，并適當降低供氧強度，保證終點碳。通過優化用氧供電，提高了熱效率，降低了后期爐氣中氧氣濃度，減少第四孔煙道積渣堵塞的概率，降低爐內氣壓。

3.2 強化泡沫渣埋弧操作，降低小爐蓋熱負荷

電爐造泡沫渣操作是在不增大渣量的情況下，使爐渣成泡沫狀，泡沫渣的好壞對電爐耐材的壽命長短有重要影響。高鐵水比例和穩定的留渣留鋼操作可迅速形成熔池，提前造泡沫渣，保證電爐高電壓，低電流，長弧操作，在泡沫渣中實現二次燃燒，提高電爐功率因數和熱效率，減少送電時間，使爐頂熱負荷降低。為保證爐渣發泡性能，煉鋼車間改用類石墨代替焦炭粉造泡沫渣，爐渣發泡快、持續時間長，且使用量降低，在生產中取得了很好的效果。

3.3 電爐中心區通入氮氣隔離氧氣，降溫冷卻爐蓋，提高耐火爐蓋壽命

小爐蓋壓制時，在余熱煙道4孔對側，1#，3#電極孔之間預留一條直徑25 mm、呈30°角傾斜向下的吹氣通道，通道入口位于爐蓋頂部，通過螺紋軟管連接供氣管道，出口下方為爐蓋中心區，如圖2所示。

在冶煉過程中，通過小爐蓋頂部入口向爐內持續以（0.3～0.4）MPa壓力吹入氮氣，在爐蓋下方區域形成一層氣體保護層，對爐蓋和爐蓋區域電極段起到保護作用。在余熱煙道的負壓作用下，通入爐內氮氣很快進入余熱鍋爐，不會對鋼水成分帶來負面影響。

應用計算流體力學軟件Fluent分別對有無頂部吹氣口情況下的爐內煙氣流動進行模擬（圖3、圖4），為簡化計算，采用較小的入口速度。

圖2 新型電弧爐小爐蓋

3.4 改造實施

如圖2所示，改造后小爐蓋由鉻剛玉材料澆注而成，呈上寬下窄的圓臺形，3個電極孔按極心圓均勻分布，吹氣管道接口位于爐蓋頂部1#和3#電極口之間，接口為帶螺紋鋼管，開口位于爐底部，整個氣體通道相對水平傾角約為30°。在爐蓋裝配過程中，保持2#電極孔朝向第四孔煙氣通道一側。爐蓋裝配完畢后，通過進氣接口旋接供氣管道。

冶煉過程中，通過改造后的氣體管道持續通入（0.3～0.4）MPa的氮氣，降低爐內高溫煙氣和噴濺爐渣對小爐蓋下沿和電極端部的侵蝕，提高爐蓋壽命，降低電極消耗。

圖3 改進前后爐內煙氣流動模擬

圖4 改進前后爐頂煙氣流動細節

電爐冶煉過程中堆積在小爐蓋電極孔上的渣鋼與高溫粉塵，利用換出鋼口的時間及時清理，不僅保證小爐蓋的散熱及電極噴淋水對小爐蓋的冷卻效果，還杜絕了冶煉時的“聯電起弧”現象，對提高小爐蓋的使用壽命起到一定作用。

4 實施效果

新型電爐小爐蓋經實際使用，在高鐵水比電爐冶煉過程中，爐蓋壽命從原來的60～80爐次提高到120余爐次，同時，電極消耗降低0.21 kg/t鋼，改善效果明顯。

表2是2015年與2016年更換的耐材小爐蓋的使用壽命統計。對比發現，爐蓋使用壽命由平均67.25爐次提高至120.41爐次。

小爐蓋壽命的提高，減少因更換小爐蓋導致的熱停工時，提高產量，減少小爐蓋使用數量，降低生產成本。

5 結語

表2 2015年與2016年耐材小爐蓋使用壽命統計 爐次

通過實施優化電爐的供電用氧操作、改進小爐蓋材料、在中心區通氮氣隔離降溫等措施后，電爐冶煉過程中熔清碳可控，泡沫渣發泡性能良好，送電時間減少，使電爐中心區局部溫度由1600℃下降到1300℃以下，在高鐵水比例冶煉條件下，減少了冶煉中途換小爐蓋的次數，耐火爐蓋平均使用壽命由60爐次提高到120次以上，并相應地減少了熱停工時，在提高鋼水產量與質量上取得了較好效果。此外，優化工藝后還降低了電耗、氧耗，大大提高了電爐生產效率，生產節奏進一步穩定與順行，同時降低職工的勞動強度。