电炉耐火小炉盖通风冷却技术的研究与应用

孟宪华

（山东钢铁莱芜分公司特钢事业部，山东莱芜 271104）

0 引言

电炉炼钢是一种以能量换取合格钢水的过程，主要特点是以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源、熔化废钢进行炼钢。电炉由炉盖、炉壁、炉底和电极等系统构成。水冷炉盖呈圆拱形，可以移动、拆卸，整体为水冷式钢结构，为防止电极与水冷炉盖联电打弧，水冷炉盖中心区采用电炉耐材小炉盖将电极与水冷炉盖隔离开。电炉耐材小炉盖采用刚玉质整体预制成型，理化指标见表l，其突出特点是耐高温、耐侵蚀、不剥落、荷重软化温度高，易安装。

表1 刚玉质整体预制炉盖理化指标

1 生产现状

特钢事业部50 t电炉采用高铁水比例冶炼操作以来，铁水比例维持在50%～70%的较高范围内，由于强化了供氧操作，缩短了冶炼时间，随着冶炼强度的提高，炉内热负荷增大等不利因素的影响，电炉耐材小炉盖侵蚀加剧，平均使用寿命＜60炉次，冶炼过程中频繁更换耐材小炉盖，造成后部工序节奏紧张，影响VD（Vacuum Degassing，真空脱气）比率及效果，引起连铸拉速波动，严重影响钢水的产量和质量。因此，分析导致50 t电炉耐材小炉盖使用寿命较低的原因，并采取措施以提高电炉耐材小炉盖的使用寿命，减少电炉生产中的热停工时，对于稳定、顺行炼钢生产节奏，提高钢水产量、质量具有重要意义。电炉耐材小炉盖见图1。

2 耐材小炉盖使用寿命低的原因分析

电炉在冶炼过程采用高铁水比例，强化了供氧操作，提高了冶炼强度，由于炉顶特别是电极极心圆处耐材小炉盖，长期处于高温状态，在炉内O2，CO，CO2，SO2等烟气的氧化侵蚀、炉渣的冲刷侵蚀和电极弧光的高温热辐射下，加上电炉炉盖提升、旋转和电极升降过程中的机械振动、温度骤变等作用，使得电炉耐材小炉盖成为整个电炉系统中最薄弱的部位，恶劣的工作环境使电炉小炉盖使用寿命越来越短。通过分析现场生产操作和工艺，总结出当前小炉盖寿命较以前持续降低的主要原因。

图1 电炉耐材小炉盖

2.1 铁水兑入比例提高，反应剧烈，热负荷增大

铁水兑加比例由原来的30%增至现在的50%～70%，由于铁水比例提高，炉中配碳量由1%～1.5%提高到现在的＞2.7%，脱碳一般都是在高温熔融状态下进行氧化熔炼，较高的配碳量导致钢水脱氧沸腾、喷溅比较剧烈，增加了对小炉盖的侵蚀；氧化过程带来了大量的物理热和化学热，使小炉盖的热负荷剧增，导致寿命缩短。而且铁水中还含有一定量的Si，Mn等元素，在氧化气氛下形成SiO2和少量的SO2等酸性物质，加剧对小炉盖的损毁，使炉顶使用寿命降低50%以上。

2.2 供氧强度增大，炉内氧气浓度升高

原铁水比例为30%左右时，炉壁氧枪、炉门氧枪基本不用高氧就能将钢中碳脱至要求范围，现由于较高的配碳量，必须用4支炉壁枪加上个别时间段的炉门氧枪同时用高氧脱碳，供入炉内的氧气流量＞5200 m3/h，因短时间内供氧强度大，将造成O2扩充在炉内渣层的自由空间内，造成炉内O2浓度升高（测定O2浓度最高可达20%以上），半熔状态下的小炉盖在高浓度氧气氛围下氧化速度进一步加快；同时高浓度的O2与炉内的CO气体发生二次燃烧反应，瞬间放出的大量热使炉内温度升高，小炉盖承受的热应力增大，耐材炉盖黏结剂成半熔状态，造成炉盖下表面刚玉料脱落严重，导致炉盖寿命严重降低。

3 改进措施

3.1 优化电炉供电、用氧操作，提高热效率

由于当前铁水兑入比例提高，原料一次配料即可满足电炉需求，为减少氧化期脱碳时熔池的激烈沸腾时间，建议控制熔清后碳含量在0.6%～1.2%，根据熔清碳分析结果适当调整氧气压力，碳偏高，上限控制；碳偏低，下限控制。同时进行炉门口喷焦碳粉造泡沫渣，并适时供电，吹氧脱碳过程中根据烟气和炉渣情况，合理使用炉门氧枪和炉壁氧枪。炉门氧枪脱碳效果较好，但因容易造成炉盖粘钢，控制氧压≤1 MPa，炉门氧枪使用过程中，可采取关停1#或4#氧枪的操作方式，氧化后期，停止使用炉门氧枪，并适当降低供氧强度，保证终点碳。通过优化用氧供电，提高了热效率，降低了后期炉气中氧气浓度，减少第四孔烟道积渣堵塞的概率，降低炉内气压。

3.2 强化泡沫渣埋弧操作，降低小炉盖热负荷

电炉造泡沫渣操作是在不增大渣量的情况下，使炉渣成泡沫状，泡沫渣的好坏对电炉耐材的寿命长短有重要影响。高铁水比例和稳定的留渣留钢操作可迅速形成熔池，提前造泡沫渣，保证电炉高电压，低电流，长弧操作，在泡沫渣中实现二次燃烧，提高电炉功率因数和热效率，减少送电时间，使炉顶热负荷降低。为保证炉渣发泡性能，炼钢车间改用类石墨代替焦炭粉造泡沫渣，炉渣发泡快、持续时间长，且使用量降低，在生产中取得了很好的效果。

3.3 电炉中心区通入氮气隔离氧气，降温冷却炉盖，提高耐火炉盖寿命

小炉盖压制时，在余热烟道4孔对侧，1#，3#电极孔之间预留一条直径25 mm、呈30°角倾斜向下的吹气通道，通道入口位于炉盖顶部，通过螺纹软管连接供气管道，出口下方为炉盖中心区，如图2所示。

在冶炼过程中，通过小炉盖顶部入口向炉内持续以（0.3～0.4）MPa压力吹入氮气，在炉盖下方区域形成一层气体保护层，对炉盖和炉盖区域电极段起到保护作用。在余热烟道的负压作用下，通入炉内氮气很快进入余热锅炉，不会对钢水成分带来负面影响。

应用计算流体力学软件Fluent分别对有无顶部吹气口情况下的炉内烟气流动进行模拟（图3、图4），为简化计算，采用较小的入口速度。

图2 新型电弧炉小炉盖

3.4 改造实施

如图2所示，改造后小炉盖由铬刚玉材料浇注而成，呈上宽下窄的圆台形，3个电极孔按极心圆均匀分布，吹气管道接口位于炉盖顶部1#和3#电极口之间，接口为带螺纹钢管，开口位于炉底部，整个气体通道相对水平倾角约为30°。在炉盖装配过程中，保持2#电极孔朝向第四孔烟气通道一侧。炉盖装配完毕后，通过进气接口旋接供气管道。

冶炼过程中，通过改造后的气体管道持续通入（0.3～0.4）MPa的氮气，降低炉内高温烟气和喷溅炉渣对小炉盖下沿和电极端部的侵蚀，提高炉盖寿命，降低电极消耗。

图3 改进前后炉内烟气流动模拟

图4 改进前后炉顶烟气流动细节

电炉冶炼过程中堆积在小炉盖电极孔上的渣钢与高温粉尘，利用换出钢口的时间及时清理，不仅保证小炉盖的散热及电极喷淋水对小炉盖的冷却效果，还杜绝了冶炼时的“联电起弧”现象，对提高小炉盖的使用寿命起到一定作用。

4 实施效果

新型电炉小炉盖经实际使用，在高铁水比电炉冶炼过程中，炉盖寿命从原来的60～80炉次提高到120余炉次，同时，电极消耗降低0.21 kg/t钢，改善效果明显。

表2是2015年与2016年更换的耐材小炉盖的使用寿命统计。对比发现，炉盖使用寿命由平均67.25炉次提高至120.41炉次。

小炉盖寿命的提高，减少因更换小炉盖导致的热停工时，提高产量，减少小炉盖使用数量，降低生产成本。

5 结语

表2 2015年与2016年耐材小炉盖使用寿命统计 炉次

通过实施优化电炉的供电用氧操作、改进小炉盖材料、在中心区通氮气隔离降温等措施后，电炉冶炼过程中熔清碳可控，泡沫渣发泡性能良好，送电时间减少，使电炉中心区局部温度由1600℃下降到1300℃以下，在高铁水比例冶炼条件下，减少了冶炼中途换小炉盖的次数，耐火炉盖平均使用寿命由60炉次提高到120次以上，并相应地减少了热停工时，在提高钢水产量与质量上取得了较好效果。此外，优化工艺后还降低了电耗、氧耗，大大提高了电炉生产效率，生产节奏进一步稳定与顺行，同时降低职工的劳动强度。