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礦熱爐是生產(chǎn)多種鐵合金和電石的重要設(shè)備。根據(jù)中國鐵合金行業(yè)發(fā)展研究報(bào)告，我國具有世界上產(chǎn)量最大、品種最全的鐵合金生產(chǎn)體系，近年來鐵合金總體產(chǎn)量一直維持在3000萬t以上。近年來，“碳達(dá)峰”和“碳中和”已經(jīng)成為世界各國傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的目標(biāo)方向。目前的鐵合金生產(chǎn)也屬高耗能高排放行業(yè)，在目前的“雙碳”背景下，節(jié)能減排、高質(zhì)量發(fā)展將是鐵合金行業(yè)的唯一出路。為了達(dá)成該目標(biāo)，各級政府制定多項(xiàng)政策，積極推動礦熱爐朝著大型化方向發(fā)展。以內(nèi)蒙古自治區(qū)為例，內(nèi)蒙古自治區(qū)工業(yè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案(征求意見稿)里明確指出，將在2022年底前全面淘汰25MVA及以下鐵合金冶煉礦熱爐(特種鐵合金除外)和30MVA以下電石冶煉礦熱爐。大型礦熱爐具有熱效率更高、產(chǎn)量更高、單位電耗更低、操作更穩(wěn)定等優(yōu)勢，也利于煙塵的凈化回收和余熱利用。
礦熱爐是一種復(fù)雜的冶金設(shè)備系統(tǒng)，其服役時(shí)間主要取決于爐襯壽命。礦熱爐在大型化之前由于爐襯耐火材料的用量較少、砌爐成本較低，爐襯壽命并沒有引起鐵合金行業(yè)的足夠重視。隨著礦熱爐朝著大型化發(fā)展，爐襯停爐修補(bǔ)或重新砌爐成本顯著提高，因此，如何獲得長壽命的礦熱爐爐襯就變得尤為重要。
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，礦熱爐爐襯損毀的原因主要包括:耐火材料選擇不當(dāng)、爐襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、筑爐施工存在質(zhì)量問題、生產(chǎn)操作不規(guī)范等。其中，筑爐施工質(zhì)量問題和生產(chǎn)操作不規(guī)范可通過制度化和標(biāo)準(zhǔn)化加以避免。因此，正確選擇耐火材料、合理設(shè)計(jì)爐襯結(jié)構(gòu)是礦熱爐爐襯實(shí)現(xiàn)長壽命運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。筆者結(jié)合近年來國內(nèi)外礦熱爐爐襯的研究成果和工業(yè)使用情況，介紹了爐襯的毀損機(jī)理，分析了爐襯選擇耐火材料的依據(jù)，重點(diǎn)討論了爐襯結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，包括常用爐襯的結(jié)構(gòu)類型、相應(yīng)的工作原理和使用情況，最后從工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)在爐襯結(jié)構(gòu)選擇方面提出合理化建議。
1 爐襯的損毀機(jī)理
礦熱爐利用三根自焙電極對爐料進(jìn)行加熱，將金屬元素從氧化物礦石中還原出來并對其進(jìn)行熔煉，爐內(nèi)溫度最高可達(dá)2000~3000℃。礦熱爐爐襯一般由三部分組成:外層、中間層和內(nèi)層。外層的作用是保溫隔熱，很少損毀，稱為永久層;中間層起防止漏爐的作用，相對安全，又稱安全層;內(nèi)層又稱工作層，處于該層的耐火材料工作條件最為惡劣，是爐襯最脆弱的部位，因此爐襯毀損主要是工作層耐火材料的損毀，原因包括物理、化學(xué)、機(jī)械等多方面因素，具體如下:
(1)熔蝕作用:當(dāng)工作層耐火材料的工作溫度超過其耐火度時(shí)，就會發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。鎂質(zhì)爐襯的荷重軟化溫度為1550℃左右，在靠近電弧區(qū)的爐墻和自焙電極下方的爐底等溫度較高的部位，最易發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。
(2)化學(xué)侵蝕:工作層耐火材料可能與爐渣、熔融金屬以及反應(yīng)氣氛等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不同鐵合金冶煉過程中爐內(nèi)環(huán)境不同，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也不盡相同。礦熱爐最常用的碳質(zhì)爐襯在400℃以上即會發(fā)生氧化反應(yīng)，甚至還會發(fā)生“逆氧化現(xiàn)象”，使其內(nèi)部空化、材料毀損。冶煉過程中的缺碳操作還會使碳質(zhì)材料作為還原劑被消耗。鎂質(zhì)爐襯的使用溫度常高于其荷重軟化溫度，處于軟熔狀態(tài)時(shí)會加速爐渣和熔融合金對它的化學(xué)侵蝕。
(3)機(jī)械沖蝕:工作層耐火材料會受到冶金原料倒入沖擊、金屬熔體和爐渣沖刷等機(jī)械作用。工作溫度較高區(qū)域的耐火材料強(qiáng)度會出現(xiàn)不同程度的降低甚至軟化，在受到機(jī)械作用時(shí)更易毀損。
2 爐襯耐火材料選擇
鐵合金種類眾多，不同鐵合金冶煉時(shí)的工作溫度不同，爐內(nèi)金屬熔體和爐渣性質(zhì)不同，因此爐襯耐火材料的選擇也各不相同。爐襯中最關(guān)鍵的是工作層，選材最為重要。針對不同鐵合金生產(chǎn)用爐襯耐火材料的選擇，通常情況下，金屬硅、硅鐵、電石和硅鉻合金的冶煉溫度較高，工作層需采用碳質(zhì)爐襯;高碳錳鐵和錳硅合金生成的爐渣呈酸性，也多采用碳質(zhì)爐襯;而低碳錳鐵和中低碳鉻鐵的爐渣呈堿性，故一般采用鎂質(zhì)爐襯。
同一礦熱爐內(nèi)，不同高度爐墻和爐底所處的工作環(huán)境存在較大差異，其損毀機(jī)理和毀損速度不同，因此需要選用具有不同物化性能的耐火材料。通常爐墻靠近渣線處、爐底電極下方損毀較快，尤其出鐵口是爐襯結(jié)構(gòu)中最脆弱的部位，這些位置的選材最為關(guān)鍵。以鉻鐵合金為例，爐墻使用碳質(zhì)和氧化鋁質(zhì)材料，爐底使用碳質(zhì)和氧化鎂質(zhì)材料，出鐵口則選用碳質(zhì)和碳化硅質(zhì)材料。
礦熱爐爐襯的正常使用壽命可達(dá)10年甚至更久。然而出鐵口爐眼磚往往不到一年就過早失效?，F(xiàn)在的研究表明，礦熱爐的短期損壞主要是出鐵口的局部損毀所導(dǎo)致。礦熱爐在向外排渣和金屬熔體時(shí)，會對出鐵口處的耐火材料產(chǎn)生機(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和反復(fù)熱震，使其成為爐襯中最容易損壞的地方。傳統(tǒng)硅鐵、工業(yè)硅和錳硅等鐵合金的出鐵口多采用碳質(zhì)爐眼磚，近年來的研究表明，碳化硅和碳化硅結(jié)合氮化硅材料具有更優(yōu)的高溫力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，采用此類陶瓷
替代炭磚用于出鐵口已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的使用效果。然而，碳化硅爐眼磚并不適用于所有的鐵合金出鐵口使用，A.V.L.Narasimham根據(jù)自己三十多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)指出，鉻鐵礦熱爐的毀損同樣發(fā)生在出鐵口，但是碳化硅爐眼磚在鉻鐵爐中會被快速侵蝕，并無使用優(yōu)勢。
3 爐襯結(jié)構(gòu)類型
3.1保溫型爐襯
我國礦熱爐使用的傳統(tǒng)爐襯結(jié)構(gòu)為保溫型爐襯，如圖1所示。該爐襯結(jié)構(gòu)在多種鐵合金長期冶煉過程中均獲得了良好的使用效果，其原理是通過提高耐火材料質(zhì)量和增加耐火材料厚度來達(dá)到長期隔熱保溫的效果。保溫型爐襯工作層多數(shù)采用炭磚或鎂磚砌筑而成，在鐵合金冶煉過程中，爐底燒穿是最常出現(xiàn)的生產(chǎn)事故。通過對礦熱爐的解剖發(fā)現(xiàn):爐底燒穿是因?yàn)闋t渣、金屬熔體和反應(yīng)氣體滲入炭磚或鎂磚間的砌縫，從而加劇爐襯的損壞速度。
為了解決耐火磚間的砌縫問題，Elkem公司提出了整體內(nèi)襯的爐襯結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它的工作層采用不定形耐火材料(冷搗糊)整體搗打成型，然后通過烘爐將其燒結(jié)成一個(gè)整體。20世紀(jì)90年代?？暇脱邪l(fā)出了世界上最早的冷搗糊產(chǎn)品，在?？系V熱爐試驗(yàn)中呈現(xiàn)出優(yōu)異性能，并被眾多鐵合金客戶采用。目前整體內(nèi)襯多選用碳質(zhì)冷搗糊，它以無煙煤、石墨等為骨料，瀝青為黏結(jié)劑，煤焦油、樹脂等為添加劑，多種材料混合而成。整體搗打內(nèi)襯的理化性能與炭磚相同，但是這種整體式結(jié)構(gòu)可以最大程度地減少炭磚之間的縫隙，降低爐襯滲漏和爐底穿孔風(fēng)險(xiǎn)，從而有效延長爐襯壽命。為了解決碳質(zhì)材料抗氧化性能差的問題，碳化硅搗打料也逐漸被開發(fā)出來，碳化硅搗打料制備的整體內(nèi)襯的抗氧化性能大大提高。同時(shí)，碳化硅搗打料使用硅溶膠作為結(jié)合劑，在高溫使用過程中可在原位形成大量SiC晶須，整體強(qiáng)度提高顯著。
3.2 冷凝型爐襯
隨著礦熱爐爐型越來越大，冶煉溫度越來越高，爐襯耐火材料的工作條件也愈加苛刻，甚至達(dá)到耐火材料的理化性能極限，單純的增加爐襯厚度和提高耐材質(zhì)量已無法適應(yīng)現(xiàn)代冶煉的需求。針對該問題，1995年，SAMANCOR公司采用水冷系統(tǒng)和高導(dǎo)熱碳質(zhì)復(fù)合內(nèi)襯，開始了冷凝型爐襯結(jié)構(gòu)的研究。并于1996年將這種冷凝型爐襯結(jié)構(gòu)應(yīng)用于錳鐵生產(chǎn)中，取得了成功。冷凝爐襯理念與傳統(tǒng)保溫型爐襯完全不同，它釆用高導(dǎo)熱耐火材料，砌筑厚度較薄，使用過程中配合爐壁或爐底強(qiáng)制對流冷卻。這種設(shè)計(jì)可使?fàn)t渣在爐襯內(nèi)壁形成一層凝固殼，因此具有“自保護(hù)”的功能，如圖3所示。與保溫型爐襯相比，冷凝爐襯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其呈現(xiàn)以下優(yōu)勢:①降低了對耐火材料性能的要求，爐襯壽命大幅延長，從而減少砌爐和停爐檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失，并顯著減少出鐵口的維護(hù);②爐渣形成的凝固殼導(dǎo)熱系數(shù)較小，可以有效減少熱傳導(dǎo)引起的能量損失，降低單位電耗;③冷凝爐襯的薄爐襯使礦熱爐工作區(qū)體積增大，可以提高冶煉產(chǎn)量;④冷凝爐襯筑爐時(shí)通常配有熱電偶，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測爐襯侵燭情況，保障生產(chǎn)安全。
冷凝型爐襯的冷卻方式主要有銅冷卻壁、爐墻淋水冷卻和強(qiáng)制風(fēng)冷等。銅冷卻壁冷卻效果最好，但是因?yàn)橹t成本問題，銅冷卻壁并未得以大規(guī)模推廣。強(qiáng)制風(fēng)冷的冷卻效果不佳，會影響自保護(hù)爐殼的生成。目前冷凝型爐襯主要釆用噴淋水冷卻。水作為傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)冷卻介質(zhì)，在使用過程中一旦出現(xiàn)泄漏就會導(dǎo)致爆炸風(fēng)險(xiǎn)，從而對礦熱爐造成嚴(yán)重?fù)p壞。因此，出于安全考慮，噴淋水冷卻的區(qū)域僅限于靠近鋼殼的外部區(qū)域，不能靠近耐火材料的熱面。奧地利MettopGmbH公司開發(fā)了一種新型的離子液體冷卻技術(shù)，這種離子液具有不易燃、無腐蝕和無毒的特性，并且由于其較低的蒸氣壓，可以最大限度地降低爆炸風(fēng)險(xiǎn)，有逐漸取代冷卻水的趨勢和前景。隨著對冷凝爐襯的認(rèn)識深入，Elkem公司開發(fā)出改進(jìn)型冷凝爐襯，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn):首先在爐墻和爐底最外層安裝強(qiáng)制風(fēng)冷;其次在溫度最高的爐襯下部和爐底采用較厚的碳質(zhì)冷搗糊搗打成整體內(nèi)襯;除此之外，在碳質(zhì)冷搗糊下方還鋪設(shè)了一層碳化硅搗打?qū)?，不僅可以阻止腐蝕性氣體和金屬熔體向下穿過，而且因其具有更高的導(dǎo)熱率，還可以增加熱量向外傳遞，提高冷凝效果。
目前冷凝型爐襯主要運(yùn)用在錳硅、鉻鐵、鎳鐵、錳鐵等合金冶煉礦熱爐中。在國外，澳大利亞TEMCO公司從2001年就開始在錳鐵和錳硅中使用冷凝型爐襯，至2017年?duì)t襯使用壽命已超過15年，在延長出鐵口爐眼磚壽命上更是表現(xiàn)優(yōu)異。目前我國的冷凝型爐襯雖然有十多年的工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)，但仍未大規(guī)模推廣。國內(nèi)可以提供冷凝型爐襯的技術(shù)廠家主要有河南魯山方圓集團(tuán)，該公司在2010年將廣西東方資源有限公司的保溫型爐襯改造成水冷式冷凝爐襯，使用壽命得以大幅提升。該公司又于2011年為東方資源(欽州)有限公司設(shè)計(jì)了一套高碳錳鐵用冷凝型爐襯，使其使用壽命從3~9個(gè)月延長至3年以上。
關(guān)于冷凝型爐襯與保溫型爐襯的使用成本問題，楊立中對東方資源(欽州)有限公司一座高碳錳鐵礦熱爐進(jìn)行了核算，發(fā)現(xiàn)該礦熱爐爐襯從保溫型改造成冷凝型之后，在運(yùn)行的3年時(shí)間里年均增加經(jīng)濟(jì)效益1483萬元，包括砌筑費(fèi)用減少、產(chǎn)量提高、電耗降低和焦炭消耗降低帶來的收益，并且年增收益隨爐襯壽命延長還在進(jìn)一步提高?？祰鶎Ρ攘诉M(jìn)口和國產(chǎn)兩種耐火材料，指出進(jìn)口耐火材料的導(dǎo)熱系數(shù)高，容易形成較厚的凝固殼，起到更好的保護(hù)效果。而國產(chǎn)耐火材料的質(zhì)量欠佳，形成的凝固殼較薄，爐襯容易遭到侵蝕，冷凝爐襯的優(yōu)勢并未充分發(fā)揮。
3.3 控溫爐襯
針對目前爐襯整體損壞多為高溫鐵水侵蝕爐底造成的情況，魯山天諾爐襯材料有限公司設(shè)計(jì)了一種控溫爐襯?？販貭t襯是新的爐襯設(shè)計(jì)理念，2018年應(yīng)用于日照鋼鐵有限公司的錳硅合金礦熱爐中，它采用爐壁保溫+爐底風(fēng)冷的設(shè)計(jì)。五礦湖鐵的全密閉高碳錳鐵礦熱爐使用了魯山天諾設(shè)計(jì)的控溫爐襯結(jié)構(gòu)，但采用的是爐壁水冷+爐底風(fēng)冷的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?？販貭t襯的主要創(chuàng)新是爐底風(fēng)冷系統(tǒng)，它有利于爐底內(nèi)襯熱量的快速導(dǎo)出，在爐底形成“留鐵層”以保護(hù)爐底。目前這兩家公司兩臺礦熱爐均實(shí)現(xiàn)了爐襯溫度控制。該工業(yè)案例開辟了一條長壽命礦熱爐爐襯的新思路。
4 不同鐵合金行業(yè)爐襯結(jié)構(gòu)的選擇
鐵合金種類眾多，不同的鐵合金生產(chǎn)應(yīng)該如何選擇合適的爐襯結(jié)構(gòu)，目前大力推廣的冷凝爐襯是否適用于所有鐵合金的生產(chǎn)?針對該問題，李健偉認(rèn)為并非所有的鐵合金生產(chǎn)均適用于冷凝爐襯，爐襯結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)取決于鐵合金的密度。密度小的鐵合金優(yōu)選保溫型爐襯，比如:電石、硅鐵合金和金屬硅;而密度大的鐵合金適用于冷凝型爐襯，比如高碳錳鐵、高碳鉻鐵、錳硅合金、鉻鐵、鎳鐵、鎳鉻等。李健偉[38]同時(shí)指出，除了鐵合金密度，是否選擇冷凝爐襯還和其熔煉過程屬于有渣冶煉還是無渣冶煉直接相關(guān)。
針對該問題，筆者對所在工作單位鄂爾多斯電力冶金有限公司進(jìn)行了調(diào)研。目前該公司有硅鐵生產(chǎn)用礦熱爐約80臺，年產(chǎn)160萬t，規(guī)模為世界第一;電石用礦熱爐24臺，年產(chǎn)量180余萬t，產(chǎn)能位居全國第五。目前硅鐵和電石生產(chǎn)均使用保溫型爐襯結(jié)構(gòu)，在正確操作的前提下爐襯平均壽命可達(dá)10年以上。根據(jù)該公司近20年的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，采用保溫型爐襯和鐵合金密度關(guān)系不大。以硅鐵冶煉為例，硅鐵冶煉屬于無渣冶煉，每生產(chǎn)1t硅鐵僅產(chǎn)生20~60kg爐渣/t。冷凝型爐襯的成功取決于在爐壁上可以形成爐渣保溫殼，因此硅鐵冶煉難以通過使用冷凝爐襯而達(dá)到其他有渣冶煉的效果。此外，硅鐵冶煉時(shí)爐內(nèi)的熔體量較少，以該公司某型號硅鐵礦熱爐為例，爐體內(nèi)徑11m，每兩小時(shí)出鐵11t，假定硅鐵熔體平鋪在爐底，出鐵前熔體最深處僅為3.6cm，換言之，熔體與爐襯接觸的高度非常有限。在硅鐵的實(shí)際生產(chǎn)中，熔體并非平鋪于爐底，而主要集中于三個(gè)電極下方，因此硅鐵熔體幾乎不與爐襯內(nèi)壁接觸?？梢姡梃F并不適合使用冷凝爐襯，而應(yīng)當(dāng)選擇傳統(tǒng)保溫型爐襯結(jié)構(gòu)?？祰ㄟ^測溫和散熱計(jì)算對比，認(rèn)為水冷式冷凝型爐襯保溫性能更好，因此推測硅鐵使用冷凝爐襯更適合硅鐵生產(chǎn)。但是通過筆者分析可知，其推測并未考慮實(shí)際生產(chǎn)情況。
5 結(jié)語
(1)隨著礦熱爐朝著大型化方向發(fā)展，爐內(nèi)工作溫度和使用環(huán)境越來越苛刻。爐襯使用壽命直接決定了礦熱爐的壽命。爐襯的毀損原因包括高溫耐火材料的軟化熔蝕，爐渣、熔融金屬及反應(yīng)氣氛對耐火內(nèi)襯的化學(xué)侵蝕，以及爐料和爐渣的機(jī)械沖刷。這三個(gè)方面的耦合作用會加速爐襯的毀損速度。
(2)鐵合金種類繁多，不同鐵合金冶煉時(shí)的爐內(nèi)情況不同，同一礦熱爐內(nèi)，不同位置所處的工作環(huán)境也存在較大差異，因此耐火材料要根據(jù)具體情況合理選擇。爐墻下部渣線處、爐底電極下方工作環(huán)境最為惡劣，多選用碳質(zhì)材料和鎂質(zhì)材料。而最易損毀的出鐵口位置，通常使用碳質(zhì)或碳化硅材料。
(3)保溫型爐襯是目前使用最廣泛的爐襯結(jié)構(gòu)，為了提高爐襯壽命，整體內(nèi)襯逐漸取代耐火磚砌筑。隨著鐵合金冶煉要求的不斷提高，冷凝爐襯理念出現(xiàn)。冷凝爐襯使用高導(dǎo)熱耐火材料和薄爐襯，并配合爐壁強(qiáng)制冷卻，使?fàn)t渣在爐襯內(nèi)壁形成自保護(hù)凝固殼。目前已經(jīng)成功應(yīng)用在國內(nèi)外多種鐵合金礦熱爐中，該爐襯結(jié)構(gòu)可以延長爐襯的使用壽命，降低生產(chǎn)成本，是未來礦熱爐爐襯的主要發(fā)展方向。
冷凝型爐襯結(jié)構(gòu)成功的關(guān)鍵是形成低導(dǎo)熱的爐渣自保護(hù)層，因此不適用于無渣法冶煉的鐵合金生產(chǎn)。保溫爐襯和冷凝爐襯兩種結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)了所有鐵合金產(chǎn)品的冶煉需求。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況，設(shè)計(jì)更合理的爐襯結(jié)構(gòu)，并結(jié)合新型優(yōu)質(zhì)耐火材料，為未來礦熱爐提供更加合理的爐襯結(jié)構(gòu)。
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