33MVA全密闭矿热炉控温炉衬冶炼高碳锰铁生产实践
高碳锰铁是五矿(湖南)铁合金有限责任公司(下称五矿湖铁)的传统产品，冶炼电炉炉衬一般釆用保温型——预焙炭块、冷捣糊整体炉衬,并通过调节一次电流大小来控制电极插入炉膛内深度(即电炉负荷)，随着电网供电电压等级和电炉装备水平的不断提高，电炉控制技术不断进步，要求操作进一步精细化。
五矿湖铁租赁化德坤盛铁合金有限公司2×33MVA密闭矿热炉，其中1台生产低微碳锰硅合金、1台生产高碳锰铁,其炉衬分别采用传统保温型炉衬和新型控温炉衬;控温炉衬由鲁山天诺炉衬材料有限公司承筑，其炉壁冷却方法在高炉上常用,其特点是极大地保护炉墙和出铁口。通过开炉后6个月试运行，情况良好。
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矿热炉基本参数
2台33MVA全密闭矿热炉于2018年7月相继建成,其设备参数很大程度上参考了五矿湖铁已租赁的4台矿热炉生产同一铁合金品种的成功经验,有关参数如表1所示。
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控温炉衬特点分析
五矿湖铁北方基地釆用大容量电炉连续(全天)生产高碳锰铁已有5年,均釆用微膨胀冷捣糊整体保温炉衬，炉衬寿命普遍偏短，不得不釆取轮换转炼方式加以弥补。随着水冷炉衬技术的不断完善和推广，该公司决定在新(租)建33MVA全密闭高碳锰铁电炉上使用控温炉衬技术。
2.1 炭-陶复合控温炉衬炉内温度分布
高碳锰铁电炉冶炼区温度分布:在三根电极端部为气体,将周围固态物料烧熔气化,形成空腔状坩埚，空腔内温度高达2000〜3000℃,増蜗壁热面温度约1700~2000℃，冷面温度约1400〜1700℃,坩埚外固态物料直至炉衬内壁(保温型炉衬经验)温度为1300-1600℃。
33MVA全密闭矿热炉釆用控温炉衬技术，其筑炉主要用料如表2所示。
2.1.1控温炉衬炉底温度分布
以焙烧环炭砖为基准，计算33MVA全密闭高碳锰铁控温炉衬从上到下温度梯度如表3所示。当以温度为横坐标、炉底钢板到炉口平台的距离为纵坐标，高碳锰铁炉炉底(炉膛三角区)导热曲线如图1所示。
2.1.2控温炉衬炉墙温度分布
以焙烧环炭砖为基准,计算炉墙从里到外温度梯度如表4所示。以炉内温度为横坐标、炉壁温度为纵坐标，其变化曲线如图2所示。
2.1.3控温炉衬测温点分布
热电偶位置、数量及控温范围如表5所示，测试热电偶型号为K型热电偶(WRNK-130)。
2.2 炭-陶复合控温炉衬导热特点
所谓“控温炉衬”就是将矿热炉衬的受热负荷转移，从而使其温度低于构筑材料的熔点，以形成一层有保护作用的冷凝渣壳。
(1)炉墙的微气孔率焙烧炭砖采用高抗蚀石墨胶泥薄缝砌筑，缝隙<1mm。炉墙炭砖与炉墙石墨瓦留有80mm的膨胀缝，填充高导热石墨捣打料。
(2)炭砖釆用高抗蚀石墨胶泥薄缝砌筑，可以在烘炉、生产过程中逐步焙烧成坚实致密近似于无缝的整体,可有效防止铁水渗漏，比宽缝砌筑的焙烧炭砖性能更优越。且薄缝炉衬从根本上改变了电炉操作条件和工作环境,特别是在安全、连续、稳定生产方面起到了保障作用;高导热石墨捣打料、炉墙石墨瓦及高导热炭砖的应用。
(3)炉底、炉墙炭砖与炉壳、炉墙石墨瓦留的膨胀缝，填充高导热石墨捣打料。该捣打料在开炉生产过程中，随环境温度的升高发生规律性体积膨胀,有效消除热应力对炉衬材料整体性的破坏。
2.2.1控温炉衬炉底结构
炉底风冷冷却系统的应用，有利于将炉底内衬非工作端的热量快速传递至冷却管，使内衬工作端形成“盔甲”保护层，即形成控温炉衬。33MVA高碳锰铁炉底风冷系统示意图如图3所示，炉底风冷管实砌情况如图4所示。
2.2.2控温炉衬炉壁结构
炉壁喷水强制冷却系统的应用,有利于将炉墙内衬非工作端的热量快速传递至炉壳，使内衬工作端形成“盔甲”保护层，即形成控温炉衬(挂渣-假炉衬)。33MVA高碳锰铁炉壁水冷系统局部如图5所示。
在冶炼生产过程中，电极反应区高温熔池的热能会向炉底、炉墙传递，炭砖和高导热石墨捣打料能够将大部分热量传递至水冷的炉壳。在开炉初期，电炉温度未达到均衡分布时,炉底的最上层部热冲击、化学侵蚀而被熔蚀掉，当炉底达到了热平衡后,炉底上金属的凝固面会处在一个相对“稳定”的位置，形成“留铁层”以保护炉底。
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生产过程控制
高碳锰铁矿热炉出现炉衬事故时主要应从炉衬、筑炉质量、操作和炉型结构几方面进行控制。
3.1 筑炉及烘炉质量
高碳锰铁炉能否稳产顺行，关键是炉衬质量。一是看所有使用的耐火材料质量是否满足设计需求。例如焙烧炭砖的导热率,理论上要求炭砖内部温度避开800-1100Y脆性断裂区。二是看耐火材料的砌筑质量，控温炉衬未设置弹性缓冲带，釆用无缝(细缝)砌筑技术,增加导热系数，避免了宽缝捣打不实和烘烤时的收缩现象，炉衬导热能力增强，使炉内难熔杂质容易凝固，易于挂渣的生成。
在安装风冷管之前，砌完高铝砖(特别是湿砌)后，必须用木柴进行一次烘烤，使高铝砖砖缝产生焙烧强度,然后才能进行风冷管(焙烧炭砖)施工。
控温炉衬开、烘炉要求基本与保温炉衬一致。升温数据如表6所示。
3.2 冶炼操作控制
高碳锰铁控温炉衬烘烤必须遵循升温数据，根据导热系数不同可将炉衬分为两部分:炉底基础层和导热层、炉墙导热层。当炉底基础层的温度变化不大时，热传导属于稳定态，此时炉衬的导热性能与导热系数成正比;但在温度变化过大时，例如设备(除尘)故障停炉,炉衬导热能力的作用将产生热应力(大于保温炉衬)。
3.2.1适宜的电炉参数
对照表1数据，适宜的电气参数和几何参数是应用控温炉衬冶炼高碳锰铁优势的先决条件。电极直径偏大50mm,电流密度降低6.8%;极心圆直径偏大200mm,虽然减弱了对炉底的侵蚀,但渣铁对炉墙侵蚀加剧(如果炉膛偏小更甚);炉壳直径偏小，炉墙侵蚀加剧。
3.2.2操作电阻控制
操作电阻即实时U相/I相比值，反映熔炼区的电气特性，增大操作电阻有助于增加电炉输岀功率。釆用控温炉衬冶炼高碳锰铁时，电极插入料层的深度是有限的。因此对于矿热炉操作电阻的控制大多是通过调整二次电压和炉料结构来实现。
3.2.3炉渣碱度控制
高碳锰铁炉渣碱度与渣中跑锰呈反比，如图6所示.
为了得到富锰渣，需要适当降低炉渣碱度，这有利于降低电耗(碱度±0.1,温度±100℃)和降低渣铁比。①碱度R =1.4适合于以Mn75%折基情况下使用;②碱度R =1.2适合于Mn70%实物重情况下使用。但不论是哪种碱度控制，随着入炉品位的上升，冶炼单位电耗一定降低。随着原料价格上扬，采用降低原料采购成本、高碱度法生产高碳锰铁(同时降低合金磷含量)是可行的。
在工艺确定碳锰渣的含锭量(确定值)的情况下，随着所炼产品品级的不同，炉渣碱度应作相应的调整，并采用足碳操作。
3.2.4充分掌握全密闭矿热炉冶炼特性
由于全封闭电炉从氧化性气氛变成了还原性气氛，对水分的敏感显著增加。首先是水会吸热、汽化后体积增大22.4倍;其次是冶炼还原过程产生的CO气体与水反应生成H2后体积继续增大。这样炉内压力增大数倍，如果炉气排放不畅，喷溅塌料就会发生。
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结果分析与讨论
4.1 阶段数据对比
33MVA全密闭矿热炉控温炉衬生产高碳锰铁于2018年9月开炉以来,其间由于烟气(净化)系统等故障，热停炉频繁，但生产指标较同期保温炉衬矮烟罩电炉仍有改善。随着设备故障的排除，生产顺行，目前生产技术经济指标良好、各测温点温度显示正常。其生产指标与矮烟罩保温炉衬电炉对比如表7所示。
使用控温炉衬冶炼高碳锰铁，电炉的产量增加、能耗降低,如果炉衬寿命5年，其整体经济效益提升明显。控温炉衬与保温炉衬冶炼生产高碳锰铁经济效益对比如表8所示。
4.2 控温炉衬配套项目的完善
密闭炉控温炉衬冶炼高碳锰铁高产长寿的保障因素还包括:完善110kV供配电系统、原配料设施、烟气除尘净化设施、出铁及排渣系统等。上述设备故障出现在开炉初期主要是由热停引发的。
4.2.1造成生产中断的设备故障
(1)高压110kV进线由于釆用△形联接，电炉操作稍有波动，就会导致一次电流成倍放大、引发保护动作;并且还引起动力电跳闸。
(2)原配料系统大倾角皮带由于角度过大，冒、漏料严重，经常需要停机铲料,也增加了劳动强度。
(3)高碳锰铁炉内塌料次数较锰硅合金炉偏多，烟气温度时有波动，对冷却器的要求提高,否则要么发生烧布袋、要么发生(冬天)结露现象。
(4)采用控温炉衬铁水过热度减小，粘包现象严重。
4.2.2应对措施与解决办法
(1)增加多组UPS电源，以保持控制信号畅通。
(2)加大皮带容积，增加开机频次，降低操作人员劳动强度。
(3)增加入炉熟料比，控制电极合适长度，减少塌料、喷火现象;对冷却器进行串并联灵活切换，防止烧布袋或冬天结露现象发生。
(4)利用电炉煤气优质资源烤包(约1100℃),减少粘包现象。
4.3 控温炉衬长寿运行电炉参数的优化
高碳锰铁的还原温度相对较低,炉渣流动比较好，“三大一深”是其炉型特点。
就炉衬而言，从设计开始，矿热炉炉型、炉衬结构到耐火导热材料的选择，烘炉到投产，静态管理到动态管理都必须坚持高产长寿、优质低耗、节能环保的方针。
高碳锰铁电炉在原料条件、设备状况相对稳定的前提下，通过选取合适的二次电压(电弧长度)、二次电流、有功功率，使电炉熔池功率、极心圆功率密度达到较理想状态,并保持电极足够的有效工作端长度，最终确保电炉主要技术经济指标达到较好水平。
4.3.1极心圆功率密度
近年来，为进一步优化冶炼指标，生产厂家大量尝试低压补偿(电炉几何尺寸和变压器参数在可调范围)，取得了一定效果。实际上，目前很多冶金工作者在实践中逐步认同了电炉超负荷运行的观念,通过提高炉膛功率密度和极心圆功率密度，强化冶炼反应，促使主元素还原，保证较好的综合指标。但极心圆功率密度并不是越高越好，过高会造成电极不好下插、三角区耐火材料侵蚀加快、元素挥发损失加大。国内数台高碳锰铁电炉实测数据表明,极心圆功率密度选在1.9MW/m2比较合适。
4.3.2控温炉衬炉膛深度
由于控温炉衬主要作用是加强散热，相应的高温区减小(熔池直径缩小)，为了弥补因二次电压增加导致的电弧长度增加,炉膛深度必然增加。实践表明，同容量的高碳锰铁电炉，采用控温炉衬时炉膛深度要比保温炉衬增加10%〜20%。
4.3.3控温炉衬热料入炉
全密闭高碳锰铁电炉生产过程中产生了大量煤气(体积为矮烟罩电炉烟气体积的1%~2%)，煤气主要含CO、H2、CH4等有效燃料成分(约占气体体积的80%)，其发热值为8800-10050kJ/Nm3。
由于煤气发生过程连续稳定，当装设余热锅炉时，回收的热量可达电炉总耗能量的30%或总耗电量的65%;如用于干燥原料、热料入炉，可回收电能约20%,同时改善了电炉经济技术指标。
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结语
五矿湖铁33MVA全密闭控温炉衬冶炼高碳锰铁,是近年来兴起的新技术推广应用。通过先期对方案的考评与审定，以及筑炉材质的把关和筑炉施工过程跟踪，力争做到标准化。
(1)传统的保温炉衬工艺虽然费用较低,但连续冶炼高碳锰铁炉衬使用寿命很难达到2年甚至更长。
(2)为了获得整体炉衬效果，保障炉衬寿命在2年以上，采用控温炉衬代替保温炉衬冶炼高碳锰铁时，其综合经济效益可观。
(3)采用炭-陶复合控温炉衬,据报导炉衬寿命可达5年以上(国外报导达10年以上);为达此目标，必须减少设备热停炉时间，避免急冷急热的现象发生。
(4)全密闭矿热炉炭-陶复合控温炉衬冶炼高碳锰铁时，应根据所需渣中含Mn量来控制终渣碱度，并建议足碳操作。
(5)釆用全密闭矿热炉炭-陶复合控温炉衬冶炼高碳锰铁时，减少塌料喷火的关键是干料入炉。采取措施有:①增加熟料比，条件成熟时进行热料入炉;②合理控制电极工作端长度及电极插入料面深度，改变炉膛深度比改变电极插入深度对炉况的影响更大。实践表明,炉膛深度增加600mm左右时，基本可以杜绝塌料喷火现象发生。