25.5MVA锰硅合金矿热炉炉体破损及整体修复实例
某公司1台25.5MVA锰硅合金半封闭矮烟罩式矿热炉,始建于2007年7月，最初用于冶炼硅铁,在2009年经简单改造后转炼镒硅合金，运行至2015年，炉龄接近炉役后期，对炉眼及环形炭砖进行了局部拆除修复后继续生产。截止2019年，该矿热炉已超炉龄使用4年，整体炉衬破损严重，炉体多处温度异常、炉壳外扩鼓包严重、炉眼侵蚀加剧，通过一系列“内养”和“外护”措施勉强维持生产。
炉体破损状况
1.1 炉壳工作状况
此次停炉后检査发现,环形炭砖上部炉壳除与悬梁连接处烧损严重外，其余虽有向外鼓包现象,但不明显，生产时靠人工测温和强制通风控制;原2气3#炉眼处向外鼓包严重，通过定修进行加固处理，日常生产中通过雾化冷却、强制通风和贴片温度进行监控，其余炉壳工作状况正常,无开裂、开焊、严重变形现象，正常生产时炉壳温度基本受控。
1.2 环形炭砖上部耐火材料侵蚀情况
环形炭砖上部耐火材料侵蚀情况如图1所示。
从清理情况来看,环形炭砖上部耐火砖基本全部侵蚀粉化，挖炉过程中未发现完整耐火砖，炉壳以下400-600mm区域残存300mm左右厚度的打结浇注料，炉壳以下1m区域圆周方向范围内钢板烧损严重,局部位置已经无钢板，炉体圈梁混泥土烧损脱落,残留部分钢筋，无炉口圈梁(200mm),炉膛有效深度降低200mm,这与正常生产时上悬梁局部存在串火苗现象相吻合。
1.3 环形炭砖侵蚀情况
初始设计时环形炭砖高度1090mm,插入炉底炭砖400mm,有效高度690mm,环形炭砖以上部位高度2110mm,炉膛深度2800mm。
拆除后实测环形炭砖高度1150mm,有效高度800mm,环形炭砖以上部位高度1600-1700mm,实测炉膛深度2400-2500mm之间，这与2013年和2015年两次修复炉衬有关。
环形炭砖部位侵蚀相对较少,但侵蚀后环形炭砖中上部缝隙变大,经测量缝隙宽度最小20mm,最大170mm,最大侵蚀深度400mm,缝隙内部填充碳粉和炉渣,正常冶炼过程起到护炉作用。
环形炭砖上部侵蚀100mm左右，方角侵蚀后呈圆角，侵蚀量在50-100mm之间。清理炉料后,环形炭砖以下800mm位置处见不规则的第一层炭砖,1100mm位置处见封堵后的2#、3#炉眼。
环形炭砖侵蚀情况如图2所示。
1.4 炉眼侵蚀情况
从炉眼炭砖情况来看,1\4#炉眼炭砖侵蚀殆尽，炉眼两侧立炭砖侵蚀量最小约50-100mm,最大约480mm,炉眼下方垫砖至炉心呈现明显的沟壑,说明生产使用的吹氧管和圆钢拉炉眼时对炉眼和炉底耐火材料侵蚀严重。炉眼上方未见完整耐火砖,仅靠打结的浇注料与黏结的炉渣形成的假炉衬支撑。2#、3#炉眼由于未使用，炉眼形状保持较好，基本无侵蚀现象。炉眼部位侵蚀情况如图3所示。
1.5 炉底侵蚀情况
从拆炉情况来看,环形炭砖以下800mm处可见炭砖，但炉心及三相电极下方未见炭砖层，以环形炭砖平面为基准，测量炉底炭砖侵蚀程度:环形炭砖到炉底800mm处有炭砖，但清理后环形炭砖到炉底周边最高处距离1100-1200mm,说明第一层炭砖已侵蚀殆尽,A相炉底炭砖至环形炭砖上沿高度1570mm,A相电极下方炭砖残余268mm;B相炉底炭砖至环形炭砖高度1572mm,B相电极下方炭砖残余270mm;C相炉底炭砖至环形炭砖高度1500mm,C相电极下方炭砖残余338mm;炉心最低处至环形炭砖上沿高度1800mm,炉心最低处炭砖残余38mm,由此判断，炉底炭砖局部基本侵蚀殆尽。炉底部位侵蚀情况如图4所示。
1.6 炉体理论侵蚀与实际侵蚀对比
1.6.1炉体理论侵蚀图
根据炉底最高温度理论测算的炉底炭砖侵蚀程度及炉体理论侵蚀示意图如图5所示。
图5 炉体理论侵蚀示意图
1.6.2炉体实际侵蚀图
挖炉后对炉底残余炭砖进行清理，测量炉底炭砖侵蚀程度示意图如图6所示。
对炉体侵蚀程度实际测量与理论测算,A、B两相电极基本一致，中心略有偏差,C相偏差较大。可能与热电偶的安装位置、炉底残渣层导热系数、出铁相通道以及电极日常工作端长度等因素有关。
破损原因分析
2.1 炉売向外鼓包原因
炉壳上悬梁烧损主要是局部连电造成,因变压器二次侧实际阻抗不平衡，造成炉内电弧相位差较大;一次侧35kV供电电压不稳定，造成二次侧电压不稳定,三相电压不均衡，使电弧偏移，“熔池”不在同一平面，难以连通;炉盖、炉壳上有时积存碳粉等杂质,造成炉壳连电打火。
2.2 环形炭砖上部耐火材料侵蚀分析
该矿热炉初设参数中，炉膛内径6900mm,电极直径1250mm,电流密度6.5A/m2,二次电流11kA,极心圆功率密度2515A/cm2,自然功率因数0.55，电炉工艺参数匹配不合理。
(1)炉膛直径、电极直径偏小,电极有效功率反应区间过小，炉内“熔池区”受限，高功率密度形成功率“辐射”造成耐火材料侵蚀。
(2)由于初设的自然功率因数过低，导致在有渣冶炼过程中，化渣速度慢热效率低，电极下放困难，高温区上移造成耐火材料高温侵蚀。
(3)在生产过程中，固态物料随着冶炼进程自然下沉,对炉墙耐火材料形成机械冲刷。
2.3 环形砖侵蚀原因
该矿热炉主要由于初设工艺参数不匹配影响,极墙距过小，高电压下造成环形炭砖电弧侵蚀;其次由于功率密度过大，阶段性电极下放困难，高温区上移造成环形炭砖高温侵蚀。
2.4 炉底炭砖侵蚀原因
为弥补矿热炉原始设计不足,首先在工艺上釆取缺碳操作,提高二次电压，让电极下放顺畅，长时间缺碳操作导致电极偏长，造成炉底侵蚀,从停炉后点电极长度来看也说明了该问题;其次是高电压操作造成电弧孤光加长,加剧了电弧对炉底的侵蚀。
2.5 炉眼侵蚀原因
2.5.1机械冲刷侵蚀
炉前出铁时,当炉眼打开后，炉内熔渣在内外压差的作用下迅速从炉内涌出，高温熔渣对炉眼通道产生严重的机械冲刷，同时随着渣铁的排出，炉内液态渣铁以炉眼位置为低面的倾斜面，周围渣铁向出铁炉眼流动，造成炉眼内侧环流冲刷侵蚀。尤其是在炉渣发黏,排渣铁困难的情况下，炉前使用圆钢进行辅助排渣铁，加剧了炉眼的机械冲刷。
2.5.2热应力侵蚀
出铁过程中，高温渣铁从出铁口通道涌出，使出铁口承
受1500℃以上的高温侵蚀，而当渣铁出净时，使用炮泥将炉眼通道进行封堵，温度迅速下降至1000℃以下，这样反复作用，在出铁口通道内产生巨大的热应力,进一步加剧了炉眼的侵蚀。
2.5.3化学侵蚀
(1)氧化侵蚀。在出铁后期，渣铁流量变小以后，炉眼通道上部裸露出来,空气中的氧气和二氧化碳与之接触后发生氧化侵蚀，具体如下:
当使用氧气或者烧穿器辅助开眼时，上述反应更为激烈,炉眼侵蚀更为严重。
(2)水分侵蚀。出铁结束后，使用炮泥进行堵眼，炮泥中存在的水分与高温的炉眼炭砖发生化学反应,尤其在使用有水炮泥时，该反应更激烈。
(3)合金渗碳反应对炉眼的侵蚀。在冶炼初期，由于炉温相对较低,合金含碳并不饱和，随着温度逐步升高，合金对碳的溶解度增大，具体如下:
公式(4)中,M一合金;x、y—方程式调平系数。
以上反应的存在,使炉眼炭砖受到侵蚀，岀铁口通道变大。
护炉标准验证
3.1 炉底温度控制标准
炉底温度测算时温度以自然风冷时的最高温度为基准,控制标准如表1所示。
3.1.1实际数据与测算数据对比情况
根据停炉后自然风冷下温度情况，近似一维稳定导热的思路进行计算。从热电偶温度测算来看,A相热电偶温度最高467℃,以最高为控制基准，测算炭砖残存厚度300mm,实际炭砖残存268mm,炭砖偏差32mm;从自然风冷下炉底贴片温度来看,B相炉底温度最高235℃，测算炭砖残存厚度297mm,实际炭砖最低处残存270mm,偏差27mm;中心温度252℃,测算残存炭砖0mm，实际炭砖最低处38mm。测算与实际偏差基本在30mm左右,温度偏差14无，因此在原有测算温度下热电偶温度纠偏14钢板温度纠偏2Y即可。C相热电偶温度偏差过大主要是因炉眼布置和热电偶位置不同,按照最高的进行控制。
3.1.2标准对照完善情况
根据测算与实际误差纠正，按照炭砖残存200mm为基准进行控制，自然风冷状态下热电偶温度控制490℃，人工测温控制240℃;在强制风冷状态下，热电偶温度降低10℃左右，按照480℃控制,人工测温降低30-50℃，按照240℃控制。
3.2 炉体温度控制标准
炉体环形炭砖温度控制标准如表2所示。
根据人工实际测量最高温度248℃进行测算,测算炉墙残存环形炭砖厚度350mm,挖炉后实测环形炭砖厚度370mm,实际较测算炉墙厚度多20mm,影响温度2℃，说明炉墙测算温度较实际低2℃,按照设定的260℃控制标准测算，预期环形炭砖残存厚度190mm,考虑测算与实际的20mm偏差后，剩余210mm。按照环形炭砖基本无残余，剩余高铝砖，测算炉墙温度274℃,该位置和温度存在烧漏风险。
结合环形炭砖无残余时温度276℃和环形炭砖剩余100mm时温度267℃，制定的270℃控制标准时环形炭砖残存50mm,该温度后残余量相对合理,通过风冷后达到维持炉体正常生产要求。由于环形炭砖缝隙侵蚀后内部填充碳粉，同样具有防护作用，对温度有一定影响。
3.3 上悬梁串火控制措施
根据炉壳上悬梁串火情况，判断炉内环形炭砖上部耐火材料侵蚀严重，尤其是圈梁存在连电打火情况，预判是因炉料直接与钢板接触造成的。针对该问题，制定冶炼过程中附加硅石，让其自然下沉后封堵火焰;以及停炉检修时对炉壳上悬梁区域支模浇铸，恢复耐火层等措施。从挖炉结果来看，环形炭砖上部耐火材料基本侵蚀殆尽,残余打结的浇注料和炉料，圈梁钢板烧损变形，说明制定的措施有效解决了该问题，后续护炉过程中根据矿热炉状况可以进一步使用。
炉体整体成型修复及运行效果
4.1 炉衬修复
本次对炉内积料、残余渣铁及粉化耐火材料清理后，采取整体炉衬成型修复工艺，即在清理后规整炭砖的基础上，炉底先打结一层200-500mm的冷捣糊，然后在环形炭砖周围和炉底支模(形成一个锅底)，再利用冷捣糊打结填充，将环形炭砖和炉底连成一个整体，实现矿热炉炉衬的快速修复。
4.2 炉眼修复
将原有炉眼炭砖全部清除后，重新更换炉眼炭砖,同时安装出铁口泥套，实现不修眼长期出铁目的,有效保护炉眼,延长炉眼炭砖寿命。
4.3 运行效果
该矿热炉整体成型修复后，已运行近2年时间,目前炉体运行正常,整体炉衬安全受控。在配套出铁口泥套后，实现了不修炉眼目标。
结 论
矿热炉安全长寿是一个系统工程,在设计、选材施工、烘炉开炉、操作制度和炉料结构等任何一个方面出了问题，都影响其寿命;而维持合理的操作炉型，确保炉况长期稳定顺行，是矿热炉炉体长寿的关键。笔者通过对矿热炉炉体破损分析和整体成型修复，得出以下结论和建议。
5.1 减缓侵蚀措施
矿热炉炉体炭砖侵蚀以铁水高温溶蚀、电弧侵蚀和环裂为主，而侵蚀速度与矿热炉设计合理性、炭砖质量、冶炼控制有直接关系。为减缓炉体侵蚀速度釆用如下措施：
(1)根据冶炼品种，设计合理的炉型。
(2)选用优质的耐火材料进行砌筑，尤其是炉眼、炉底及环形炭砖等处于高温熔融区和强电弧区的材质。
(3)适当降低烘炉开炉初期的强化速度，不盲目追求开炉速度和效果。
(4)严格日常操作制度,稳定正常的冶炼炉型。
(5)通过热电偶、电位计、可视设备等新设备、新技术，提高对矿热炉的监控水平。
(6)完善不同阶段的护炉标准，从“内养”和“外护”两个方面进行护炉攻关。
5.2 炉眼维护
炉眼维护是决定炉龄长短关键因素。优化开眼工艺、取消烧眼操作、使用优质炮泥、保持出铁口深度、形成稳定泥炮都是延长炉眼寿命的关键措施，但无法从根本上解决炉眼侵蚀过快问题，而采用出铁口泥套工艺可实现该目标。