摘要：
通过对高碳锰铁、高碳铬铁电炉炭质水冷炉衬技术的研究探索以及该技术在电炉上的应用实践，从炉衬结构设计、矿热炉各种因素对炉衬的影响到炉衬材料的制作与施工、炉衬烘烤与操作、复合型高导热出铁口砖、无水炮泥的应用、经济效益分析，以及正确的维护操作等诸个环节，总结出了有效延长大型高碳锰铁、高碳铬铁电炉炉衬寿命的方法，电炉产生的总收益明显提高。
前言
矿热炉工作特点是电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及炉料的电阻而产生的能量来熔炼金属的一种工业炉。在高强度冶炼条件下，炉衬不仅承受到高热负荷、强热震，还要抵御炉料和气流的冲刷、化学侵蚀等对炉衬的损坏。减弱这种破坏效应的有效办法是在炉衬的热面快速的形成稳定的渣壳。要达到这种效果必须降低炉衬热面的温度。
炭质水冷炉衬技术采用炉壳外部水冷，通过高导热的石墨、炭质材料，如石墨瓦导热系数高达80W/m·k，高导热炭砖导热系数20W/m·k，是其他耐材的数倍或几十倍，减少冷却系统和耐火材料的热阻，来加速炉衬热面渣壳的形成和降低内衬温度，石墨瓦的高导热性使炉衬热面与炉内形成很大的温度梯度，促使渣金混液牢牢的粘附在热面，从而形成稳定的渣壳，可以对炉衬起到很好的保护作用。而且渣壳的导热系数很低，约1.2W/m·k，因此渣壳有很好的热阻，降低炉内能量的散失。
经过多年研究和在电炉上的实际应用，目前己经掌握了一套完整的炭质水冷炉衬技术，使有渣法冶炼的矿热炉寿命大大提高，其技术值得推广和应用。
1炭质水冷炉衬技术
1.1炭质水冷炉衬技术的原理
二十多年来，国外矿热炉对炉衬的强制冷却技术得以广泛应用。出现了一种新概念型炉衬，
即“冷凝炉衬”。就是将高效的冷却与较薄的热效率好的高导热性炭质炉衬来保证耐火材料的热表面温度大大低于反应过程中金属的凝固温度。这样其冷表面易于将生产中产生的渣和金属凝固其上，形成一层绝热层。由于有效的冷却使得渣壳下的耐火材料的热表面保持很完整，这也有利于使耐火材料保持在较低的温度。这项技术的实践证明，提高炉衬材料的导热性和微孔化，结合合理的炉衬冷却技术是延长炉衬寿命最有效的措施。
1.2炭质水冷炉衬与传统炉衬的区别
传统保温炉衬荇易出现炉衬侵蚀，炉墙和炉底穿孔等现象，导致生产率降低、维修费用高、生产中断和设备损坏，严重影响经济效益甚至危及人身安全。该类型炉衬材料的热导率小，内外温度梯度大，可能引发两个后果：一是使炉壁散热量有所增加，热损耗加大，另一方面是内部温度上升，使高温和化学侵蚀作用容易使炉衬受到损伤。水冷炉衬的炉体主要材料是高导热砖和耐侵蚀微孔材料，由于其具有较高的导热性能够有效迅速地把热量传递出去，降低耐火材料的工作温度。冶炼高碳锰铁为缺碳操作，因此炭砖层会与锰矿石反应而被逐渐侵蚀。应用水冷炉衬进行散热降温之后，可使炉内炉衬的热面形成一层冷凝淹层，可以有效的减轻由于缺碳操作和高温冲刷给炉衬带来的损伤；炭砖的微孔化可抵御渣铁对炉衬的侵蚀和渗透。
2延长炉衬寿命的应用与实践
2.1炭质水冷炉衬的碗筑
广西某公司年12月#电炉大修改造时，使用炭质水冷炉衬技术和产品，并于年元月14日正式出铁。累计使用了51个月炉衬依然完好。广西钦州东方资源有限公司16.5MVA锰铁电炉其炉衬结构见图1。
图1炭质水冷炉衬结构图
2.2.1炉底砌筑
炉底结构最下层为高铝砖，主要起支撑和隔热作用，用来保护炉底钢板，在高铝砖上面是石墨砖、高导热砖，再其次是微孔炭块，最上层为陶瓷型耐火材料保护层。由于炉底采用了高导热材料，使炉底的热负荷能够均匀地向四周传导，有效地降低了炉底耐火材料的使用温度，防止了化学侵蚀和铁水渗透。
2.2.2炉墙砌筑
炉墙结构采用了薄炉衬加炉外喷淋技术，其配置是紧贴炉壳是高导热石墨瓦，其内侧为微孔炭砖。材料中含有30%左的硅铝成份。利用炭质材料高导热性能把渣铁的温度降下来，硅铝材料具有较强的挂渣性使渣铁变稠而容易挂渣。只有两者的有机结合，才能使炉衬材料的热面易被渣和金属凝固其上，形成一层有效的保护层。最内层也是一种陶瓷型耐火材料，主要作用是在烘炉和投料时起到保护作用。
2.2.3铁口区结构
铁口砖是电炉炉衬的重要组成部分，只有铁口砖的寿命和炉衬的寿命同步，才能实现真正意义的炉衬长寿。出铁口设计时采用复合结构，应用整体钻孔半石墨炭-碳化硅砖，并在内镶嵌高导热、耐冲刷、抗热震性能优良的圆柱型石墨套，同时圆柱型石墨套又可以随时更换，大块铁口组合砖见图2。
1-刚玉浇注料2-半石墨炭-碳化硅（母体）3-石墨套
图2大块铁口组合砖
半石墨炭-碳化硅砖整体成型，高温焙烧后进行六面精加工，其长度、宽度和高度尺寸公差±1mm。然后根据用户要求钻出出铁孔（若有角度要求，可注明)。镶嵌孔加工时的尺寸公差要求很严，一般母孔直径和镶嵌石墨套直径的间隙应该控制在0.2mm范围内。为了提高石墨套的抗氧化性能，对石墨套进行了防氧化浸渍处理。该铁口的优点是减少了砖缝，有效地保证了铁口的严密性，解决了铁口粘渣铁现象，提高了铁口的热震性能，减轻了热应力造成炭砖开裂和破损。广西钦州东方资源有限公司使用方圆集团生产的复合出铁口砖，累计工作时间已达51个月从未更换过，而且还在安全使用中。该铁口的应用，为炉衬的整体长寿提供了前提保障。
该炉炉底釆用强制风冷设施，而炉墙周边钢壳釆用喷水冷却。
水冷炉衬在广西钦州东方资源有限公司#高碳锰铁电炉上累计使用近51个月，后因市场问题先后停产两次。停炉后发现全部炉衬材料及出铁口完好如初，见图3。预计这台电炉使用寿命起码在10年以上。
图3使用51个月后的水冷炉衬
“冷凝炉衬”即水冷炉衬在欧洲、南非和北美的锰硅、锰铁和铬铁电炉上的应用，证明了其性能远远优于传统的绝热型炭素炉衬，它改善了埋弧电炉的炉衬寿命和性能。优化了炉衬厚度和组成使炉衬性能达到最佳。目前，炭质水冷炉衬新技术已在国内外近30座有渣法冶炼的矿热炉上使用，并取得良好的效果。
3各种因素对炉衬的影响
3.1出铁口对电炉运行的影响
3.3.1出铁口类型及维护
高导热石墨镶嵌型出铁口砖，具备优良的抗震性和抗冲刷性以及良好的高温导热性和抗化学侵蚀性。
3.1.2出铁口的位置对炉衬寿命的影响
每次出铁时，铁水的流动都会改变熔池内已形成的渣壳厚薄以及导热状况，并造成电极电弧向炉墙一侧偏移，电弧高温会加剧炉口和炉墙耐材的热损毁。所以出铁口的位置尽可能不要正对电极。
3.1.3堵眼用无水炮泥
良好的炮泥能够有效防止生产过程中发生炉前跑眼现象。隔绝空气对出铁口的氧化侵蚀。当炉前开眼深度较浅时，可增加堵眼炮泥的量或调整堵眼炮泥配方。采用焦油脱水，减少泥球中含有水分对出铁口侵蚀。
3.2矿热炉技术参数的影晌
3.2.1极心圆直径的影响
极心圆直径是电炉重要的工艺参数。如果尺寸过小，极心圆功率密度将过大，高温热量过于集中于极心圆区域内，使温度过高，侵蚀炉底，消耗快，炉衬寿命缩短；如果尺寸过大，极心圆功率将偏低，使熔池边缘温度过高，渣铁对炉墙侵蚀加剧，炉墙变薄，易发生炉墙烧穿事故，炉衬的寿命同样会变短。因此，合适的极心圆直径能有效降低极心圆区内的温度，减少高温热力对炉底的侵蚀，这是影响炉衬使用寿命的主要因素。
3.2.2炉壳直径的影响
炉壳直径也是电炉的主要工艺参数。炉壳参数选择是否合理、是否与极心圆参数相匹配，不仅影响到生产的技术指标，也影响炉衬的使用寿命。如果炉壳直径与极心圆直径、极墙距与炉墙厚度、炉墙与炉底消耗均相匹配，则炉衬寿命就会相应延松；反之，如果炉壳直径与极心圆直径不相匹配，若炉壳直径过大，不仅浪费耐火材料且影响出炉，而炉壳直径若过小，炉墙过薄不耐侵蚀，炉衬寿命也将相应缩短。这是造成炉衬使用寿命短的重要因素。
3.2.3二次电压对炉衬的影响
二次电压是电炉又一个重要的工艺参数。选择二次电压要与极心圆直径相匹配，才能延长炉衬寿命。极心圆直径一定时，当使用的二次电压偏低时，电极弧光短，下插深，距离炉底近，导致极心圆相对应的炉底温度过高，电极弧光对炉底的热侵蚀作用增大，使炉底形成“锅底状”而消耗过快。反之，炉底温度低，炉渣温度高，过高温度使炉渣流动性增强，对炉墙的侵蚀加剧，炉墙变薄，极易发生炉墙烧穿事故，影响炉衬寿命。因为相对某一个冶炼品质，二次电压是相对稳定的，对炉衬的影响也是相对稳定的。
4水冷炉衬技术的施工及注意事项
(1)水冷炉衬结构，炉底炭砖最好使用大块斜形防漂浮砖型砌筑，高导热炭块与微孔炭块的二角缝或宽缝要用高导热炭捣料填充。
(2)为获得较好的操作效果，要求炉底强制冷却。例如：风冷或水冷管冷却。
(3)矿热炉停产维修时，不能打水冷却。
(4)出铁口应尽量避免使用氧气吹开或烧孔器烧开出铁口。堵出铁口必须使用无水炮泥堵口。
(5)开堵眼机可选择全液压廻旋式悬臂式开堵眼机，既能快速钻孔又可随时堵泥封孔，使炉口开堵眼实现自动化。
(6)堵出铁口时，无水炮泥应在恒温箱恒温至℃时使用。无水炮泥的压入量(实际形成的炮泥长度)要大于出铁(渣)口区域的衬砖长度，一般在%以上。
5经济效益分析
广西某公司年#炉的原炉衬类型为保温型密闭炉，其炉衬炉龄最短两个月，最长炉龄为9个月。按炉龄9个月计算，全年的生产时间大约为h。年元月14日开始，#炉改造为炭质水冷炉衬的密闭炉。全年生产时间都超过h。不仅年产量逐年上升，而且焦单耗、电单耗等都有逐渐递减的趋势，如表1所示。
表1-年#炉生产指标对比
经过水冷恒温密闭炉改造之后，电炉的炉龄增加，产量增加，单位产品能耗减低，整体的经济效益稳步提升。经过测算，各项经济效益显著提高。如表2所示，截至目前，平均每年节省筑炉相关费用98万元。平均每年节省电耗万元。包括电耗费用、产量收益、筑炉相关费用、焦耗费用等四个因素在内，电炉从-年的3年期间整体经济收益总共增加.3万元。平均每年可增加经济效益万元。而且随着目前所使用的水冷炉衬型电炉炉龄的提高，电炉产生的整体总收益还会随之提高。
表2水冷炉衬比保温炉衬多增经济效益
6水冷炉衬技术通过国家级技术鉴定
冷却法炉衬技术于年1月16日，在北京通过国家技术鉴定。与会的业内专家一致认为：该技术在高碳锰铁电炉上已安全运行了三年，在炉膛内形成自保护的渣壳，解决了有渣法冶炼高碳锰铁对炉衬的损坏；实现了专用复合型出铁口寿命与炉衬寿命相同，该技术也适用于有渣法冶炼的镍系、铬系矿热炉，填补了国内矿热炉水冷炉衬装备和相应工艺的空白，达到了国际先进水平。
7结语
(1)电炉寿命长短受到各方面因素的综合作用，只有釆取全面的技术措施，才能使高碳锰铁、高碳铬铁电炉寿命达到最佳效果。
(2)炭质水冷炉衬技术在炉膛内形成的渣壳，解决了电炉因冶炼过程中碳源不足与炭质炉衬产生化学反应，对炉衬造成的了严重破坏。
(3)合理的矿热炉技术参数，配合正确的操作工艺是炉衬长寿的基础和必要措施。
(4)优质的耐材、良好的施工质量和科学的烘烤方案是炉子长寿的重要保证。
(5)炭质水冷炉衬技术一次性投入较大，但节能效果明显，大大减少维修和维护费用，可大幅降低生产成本，与传统炉衬相比综合效益显著。
(6)出铁口是增长炉龄寿命的敏感区域。镶嵌式高导热出铁口、良好的堵眼炮泥质量、以及正确的维护操作都可以使出铁口保持稳定，对电炉的连续性运行起着重要作用。
(7)使用新型高导耐侵蚀微孔材料，釆用炭质水冷炉衬技术，提高炉体整体的抗高温性能，是延长炉衬寿命的发展方向。