150吨精炼钢包小炉盖损毁原因分析及使用寿命提升方案
1精炼小炉盖使用现状
2018年2月以前,天津钢管公司炼钢部一区精炼钢包小炉盖使用的是由4块90°的扇形组成的圆环预制件“电极环”，其材质为刚玉质，主要技术指标如表1所示。小炉盖的平均使用寿命为一个工停周期(7〜8天)，严重时仅精炼20炉,就因电极环部分开裂剥落而不得不提前下线。由于电极环寿命短且不固定，而导致电炉提前检修或停炉的现象时有发生，成为制约炼钢生产的主要因素之一。
表1 精炼电极环主要技术指标
经过技术交流，以及参考其他厂家精炼小炉盖的使用情况，设计了图1所示的小炉盖。
图1 第一次改进后的炉盖结构(单位长度：mm)
经过试验，小炉盖的使用寿命在20天左右，较前期有了较大提高。但是与精炼检修周期不同步，满足不了快节奏精炼生产的需要。因此需全面分析影响精炼小炉盖使用寿命的因素，并采取针对性的改进措施，以使小炉盖的使用寿命进一步提高。
影响小炉盖寿命的因素分析
2.1 除尘系统的影响
在精炼除尘系统改造以前，产生的烟气和火焰大部分从电极与小炉盖电极孔之间自然逸出，对小炉盖的冲击力有限，且操作环境较为恶劣，不满足清洁环保生产的要求。2017年7月，对精炼除尘系统加装了“狗窝”密闭除尘系统。改造后，除尘风量由30万m3/h增加到50万m3/h，除尘时形成的高速气流和火焰易对小炉盖造成强烈的冲击和磨损，使电极孔径不断扩大、减薄，三角区位置也不断侵蚀剥落，最后塌陷。
2.2 电弧辐射引起的熔损
精炼炉加热处理时，电弧弧光温度最高可达4000℃，对小炉盖工作面造成强烈的熔损。特别是在起弧阶段，完全裸露的长电弧暴露在钢水上方，电弧越长，辐射也越强。同时，长时间高温产生的热应力和“偏弧”现象也加剧了小炉盖的不均匀损毁。
2.3 熔渣和气体的化学侵蚀
精炼过程中，飞溅到炉盖表面的大量熔渣，与炉内产生的CO、CO2和SO2等气体相互作用，在炉盖表面形成以熔渣层、渗透层和原质层为主的层带结构。在周期性温度激变条件下，渗透层和原质层之间易形成横向裂纹，严重时剥片脱落，厚度可达20〜100mm。久而久之，会造成小炉盖材质的剥片结构性疏松，而原质层产生的热震裂纹又进一步加速熔渣对炉盖的渗透和侵蚀，最后导致炉盖损坏。
2.4 精炼造渣的影响
精炼造渣对小炉盖寿命的影响表现在，好的泡沫渣和适当厚度的渣层可以盖住因二次电压增大而产生的长电弧，减少辐射能量损耗，从而减弱弧光辐射对小炉盖的熔损，提高小炉盖的使用寿命。
2.5 小炉盖自身性能的影响
（1）小炉盖材质的影响
目前精炼钢包小炉盖材质有刚玉、铬刚玉以及刚玉尖晶石等。刚玉质材料强度大，但是难以烧结，热膨胀系数大，热震稳定性较差，难以适应精炼处理温度急剧变化的工作环境。铬刚玉质材料由于加入了优质Cr2O3微粉，可提高高温使用过程中渣的粘度，减薄熔渣渗透层，改善制品的抗渣蚀性。刚玉尖晶石质耐火材料由于价格昂贵，在工业生产中的应用较少。
从精炼小炉盖的使用条件及工作环境来看，必须保证材料有良好的体积稳定性、抗渣侵蚀性，以及良好的抗热震剥落性能，因此选择适合工艺及经济条件的炉盖材质对炉盖的稳定使用起决定性的影响。
（2）小炉盖尺寸的影响
对熔损小炉盖进行分析发现，中心三角区是侵蚀最严重的区域，厚度最薄，甚至部分已塌陷。因此，可通过加厚中心局部区域来提高三角区抗侵蚀剥落的性能，使其与其它位置的侵蚀速率同步，以进一步提高小炉盖的使用寿命。
改进措施
根据上述分析，除了造渣的影响可以通过精炼造泡沫渣来减轻电弧辐射对炉盖表面的侵蚀外，其它因素的影响最后都归结为小炉盖本身的强度、抗渣侵蚀性能和抗热震性能。因此，对小炉盖质量及性能的改进是提高其使用寿命的关键。
3.1 原料成分的改进
原电极环主要原料为刚玉，以铝酸钙水泥为结合剂。刚玉质材料因有较大的晶格能和较稳定的组织结构，烧结较为困难。渣中SiO2、CaO、FeO及MnO沿刚玉晶间间隙生成钙铝黄长石、钙长石等低熔点矿物，不断溶解基质、并向基质中渗透。CaO消耗完后，渣中SiO2浓度增大，熔渣粘度升高，侵蚀反应减慢。基于上述原因，考虑在刚玉中加入适当的SiO2粉，以促进材料的烧结性能，提高材料的热震稳定性。
同样，为提高刚玉质品的抗渣侵蚀性和抗渗透性能，可加入适量的Cr2O3粉。Cr2O3与基质中的杂质结合形成高粘度的含铬玻璃相，填充在刚玉晶间间隙，能有效阻止熔渣的侵蚀，并阻止熔渣在基质中的渗透，改善制品的抗渣强度。
为提高小炉盖的中温强度和改善其流动性，可在配料中添加少量a-Al2O3活性粉，通过Al2O3与CaO和Ca发生反应所产生的膨胀效应，来弥补刚玉因为脱水和晶型转变而引起的体积收缩，进而提高其中温强度。
为了进行对比，选取刚玉质和铬刚玉质材料，各制作了A、B两个标准试块，其主要理化性能如表2所示。可以看出，铬刚玉质试块的综合性能比刚玉质强，能更好地适应精炼炉盖恶劣的工作环境。
表2 不同炉盖材质的理化性能
表2中“刚玉质A”试块与表1中“电极环”材质均为刚玉质，只是“刚玉质A”中Al2O3含量更高，是为了说明单纯提高刚玉中Al2O3含量，并不能明显提高炉盖的综合性能而达到使用要求，但可以加入适量的Cr2O3微粉。
3.2 成型工艺的改进
采用高效减水剂，可以减少小炉盖浇注时的配水量，在保证浇注料具有良好的流动性、可塑性的同时，降低气孔率，提高小炉盖的成型密度和强度。
小炉盖在预制成型过程中采用整体浇注的模式，现将成型模式由振动棒改为大型振动台，振动力更大，更均匀，可将浇注料内的气体充分排出，使其成为更加致密的浇注体，同时可缩短施工时间，降低劳动强度。
3.3 优化小炉盖尺寸设计，适当增厚薄弱部位
在不影响精炼工艺的前提下，适当增加小炉盖薄弱部位的厚度，在三角区形成一个厚度为100mm的凸台，以增强其抗烟气冲刷和熔渣侵蚀的能力。改进后的炉盖结构如图2所示。
图2 第二次改进后的小炉盖结构(长度单位：mm)
应用效果
通过向炉盖原配料中添加SiO2粉、Cr2O3粉、α-Al2O3活性粉和高效减水剂，对炉盖尺寸进行重新设计等措施，精炼小炉盖的气孔率下降,体积密度、强度有所提高，热震稳定性、抗渣侵蚀和抗剥落性能显著提高。在炼钢部精炼区试验的7个小炉盖中，除了一个因检修而提前下线外，其余6个炉盖的使用寿命均达到或超过了60天，平均寿命61.1天,平均使用炉数1492.9炉,达到了4个检修周期，满足了精炼生产的需要。
作者：张梁（天津钢管制造有限公司）