国内的大型钛渣电炉在2000年后才逐渐发展起来的, 其中某厂的25000KVA钛渣电炉作为国内最大钛渣冶炼电炉之一, 随着其使用寿命达到设计年限后, 如何延长钛渣电炉的使用寿命, 成为钛渣冶金工作者关心的问题。延长电炉的使用寿命首先要了解电炉在钛渣冶炼过程中的侵蚀状况, 因此在电炉拆除之际, 通过物理检测和分析, 重点针对电炉炉衬侵蚀情况进行研究, 提出了延长钛渣电炉炉龄的措施, 为钛渣电炉的下一步设计提供进依据。[1]
1 钛渣电炉结构概况
钛渣电炉是钛渣生产中的主要设备, 其作用是作为钛精矿还原反应和渣、铁分离的容器。其炉衬可分为熔池上部、熔池段和炉底三部分。其中熔池上部采用高铝砖砌筑, 熔池段和炉底均采用镁砖砌筑。
2 电炉侵蚀原因分析
从拆除的情况看, 钛渣电炉的侵蚀主要集中在熔池段, 其中熔池上部的高铝砖由于未接触到熔体, 整体侵蚀情况较轻微, 在正对三根电极处有明显侵蚀, 熔池段原砌筑的5层镁砖最外面一层镁砖已经被钛渣侵蚀, 铁口和渣口附近侵蚀了约2层镁砖, 呈“喇叭”形状, 底部的镁砖基本保持完好。
2.1 高温侵蚀
在钛渣冶炼过程中90%以上时间都是开弧冶炼, 电弧温度可以达到2 000℃以上。在三相电弧炉中, 每相电弧受其他两相电弧所建立的磁场作用, 电弧倾斜偏向炉衬, 这种现象叫电弧外吹, 电弧外吹使靠近电极的炉衬局部过热, 形成炉壁的热点[2]。当电弧进一步靠近炉壁后, 特别是熔池上部和熔池段的电极正对位置, 炉衬的耐火材料如高铝砖和91镁砖荷重软化温度分别是1470℃和1560℃, 面对电弧高达2000℃以上温度, 非常容易软化、脱落。
2.2 化学侵蚀
通过对侵蚀镁砖进行线扫描, 见图1。可以看到钛渣中的氧化物随着熔渣进入砖内部, 在镁砖表面形成一层含镁、铁元素的钛化物反应层, 镁砖各部位的杂质元素含量稍有区别, 离熔池越远, 杂质元素含量越少。
从图1中还可以看出, 在侵蚀后镁砖制品内部出现明显的纵向裂纹, 镁砂颗粒溶蚀于高温含钛的液相渣层中, 在工作层外层形成一层致密的反应产物层, 反应产物层厚度1.5mm左右。熔渣沿着晶界侵入制品, 首先溶蚀基质, 包裹在方镁石颗粒周围, 使用后的制品方镁石颗粒减少, 制品中液相量增大, 产物从液相中析晶, 反应产物层中晶体长大, 只能看到少量没有被溶蚀完的方镁石晶体。
2.2.1 Ti O2的化学侵蚀
通过对镁砖表面侵蚀反应层的分析, 见图2, 其中谱图1是以Ti O2、Mg O、Fe O和Si O2构成的钛酸盐相, 谱图1是以主要以Ti O2和Mg O构成的钛酸盐相。表明在反应层形成了Ti O2为主的钛酸盐, 这些钛酸盐从方镁石晶间的液相中析晶, 在高温下液相包裹在镁砂周围, 逐渐溶蚀镁砂颗粒。
2.2.2 Fe O的化学侵蚀
通过对镁砖表面侵蚀层裂纹的分析, 见图3, 其中谱图1Ti O2、Mg O和Fe O构成的钛酸盐相, 谱图2是以Mg O、Si O2和Fe O构成的镁橄榄石相, 谱图3是Fe O。箭头所指处为从高温液相中析出的Ti O2晶体, 可以看出在裂纹出析出的白色晶体主要是以Fe O构成的。
对于镁砖中出现的碎裂现象考虑为Fe O溶解在方镁石中并以 (Fe·Mg) O形成存在, (Fe·Mg) O与方镁石晶体形成连续固溶体, 其在方镁石中的溶解度随温度变化波动较大, 温度升高大量 (Fe·Mg) O溶解于方镁石晶体中, 温度降低则以具有较弱的各向异性的枝状晶体和颗粒包裹体沉析在方镁石晶体表面和解力裂纹处, 析出少量白色晶体。受到钛渣冶炼间断冶炼的影响, 钛渣炉内的气氛波动较大, Fe O在气氛波动中伴随着氧化还原反应会发生较大体积变化, 从而产生裂纹, [3]影响镁砖的热震稳定性能。
综合以上分析, 镁砖的化学侵蚀可以概括为以下过程:渣中的Fe O和Ti O2等氧化物逐步侵蚀到渣中, 镁砖中Mg O溶解入渣中, 一方面在镁砖表面形成低熔点的化合物, 改变耐火材料的高温性能, 在熔渣搅动冲刷、热冲击等作用下逐层脱落, 造成镁砖的损毁;另一方面Mg O与渣中Ti O2、Fe O形成钛酸盐相, Fe O溶解在方镁石中形成连续固溶体, 随着温度和气氛的变化在镁砖中析出, 破坏了镁砖的结构, 加速了镁砖的侵蚀。
2.3 渣、铁的物理冲刷
冶炼形成高温熔液后, 在电磁搅拌力以及高温下传热传质的作用下, 对炉壁产生冲刷, 尤其是在出渣、出铁时对渣、铁口的侵蚀较严重。[4]
3 延长炉衬使用寿命的对策
结合高炉常用护炉方法, 进一步延长钛渣电炉炉衬的措施主要有加强挂渣维护、优化耐火材料及加强冶炼的连续性等三方面:
3.1 加强挂渣操作维护
钛渣冶炼过程中熔池冶炼温度可以达到1700℃, 耐火材料很难直接面对如此高的温度, 因此在冶炼过程要坚持开展挂渣操作, 通过在炉衬上形成一层800mm~1000mm左右的钛渣挂渣层, 阻止钛渣对耐火材料的侵蚀。还采取增加水冷炉壁的办法, 对重点部位如电极正对位置加强冷却效果形成强制挂渣层。
3.2 优化耐火材料
从熔池段最外面的第五层镁砖已经完全侵蚀掉的情况看, 耐火材料还有进一步优化的空间。重点是提高耐火材料的高温性能, 包括荷重软化温度和耐火度, 可以选择更高牌号的镁砖, 如MZ~93镁砖、MZ~95镁砖, 随着其高温性能的提高, 能有效避免镁砖的软化脱落。
3.3 保证冶炼的连续性
从镁砖内部Fe O晶体析出主要受温度和气氛影响来看, 要避免镁砖的结构被破坏, 就要保证冶炼的稳定性, 一要让炉内温度变化在合理范围内, 减少停炉次数, 避免长时间的停炉对镁砖的影响;二要让炉内气氛维持稳定的还原气氛, 可通过变间断冶炼方式为连续冶炼方式, 减少析出晶体对镁砖的破坏。
4 结语
高温、渣中氧化物的化学侵蚀及渣和铁的物理冲刷是导致钛渣电炉炉衬侵蚀的主要原因。加强挂渣维护、优化耐火材料及保证冶炼的连续性是避免炉衬侵蚀、延长钛渣电炉炉龄的有效措施。
摘要：对大型钛渣电炉炉衬侵蚀情况进行物理检测及分析, 表明炉衬的侵蚀主要来自高温熔体侵蚀及钛氧化物和铁氧化物的化学侵蚀, 并提出了优化耐火材料、加强挂渣层的维护及保证冶炼的连续性等措施。
关键词：炉衬,钛渣,侵蚀
参考文献
[1] 袁国翠, 丁跃华等.高炉炉衬侵蚀机理的研究[J].矿冶, 2013, 22 (4) :84~90.
[2] 石富, 王鹏, 孙振斌.矿热炉控制与操作[M].北京:冶金工业出版社, 2010:68~70.
[3] 孙宇飞, 王雪梅等.镁质和镁基复相耐火材料[M].冶金工业出版社, 2010:42~43.
[4] 秦洁, 黎建明等.熔分深还原电炉炉衬侵蚀原因分析及提高炉龄措施[J], 耐火材料, 2013, 47 (2) :152~154.