高碳錳鐵是五礦(湖南)鐵合金有限責(zé)任公司(下稱五礦湖鐵)的傳統(tǒng)產(chǎn)品，冶煉電爐爐襯一般釆用保溫型——預(yù)焙炭塊、冷搗糊整體爐襯,并通過(guò)調(diào)節(jié)一次電流大小來(lái)控制電極插入爐膛內(nèi)深度(即電爐負(fù)荷)，隨著電網(wǎng)供電電壓等級(jí)和電爐裝備水平的不斷提高，電爐控制技術(shù)不斷進(jìn)步，要求操作進(jìn)一步精細(xì)化。

五礦湖鐵租賃化德坤盛鐵合金有限公司2×33MVA密閉礦熱爐，其中1臺(tái)生產(chǎn)低微碳錳硅合金、1臺(tái)生產(chǎn)高碳錳鐵,其爐襯分別采用傳統(tǒng)保溫型爐襯和新型控溫爐襯;控溫爐襯由魯山天諾爐襯材料有限公司承筑，其爐壁冷卻方法在高爐上常用,其特點(diǎn)是極大地保護(hù)爐墻和出鐵口。通過(guò)開(kāi)爐后6個(gè)月試運(yùn)行，情況良好。

2臺(tái)33MVA全密閉礦熱爐于2018年7月相繼建成,其設(shè)備參數(shù)很大程度上參考了五礦湖鐵已租賃的4臺(tái)礦熱爐生產(chǎn)同一鐵合金品種的成功經(jīng)驗(yàn),有關(guān)參數(shù)如表1所示。

五礦湖鐵北方基地釆用大容量電爐連續(xù)(全天)生產(chǎn)高碳錳鐵已有5年,均釆用微膨脹冷搗糊整體保溫爐襯，爐襯壽命普遍偏短，不得不釆取輪換轉(zhuǎn)煉方式加以彌補(bǔ)。隨著水冷爐襯技術(shù)的不斷完善和推廣，該公司決定在新(租)建33MVA全密閉高碳錳鐵電爐上使用控溫爐襯技術(shù)。

2.1 炭-陶復(fù)合控溫爐襯爐內(nèi)溫度分布

高碳錳鐵電爐冶煉區(qū)溫度分布:在三根電極端部為氣體,將周圍固態(tài)物料燒熔氣化,形成空腔狀坩堝，空腔內(nèi)溫度高達(dá)2000?3000℃,増蝸壁熱面溫度約1700~2000℃，冷面溫度約1400?1700℃,坩堝外固態(tài)物料直至爐襯內(nèi)壁(保溫型爐襯經(jīng)驗(yàn))溫度為1300-1600℃。

33MVA全密閉礦熱爐釆用控溫爐襯技術(shù)，其筑爐主要用料如表2所示。

2.1.1控溫爐襯爐底溫度分布

以焙燒環(huán)炭磚為基準(zhǔn)，計(jì)算33MVA全密閉高碳錳鐵控溫爐襯從上到下溫度梯度如表3所示。當(dāng)以溫度為橫坐標(biāo)、爐底鋼板到爐口平臺(tái)的距離為縱坐標(biāo)，高碳錳鐵爐爐底(爐膛三角區(qū))導(dǎo)熱曲線如圖1所示。

2.1.2控溫爐襯爐墻溫度分布

以焙燒環(huán)炭磚為基準(zhǔn),計(jì)算爐墻從里到外溫度梯度如表4所示。以爐內(nèi)溫度為橫坐標(biāo)、爐壁溫度為縱坐標(biāo)，其變化曲線如圖2所示。

2.1.3控溫爐襯測(cè)溫點(diǎn)分布

熱電偶位置、數(shù)量及控溫范圍如表5所示，測(cè)試熱電偶型號(hào)為K型熱電偶(WRNK-130)。

2.2 炭-陶復(fù)合控溫爐襯導(dǎo)熱特點(diǎn)

所謂“控溫爐襯”就是將礦熱爐襯的受熱負(fù)荷轉(zhuǎn)移，從而使其溫度低于構(gòu)筑材料的熔點(diǎn)，以形成一層有保護(hù)作用的冷凝渣殼。

(1)爐墻的微氣孔率焙燒炭磚采用高抗蝕石墨膠泥薄縫砌筑，縫隙<1mm。爐墻炭磚與爐墻石墨瓦留有80mm的膨脹縫，填充高導(dǎo)熱石墨搗打料。

(2)炭磚釆用高抗蝕石墨膠泥薄縫砌筑，可以在烘爐、生產(chǎn)過(guò)程中逐步焙燒成堅(jiān)實(shí)致密近似于無(wú)縫的整體,可有效防止鐵水滲漏，比寬縫砌筑的焙燒炭磚性能更優(yōu)越。且薄縫爐襯從根本上改變了電爐操作條件和工作環(huán)境,特別是在安全、連續(xù)、穩(wěn)定生產(chǎn)方面起到了保障作用;高導(dǎo)熱石墨搗打料、爐墻石墨瓦及高導(dǎo)熱炭磚的應(yīng)用。

(3)爐底、爐墻炭磚與爐殼、爐墻石墨瓦留的膨脹縫，填充高導(dǎo)熱石墨搗打料。該搗打料在開(kāi)爐生產(chǎn)過(guò)程中，隨環(huán)境溫度的升高發(fā)生規(guī)律性體積膨脹,有效消除熱應(yīng)力對(duì)爐襯材料整體性的破壞。

2.2.1控溫爐襯爐底結(jié)構(gòu)

爐底風(fēng)冷冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用，有利于將爐底內(nèi)襯非工作端的熱量快速傳遞至冷卻管，使內(nèi)襯工作端形成“盔甲”保護(hù)層，即形成控溫爐襯。33MVA高碳錳鐵爐底風(fēng)冷系統(tǒng)示意圖如圖3所示，爐底風(fēng)冷管實(shí)砌情況如圖4所示。

2.2.2控溫爐襯爐壁結(jié)構(gòu)

爐壁噴水強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用,有利于將爐墻內(nèi)襯非工作端的熱量快速傳遞至爐殼，使內(nèi)襯工作端形成“盔甲”保護(hù)層，即形成控溫爐襯(掛渣-假爐襯)。33MVA高碳錳鐵爐壁水冷系統(tǒng)局部如圖5所示。

在冶煉生產(chǎn)過(guò)程中，電極反應(yīng)區(qū)高溫熔池的熱能會(huì)向爐底、爐墻傳遞，炭磚和高導(dǎo)熱石墨搗打料能夠?qū)⒋蟛糠譄崃總鬟f至水冷的爐殼。在開(kāi)爐初期，電爐溫度未達(dá)到均衡分布時(shí),爐底的最上層部熱沖擊、化學(xué)侵蝕而被熔蝕掉，當(dāng)爐底達(dá)到了熱平衡后,爐底上金屬的凝固面會(huì)處在一個(gè)相對(duì)“穩(wěn)定”的位置，形成“留鐵層”以保護(hù)爐底。

高碳錳鐵礦熱爐出現(xiàn)爐襯事故時(shí)主要應(yīng)從爐襯、筑爐質(zhì)量、操作和爐型結(jié)構(gòu)幾方面進(jìn)行控制。

3.1 筑爐及烘爐質(zhì)量

高碳錳鐵爐能否穩(wěn)產(chǎn)順行，關(guān)鍵是爐襯質(zhì)量。一是看所有使用的耐火材料質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)需求。例如焙燒炭磚的導(dǎo)熱率,理論上要求炭磚內(nèi)部溫度避開(kāi)800-1100Y脆性斷裂區(qū)。二是看耐火材料的砌筑質(zhì)量，控溫爐襯未設(shè)置彈性緩沖帶，釆用無(wú)縫(細(xì)縫)砌筑技術(shù),增加導(dǎo)熱系數(shù)，避免了寬縫搗打不實(shí)和烘烤時(shí)的收縮現(xiàn)象，爐襯導(dǎo)熱能力增強(qiáng)，使?fàn)t內(nèi)難熔雜質(zhì)容易凝固，易于掛渣的生成。

在安裝風(fēng)冷管之前，砌完高鋁磚(特別是濕砌)后，必須用木柴進(jìn)行一次烘烤，使高鋁磚磚縫產(chǎn)生焙燒強(qiáng)度,然后才能進(jìn)行風(fēng)冷管(焙燒炭磚)施工。

控溫爐襯開(kāi)、烘爐要求基本與保溫爐襯一致。升溫?cái)?shù)據(jù)如表6所示。

3.2 冶煉操作控制

高碳錳鐵控溫爐襯烘烤必須遵循升溫?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)導(dǎo)熱系數(shù)不同可將爐襯分為兩部分:爐底基礎(chǔ)層和導(dǎo)熱層、爐墻導(dǎo)熱層。當(dāng)爐底基礎(chǔ)層的溫度變化不大時(shí)，熱傳導(dǎo)屬于穩(wěn)定態(tài)，此時(shí)爐襯的導(dǎo)熱性能與導(dǎo)熱系數(shù)成正比;但在溫度變化過(guò)大時(shí)，例如設(shè)備(除塵)故障停爐,爐襯導(dǎo)熱能力的作用將產(chǎn)生熱應(yīng)力(大于保溫爐襯)。

3.2.1適宜的電爐參數(shù)

對(duì)照表1數(shù)據(jù)，適宜的電氣參數(shù)和幾何參數(shù)是應(yīng)用控溫爐襯冶煉高碳錳鐵優(yōu)勢(shì)的先決條件。電極直徑偏大50mm,電流密度降低6.8%;極心圓直徑偏大200mm,雖然減弱了對(duì)爐底的侵蝕,但渣鐵對(duì)爐墻侵蝕加劇(如果爐膛偏小更甚);爐殼直徑偏小，爐墻侵蝕加劇。

3.2.2操作電阻控制

操作電阻即實(shí)時(shí)U相/I相比值，反映熔煉區(qū)的電氣特性，增大操作電阻有助于增加電爐輸岀功率。釆用控溫爐襯冶煉高碳錳鐵時(shí)，電極插入料層的深度是有限的。因此對(duì)于礦熱爐操作電阻的控制大多是通過(guò)調(diào)整二次電壓和爐料結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.2.3爐渣堿度控制

高碳錳鐵爐渣堿度與渣中跑錳呈反比，如圖6所示.

為了得到富錳渣，需要適當(dāng)降低爐渣堿度，這有利于降低電耗(堿度±0.1,溫度±100℃)和降低渣鐵比。①堿度R =1.4適合于以Mn75%折基情況下使用;②堿度R =1.2適合于Mn70%實(shí)物重情況下使用。但不論是哪種堿度控制，隨著入爐品位的上升，冶煉單位電耗一定降低。隨著原料價(jià)格上揚(yáng)，采用降低原料采購(gòu)成本、高堿度法生產(chǎn)高碳錳鐵(同時(shí)降低合金磷含量)是可行的。

在工藝確定碳錳渣的含錠量(確定值)的情況下，隨著所煉產(chǎn)品品級(jí)的不同，爐渣堿度應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整，并采用足碳操作。

3.2.4充分掌握全密閉礦熱爐冶煉特性

由于全封閉電爐從氧化性氣氛變成了還原性氣氛，對(duì)水分的敏感顯著增加。首先是水會(huì)吸熱、汽化后體積增大22.4倍;其次是冶煉還原過(guò)程產(chǎn)生的CO氣體與水反應(yīng)生成H2后體積繼續(xù)增大。這樣爐內(nèi)壓力增大數(shù)倍，如果爐氣排放不暢，噴濺塌料就會(huì)發(fā)生。

4.1 階段數(shù)據(jù)對(duì)比

33MVA全密閉礦熱爐控溫爐襯生產(chǎn)高碳錳鐵于2018年9月開(kāi)爐以來(lái),其間由于煙氣(凈化)系統(tǒng)等故障，熱停爐頻繁，但生產(chǎn)指標(biāo)較同期保溫爐襯矮煙罩電爐仍有改善。隨著設(shè)備故障的排除，生產(chǎn)順行，目前生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好、各測(cè)溫點(diǎn)溫度顯示正常。其生產(chǎn)指標(biāo)與矮煙罩保溫爐襯電爐對(duì)比如表7所示。

使用控溫爐襯冶煉高碳錳鐵，電爐的產(chǎn)量增加、能耗降低,如果爐襯壽命5年，其整體經(jīng)濟(jì)效益提升明顯?？販貭t襯與保溫爐襯冶煉生產(chǎn)高碳錳鐵經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比如表8所示。

4.2 控溫爐襯配套項(xiàng)目的完善

密閉爐控溫爐襯冶煉高碳錳鐵高產(chǎn)長(zhǎng)壽的保障因素還包括:完善110kV供配電系統(tǒng)、原配料設(shè)施、煙氣除塵凈化設(shè)施、出鐵及排渣系統(tǒng)等。上述設(shè)備故障出現(xiàn)在開(kāi)爐初期主要是由熱停引發(fā)的。

4.2.1造成生產(chǎn)中斷的設(shè)備故障

(1)高壓110kV進(jìn)線由于釆用△形聯(lián)接，電爐操作稍有波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致一次電流成倍放大、引發(fā)保護(hù)動(dòng)作;并且還引起動(dòng)力電跳閘。

(2)原配料系統(tǒng)大傾角皮帶由于角度過(guò)大，冒、漏料嚴(yán)重，經(jīng)常需要停機(jī)鏟料,也增加了勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)高碳錳鐵爐內(nèi)塌料次數(shù)較錳硅合金爐偏多，煙氣溫度時(shí)有波動(dòng)，對(duì)冷卻器的要求提高,否則要么發(fā)生燒布袋、要么發(fā)生(冬天)結(jié)露現(xiàn)象。

(4)采用控溫爐襯鐵水過(guò)熱度減小，粘包現(xiàn)象嚴(yán)重。

4.2.2應(yīng)對(duì)措施與解決辦法

(1)增加多組UPS電源，以保持控制信號(hào)暢通。

(2)加大皮帶容積，增加開(kāi)機(jī)頻次，降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)增加入爐熟料比，控制電極合適長(zhǎng)度，減少塌料、噴火現(xiàn)象;對(duì)冷卻器進(jìn)行串并聯(lián)靈活切換，防止燒布袋或冬天結(jié)露現(xiàn)象發(fā)生。

(4)利用電爐煤氣優(yōu)質(zhì)資源烤包(約1100℃),減少粘包現(xiàn)象。

4.3 控溫爐襯長(zhǎng)壽運(yùn)行電爐參數(shù)的優(yōu)化

高碳錳鐵的還原溫度相對(duì)較低,爐渣流動(dòng)比較好，“三大一深”是其爐型特點(diǎn)。

就爐襯而言，從設(shè)計(jì)開(kāi)始，礦熱爐爐型、爐襯結(jié)構(gòu)到耐火導(dǎo)熱材料的選擇，烘爐到投產(chǎn)，靜態(tài)管理到動(dòng)態(tài)管理都必須堅(jiān)持高產(chǎn)長(zhǎng)壽、優(yōu)質(zhì)低耗、節(jié)能環(huán)保的方針。

高碳錳鐵電爐在原料條件、設(shè)備狀況相對(duì)穩(wěn)定的前提下，通過(guò)選取合適的二次電壓(電弧長(zhǎng)度)、二次電流、有功功率，使電爐熔池功率、極心圓功率密度達(dá)到較理想狀態(tài),并保持電極足夠的有效工作端長(zhǎng)度，最終確保電爐主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到較好水平。

4.3.1極心圓功率密度

近年來(lái)，為進(jìn)一步優(yōu)化冶煉指標(biāo)，生產(chǎn)廠家大量嘗試低壓補(bǔ)償(電爐幾何尺寸和變壓器參數(shù)在可調(diào)范圍)，取得了一定效果。實(shí)際上，目前很多冶金工作者在實(shí)踐中逐步認(rèn)同了電爐超負(fù)荷運(yùn)行的觀念,通過(guò)提高爐膛功率密度和極心圓功率密度，強(qiáng)化冶煉反應(yīng)，促使主元素還原，保證較好的綜合指標(biāo)。但極心圓功率密度并不是越高越好，過(guò)高會(huì)造成電極不好下插、三角區(qū)耐火材料侵蝕加快、元素?fù)]發(fā)損失加大。國(guó)內(nèi)數(shù)臺(tái)高碳錳鐵電爐實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,極心圓功率密度選在1.9MW/m2比較合適。

4.3.2控溫爐襯爐膛深度

由于控溫爐襯主要作用是加強(qiáng)散熱，相應(yīng)的高溫區(qū)減小(熔池直徑縮小)，為了彌補(bǔ)因二次電壓增加導(dǎo)致的電弧長(zhǎng)度增加,爐膛深度必然增加。實(shí)踐表明，同容量的高碳錳鐵電爐，采用控溫爐襯時(shí)爐膛深度要比保溫爐襯增加10%?20%。

4.3.3控溫爐襯熱料入爐

全密閉高碳錳鐵電爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量煤氣(體積為矮煙罩電爐煙氣體積的1%~2%)，煤氣主要含CO、H2、CH4等有效燃料成分(約占?xì)怏w體積的80%)，其發(fā)熱值為8800-10050kJ/Nm3。

由于煤氣發(fā)生過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定，當(dāng)裝設(shè)余熱鍋爐時(shí)，回收的熱量可達(dá)電爐總耗能量的30%或總耗電量的65%;如用于干燥原料、熱料入爐，可回收電能約20%,同時(shí)改善了電爐經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。

五礦湖鐵33MVA全密閉控溫爐襯冶煉高碳錳鐵,是近年來(lái)興起的新技術(shù)推廣應(yīng)用。通過(guò)先期對(duì)方案的考評(píng)與審定，以及筑爐材質(zhì)的把關(guān)和筑爐施工過(guò)程跟蹤，力爭(zhēng)做到標(biāo)準(zhǔn)化。

(1)傳統(tǒng)的保溫爐襯工藝雖然費(fèi)用較低,但連續(xù)冶煉高碳錳鐵爐襯使用壽命很難達(dá)到2年甚至更長(zhǎng)。

(2)為了獲得整體爐襯效果，保障爐襯壽命在2年以上，采用控溫爐襯代替保溫爐襯冶煉高碳錳鐵時(shí)，其綜合經(jīng)濟(jì)效益可觀。

(3)采用炭-陶復(fù)合控溫爐襯,據(jù)報(bào)導(dǎo)爐襯壽命可達(dá)5年以上(國(guó)外報(bào)導(dǎo)達(dá)10年以上);為達(dá)此目標(biāo)，必須減少設(shè)備熱停爐時(shí)間，避免急冷急熱的現(xiàn)象發(fā)生。

(4)全密閉礦熱爐炭-陶復(fù)合控溫爐襯冶煉高碳錳鐵時(shí)，應(yīng)根據(jù)所需渣中含Mn量來(lái)控制終渣堿度，并建議足碳操作。

(5)釆用全密閉礦熱爐炭-陶復(fù)合控溫爐襯冶煉高碳錳鐵時(shí)，減少塌料噴火的關(guān)鍵是干料入爐。采取措施有:①增加熟料比，條件成熟時(shí)進(jìn)行熱料入爐;②合理控制電極工作端長(zhǎng)度及電極插入料面深度，改變爐膛深度比改變電極插入深度對(duì)爐況的影響更大。實(shí)踐表明,爐膛深度增加600mm左右時(shí)，基本可以杜絕塌料噴火現(xiàn)象發(fā)生。