01.爐襯的損毀機(jī)理

礦熱爐爐襯一般由三部分組成:外層、中間層和內(nèi)層。外層的作用是保溫隔熱，很少損毀，稱為永久層;中間層起防止漏爐的作用，相對安全，又稱安全層;內(nèi)層又稱工作層，處于該層的耐火材料工作條件最為惡劣，是爐襯最脆弱的部位，因此爐襯毀損主要是工作層耐火材料的損毀，原因包括物理、化學(xué)、機(jī)械等多方面因素，具體如下:

(1)熔蝕作用:當(dāng)工作層耐火材料的工作溫度超過其耐火度時，就會發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。鎂質(zhì)爐襯的荷重軟化溫度為1550℃左右，在靠近電弧區(qū)的爐墻和自焙電極下方的爐底等溫度較高的部位，最易發(fā)生熔蝕現(xiàn)象。

(2)化學(xué)侵蝕:工作層耐火材料可能與爐渣、熔融金屬以及反應(yīng)氣氛等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不同鐵合金冶煉過程中爐內(nèi)環(huán)境不同，發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)也不盡相同。礦熱爐最常用的碳質(zhì)爐襯在400℃以上即會發(fā)生氧化反應(yīng)，甚至還會發(fā)生“逆氧化現(xiàn)象”，使其內(nèi)部空化、材料毀損。冶煉過程中的缺碳操作還會使碳質(zhì)材料作為還原劑被消耗。鎂質(zhì)爐襯的使用溫度常高于其荷重軟化溫度，處于軟熔狀態(tài)時會加速爐渣和熔融合金對它的化學(xué)侵蝕。

(3)機(jī)械沖蝕:工作層耐火材料會受到冶金原料倒入沖擊、金屬熔體和爐渣沖刷等機(jī)械作用。工作溫度較高區(qū)域的耐火材料強(qiáng)度會出現(xiàn)不同程度的降低甚至軟化，在受到機(jī)械作用時更易毀損。

02.耐火內(nèi)襯損壞的形式

爐襯中最關(guān)鍵的是工作層，選材最為重要。針對不同鐵合金生產(chǎn)用爐襯耐火材料的選擇，通常情況下，金屬硅、硅鐵、電石和硅鉻合金的冶煉溫度較高，工作層需采用碳質(zhì)爐襯;高碳錳鐵和錳硅合金生成的爐渣呈酸性，也多采用碳質(zhì)爐襯;而低碳錳鐵和中低碳鉻鐵的爐渣呈堿性，故一般采用鎂質(zhì)爐襯。

同一礦熱爐內(nèi)，不同高度爐墻和爐底所處的工作環(huán)境存在較大差異，其損毀機(jī)理和毀損速度不同，因此需要選用具有不同物化性能的耐火材料。通常爐墻靠近渣線處、爐底電極下方損毀較快，尤其出鐵口是爐襯結(jié)構(gòu)中最脆弱的部位，這些位置的選材最為關(guān)鍵。

礦熱爐爐襯的正常使用壽命可達(dá)10年甚至更久。然而出鐵口爐眼磚往往不到一年就過早失效。現(xiàn)在的研究表明，礦熱爐的短期損壞主要是出鐵口的局部損毀所導(dǎo)致。礦熱爐在向外排渣和金屬熔體時，會對出鐵口處的耐火材料產(chǎn)生機(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和反復(fù)熱震，使其成為爐襯中最容易損壞的地方。傳統(tǒng)硅鐵、工業(yè)硅和錳硅等鐵合金的出鐵口多采用碳質(zhì)爐眼磚，近年來的研究表明，碳化硅和碳化硅結(jié)合氮化硅材料具有更優(yōu)的高溫力學(xué)性能、熱物理性能以及化學(xué)穩(wěn)定性，采用此類陶瓷替代炭磚用于出鐵口已經(jīng)表現(xiàn)出了優(yōu)異的使用效果。

03.爐襯結(jié)構(gòu)類型

1、保溫型爐襯

我國礦熱爐使用的傳統(tǒng)爐襯結(jié)構(gòu)為保溫型爐襯，如圖1所示。該爐襯結(jié)構(gòu)在多種鐵合金長期冶煉過程中均獲得了良好的使用效果，其原理是通過提高耐火材料質(zhì)量和增加耐火材料厚度來達(dá)到長期隔熱保溫的效果。保溫型爐襯工作層多數(shù)采用炭磚或鎂磚砌筑而成，在鐵合金冶煉過程中，爐底燒穿是最常出現(xiàn)的生產(chǎn)事故。通過對礦熱爐的解剖發(fā)現(xiàn):爐底燒穿是因為爐渣、金屬熔體和反應(yīng)氣體滲入炭磚或鎂磚間的砌縫，從而加劇爐襯的損壞速度。

圖1保溫型爐襯結(jié)構(gòu)

為了解決耐火磚間的砌縫問題，Elkem公司提出了整體內(nèi)襯的爐襯結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它的工作層采用不定形耐火材料(冷搗糊)整體搗打成型，然后通過烘爐將其燒結(jié)成一個整體。

2、冷凝型爐襯

隨著礦熱爐爐型越來越大，冶煉溫度越來越高，爐襯耐火材料的工作條件也愈加苛刻，甚至達(dá)到耐火材料的理化性能極限，單純的增加爐襯厚度和提高耐材質(zhì)量已無法適應(yīng)現(xiàn)代冶煉的需求。這種設(shè)計可使?fàn)t渣在爐襯內(nèi)壁形成一層凝固殼，因此具有“自保護(hù)”的功能。與保溫型爐襯相比，冷凝爐襯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其呈現(xiàn)以下優(yōu)勢:①降低了對耐火材料性能的要求，爐襯壽命大幅延長，從而減少砌爐和停爐檢修造成的經(jīng)濟(jì)損失，并顯著減少出鐵口的維護(hù);②爐渣形成的凝固殼導(dǎo)熱系數(shù)較小，可以有效減少熱傳導(dǎo)引起的能量損失，降低單位電耗;③冷凝爐襯的薄爐襯使礦熱爐工作區(qū)體積增大，可以提高冶煉產(chǎn)量;④冷凝爐襯筑爐時通常配有熱電偶，可以實時監(jiān)測爐襯侵燭情況，保障生產(chǎn)安全。

目前冷凝型爐襯主要運(yùn)用在錳硅、鉻鐵、鎳鐵、錳鐵等合金冶煉礦熱爐中。國內(nèi)可以提供冷凝型爐襯的技術(shù)廠家主要有河南魯山方圓集團(tuán)，該公司在2010年將廣西東方資源有限公司的保溫型爐襯改造成水冷式冷凝爐襯，使用壽命得以大幅提升。

3、 控溫爐襯

針對目前爐襯整體損壞多為高溫鐵水侵蝕爐底造成的情況，魯山天諾爐襯材料有限公司設(shè)計了一種控溫爐襯?？販貭t襯的主要創(chuàng)新是爐底風(fēng)冷系統(tǒng)，它有利于爐底內(nèi)襯熱量的快速導(dǎo)出，在爐底形成“留鐵層”以保護(hù)爐底。

04.結(jié)論

冷凝型爐襯結(jié)構(gòu)成功的關(guān)鍵是形成低導(dǎo)熱的爐渣自保護(hù)層，因此不適用于無渣法冶煉的鐵合金生產(chǎn)。保溫爐襯和冷凝爐襯兩種結(jié)構(gòu)基本實現(xiàn)了所有鐵合金產(chǎn)品的冶煉需求。根據(jù)實際的生產(chǎn)情況，設(shè)計更合理的爐襯結(jié)構(gòu)，并結(jié)合新型優(yōu)質(zhì)耐火材料，為未來礦熱爐提供更加合理的爐襯結(jié)構(gòu)。