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1、7 2宝钢技术2 0 0 8 年第1 期直流电弧炉炉底阳极用耐火材料严永亮(宝钢分公司炼钢厂，上海2 0 0 9 4 1)摘要：介绍了直流电弧炉目前流行的导电炉底型、多支接触钢钎型、钢片散热型和水冷钢棒型4 种类型的炉底阳极用耐火材料的设计理念和应用情况，并着重剖析了水冷钢棒型炉底阳极用耐火材料的组成结构、理化性能和应用特点，同时还介绍了宝钢1 5 0t 超高功率直流电弧炉水冷钢棒型炉底阳极耐火材料的使用状况，指出存在的缺陷并提出改进的方向：改善炉底阳极套筒砖的高温强度和热震稳定性将是提高炉底阳极套筒砖寿命的关键，改善镁钙质干式炉底捣打料的高温收缩和高温耐蚀性将是提高炉底捣打料寿命的关键。关键
2、词：炉底阳极；耐火材料；电炉中图分类号：T F 4 8 4 1 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 8 0 7 1 6(2 0 0 8)0 1 0 0 7 2 0 5R e f r a c t o r yf o rD C E A FB o t t o mA n o d eE l e c t r o d e sY a nY o n g l i a n g(S t e e l m a k i n gP l a n t，B a o s t e e lB r a n c h，S h a n g h a i2 0 0 9 4 1，C h i n a)A b s t r a c t：T h ed e s
3、 i g ni d e aa n da p p l i e a t i o n so ff o u rt y p e so fr e f r a c t o r yf o rb o t t o ma n o d ee l e c t r o d e si n c l u d i n gc o n-d u e t i n gb o t t o me l e c t r o d e s，t h i n-p o l eb o t t o me l e c t r o d e s，s t e e l-s h e e tb o t t o me l e c t r o d e sa n dw a t e
4、 r-c o o l i n gb i l l e tb o t t o me l e c t r o d e sa r ei n t r o d u c e d T h es t r u c t u r e，p h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c ea n da p p l i e a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er e f r a c t o r yf o rw a t e r-c o o l i n gb i H e tb o t t o me l e c t
5、 r o d e sa r es t r e s s e d m e a n w h i l et h eu s eo fr e f r a c t o r yf o rt h ew a t e r-c o o l i n gb i l l e tb o t t o me l e c t r o d ef o rB a o s t e e l S1 5 0tD CE A Fi si n t r o d u c e d F i n a l l y，e x i s t i n gd e f e c t sa n di m p r o v e m e n td i r e c-t i o no ft
6、 h er e f r a c t o r ya 弛d i s c u s s e d I tw i l lb et h ek e yi ne x t e n d i n gl i f eo fs l e e v er e f r a c t o r yf o rb o t t o ma n o d ee l e c t r o d e st oi m p r o v ei t sh i g ht e m p e r a t u r es t r e n g t ha n dt h e r m a ls h o c ks t a b i l i t y I tw i l lb et h ek
7、e yi ne x t e n d i n gt h eb o t t o mr a m-m i n gm a t e r i a l s l i f et oi m p r o v et h e i rc o n t r a c t i b i l i t ya n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ea th i s ht e m p e r a t u r e K e yw o r d s：b o t t o ma n o d ee l e c t r o d e；r e f r a c t o r y；e l e c t r i ca r cf u
8、 r n a c e(E A F)0 前言2 0 世纪8 0 年代以来，西方发达国家出于环保理念、废钢资源丰富、廉价电能、建设投资省、回收周期短等因素的考虑，电炉短流程炼钢生产技术得到迅速的发展。目前，电炉炼钢产量已占世界钢铁总产量的3 4，个别发达国家电炉钢产量比重达到5 4，电炉炼钢预计将作为主要的炼钢方式逐步取代转炉。电炉生产技术普遍采用了复合吹炼、氧枪助熔、氧油烧嘴、竖式电炉、双炉座双电极电炉、水冷炉壁、水冷炉盖、底吹氩搅拌、废钢预热、泡沫渣埋弧操作、密闭罩除尘隔音以及偏心炉底出钢等一系列新技术、新工艺和新设备。9 0 年代以来，直流电弧炉得到了迅速的发展。严永亮高工1 9 6 8 年
9、生1 9 9 0 年毕业于浙江大学现从事耐火材料研究工作电话2 6 6 4 9 9 2 7E-m a i ly a n y l b a o s t e e l s i n a c 哪I直流电弧炉炉底阳极耐火材料的设计和应用直流电弧炉关键装置是炉底阳极系统。由于它是阳极，既要具有良好的导电性能，又要求与炉壳绝缘，并保证绝对安全，以确保电炉长期稳定地运行。目前，全球直流电弧炉底阳极结构基本上有以下4 种类型。1 1 导电炉底型导电炉底型电炉其球形炉底是独立的可拆卸结构，外壳由耐热钢板辊压制成型，钢板内侧由圆形的扇型紫铜板制成，铜板用螺栓固定在球形炉底钢板上，每块铜板都焊有导电座，并通过炉底开出的孔
10、洞伸出炉底，导电座通过螺栓与铺设在炉子下半部的阳极铜排连接。炉底进行强制风冷，导电炉底钢板上直接砌筑导电的镁碳砖。这种炉底阳极系统的特点是电流密度低。炉底耐材熔损均匀，修补方便，良好的操作和维护可以达到很高的炉底寿命。但由于镁碳质耐火材料导体电阻率较大，过高的功率、电流强度将使镁碳 万方数据万方数据严永亮直流电弧炉炉底阳极用耐火材料7 3质耐火材料熔损迅速加快，炉底寿命受到变压器功率和电流强度的制约。另外，炉底镁碳砖砌筑接触不良、使用时间长、炉底留渣等均严莺影响启动性能。导电炉底型电炉还存在炉底耐材修补量大的不足。广州钢铁有限公司6 0t 电炉和浦钢1 0 0t 电炉底阳极系统属于此类。1 2
11、 多支接触钢钎型多支接触钢钎型电炉炉底阳极由触针、集电板、导风箱等部件组成。炉底阳极由8 0 2 0 0 根圆形钢钎组成，钢钎末端加工成螺纹以便固定在炉底集电板上，同时与阳极短网导体连接成炉子的阳极。钢钎下端与集电板的连接处进行强制风冷。电流由接电板流入，经集电板进人触针式炉底阳极之后，流人钢液熔池。炉底由M g O 混合料捣固成型。当炉底阳极烧损到一定程度时，要更换炉底阳极。钢液出完后，将带有吊耳的钢板投放到炉底上，冷却后立即清理炉底。这种炉底阳极系统的特点是安全可靠，电流分散，炉底熔损均匀，已有1 3 0t 大型电炉投产。但风冷结构较复杂，砌筑和修补都比较困难，质量也不高，冷却强度低，触钎
12、又较粗，所以触钎熔损较快，炉底寿命不高。宝钢特殊钢分公司1 0 0t电炉炉底阳极系统属于此类。1 3 钢片散热型钢片散热式炉底阳极是由多触针式炉底阳极的变种，由多块排列成扇形的碳钢薄板直立于炉底镁质干式整体耐火材料中，由碳钢薄板组成4块扇形体等距离配置在炉子底部，各扇形体分别与电流短网导体相连接。这种炉底阳极的优点之一是阳极短网导体的进线端分别位于炉壳底部的四周，这一位置的功率输出点与电弧的距离非常近。同时，炉底阳极各扇形体导体的电流大小可单独控制，有利于控制弧偏吹。优点之二是通过合理地选择炉底阳极钢板的厚度和表面积之比，可节省炉底阳极的冷却系统。炉底阳极系统不需空冷，安全可靠，电流分散，环状
13、钢片很薄，炉底熔损较小，环状钢片结构还能起到缓冲炉底捣打料热应力，减少炉底捣打料开裂的作用，中途不用修补，耐材消耗低。不足之处是砌筑麻烦。1 9 9 8 年已有19 7 0 炉的使用实绩。杭钢9 0t 电炉改造后炉底阳极系统属于此类。1 4 水冷钢棒型水冷钢棒型电炉由法国C L E C I M 公司发明，该装置用1 4 根粗钢棒或钢铜复合棒作导体，外套特殊的镁碳砖套筒砖或高品位镁铝质浇注料预制件，下端水冷，炉底阳极部分可整体更换。这种炉底阳极系统的特点是电流集中、强度大，变压器功率大，产能高，1 9 9 9 年已创下了单炉座操作日产4 0 炉，双炉座操作E l 产4 8 炉的世界记录。水冷钢棒
14、型炉底阳极还具有中途可以热态修补接长，寿命较高的特点。目前原版法国C L E C I M 水冷钢棒型炉底阳极的最高寿命为20 0 0 炉。意大利D A N I E L I 公司对炉底阳极水冷系统进行了创造性的改进，把炉底阳极水冷系统从炉外移到了炉内，水冷效果成倍提高，炉底阳极寿命成倍提高，见图1。改进型炉内水冷钢棒型炉底阳极1 9 9 9 年已创下了52 5 1 炉的高寿命，目前已有70 0 0 炉的世界纪录。图1炉外和炉内水冷钢棒型炉底阳极结构对比F i g 1S t r u c t u r ec o m p a r i s o no fw a t e r-c o o l i n gb i
15、l l e tb o t t o ma n o d ei n s i d ea n do u t s i d et h e 缸m a c e这种炉底阳极系统的水冷系统的安全措施是炉底安全的绝对保证，水冷效果是炉底寿命长的关键，若水冷效果不佳，过高的电流密度和出钢温度制约着炉底阳极寿命。尤其是炉内水冷型炉底阳极，水冷必须绝对安全可靠。宝钢1 5 0t 电炉、江阴兴澄1 0 0t 电炉和杭钢9 0t 电炉改造前炉底阳极系统均属于炉外水冷钢棒型炉底阳极。2 水冷钢棒型炉底阳极耐火材料的特点水冷钢棒型炉底阳极耐火材料的典型设计由 万方数据万方数据7 4宝钢技术2 0 0 8 年第1 期炉底阳极套筒砖、
16、炉底捣打料、小炉底捣打料和炉底阳极根部捣打料4 部分组成。2 1 炉底阳极套简砖炉底阳极套筒砖是直接套在炉底阳极钢棒外的关键耐火材料，由于电炉冶炼过程中炉底阳极钢棒绝大部分熔化处于液相状态，只有末端由于强制水冷保持固态。因此，炉底阳极套筒砖其实是炉底阳极液相钢棒的容器。正常情况下，炉底阳极钢棒液相线处于炉底阳极套筒砖底部以上2 0 0m m，随着炉底阳极套筒砖上端的熔损和套筒砖孔径扩大，炉底阳极钢棒液相线逐渐下移，下移到一定位置，炉底阳极钢棒下端检测热电偶发出温度报警，此时，炉底阳极的寿命结束。炉底阳极套筒砖的材质有两种，一种是高碳烧成镁碳砖，其典型的理化性能见表1，另一种是镁铝尖晶石质浇注料
17、预制件，其典型的理化性能见表2。高碳烧成镁碳砖制作炉底阳极套筒砖，其优表1 镁碳质套筒砖理化性能T a b l e1P h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fM g o-Cs l e e v eM g O A 1 2 0 3 F e 2 0 3 C a O S i 0 2 N a 2 0 P 2 0 5 体积密度显气孔率3 0 0。C 干后耐l5 0 0。C 烧后耐竺丝丝丝丝丝丝l g：!竺：2丝堡堡壅堕坠堡塑塑竺垦7 32 20 11 20 51 02 02 8 0 1 78 04 0点是热震稳定性良好，而热震稳定性
18、是炉底阳极套筒砖最重要的性能，其缺点有两个方面，一是随着碳不断向钢水中溶解，后期耐蚀性不高，寿命受到较大限制；二是随着碳不断往外渗透，会危及炉底阳极水冷铜套的绝缘层，造成绝缘层的不断碳化，有短路和漏电的隐患，炉底阳极安全性不高。镁铝尖晶石质浇注料预制件制作炉底阳极套筒砖，其优点是热震稳定性良好，且不含碳，安全性高，其缺点是高温强度不高，耐蚀性受到限制。2 2 炉底捣打料炉底捣打料是直流电弧炉重要的耐火材料，炉底阳极套筒砖埋于炉底捣打料之中，炉底捣打料的熔损时刻影响着炉底阳极套筒砖的熔损。典型的炉底捣打料的理化性能见表3。表3 镁钙质捣打料理化性能T a b l e3P h y s i c a
19、la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo fM g o-C a Or a m m i n gm a t e r i a l炉底捣打料的特点是低温、中温下无结合剂，呈松散状态，施工灵活方便。高温下迅速烧结，陶瓷结合。烧结层较薄，一般只有1 0 0 1 5 0m m，易于清理和修补。烧结性良好，使用过程中烧结致密化，具有良好的烧结强度。2 3 小炉底捣打料小炉底捣打料位于炉底中心位置，在炉底捣打料下面，紧紧包裹着炉底阳极套筒砖，是炉底的最后一道屏障。其理化性能与炉底捣打料类似。为了取得较高的施工密度，使用气动捣打锤捣打施工，因此小炉底捣打料外加了一种有
20、机结合剂，使其在常温下具有一定的强度，也便于小炉底整体拆卸安装和离线施工。另外，在颗粒级配上也达到了最佳化，以取得最佳的堆积密度。小炉底捣打料高温下迅速烧结，陶瓷结合。烧结层较薄，一般只有1 0 0 1 5 0m m，易于清理和修补。烧结性良好，使用过程中烧结致密化，具有良好的烧结强度。2 4 炉底阳极根部捣打料炉底阳极根部捣打料位于炉底阳极下套筒砖的周围，紧紧包裹着炉底阳极下套筒砖。设计炉底阳极根部捣打料的目的有如下两个方面：(1)炉役后期，炉底阳极下套砖容易开裂，设 万方数据万方数据严永亮直流电弧炉炉底阳极用耐火材料7 5计炉底阳极根部捣打料的目的之一在于底电极下套砖开裂后阻止钢水进一步渗
21、透。(2)炉役后期，炉底阳极下套砖渗钢较多，热导性较好，也有一定的电导性，设计底电极根部捣打料的目的之二在于绝热和绝缘。典型炉底阳极根部捣打料的理化性能见表4。表4 炉底阳极根部捣打料理化性能T a b l e4P h y s i c a la n dc h e m i c a lp e r f o r m a n c eo ft h el o w e rp o s i t i o nr a m m i n gm a t e r i a la tt h eb o t t o me l e c t r o d e炉底阳极根部捣打料的特点一是颗粒级配众多，堆积密度最佳化，以保证有效地阻止钢水进一步
22、渗透；二是高品位原料，无结合剂，低温、中温下不烧结，即使高温下也只是轻微烧结，以保证有效的绝热和绝缘。3 水冷钢棒型炉底阳极耐火材料的使用状况3 1宝钢1 5 0t 直流电弧炉水冷钢棒型炉底阳极的使用现状宝钢1 5 0t 超高功率直流电弧炉从法国C L E C I M 公司引进，于1 9 9 7 年6 月1 5 日开始热负荷试车，设计年产量为1 0 0 万t 钢水。变压器功率为9 9M V A，最大二次电压为6 7 0V，最大电流强度为1 0 5k A，石墨电极为7 1 1n l l n，冶炼钢种主要为油井管钢、高压锅炉管钢。电炉容量1 9 0t，留钢4 0t 操作，采用双炉座交替冶炼，出钢温
23、度为16 0 0 16 5 0。目前平均出钢到出钢时间为蠡毒豫5 2m i n，日产量为2 5 炉，年产量为1 2 0 万t 钢水。炉底阳极系统采用3 根直径2 5 0r a i n 钢棒外套上中下三节套筒砖，材质为镁铝质浇注料预制件，经4 0 0 5 0 0 烘烤。套筒砖内径2 5 2m m，上套砖和中套砖外径5 0 0i n I n，下套砖外径3 5 0I T l n l，总高度14 1 0r a i n，其中上套砖高7 0 0m m，中套砖高3 7 0n l l n，下套砖高3 4 0m m。炉底阳极套筒砖采用齿形设计，防止套筒砖上浮，与炉底耐材紧密结合，炉底阳极套筒砖与钢棒之间间隙不填
24、料。炉底阳极套筒砖采用高纯镁砂和尖晶石为原料，其理化性能见表2。炉底阳极套筒砖外围铺设镁钙质干式捣打料，以优质镁砂和镁钙铁砂为主原料，其理化性能见表3。图2 是宝钢电炉投产以来炉底阳极耐材寿命统计。目前最高寿命达到23 6 8 炉，在全球C L E C I M型炉外水冷钢棒炉底阳极寿命中，与西班牙b i l b a o 钢厂同属最高。硒l 墅2 型82 0 1 l2 1 0 02 0 _一I 竺71 4 1 5 21 3 1ol 兰曼ll：6z1 坚31 磐1 2 0 0l：1一_2 4 5l 船B1九几几1 5 9 0l 啪1 臀婴1 降盟71 5 9 l 争婚3 1 7l 拥I I 帅l
25、型l4 811l丽l 7一7 删4 5 3几1I 图2宝钢1 5 0t 电炉炉底阳极寿命F i g 2S e r v i c el i f eo ft h eb o t t o ma n o d ee l e e t r o d ef o rb a o s t e e l1 5 0tE A F3 2 国内外钢厂直流电弧炉水冷钢棒型炉底阳极的使用概况国内外钢厂直流电弧炉水冷钢棒型炉底阳极耐材大多采用镁铝尖晶石质浇注料预制件制作炉底阳极套筒砖，出于安全性考虑，基本以炉外水冷型为主。表5 是国内外钢厂直流电弧炉C L E C I M炉外水冷钢棒型炉底阳极耐材使用寿命概况。4 存在的缺陷和改进展望4
26、1 炉底阳极套筒砖镁铝尖晶石质浇注料预制件制作炉底阳极套筒砖，其损毁形式主要为高温熔损和冲刷。其缺陷有两个方面：一是高温强度不够，难以长时间抵抗超高功率直流电弧炉通电产生的强大电磁搅拌即高温冲刷侵蚀；-是长时间使用，热震稳定性不 万方数据万方数据7 6宝钢技术2 0 0 8 年第1 期表5国内外钢厂直流电弧炉炉外水冷钢棒型炉底阳极使用寿命T a b l e5S e r v i c el i f eo fw a t e r c o o l i n gb i l l e tb o t t o me l e c t r o d e si nt h ew o r l d够，难免产生开裂。因此，要取得较
27、高的寿命，关键之一是其上端热面部分必须进行定期修补，其下端冷面部分必须保持良好的水冷，关键之二是保证炉底阳极根部捣打料具备良好的抗钢水渗透能力。改善炉底阳极套筒砖的高温强度和热震稳定性将是提高炉底阳极套筒砖寿命的关键。本人认为，在镁铝尖晶石原料中加入部分高品位S i C，对改善炉底阳极套筒砖的高温冲刷性能和热震稳定性大有益处。4 2 炉底捣打料在直流电弧炉的炉底，由于通电造成的电磁搅拌和氧枪的吹炼对炉底耐材的冲刷是相当严重的，尤其在超高功率的直流电弧炉中。镁钙质干式炉底捣打料损毁形式主要为间隙式侵蚀剥落，其缺陷有两个方面：一是高温收缩较铲埘务移喇队驴匈令专利信息易q 矽、彩妒-驴心松装比重测定
28、仪专利号：Z L 0 2 2 6 5 1 5 4 3专利权人：宝山钢铁股份有限公司共同专利人：上海机电工业技术监督所设计人：王仲庆汪锡林钱敏于伟松装比重测定仪，包括上层料斗、设置于上层料斗下方的去重力装置、设置于去重力装置下方量杯、支承架，固定上述各部件于其上；去重力装置为一两端开口的壳体，壳体内腔中固设有至少四块滑板，该四块滑板沿壳体内腔轴向自上而下两两相交错设置，形成一滑道，滑板与壳体轴向中心线成一夹角；上层料斗中设有筛网；上层料斗下接设一中间料斗，并通过支架固定于支承架；去重力装置壳体下端接设一下层料斗，并通过支架固定于支承架；去重力装置的壳体为两面为石英玻大，使用中容易产生开裂；二是由
29、于烧结性能好，导致高温耐蚀性能欠佳。改善镁钙质干式炉底捣打料的高温收缩和高温耐蚀性将是提高炉底捣打料寿命的关键。本人认为，在目前陶瓷结合的基础上加入少量有机结合剂，使烧结层变厚，对提高炉底捣打料寿命有良好效果。4 3 操作和维护直流电弧炉良好的操作和维护对炉底阳极耐材寿命的影响巨大，宝钢1 5 0t 超高功率直流电弧炉经过1 0 年的探索和实践，已经有一套完整的操作和维护经验和技术诀窍，对炉底阳极耐材达到20 0 0 炉寿命起了相当重要的作用。(收稿日期：2 0 0 7 0 4 1 6)(改稿日期：2 0 0 7 1 1-0 1)璃，两面为不锈钢板。可消除粉状材料下落的重力加速度，使粉状材料松装密度(g m 3)参数的测定更加精确。塑制充气棒专利号：z L 0 1 2 5 4 2 1 9 9专利权人：倪海峰设计人：倪海峰一种塑制充气棒，包括充气棒外膜，该充气棒外膜周围封结，其一端为通气端；在该通气端于所述充气棒腔体内固定一喇叭状密封管，该密封管大口一端边缘与该通气端边缘密封连接；所述密封管与充气棒外膜以两条融结密封线固定，该融结密封线近中间位置断开，形成一通气孔。所述密封管与所述充气棒外膜一体成形。本实用新型的塑制充气棒结构简单，充放气方便，质量轻，易携带，充气后相互撞击可以发出清脆的响声。(宝钢股份有限公司知识资产部供稿)万方数据万方数据