電爐爐襯的結(jié)構(gòu)
電爐由爐蓋(頂爐壁(爐墻)和爐底構(gòu)成爐體。爐體外殼為鋼板。內(nèi)襯由耐火材料構(gòu)成，分爐底、爐坡、熔池和爐壁。爐壁一方是爐門，另一方是出鋼口與出鋼槽相通。爐蓋可移動(dòng)，外環(huán)為鋼制，多為水冷式，頂部除水冷圈以外，均由耐火材料構(gòu)成。電爐結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
電爐煉鉬以電能作為主要熱源，使用三相交流電或直流電。爐料和電極間直接產(chǎn)生電弧，利用電弧高溫熔化爐料，然后加入氧化劑、造渣劑、鐵合金等以去除夾雜。將鋼水化學(xué)成分和溫度調(diào)整至規(guī)定值后注入鋼包。
為降低電耗提高產(chǎn)量，電爐還采用重油或吹氧加速熔煉。由于爐內(nèi)溫度高、氣氛變化大、冶煉周期短、爐料一般為冷態(tài)，因此，電爐爐襯經(jīng)常處于髙溫、熔渣侵蝕和急冷急熱狀態(tài)。
電爐爐襯壽命較低的部位是爐壁，因工作條件苛刻在高溫下熔渣高功率電爐、爐襯表面熱負(fù)荷要達(dá)到1000W/m2，承受溫度髙達(dá)6000℃的電極弧光的熱輻射，熱點(diǎn)鋼水溫度高達(dá)2000℃。為此，普遍采用泡沫渣來(lái)緩解弧光對(duì)爐壁的輻射，同時(shí)調(diào)節(jié)三相電極的輸入功率不平衡度，控制二次電壓來(lái)改善和提高超髙功率電爐爐襯壽命。
隨著電爐的大型化、超高功率化、智能化發(fā)展，對(duì)耐火材料提出更高的要求。UHP電爐體耐火材料內(nèi)襯如圖2-2所示。耐火材料的蝕損速率與爐子大小、功率高低等直接相關(guān).20世紀(jì)70年代初期，電爐用耐火材料是以改善材質(zhì)、形狀和砌筑方法來(lái)降低消耗。70年代后期，隨著電爐冶煉技術(shù)發(fā)展，爐蓋、爐壁開(kāi)始采用水冷并很快普及，此后，為生產(chǎn)特殊鋼開(kāi)發(fā)了爐外精煉裝置(LF)，同時(shí)，出鋼方式由槽式改為EBT式,水冷面積增加，耐火材料單位消耗隨之降低。到80年代，爐蓋耐火材料消耗達(dá)到10kg/t以下，90年代其消耗降低到0.5kg/t以下。爐壁耐火材料消耗則為1.0kg/t,電爐總的耐火材料消耗為2.0kg/t,雖然爐蓋和爐壁水冷裝置增多降低了耐火材料綜合消耗量，但對(duì)耐火材料的性能要求越來(lái)越高。
爐蓋用耐火材料
電爐爐蓋是帶有電極孔和排煙孔的球面形結(jié)構(gòu)。外環(huán)部分稱主爐蓋，中間部分稱小爐蓋(又叫三角區(qū)),裝料時(shí)爐蓋可移開(kāi)。電爐蓋簡(jiǎn)圖如圖2-3所示。
1電爐蓋水冷技術(shù)
由于高功率操作使電爐的生產(chǎn)能力增大，但同時(shí)也使?fàn)t蓋耐火材料的熱負(fù)荷顯著增大，以致不可能用改進(jìn)耐火材料來(lái)延長(zhǎng)爐蓋使用壽命。因此發(fā)展并迅速普及水冷技術(shù).
水冷技術(shù)是20世紀(jì)80年代從主爐蓋開(kāi)始的。主爐蓋釆用水冷結(jié)構(gòu)，小爐蓋為砌磚和不定形耐火材料預(yù)制塊，使?fàn)t蓋耐火材料消耗降低了一半，達(dá)到1.5kg/t。
20世紀(jì)80年代中后期，在二次電壓低的小爐蓋也采用了水冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了全水冷爐蓋。現(xiàn)在電爐全水冷爐蓋已普遍采用，只有電極周圍的套磚為耐火材料，電爐蓋的耐火材料消耗已下降到0.1kg/t以下。
水冷爐蓋用鍋爐鋼板焊接而成,整個(gè)爐蓋都通水冷卻。在水冷爐蓋上只有3個(gè)電極孔是以耐火材料或整塊耐火預(yù)制件砌筑，也可用不定形耐火材料，例如用剛玉澆注料進(jìn)行澆注，以防止電極碰撞水冷爐蓋造成打弧而被擊穿。
大爐蓋為箱式型或管式結(jié)構(gòu)，小爐蓋一般為內(nèi)部分割通水型結(jié)構(gòu)。北京冶金設(shè)備研究院設(shè)計(jì)的水冷爐蓋，自1991年用于張家港市永新鋼鐵廠70tUHP電爐以來(lái)，運(yùn)行良好，噸鋼成本下降明顯。該裝置由水冷爐蓋和水冷爐壁兩部分組成。水冷爐蓋為徑向管式結(jié)構(gòu)，由強(qiáng)制對(duì)流冷卻水冷卻。爐蓋中心部分為耐火磚砌筑的3個(gè)電極孔，中心小爐蓋使用壽命300次左右。在爐蓋內(nèi)壁及上表而有耐火材料覆蓋層，層內(nèi)預(yù)埋有防止耐火材料脫落的加強(qiáng)筋。目前，長(zhǎng)城特殊鋼公司的30tUHP電爐和福建中鋼公司的50tUHP電爐已使用這種國(guó)產(chǎn)水冷爐蓋，獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，
90年代開(kāi)發(fā)了整體型噴淋式水冷方法。原來(lái)的箱型結(jié)構(gòu)，加壓通水時(shí)有時(shí)發(fā)生漏水情況,漏水量多了就難以繼續(xù)使用。噴淋水冷是在小水量下形成湍流，傳熱系數(shù)大大增加，且用常壓通水，漏水量少可安全使用。噴淋水冷條件適用于超高功率電爐蓋、爐壁、排煙彎管等處。噴淋冷卻爐蓋具有良好的掛渣性能。美國(guó)Plymenth廠和德國(guó)Badishe廠的噴淋冷卻爐蓋壽命超過(guò)1000爐，日本大同制鋼公司扣多廠最高壽命可達(dá)9000爐。噴淋冷卻和常規(guī)冷卻的比較(爐蓋、爐壁和排煙彎管)見(jiàn)表2-1。噴淋冷卻爐蓋三角區(qū)耐火材料壽命提高約一倍。
據(jù)美國(guó)Vcar公司統(tǒng)計(jì)。采用噴淋冷卻系統(tǒng)的效果如下：
(1)由于節(jié)約耐火材料和減少熱停工時(shí)間及維修時(shí)間，噸鋼經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)35美元;
(2)噴淋水冷傳熱系數(shù)高，用水量減少50%;
(3)由于用常壓水，安全性大為提高;
(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量減輕。
2電爐蓋用耐火材料
1爐蓋耐火材料的工作條件
電爐爐蓋內(nèi)襯是整個(gè)爐體的薄弱環(huán)節(jié)，爐蓋用耐火材料的部位如圖2-4所示。
爐蓋耐火材料受操作因素和結(jié)構(gòu)因素影響。操作因素包括作業(yè)率、最大功率消耗、用氧體積比、脫氧爐數(shù)比和復(fù)渣爐數(shù)比等。結(jié)構(gòu)因素主要是爐子大小，爐蓋厚度和熔池-爐蓋間的距離等。歸納起來(lái)影響爐蓋壽命的因素有：
(1)熱震。電弧加熱、出鋼和爐蓋移動(dòng)造成的溫度急變;
(2)化學(xué)侵蝕。熔渣鋼水飛濺至磚面，引起化學(xué)侵蝕，以及爐內(nèi)CO、CO2和SO2等的作用;
(3)弧光輻射。電弧加熱產(chǎn)生的熱輻射引起的熔損;
(4)爐內(nèi)高速抽塵形成的高速氣流的磨損;
(5)拱頂結(jié)構(gòu)在自重作用下，因磚縫先行損壞造成的結(jié)構(gòu)松動(dòng)等
這幾種因素的綜合作用，對(duì)爐蓋壽命產(chǎn)生了重大影響。弧光輻射造成的超高溫加劇了化學(xué)侵蝕;熔渣鋼水的侵蝕，導(dǎo)致耐火材料內(nèi)襯厚度減薄和結(jié)構(gòu)變化，在熱震作用下加速了耐火材料的剝落損毀。
因此,爐蓋用耐火材料要求具備良好的抗熱震性，對(duì)爐渣高溫噴濺的抗侵蝕性，以及整體性好，結(jié)構(gòu)牢固不開(kāi)裂等。
爐蓋用耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)是:磚→預(yù)制塊→整體澆注，各國(guó)具體條件不一，使用材質(zhì)不盡相同。
2磚砌爐蓋
(1)硅磚。20世紀(jì)50年代電爐蓋使用硅磚(Si0293%?95%)砌筑，其真比重低為2.37?2.39,質(zhì)輕價(jià)廉，具有良好的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗蠕變性能。全硅質(zhì)爐蓋磚用于30t電爐，最高壽命約80次，用于100t大型電爐,壽命為25?35次。60年代后期，電爐煉鋼開(kāi)始推廣吹氧技術(shù)，煉鋼操作進(jìn)一步強(qiáng)化，這種酸性硅磚爐蓋不適應(yīng)堿性冶煉，且冶煉溫度已高出硅磚的溫度，髙溫下熔融后的SiO2產(chǎn)生連續(xù)性的熔滴現(xiàn)象，導(dǎo)致?tīng)t渣堿度降低，影響冶煉作業(yè)，因而開(kāi)發(fā)使用了性能更好的高鋁磚。
(2)高鋁磚爐蓋。高鋁磚砌筑電爐爐蓋始于50年代末。當(dāng)時(shí)美國(guó)鋼公司和Armco鋼公司，采用高鋁磚爐蓋(A12O365%?80%)比硅磚爐蓋壽命提高4倍，燒成高鋁磚(A12O380%~85%)和磷酸鹽結(jié)合的不燒髙鋁磚(A12O380%?85%)以及燒成莫來(lái)石磚或不燒磷酸鹽結(jié)合莫來(lái)石磚，它們的共性是抗熱震性優(yōu)良。60年代初爐蓋的壽命已達(dá)200爐左右。
法國(guó)SAULVE鋼廠85tUHP電爐爐蓋采用一般高鋁磚(A12O375%左右)，平均使用壽命150次。130t電爐則為133爐，用至90爐左右需停爐中修一次，每噸鋼耐火材料單耗2.75kg。電極孔磚則在高鋁礬土骨料中加入約使用壽命至254爐以上，耐火材料單耗每噸鋼降至1.0kg以下。
日本電爐蓋普遍采用高鋁磚，在電極孔和排煙孔周圍熔損嚴(yán)重部位使用高純氧化鋁為主要原料的燒成高鋁磚。或部分使用抗侵蝕、耐剝落的不燒磚，該磚加入適量CrO3而具有高強(qiáng)度和耐侵蝕性能。此外，在不采用水冷爐蓋四周使用不燒高鋁磚的居多，耐使用鎂鉻不燒磚的傾向減少。
(3)浸漬爐蓋。20世紀(jì)70年代日本爐蓋磚用浸漬工藝改善高鋁制品性能取得良好效果。采用MgO、Cr2O3、CaO、SiO2等氧化物作浸漬劑浸至制品孔隙中彌補(bǔ)基質(zhì)易被熔蝕的缺陷，以改善制品結(jié)構(gòu)提高其耐用性。使用Cr2O3為浸漬劑可減少低融物對(duì)爐蓋磚的侵入，提高抗蠕變性能。經(jīng)Cr2O3浸漬的剛玉磚的高溫強(qiáng)度提高一倍以上，在高溫下的變形量降低35%。
(4)堿性爐蓋。電爐蓋用鎂質(zhì)磚。為保證爐蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和減少鎂磚變形及剝落，采用鐵皮鎂磚或砌筑時(shí)插入鐵片。由于鐵皮產(chǎn)生感應(yīng)電流(高功率電爐蓋尤甚)，形成局部過(guò)熱改用非磁性鋼做磚殼。另一方面純鎂磚的線膨脹系數(shù)過(guò)大，用量不多。
其他堿性磚如鎂鉻質(zhì)、鉻鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、鎂鋁質(zhì)等相繼使用，有高溫?zé)纱u或不燒磚，或經(jīng)焦油浸漬的白云石磚等。它們具有優(yōu)良的耐火性能和抗氧化鐵與熔渣的侵蝕能力，在苛刻條件下，使用性能優(yōu)于高鋁磚。但因堿性磚體積密度高，爐蓋重(比硅磚重50%，比高鋁磚重30%)，為此，改進(jìn)爐蓋結(jié)構(gòu)的施工方法，采用不同材質(zhì)綜合砌筑以提高電爐蓋的使用效果。
(5)綜合爐蓋。日本鋼管公司在30t電爐蓋曾采用高鋁磚和堿性磚綜合砌筑時(shí)，壽命達(dá)到200~300爐，耐火材料每噸鋼單耗2~3kg。
當(dāng)主爐蓋水冷面達(dá)到70%~80%時(shí)，爐齡達(dá)300爐;另一公司在40t電爐爐蓋的外環(huán)上采用16塊水冷箱板，小爐蓋用化學(xué)結(jié)合鎂鉻磚砌筑，電極孔周圍用高鋁質(zhì)耐火搗打料，其爐齡由190爐提高到600爐左右。
3預(yù)制塊爐蓋
磚砌爐蓋的缺點(diǎn)之一是對(duì)成型磚的尺寸公差要求極嚴(yán)。爐蓋全水冷后在爐蓋中心電極孔周圍采用了預(yù)制塊。采用預(yù)制塊與砌磚相比優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)化了施工，運(yùn)輸方便，施工完畢無(wú)需干燥，只需短時(shí)間預(yù)熱，使用壽命提高。
德國(guó)對(duì)爐蓋用預(yù)制塊進(jìn)行了多方面的改進(jìn)：
(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為獲得好的機(jī)械性能，選擇環(huán)形和三角形預(yù)制塊。將預(yù)制塊的邊角改為圓形，以提高對(duì)膨脹和收縮的適應(yīng)性。預(yù)制塊外形如圖2-5所示。
(2)材質(zhì)選擇：一般爐蓋預(yù)制塊的蝕損，主要因水平裂紋、滲透和致密層的脫落所致，高鋁質(zhì)預(yù)制塊氣孔率較高易于蝕損。采用剛玉質(zhì)預(yù)制塊，其組織致密，氣孔率低，透氣性小，強(qiáng)度髙，抗熱震性良好，可提高使用效果.
(3)砌筑施工：在預(yù)制塊之間的空隙以及側(cè)壁和預(yù)制塊之間的三角區(qū)使用與預(yù)制塊同材質(zhì)的耐火搗打料充填;2)為補(bǔ)償預(yù)制塊之間以及水冷區(qū)之間的膨脹，使用了耐火纖維毯。
預(yù)制爐蓋使用次數(shù)由原傳統(tǒng)磚襯的150爐提高至160爐。電爐蓋用各類材質(zhì)的性能見(jiàn)表2-7。
日本大阪窯業(yè)公司超高功率電爐原用搗打料(A12O3>85%，SiO29%,P2O33.4%)和磚組成的小爐蓋平均使用壽命453爐，改用高強(qiáng)度澆注料(A12O3>85%,CaO0.8%，SiO29%)預(yù)制塊使用壽命逐步由506爐提髙至1029爐。
和歌山鋼廠80tUHP電爐蓋實(shí)現(xiàn)水冷化后整個(gè)爐蓋全用預(yù)制塊制成，三角區(qū)用3塊剛玉-莫來(lái)石預(yù)制塊，電極圈為10塊鎂鋁尖晶石預(yù)制塊。小爐蓋是在預(yù)先制好的胎模上進(jìn)行，先用泥裝鋪砌電極孔，然后從邊緣向中心環(huán)接-環(huán)砌，最后在三角區(qū)和電極孔周圍灌入剛玉質(zhì)澆注料脫模后經(jīng)養(yǎng)護(hù)備用。預(yù)制塊爐蓋壽命已達(dá)600爐，噸鋼耐火材料降至0.4kg。
4整體澆注爐蓋
采用整體澆注爐蓋促進(jìn)了爐蓋壽命的進(jìn)一步提高。英國(guó)舍菲爾德(SMACC)鋼廠130tUHP電爐原為高鋁磚砌爐蓋，平均使用壽命133爐。爐蓋水冷后，電極周圍也實(shí)行水冷，從材質(zhì)上選用含Cr2O33%的高鋁超低水泥澆注料并加不銹鋼纖維，爐蓋在稍有修補(bǔ)的情況下使用了594爐，壽命提高約4倍。
5我國(guó)電爐蓋用耐火材料
50年代初，我國(guó)電爐蓋采用大塊特異形硅質(zhì)組合磚，砌筑方便、嚴(yán)密，整個(gè)爐蓋應(yīng)力分布較均勻。但這種磚成型比較困難，且因硅磚難于適應(yīng)強(qiáng)化冶煉作業(yè)的需要，以后逐漸不再使用。我國(guó)最早研究使用髙鋁質(zhì)電爐蓋磚，由唐鋼耐火廠生產(chǎn)的髙鋁磚在撫鋼15t電爐上使用達(dá)到150?200爐。以后相繼開(kāi)發(fā)出了各種結(jié)合劑(水玻璃、磷酸、磷酸二氫鋁等)制備的不燒髙鋁磚，或在配料中引入硅線石族礦物原料，添加微粉、尖晶石、碳化硅等，近年來(lái)又研制了各類耐火澆注料，以滿足超高功率電爐發(fā)展的需要。
(1)高鋁磚爐蓋。我國(guó)髙鋁礬土資源豐富、品種齊全，為開(kāi)發(fā)高級(jí)高鋁質(zhì)耐火材料提供了有利條件。在50年代中期就開(kāi)發(fā)使用了DK型水鋁石-高嶺石，I級(jí)礬土熟料(Al2O3>80%)為基料的高鋁磚，該磚選用組織結(jié)構(gòu)均勻，雜質(zhì)少，燒結(jié)好(體積密度3.1?3.2g/cm3)的礬土熟料為原料，用可塑性好的粘土作結(jié)合劑，控制熟料細(xì)粉(<0.088mrn>90%)的加入量(40%?50%)，以緩沖坯體在燒成過(guò)程中因二次莫來(lái)石化反應(yīng)所引起的體積膨脹，防止制品結(jié)構(gòu)松散。1987年唐鋼耐火廠生產(chǎn)Al2O3>85%的髙鋁磚,在舞銅75t電爐成功地使用了193爐，耐火材料每噸鋼單耗1.34kg。主晶相為剛玉的燒成高鋁磚，用于超高功率電爐蓋，使用壽命大約150爐，廣州鋼廠40tUHP電爐蓋采用水冷小爐蓋用1等高鋁磚壽命達(dá)300~400爐。燒成高鋁耐火磚理化性能見(jiàn)表2-11。
對(duì)爐蓋使用后殘磚顯微結(jié)構(gòu)的分析，表明該磚的損毀機(jī)理為化學(xué)侵蝕和剝片。噴濺到爐蓋上的爐渣(主要成分為CaO和FeO)和補(bǔ)爐料及爐壁鎂質(zhì)耐火材料的熔解和揮發(fā)的MgO等堿件組分與高鋁磚發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生化學(xué)侵蝕。爐蓋磚受高溫下的化學(xué)侵蝕作用，形成熔渣、滲透層和原磚層的層帶結(jié)構(gòu)，在周期性溫度激變條件下,在滲透層和原磚層之間形成橫向裂紋直到剝片，剝片厚度有時(shí)會(huì)達(dá)到50?100mm;少則也在10?30mm,發(fā)生在爐役初期階段的剝片，有時(shí)更厚、面積亦較大。防止剝落和提高抗侵蝕性是延緩耐火磚損毀的關(guān)鍵。
(2)含“三石”的爐蓋磚。三石”包括硅線石、藍(lán)晶石、紅柱石，屬硅線石族礦物，為同質(zhì)異形體。其理論組成為A12O363.l%、SiO236.9%、化學(xué)分子式為A12O3.SiO2或Al2SiO3。因生成條件和結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)在陽(yáng)離子配位上的差異，使理化性能既有共性又有差別，3種礦物原料均屬高鋁礦物，具有髙鋁礦物的性能，但其獨(dú)特性能又不為普通高鋁原料所具備^。“三石”被加熱至一定溫度不可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石晶體(呈短柱狀、針狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般長(zhǎng)約3微米，最長(zhǎng)可達(dá)20微米)，并析出SiO2，在加熱反應(yīng)過(guò)程中，伴隨莫來(lái)石化引起體積膨脹，其中以藍(lán)晶石膨脹率為大，紅柱石居中。轉(zhuǎn)化溫度與膨脹率見(jiàn)表2-12。
電爐由爐蓋(頂爐壁(爐墻)和爐底構(gòu)成爐體。爐體外殼為鋼板。內(nèi)襯由耐火材料構(gòu)成，分爐底、爐坡、熔池和爐壁。爐壁一方是爐門，另一方是出鋼口與出鋼槽相通。爐蓋可移動(dòng)，外環(huán)為鋼制，多為水冷式，頂部除水冷圈以外，均由耐火材料構(gòu)成。電爐結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。
為降低電耗提高產(chǎn)量，電爐還采用重油或吹氧加速熔煉。由于爐內(nèi)溫度高、氣氛變化大、冶煉周期短、爐料一般為冷態(tài)，因此，電爐爐襯經(jīng)常處于髙溫、熔渣侵蝕和急冷急熱狀態(tài)。
電爐爐襯壽命較低的部位是爐壁，因工作條件苛刻在高溫下熔渣高功率電爐、爐襯表面熱負(fù)荷要達(dá)到1000W/m2，承受溫度髙達(dá)6000℃的電極弧光的熱輻射，熱點(diǎn)鋼水溫度高達(dá)2000℃。為此，普遍采用泡沫渣來(lái)緩解弧光對(duì)爐壁的輻射，同時(shí)調(diào)節(jié)三相電極的輸入功率不平衡度，控制二次電壓來(lái)改善和提高超髙功率電爐爐襯壽命。
爐蓋用耐火材料
電爐爐蓋是帶有電極孔和排煙孔的球面形結(jié)構(gòu)。外環(huán)部分稱主爐蓋，中間部分稱小爐蓋(又叫三角區(qū)),裝料時(shí)爐蓋可移開(kāi)。電爐蓋簡(jiǎn)圖如圖2-3所示。
由于高功率操作使電爐的生產(chǎn)能力增大，但同時(shí)也使?fàn)t蓋耐火材料的熱負(fù)荷顯著增大，以致不可能用改進(jìn)耐火材料來(lái)延長(zhǎng)爐蓋使用壽命。因此發(fā)展并迅速普及水冷技術(shù).
水冷技術(shù)是20世紀(jì)80年代從主爐蓋開(kāi)始的。主爐蓋釆用水冷結(jié)構(gòu)，小爐蓋為砌磚和不定形耐火材料預(yù)制塊，使?fàn)t蓋耐火材料消耗降低了一半，達(dá)到1.5kg/t。
20世紀(jì)80年代中后期，在二次電壓低的小爐蓋也采用了水冷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了全水冷爐蓋。現(xiàn)在電爐全水冷爐蓋已普遍采用，只有電極周圍的套磚為耐火材料，電爐蓋的耐火材料消耗已下降到0.1kg/t以下。
水冷爐蓋用鍋爐鋼板焊接而成,整個(gè)爐蓋都通水冷卻。在水冷爐蓋上只有3個(gè)電極孔是以耐火材料或整塊耐火預(yù)制件砌筑，也可用不定形耐火材料，例如用剛玉澆注料進(jìn)行澆注，以防止電極碰撞水冷爐蓋造成打弧而被擊穿。
大爐蓋為箱式型或管式結(jié)構(gòu)，小爐蓋一般為內(nèi)部分割通水型結(jié)構(gòu)。北京冶金設(shè)備研究院設(shè)計(jì)的水冷爐蓋，自1991年用于張家港市永新鋼鐵廠70tUHP電爐以來(lái)，運(yùn)行良好，噸鋼成本下降明顯。該裝置由水冷爐蓋和水冷爐壁兩部分組成。水冷爐蓋為徑向管式結(jié)構(gòu)，由強(qiáng)制對(duì)流冷卻水冷卻。爐蓋中心部分為耐火磚砌筑的3個(gè)電極孔，中心小爐蓋使用壽命300次左右。在爐蓋內(nèi)壁及上表而有耐火材料覆蓋層，層內(nèi)預(yù)埋有防止耐火材料脫落的加強(qiáng)筋。目前，長(zhǎng)城特殊鋼公司的30tUHP電爐和福建中鋼公司的50tUHP電爐已使用這種國(guó)產(chǎn)水冷爐蓋，獲得好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，
90年代開(kāi)發(fā)了整體型噴淋式水冷方法。原來(lái)的箱型結(jié)構(gòu)，加壓通水時(shí)有時(shí)發(fā)生漏水情況,漏水量多了就難以繼續(xù)使用。噴淋水冷是在小水量下形成湍流，傳熱系數(shù)大大增加，且用常壓通水，漏水量少可安全使用。噴淋水冷條件適用于超高功率電爐蓋、爐壁、排煙彎管等處。噴淋冷卻爐蓋具有良好的掛渣性能。美國(guó)Plymenth廠和德國(guó)Badishe廠的噴淋冷卻爐蓋壽命超過(guò)1000爐，日本大同制鋼公司扣多廠最高壽命可達(dá)9000爐。噴淋冷卻和常規(guī)冷卻的比較(爐蓋、爐壁和排煙彎管)見(jiàn)表2-1。噴淋冷卻爐蓋三角區(qū)耐火材料壽命提高約一倍。
據(jù)美國(guó)Vcar公司統(tǒng)計(jì)。采用噴淋冷卻系統(tǒng)的效果如下：
(1)由于節(jié)約耐火材料和減少熱停工時(shí)間及維修時(shí)間，噸鋼經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)35美元;
(2)噴淋水冷傳熱系數(shù)高，用水量減少50%;
(3)由于用常壓水，安全性大為提高;
(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量減輕。
2電爐蓋用耐火材料
1爐蓋耐火材料的工作條件
電爐爐蓋內(nèi)襯是整個(gè)爐體的薄弱環(huán)節(jié)，爐蓋用耐火材料的部位如圖2-4所示。
(1)熱震。電弧加熱、出鋼和爐蓋移動(dòng)造成的溫度急變;
(2)化學(xué)侵蝕。熔渣鋼水飛濺至磚面，引起化學(xué)侵蝕，以及爐內(nèi)CO、CO2和SO2等的作用;
(3)弧光輻射。電弧加熱產(chǎn)生的熱輻射引起的熔損;
(4)爐內(nèi)高速抽塵形成的高速氣流的磨損;
(5)拱頂結(jié)構(gòu)在自重作用下，因磚縫先行損壞造成的結(jié)構(gòu)松動(dòng)等
這幾種因素的綜合作用，對(duì)爐蓋壽命產(chǎn)生了重大影響。弧光輻射造成的超高溫加劇了化學(xué)侵蝕;熔渣鋼水的侵蝕，導(dǎo)致耐火材料內(nèi)襯厚度減薄和結(jié)構(gòu)變化，在熱震作用下加速了耐火材料的剝落損毀。
因此,爐蓋用耐火材料要求具備良好的抗熱震性，對(duì)爐渣高溫噴濺的抗侵蝕性，以及整體性好，結(jié)構(gòu)牢固不開(kāi)裂等。
爐蓋用耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)是:磚→預(yù)制塊→整體澆注，各國(guó)具體條件不一，使用材質(zhì)不盡相同。
2磚砌爐蓋
(1)硅磚。20世紀(jì)50年代電爐蓋使用硅磚(Si0293%?95%)砌筑，其真比重低為2.37?2.39,質(zhì)輕價(jià)廉，具有良好的高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗蠕變性能。全硅質(zhì)爐蓋磚用于30t電爐，最高壽命約80次，用于100t大型電爐,壽命為25?35次。60年代后期，電爐煉鋼開(kāi)始推廣吹氧技術(shù)，煉鋼操作進(jìn)一步強(qiáng)化，這種酸性硅磚爐蓋不適應(yīng)堿性冶煉，且冶煉溫度已高出硅磚的溫度，髙溫下熔融后的SiO2產(chǎn)生連續(xù)性的熔滴現(xiàn)象，導(dǎo)致?tīng)t渣堿度降低，影響冶煉作業(yè)，因而開(kāi)發(fā)使用了性能更好的高鋁磚。
(2)高鋁磚爐蓋。高鋁磚砌筑電爐爐蓋始于50年代末。當(dāng)時(shí)美國(guó)鋼公司和Armco鋼公司，采用高鋁磚爐蓋(A12O365%?80%)比硅磚爐蓋壽命提高4倍，燒成高鋁磚(A12O380%~85%)和磷酸鹽結(jié)合的不燒髙鋁磚(A12O380%?85%)以及燒成莫來(lái)石磚或不燒磷酸鹽結(jié)合莫來(lái)石磚，它們的共性是抗熱震性優(yōu)良。60年代初爐蓋的壽命已達(dá)200爐左右。
法國(guó)SAULVE鋼廠85tUHP電爐爐蓋采用一般高鋁磚(A12O375%左右)，平均使用壽命150次。130t電爐則為133爐，用至90爐左右需停爐中修一次，每噸鋼耐火材料單耗2.75kg。電極孔磚則在高鋁礬土骨料中加入約使用壽命至254爐以上，耐火材料單耗每噸鋼降至1.0kg以下。
日本電爐蓋普遍采用高鋁磚，在電極孔和排煙孔周圍熔損嚴(yán)重部位使用高純氧化鋁為主要原料的燒成高鋁磚。或部分使用抗侵蝕、耐剝落的不燒磚，該磚加入適量CrO3而具有高強(qiáng)度和耐侵蝕性能。此外，在不采用水冷爐蓋四周使用不燒高鋁磚的居多，耐使用鎂鉻不燒磚的傾向減少。
(3)浸漬爐蓋。20世紀(jì)70年代日本爐蓋磚用浸漬工藝改善高鋁制品性能取得良好效果。采用MgO、Cr2O3、CaO、SiO2等氧化物作浸漬劑浸至制品孔隙中彌補(bǔ)基質(zhì)易被熔蝕的缺陷，以改善制品結(jié)構(gòu)提高其耐用性。使用Cr2O3為浸漬劑可減少低融物對(duì)爐蓋磚的侵入，提高抗蠕變性能。經(jīng)Cr2O3浸漬的剛玉磚的高溫強(qiáng)度提高一倍以上，在高溫下的變形量降低35%。
(4)堿性爐蓋。電爐蓋用鎂質(zhì)磚。為保證爐蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和減少鎂磚變形及剝落，采用鐵皮鎂磚或砌筑時(shí)插入鐵片。由于鐵皮產(chǎn)生感應(yīng)電流(高功率電爐蓋尤甚)，形成局部過(guò)熱改用非磁性鋼做磚殼。另一方面純鎂磚的線膨脹系數(shù)過(guò)大，用量不多。
其他堿性磚如鎂鉻質(zhì)、鉻鎂質(zhì)、白云石質(zhì)、鎂鋁質(zhì)等相繼使用，有高溫?zé)纱u或不燒磚，或經(jīng)焦油浸漬的白云石磚等。它們具有優(yōu)良的耐火性能和抗氧化鐵與熔渣的侵蝕能力，在苛刻條件下，使用性能優(yōu)于高鋁磚。但因堿性磚體積密度高，爐蓋重(比硅磚重50%，比高鋁磚重30%)，為此，改進(jìn)爐蓋結(jié)構(gòu)的施工方法，采用不同材質(zhì)綜合砌筑以提高電爐蓋的使用效果。
(5)綜合爐蓋。日本鋼管公司在30t電爐蓋曾采用高鋁磚和堿性磚綜合砌筑時(shí)，壽命達(dá)到200~300爐，耐火材料每噸鋼單耗2~3kg。
當(dāng)主爐蓋水冷面達(dá)到70%~80%時(shí)，爐齡達(dá)300爐;另一公司在40t電爐爐蓋的外環(huán)上采用16塊水冷箱板，小爐蓋用化學(xué)結(jié)合鎂鉻磚砌筑，電極孔周圍用高鋁質(zhì)耐火搗打料，其爐齡由190爐提高到600爐左右。
3預(yù)制塊爐蓋
磚砌爐蓋的缺點(diǎn)之一是對(duì)成型磚的尺寸公差要求極嚴(yán)。爐蓋全水冷后在爐蓋中心電極孔周圍采用了預(yù)制塊。采用預(yù)制塊與砌磚相比優(yōu)點(diǎn)是:簡(jiǎn)化了施工，運(yùn)輸方便，施工完畢無(wú)需干燥，只需短時(shí)間預(yù)熱，使用壽命提高。
德國(guó)對(duì)爐蓋用預(yù)制塊進(jìn)行了多方面的改進(jìn)：
(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：為獲得好的機(jī)械性能，選擇環(huán)形和三角形預(yù)制塊。將預(yù)制塊的邊角改為圓形，以提高對(duì)膨脹和收縮的適應(yīng)性。預(yù)制塊外形如圖2-5所示。
(2)材質(zhì)選擇：一般爐蓋預(yù)制塊的蝕損，主要因水平裂紋、滲透和致密層的脫落所致，高鋁質(zhì)預(yù)制塊氣孔率較高易于蝕損。采用剛玉質(zhì)預(yù)制塊，其組織致密，氣孔率低，透氣性小，強(qiáng)度髙，抗熱震性良好，可提高使用效果.
(3)砌筑施工：在預(yù)制塊之間的空隙以及側(cè)壁和預(yù)制塊之間的三角區(qū)使用與預(yù)制塊同材質(zhì)的耐火搗打料充填;2)為補(bǔ)償預(yù)制塊之間以及水冷區(qū)之間的膨脹，使用了耐火纖維毯。
預(yù)制爐蓋使用次數(shù)由原傳統(tǒng)磚襯的150爐提高至160爐。電爐蓋用各類材質(zhì)的性能見(jiàn)表2-7。
日本大阪窯業(yè)公司超高功率電爐原用搗打料(A12O3>85%，SiO29%,P2O33.4%)和磚組成的小爐蓋平均使用壽命453爐，改用高強(qiáng)度澆注料(A12O3>85%,CaO0.8%，SiO29%)預(yù)制塊使用壽命逐步由506爐提髙至1029爐。
和歌山鋼廠80tUHP電爐蓋實(shí)現(xiàn)水冷化后整個(gè)爐蓋全用預(yù)制塊制成，三角區(qū)用3塊剛玉-莫來(lái)石預(yù)制塊，電極圈為10塊鎂鋁尖晶石預(yù)制塊。小爐蓋是在預(yù)先制好的胎模上進(jìn)行，先用泥裝鋪砌電極孔，然后從邊緣向中心環(huán)接-環(huán)砌，最后在三角區(qū)和電極孔周圍灌入剛玉質(zhì)澆注料脫模后經(jīng)養(yǎng)護(hù)備用。預(yù)制塊爐蓋壽命已達(dá)600爐，噸鋼耐火材料降至0.4kg。
4整體澆注爐蓋
采用整體澆注爐蓋促進(jìn)了爐蓋壽命的進(jìn)一步提高。英國(guó)舍菲爾德(SMACC)鋼廠130tUHP電爐原為高鋁磚砌爐蓋，平均使用壽命133爐。爐蓋水冷后，電極周圍也實(shí)行水冷，從材質(zhì)上選用含Cr2O33%的高鋁超低水泥澆注料并加不銹鋼纖維，爐蓋在稍有修補(bǔ)的情況下使用了594爐，壽命提高約4倍。
5我國(guó)電爐蓋用耐火材料
50年代初，我國(guó)電爐蓋采用大塊特異形硅質(zhì)組合磚，砌筑方便、嚴(yán)密，整個(gè)爐蓋應(yīng)力分布較均勻。但這種磚成型比較困難，且因硅磚難于適應(yīng)強(qiáng)化冶煉作業(yè)的需要，以后逐漸不再使用。我國(guó)最早研究使用髙鋁質(zhì)電爐蓋磚，由唐鋼耐火廠生產(chǎn)的髙鋁磚在撫鋼15t電爐上使用達(dá)到150?200爐。以后相繼開(kāi)發(fā)出了各種結(jié)合劑(水玻璃、磷酸、磷酸二氫鋁等)制備的不燒髙鋁磚，或在配料中引入硅線石族礦物原料，添加微粉、尖晶石、碳化硅等，近年來(lái)又研制了各類耐火澆注料，以滿足超高功率電爐發(fā)展的需要。
(1)高鋁磚爐蓋。我國(guó)髙鋁礬土資源豐富、品種齊全，為開(kāi)發(fā)高級(jí)高鋁質(zhì)耐火材料提供了有利條件。在50年代中期就開(kāi)發(fā)使用了DK型水鋁石-高嶺石，I級(jí)礬土熟料(Al2O3>80%)為基料的高鋁磚，該磚選用組織結(jié)構(gòu)均勻，雜質(zhì)少，燒結(jié)好(體積密度3.1?3.2g/cm3)的礬土熟料為原料，用可塑性好的粘土作結(jié)合劑，控制熟料細(xì)粉(<0.088mrn>90%)的加入量(40%?50%)，以緩沖坯體在燒成過(guò)程中因二次莫來(lái)石化反應(yīng)所引起的體積膨脹，防止制品結(jié)構(gòu)松散。1987年唐鋼耐火廠生產(chǎn)Al2O3>85%的髙鋁磚,在舞銅75t電爐成功地使用了193爐，耐火材料每噸鋼單耗1.34kg。主晶相為剛玉的燒成高鋁磚，用于超高功率電爐蓋，使用壽命大約150爐，廣州鋼廠40tUHP電爐蓋采用水冷小爐蓋用1等高鋁磚壽命達(dá)300~400爐。燒成高鋁耐火磚理化性能見(jiàn)表2-11。
(2)含“三石”的爐蓋磚。三石”包括硅線石、藍(lán)晶石、紅柱石，屬硅線石族礦物，為同質(zhì)異形體。其理論組成為A12O363.l%、SiO236.9%、化學(xué)分子式為A12O3.SiO2或Al2SiO3。因生成條件和結(jié)構(gòu)不同表現(xiàn)在陽(yáng)離子配位上的差異，使理化性能既有共性又有差別，3種礦物原料均屬高鋁礦物，具有髙鋁礦物的性能，但其獨(dú)特性能又不為普通高鋁原料所具備^。“三石”被加熱至一定溫度不可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)槟獊?lái)石晶體(呈短柱狀、針狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般長(zhǎng)約3微米，最長(zhǎng)可達(dá)20微米)，并析出SiO2，在加熱反應(yīng)過(guò)程中，伴隨莫來(lái)石化引起體積膨脹，其中以藍(lán)晶石膨脹率為大，紅柱石居中。轉(zhuǎn)化溫度與膨脹率見(jiàn)表2-12。
