矿热炉用耐火材料及炉衬结构的研究进展

矿热炉是生产多种铁合金和电石的重要设备。根据中国铁合金行业发展研究报告，我国具有世界上产量最大、品种最全的铁合金生产体系，近年来铁合金总体产量一直维持在3000万t以上。近年来，“碳达峰”和“碳中和”已经成为世界各国传统行业转型发展的目标方向。目前的铁合金生产也属高耗能高排放行业，在目前的“双碳”背景下，节能减排、高质量发展将是铁合金行业的唯一出路。为了达成该目标，各级政府制定多项政策，积极推动矿热炉朝着大型化方向发展。以内蒙古自治区为例，内蒙古自治区工业领域碳达峰实施方案(征求意见稿)里明确指出，将在2022年底前全面淘汰25MVA及以下铁合金冶炼矿热炉(特种铁合金除外)和30MVA以下电石冶炼矿热炉。大型矿热炉具有热效率更高、产量更高、单位电耗更低、操作更稳定等优势，也利于烟尘的净化回收和余热利用。

矿热炉是一种复杂的冶金设备系统，其服役时间主要取决于炉衬寿命。矿热炉在大型化之前由于炉衬耐火材料的用量较少、砌炉成本较低，炉衬寿命并没有引起铁合金行业的足够重视。随着矿热炉朝着大型化发展，炉衬停炉修补或重新砌炉成本显著提高，因此，如何获得长寿命的矿热炉炉衬就变得尤为重要。

根据实际生产经验发现，矿热炉炉衬损毁的原因主要包括:耐火材料选择不当、炉衬结构设计不合理、筑炉施工存在质量问题、生产操作不规范等。其中，筑炉施工质量问题和生产操作不规范可通过制度化和标准化加以避免。因此，正确选择耐火材料、合理设计炉衬结构是矿热炉炉衬实现长寿命运转的重要保障。笔者结合近年来国内外矿热炉炉衬的研究成果和工业使用情况，介绍了炉衬的毁损机理，分析了炉衬选择耐火材料的依据，重点讨论了炉衬结构的研究进展，包括常用炉衬的结构类型、相应的工作原理和使用情况，最后从工业生产实际出发在炉衬结构选择方面提出合理化建议。

1 炉衬的损毁机理

矿热炉利用三根自焙电极对炉料进行加热，将金属元素从氧化物矿石中还原出来并对其进行熔炼，炉内温度最高可达2000~3000℃。矿热炉炉衬一般由三部分组成:外层、中间层和内层。外层的作用是保温隔热，很少损毁，称为永久层;中间层起防止漏炉的作用，相对安全，又称安全层;内层又称工作层，处于该层的耐火材料工作条件最为恶劣，是炉衬最脆弱的部位，因此炉衬毁损主要是工作层耐火材料的损毁，原因包括物理、化学、机械等多方面因素，具体如下:

(1)熔蚀作用:当工作层耐火材料的工作温度超过其耐火度时，就会发生熔蚀现象。镁质炉衬的荷重软化温度为1550℃左右，在靠近电弧区的炉墙和自焙电极下方的炉底等温度较高的部位，最易发生熔蚀现象。

(2)化学侵蚀:工作层耐火材料可能与炉渣、熔融金属以及反应气氛等发生化学反应，不同铁合金冶炼过程中炉内环境不同，发生的化学反应也不尽相同。矿热炉最常用的碳质炉衬在400℃以上即会发生氧化反应，甚至还会发生“逆氧化现象”，使其内部空化、材料毁损。冶炼过程中的缺碳操作还会使碳质材料作为还原剂被消耗。镁质炉衬的使用温度常高于其荷重软化温度，处于软熔状态时会加速炉渣和熔融合金对它的化学侵蚀。

(3)机械冲蚀:工作层耐火材料会受到冶金原料倒入冲击、金属熔体和炉渣冲刷等机械作用。工作温度较高区域的耐火材料强度会出现不同程度的降低甚至软化，在受到机械作用时更易毁损。

2 炉衬耐火材料选择

铁合金种类众多，不同铁合金冶炼时的工作温度不同，炉内金属熔体和炉渣性质不同，因此炉衬耐火材料的选择也各不相同。炉衬中最关键的是工作层，选材最为重要。针对不同铁合金生产用炉衬耐火材料的选择，通常情况下，金属硅、硅铁、电石和硅铬合金的冶炼温度较高，工作层需采用碳质炉衬;高碳锰铁和锰硅合金生成的炉渣呈酸性，也多采用碳质炉衬;而低碳锰铁和中低碳铬铁的炉渣呈碱性，故一般采用镁质炉衬。

同一矿热炉内，不同高度炉墙和炉底所处的工作环境存在较大差异，其损毁机理和毁损速度不同，因此需要选用具有不同物化性能的耐火材料。通常炉墙靠近渣线处、炉底电极下方损毁较快，尤其出铁口是炉衬结构中最脆弱的部位，这些位置的选材最为关键。以铬铁合金为例，炉墙使用碳质和氧化铝质材料，炉底使用碳质和氧化镁质材料，出铁口则选用碳质和碳化硅质材料。

矿热炉炉衬的正常使用寿命可达10年甚至更久。然而出铁口炉眼砖往往不到一年就过早失效。现在的研究表明，矿热炉的短期损坏主要是出铁口的局部损毁所导致。矿热炉在向外排渣和金属熔体时，会对出铁口处的耐火材料产生机械冲刷、化学侵蚀和反复热震，使其成为炉衬中最容易损坏的地方。传统硅铁、工业硅和锰硅等铁合金的出铁口多采用碳质炉眼砖，近年来的研究表明，碳化硅和碳化硅结合氮化硅材料具有更优的高温力学性能、热物理性能以及化学稳定性，采用此类陶瓷

替代炭砖用于出铁口已经表现出了优异的使用效果。然而，碳化硅炉眼砖并不适用于所有的铁合金出铁口使用，A.V.L.Narasimham根据自己三十多年的生产经验指出，铬铁矿热炉的毁损同样发生在出铁口，但是碳化硅炉眼砖在铬铁炉中会被快速侵蚀，并无使用优势。

3 炉衬结构类型

3.1保温型炉衬

我国矿热炉使用的传统炉衬结构为保温型炉衬，如图1所示。该炉衬结构在多种铁合金长期冶炼过程中均获得了良好的使用效果，其原理是通过提高耐火材料质量和增加耐火材料厚度来达到长期隔热保温的效果。保温型炉衬工作层多数采用炭砖或镁砖砌筑而成，在铁合金冶炼过程中，炉底烧穿是最常出现的生产事故。通过对矿热炉的解剖发现:炉底烧穿是因为炉渣、金属熔体和反应气体渗入炭砖或镁砖间的砌缝，从而加剧炉衬的损坏速度。

为了解决耐火砖间的砌缝问题，Elkem公司提出了整体内衬的炉衬结构，如图2所示，它的工作层采用不定形耐火材料(冷捣糊)整体捣打成型，然后通过烘炉将其烧结成一个整体。20世纪90年代埃肯就研发出了世界上最早的冷捣糊产品，在埃肯矿热炉试验中呈现出优异性能，并被众多铁合金客户采用。目前整体内衬多选用碳质冷捣糊，它以无烟煤、石墨等为骨料，沥青为黏结剂，煤焦油、树脂等为添加剂，多种材料混合而成。整体捣打内衬的理化性能与炭砖相同，但是这种整体式结构可以最大程度地减少炭砖之间的缝隙，降低炉衬渗漏和炉底穿孔风险，从而有效延长炉衬寿命。为了解决碳质材料抗氧化性能差的问题，碳化硅捣打料也逐渐被开发出来，碳化硅捣打料制备的整体内衬的抗氧化性能大大提高。同时，碳化硅捣打料使用硅溶胶作为结合剂，在高温使用过程中可在原位形成大量SiC晶须，整体强度提高显著。

3.2 冷凝型炉衬

随着矿热炉炉型越来越大，冶炼温度越来越高，炉衬耐火材料的工作条件也愈加苛刻，甚至达到耐火材料的理化性能极限，单纯的增加炉衬厚度和提高耐材质量已无法适应现代冶炼的需求。针对该问题，1995年，SAMANCOR公司采用水冷系统和高导热碳质复合内衬，开始了冷凝型炉衬结构的研究。并于1996年将这种冷凝型炉衬结构应用于锰铁生产中，取得了成功。冷凝炉衬理念与传统保温型炉衬完全不同，它釆用高导热耐火材料，砌筑厚度较薄，使用过程中配合炉壁或炉底强制对流冷却。这种设计可使炉渣在炉衬内壁形成一层凝固壳，因此具有“自保护”的功能，如图3所示。与保温型炉衬相比，冷凝炉衬的结构特点使其呈现以下优势:①降低了对耐火材料性能的要求，炉衬寿命大幅延长，从而减少砌炉和停炉检修造成的经济损失，并显著减少出铁口的维护;②炉渣形成的凝固壳导热系数较小，可以有效减少热传导引起的能量损失，降低单位电耗;③冷凝炉衬的薄炉衬使矿热炉工作区体积增大，可以提高冶炼产量;④冷凝炉衬筑炉时通常配有热电偶，可以实时监测炉衬侵烛情况，保障生产安全。

冷凝型炉衬的冷却方式主要有铜冷却壁、炉墙淋水冷却和强制风冷等。铜冷却壁冷却效果最好，但是因为筑炉成本问题，铜冷却壁并未得以大规模推广。强制风冷的冷却效果不佳，会影响自保护炉壳的生成。目前冷凝型炉衬主要釆用喷淋水冷却。水作为传统的标准冷却介质，在使用过程中一旦出现泄漏就会导致爆炸风险，从而对矿热炉造成严重损坏。因此，出于安全考虑，喷淋水冷却的区域仅限于靠近钢壳的外部区域，不能靠近耐火材料的热面。奥地利MettopGmbH公司开发了一种新型的离子液体冷却技术，这种离子液具有不易燃、无腐蚀和无毒的特性，并且由于其较低的蒸气压，可以最大限度地降低爆炸风险，有逐渐取代冷却水的趋势和前景。随着对冷凝炉衬的认识深入，Elkem公司开发出改进型冷凝炉衬，其结构如图4所示，该结构的特点:首先在炉墙和炉底最外层安装强制风冷;其次在温度最高的炉衬下部和炉底采用较厚的碳质冷捣糊捣打成整体内衬;除此之外，在碳质冷捣糊下方还铺设了一层碳化硅捣打层，不仅可以阻止腐蚀性气体和金属熔体向下穿过，而且因其具有更高的导热率，还可以增加热量向外传递，提高冷凝效果。

目前冷凝型炉衬主要运用在锰硅、铬铁、镍铁、锰铁等合金冶炼矿热炉中。在国外，澳大利亚TEMCO公司从2001年就开始在锰铁和锰硅中使用冷凝型炉衬，至2017年炉衬使用寿命已超过15年，在延长出铁口炉眼砖寿命上更是表现优异。目前我国的冷凝型炉衬虽然有十多年的工业运行数据，但仍未大规模推广。国内可以提供冷凝型炉衬的技术厂家主要有河南鲁山方圆集团，该公司在2010年将广西东方资源有限公司的保温型炉衬改造成水冷式冷凝炉衬，使用寿命得以大幅提升。该公司又于2011年为东方资源(钦州)有限公司设计了一套高碳锰铁用冷凝型炉衬，使其使用寿命从3~9个月延长至3年以上。

关于冷凝型炉衬与保温型炉衬的使用成本问题，杨立中对东方资源(钦州)有限公司一座高碳锰铁矿热炉进行了核算，发现该矿热炉炉衬从保温型改造成冷凝型之后，在运行的3年时间里年均增加经济效益1483万元，包括砌筑费用减少、产量提高、电耗降低和焦炭消耗降低带来的收益，并且年增收益随炉衬寿命延长还在进一步提高。康国柱对比了进口和国产两种耐火材料，指出进口耐火材料的导热系数高，容易形成较厚的凝固壳，起到更好的保护效果。而国产耐火材料的质量欠佳，形成的凝固壳较薄，炉衬容易遭到侵蚀，冷凝炉衬的优势并未充分发挥。

3.3 控温炉衬

针对目前炉衬整体损坏多为高温铁水侵蚀炉底造成的情况，鲁山天诺炉衬材料有限公司设计了一种控温炉衬。控温炉衬是新的炉衬设计理念，2018年应用于日照钢铁有限公司的锰硅合金矿热炉中，它采用炉壁保温+炉底风冷的设计。五矿湖铁的全密闭高碳锰铁矿热炉使用了鲁山天诺设计的控温炉衬结构，但采用的是炉壁水冷+炉底风冷的设计结构。控温炉衬的主要创新是炉底风冷系统，它有利于炉底内衬热量的快速导出，在炉底形成“留铁层”以保护炉底。目前这两家公司两台矿热炉均实现了炉衬温度控制。该工业案例开辟了一条长寿命矿热炉炉衬的新思路。

4 不同铁合金行业炉衬结构的选择

铁合金种类众多，不同的铁合金生产应该如何选择合适的炉衬结构，目前大力推广的冷凝炉衬是否适用于所有铁合金的生产?针对该问题，李健伟认为并非所有的铁合金生产均适用于冷凝炉衬，炉衬结构的选择应取决于铁合金的密度。密度小的铁合金优选保温型炉衬，比如:电石、硅铁合金和金属硅;而密度大的铁合金适用于冷凝型炉衬，比如高碳锰铁、高碳铬铁、锰硅合金、铬铁、镍铁、镍铬等。李健伟[38]同时指出，除了铁合金密度，是否选择冷凝炉衬还和其熔炼过程属于有渣冶炼还是无渣冶炼直接相关。

针对该问题，笔者对所在工作单位鄂尔多斯电力冶金有限公司进行了调研。目前该公司有硅铁生产用矿热炉约80台，年产160万t，规模为世界第一;电石用矿热炉24台，年产量180余万t，产能位居全国第五。目前硅铁和电石生产均使用保温型炉衬结构，在正确操作的前提下炉衬平均寿命可达10年以上。根据该公司近20年的工业生产经验可知，采用保温型炉衬和铁合金密度关系不大。以硅铁冶炼为例，硅铁冶炼属于无渣冶炼，每生产1t硅铁仅产生20~60kg炉渣/t。冷凝型炉衬的成功取决于在炉壁上可以形成炉渣保温壳，因此硅铁冶炼难以通过使用冷凝炉衬而达到其他有渣冶炼的效果。此外，硅铁冶炼时炉内的熔体量较少，以该公司某型号硅铁矿热炉为例，炉体内径11m，每两小时出铁11t，假定硅铁熔体平铺在炉底，出铁前熔体最深处仅为3.6cm，换言之，熔体与炉衬接触的高度非常有限。在硅铁的实际生产中，熔体并非平铺于炉底，而主要集中于三个电极下方，因此硅铁熔体几乎不与炉衬内壁接触。可见，硅铁并不适合使用冷凝炉衬，而应当选择传统保温型炉衬结构。康国柱通过测温和散热计算对比，认为水冷式冷凝型炉衬保温性能更好，因此推测硅铁使用冷凝炉衬更适合硅铁生产。但是通过笔者分析可知，其推测并未考虑实际生产情况。

5 结语

(1)随着矿热炉朝着大型化方向发展，炉内工作温度和使用环境越来越苛刻。炉衬使用寿命直接决定了矿热炉的寿命。炉衬的毁损原因包括高温耐火材料的软化熔蚀，炉渣、熔融金属及反应气氛对耐火内衬的化学侵蚀，以及炉料和炉渣的机械冲刷。这三个方面的耦合作用会加速炉衬的毁损速度。

(2)铁合金种类繁多，不同铁合金冶炼时的炉内情况不同，同一矿热炉内，不同位置所处的工作环境也存在较大差异，因此耐火材料要根据具体情况合理选择。炉墙下部渣线处、炉底电极下方工作环境最为恶劣，多选用碳质材料和镁质材料。而最易损毁的出铁口位置，通常使用碳质或碳化硅材料。

(3)保温型炉衬是目前使用最广泛的炉衬结构，为了提高炉衬寿命，整体内衬逐渐取代耐火砖砌筑。随着铁合金冶炼要求的不断提高，冷凝炉衬理念出现。冷凝炉衬使用高导热耐火材料和薄炉衬，并配合炉壁强制冷却，使炉渣在炉衬内壁形成自保护凝固壳。目前已经成功应用在国内外多种铁合金矿热炉中，该炉衬结构可以延长炉衬的使用寿命，降低生产成本，是未来矿热炉炉衬的主要发展方向。

冷凝型炉衬结构成功的关键是形成低导热的炉渣自保护层，因此不适用于无渣法冶炼的铁合金生产。保温炉衬和冷凝炉衬两种结构基本实现了所有铁合金产品的冶炼需求。根据实际的生产情况，设计更合理的炉衬结构，并结合新型优质耐火材料，为未来矿热炉提供更加合理的炉衬结构。