镍铁矿热炉炉衬设计施工及材料选择方法

镍铁矿热炉炉衬设计施工及材料选择方法

镍铁矿热炉炉衬设计、耐火材料选择以炉衬砌筑施工的工艺方法

随着RKEF技术的引进，国内镍铁技术进步飞速，炉衬寿命从最初的不到6个月，到现在已经可以达到7年。笔者依据国内镍铁行业近10多年来的发展经验，从设计、砌筑、耐火材料选择、冶炼渣型控制、操作运行维护方面的技术改进，将镍铁矿热炉炉衬寿命提高到10年，甚至更长时间也是可以实现的。

一、炉衬设计

目前，红土镍矿生产镍铁主流是选用RKEF工艺，矿热炉一般为33MVA以上大型电炉，RKEF工艺核心设备是矿热炉、回转窑，矿热炉设计首先要确定合理的参数：炉壳直径、炉壳高度、炉膛直径、炉膛深度、电极直径等(矩形电炉确定长度、宽度、高度)，而这些参数的确定和炉衬参数的确定紧密相关。而依据国内10多年来镍铁矿热炉运行的经验数据，一般来讲，炉底厚度2.0~2.2m、炉墙厚度1.0~1.3m即可完全满足生产需要，可以实现炉衬稳定运行；国内一些厂家选用比此数据更深的炉底及更厚的炉墙，实际运行中并无明显优势，不能有效提高炉衬使用寿命。具体从以下方面设计，可以确定合适的炉衬方案。

1、出铁口及出渣口设计

铜水套渣、铁眼示意图如图1所示。出铁口、出渣口均使用铜水套，有利于生产过程中的稳定运行及维修。出铁口深度1.5m、渣口深度1.3m左右，铁眼直径60mm、渣眼直径100mm即能有效满足生产需求。出铁口个数3~4个，渣眼2个，渣眼、铁眼高度差600~800mm，建议不小于600mm。高度差低于600mm，则生产中铁水极有可能出现从渣眼溢出的情况，会造成镍的回收率降低，严重时可能导致出渣发生爆炸，安全隐患较大。常见炉型炉衬参数及炉衬寿命概况如表1所示。

2、耐火材料选用

镍铁水比重大、铁水温度较高、渗透性较强，早期使用碳砖或镁砖筑炉底，较短时间就会发生烧穿炉底情况。选用镁质捣打料整体打结无缝炉底，有效避免了铁水穿炉底情况发生，极大提高了炉衬寿命。炉墙渣线部位使用97、95镁砖，冶炼过程中可耐高温熔渣侵蚀，通过挂渣作业，可以稳定炉衬整体结构。渣线以上部位，选用75高铝砖作保温层即可。

3、弹性层及膨胀缝设置

一般现在的大型镍铁电炉直径17m以上，炉衬耐材重量超过2000t，生产时高温铁水、炉渣、炉料重量大约1200~1600t，炉衬会承受很大的压力及耐材随温度升高逐渐增加的膨胀应力，因此，设计合理的弹性层以便平衡压力及膨胀应力，防止应力过大炉壳挤裂导致炉衬结构不稳定而降低炉衬寿命。通过理论计算及实际经验数据，大型电炉弹性层厚约300mm左右较为合理。镑砖炉衬开炉过程中，从常温升温到1600℃左右的高温状态会产生一定的膨胀，依据厂家提供的膨胀系数，砖与砖之间需留设1mm辅设膨胀纸，以便消除膨胀应力达到炉衬整体稳定的效果。

二、炉衬砌筑施工

良好的设计是保证炉衬寿命的基础，而砌筑施工的质量是保证炉衬寿命的关键。施工是复杂、综合性工程，镁质耐材生产过程的质量保证，是炉衬质量保证的前提条件；运输、施工过程务必做好防水，施工前所有耐材需要取样做理化指标及强度数据分析。

炉体钢结构验收，按照设计图，测量炉壳直径、炉壳高度，标定炉心及中心线，确定渣、铁眼中心及位置，标定高度等数据。炉壳钢板厚度约30mm，焊接量大，各焊缝应UT检测符合设计要求，炉底、炉墙测温点开孔留设好以后，方可进行耐材砌筑施工。

2、炉底捣打料施工

向炉内投入捣打料，炉底镁质捣打料，应分层捣打，每层捣打料打实厚度约160~200mm。按照设计要求向炉内投入捣打料，下料后，用铁锹或钉耙扒平，再用铝合金长尺与水平仪找平，之后在平整后的捣打料上铺上彩条布(帆布)，彩条布将炉底捣打料全部盖住，平板振动器放在彩条布(帆布)上，各台作业的振动器要保持一定距离、平衡、对称。

(1)振捣。

启动振动器，振动器启动后，从外圈开始振动，从外向内(炉中心)一圈接一圈地进行捣打，后一圈要重叠前一圈三分之一，防止漏打。从炉壳内侧连续振动，直到炉中心视为一遍。一遍捣打完成后再从外向内重复捣打几遍，每一层捣打料用两台或多台振捣器同时捣打多遍。

(2)钉耙“拉毛”。

每一层捣打结束，除去防尘彩条布(帆布)，用自制的钉耙按同一方向在捣打料层表面上拉毛，梳理成沟，以利于增大上下相邻两层接触面积，形成无缝整体捣打炉底。

(3)打结质量。

打实后的捣打料密度应该达到2.8g/cm3以上。此时，振动器上下跳动，振幅较大，震动声音比前几遍响得多，这些现象表明，料层基本打实。打结质量检验方法：用直径4mm铁棍，例如4mm焊条插入深度不超过20mm。铁棍垂直力度5kg。

(4)注意事项。

往炉内加入捣打料时，应该将吨袋装的捣打料按几个方向均匀加到炉内，便于人工扒平捣打料，颗粒均匀投料。随时拣出塑料、丝袋、线绳，严禁炉渣、铁块等杂物混入料内。振动操作时，振动器要缓慢匀速前进，振动均衡、乎稳，保证打结强度。

3、炉衬砖砌筑

(1)找出炉底中心，按炉衬内径尺寸划出内衬圆界限，按内衬界限砌筑内衬镁砖。内衬环砖砌筑一定高度后，在镁砖外圈和炉壳间的弹性层填满捣打料即可(不需要捣紧)。

(2)砌筑墙面的砖用直型砖和锲型砖，环形的接缝用耐火粉填充并凿平。砌砖时，应使用木锤或橡胶锤找正，不应使用铁锤，炉墙的合门砖应均匀分布在与铁口渣口夹角90°的两侧。

(3)每层的最后一块合门砖，如需切割加工，该砖至少大于原砖宽度的二分之一，在该加工砖的上面砖则必须保证是块整砖。

(4)每环砖根据直径的不同，使用不同尺寸的锲形砖，砌筑时应使每块砖的中心线指向圆心。

(5)炉膛内衬渣线以上部位采用高铝砖和高错细粉填充。接缝厚度最大2mm，砖与炉壳间的弹性层用捣打料填充即可。

4、铁眼及渣眼砌筑

(1)砌筑前检查出铁口和出渣口砖是否完整。

(2)预砌铁口、渣口砖，对不合格的部位进行打磨修整。

(3)出铁口及出渣口左右两边涂抹耐火泥浆的范围不使用胀缝纸，前后砖要错缝、不得有贯通缝，砖缝≤1mm。

(4)出铁口和出渣口砖要用镁粉、水玻璃调制的耐火泥浆进行湿法砌筑，砌筑时由内向外，后砌筑的砖与先砌筑的砖要挤紧，砖缝要泥浆填充饱满、不得留有缝隙，防止铁水渗透。