高温矿热电炉内衬砌筑设计的若干要点及应注意的事项 唐利中
高温矿热电炉内衬砌筑设计的若干要点及应注意的事项
武汉钢铁设计研究院（原武汉炭质炉衬新材料研究推广中心）教授级高工程师 唐利中
工业硅电炉在矿热炉领域内属于冶炼温度较高的一种还原性电炉。其冶炼区在三根电极端部为气体，将周围固态物料烧熔气化，形成空腔状坩埚，空腔内温度高达2000～3000°C，坩埚壁热面约1800～2000°C，冷面约1500～1800°C，坩埚外固态物料直至炉衬内壁为1500～1700°C。
其一、 由于炉衬所接触的炉料温度高达1500～1700°C，所以对所有使用的耐火材料均有较高的要求。例如，所使用的高铝砖，要求有足够的荷重软化点及耐火度。为安全起见，一般要求设计人员根据传热计算，不能超过1200°C，如果超过1200°C，就应该在炭砖与高铝砖接触面使用一层轻质炭砖（导热系数≤2.0w/k.m），以降低接触面的温度至1200°C以下。
其二、由于冶炼温度高，各种耐火材料均会产生较大的热膨胀量。当其膨胀量所产生的膨胀力超过了炉壳钢板所能承受的屈服极限时，炉壳将产生塑性变形从而使炉壳不能再冷却后恢复原状。如果膨胀量所产生的膨胀力超过了炉壳钢板的强度极限时，将造成炉壳破裂，从而产生裂缝。
因此，紧贴炉壳处必须设置弹性缓冲带，通常采用石棉板或硅酸铝纤维毡。缓冲带的作用：一是防止因耐火砖的膨胀所产生的膨胀力对炉壳的不良影响；二是起到保温作用，因为不管是石棉板还是硅酸铝纤维毡，他们的导热系数都很小。
缓冲带的厚度在设置时必须适度，太薄了对耐火材料的热膨胀起不了补偿作用，从而使炉壳变形或胀裂；太厚了超过了耐火材料的膨胀量，则炉壳对耐火材料的膨胀起不了约束作用，造成自由膨胀状态，从而使砖缝扩大，是矿热炉预埋下不安全因素。
缓冲带厚度如何设置较为合理？通常在定下各种耐火材料的厚度后，计算出其最大膨胀量，缓冲带厚度可以取略小于其膨胀量或等于其膨胀量的数据，即使耐火材料顶到了炉壳内缘，炉壳的变形也在弹性变形的范畴内，从而不会造成炉壳危机而又使炉壳起到对耐火材料的约束作用。另一方面，炉门区由于热交换剧烈，该处不能设置缓冲带，而应将炉门砖顶紧炉壳砌筑，以免因砖的松动产生穿炉。
此外，在砌炉过程中，在砌筑炭砖前，在砌完高铝砖后，必须用木柴进行一次烘烤，使高铝砖砖缝产生焙烧强度，然后才能进行炭砖施工作业。如不进行烘烤，则高铝砖砖缝没有强度，作为施工大块炭砖时打木楔及用千斤顶挤紧炭砖时，以高铝砖砌体为依托时使高铝砖产生松动而使砖缝扩大，从而预埋下不安全因素。
在开炉生产前，如采用自焙炭砖（全部或部分）内衬，再进行一次烘炉，可使用电烘，使自焙炭砖产生一定强度后再投入生产。否则，则难以承受炉料投入后的重压而在高温状态下产生变形。
综合所述，在矿热炉设计及施工过程中，应注意的事项归纳为：
一、筑炉材料应选择合理。
二、应留下适度的缓冲带，但炉门处除外。
三、应进行一次烘炉，采用自焙炭砖（或其它炭素材料）炉衬时投产前应二次烘炉。
2010年8月
附件：炉衬导热及膨胀量计算表
炉衬导热及膨胀量计算表
一，16500KVA工业硅炉炉底导热：
计算以半石墨质炭砖为基准（从上到下）
|
序号 |
砌体材料名称 |
实际厚度 （m） |
导热系数 (W/k.m) |
当量厚度 (m) |
界面温度 （°C ） |
|
1 |
顶面温度 |
炭砖0.4 |
10 |
0.400 |
1700 |
|
2 |
炭砖与自焙炭砖界面 |
自焙炭砖0.8 |
10 |
0.800 |
1614.9 |
|
3 |
自焙炭砖与高铝砖界面 |
高铝砖0.333 |
2.91 |
1.143 |
1444.7 |
|
4 |
高铝砖与粘土砖界面 |
粘土砖0.266 |
1.28 |
2.078 |
1201.6 |
|
5 |
石棉板 |
石棉板0.01 |
0.24 |
0.416 |
759.5 |
|
6 |
耐火砼 |
耐火砼0.108 |
0.60 |
1.792 |
670.9 |
|
7 |
石棉板 |
石棉板0.01 |
0.24 |
0.416 |
289.8 |
|
8 |
炉壳（钢板） |
钢板0.03 |
48.00 |
0.006 |
201.3 |
|
9 |
钢板底 |
|
|
|
200.0 |
二，炉底热膨胀量（mm）
|
序号 |
方向 |
半石墨质 炭砖 |
自焙炭砖 |
高铝砖 |
粘土砖 |
|
1 |
垂直方向 |
Ø6340 2.3 |
Ø7300 4.3 |
Ø7924 2.8 |
Ø8160 1.6 |
|
2 |
直径方向 |
Ø6340 35.6 |
Ø7300 38.9 |
Ø7924 66.4 |
Ø8160 58.8 |
三，16500KVA工业硅炉炉膛导热（从里到外）
以半石墨质炭砖为基准
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序号 |
砌体材料名称 |
实际厚度 （m） |
导热系数 (W/k.m) |
当量厚度 (m) |
界面温度 （°C ） |
|
1 |
半石墨质炭砖热面 |
|
|
|
1700 |
|
2 |
半石墨质炭砖 |
0.4 |
10 |
0.40 |
1632.9 |
|
3 |
炭捣料 |
0.082 |
10 |
0.082 |
1619.2 |
|
4 |
高铝砖 |
0.230 |
2.909 |
0.791 |
1486.5 |
|
5 |
轻质粘土砖 |
0.118 |
0.5 |
2.360 |
1090.4 |
|
6 |
硅酸铝纤维毡 |
0.06 |
0.12 |
5.00 |
251.2 |
|
7 |
石棉板 |
0.01 |
0.24 |
0.417 |
181.2 |
|
8 |
炉壳（钢板） |
0.03 |
48.00 |
0.006 |
181.2 |
|
9 |
炉壳钢板底 |
|
|
|
180.0 |
四，炉膛材料热膨胀量（mm）径向
计算以界面处最高温度进行
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序号 |
半石墨炭砖 |
高铝砖 |
轻质粘土砖 |
|
1 |
Ø6340 35.6 |
Ø7300 68.6 |
Ø7536 65.0 |
