水冷炉壁炉盖技术的应用与优势

随着电弧炉容量的扩大和单位功率的提高，炉壁的热负荷急剧增大，为减小热负荷对炉体的影响，除了调整供电制度外，必须寻求新的耐火炉衬，这样水冷炉壁炉盖应运而生。

1972年日本开发使用了水冷挂渣炉壁，后推广到美国、西欧等国家。目前，超高功率电弧炉普遍采用水冷炉壁炉盖，炉壁水冷面积可达70%～80%以上，热点区的问题基本得到解决，水冷炉壁的寿命达6000次，炉盖水冷面积可达80%～85%，水冷炉盖的寿命达4000次。虽然冷却水带走一些热量有限，占5%～10%，但是炉壁寿命提高几百次甚至上千次，显著地提高了炉子作业率，降低了耐火材料消耗，使整个炉役的平均电耗下降，其综合节能效果明显。

2.5.1 水冷挂渣炉壁的应用

在开始冶炼时，水冷块表面温度远低于炉内温度，炉渣、烟尘与水冷块表面接触会迅速凝固，从而使水冷块表面逐渐挂起一层由炉渣和烟尘组成的保护层。当挂渣层的厚度不断增长，直至其表面温度升高到挂渣的熔化温度时，挂渣层的厚度保持稳定。如果挂渣壁的热负荷进一步增加，挂渣层会自动熔化、减薄直至全部剥落。由于挂渣块的水冷作用，致使挂渣层表面温度迅速降低，炉渣和烟尘又会重新开始凝固。总之，水冷块受热面的挂渣层自身的热平衡控制，自发地保持一定的平衡厚度，使炉壁寿命长久。

水冷挂渣炉壁可以在渣线以上炉壁热点区和易损区局部使用；也可在渣线以上做成全水冷挂渣炉壁。它既减少了通过炉壁的热损失，也有助于防止固体金属炉料与水冷炉壁表面打弧。常用电弧炉水冷挂渣炉壁有以下两种。

图2-16 铸管式水冷挂渣炉壁

（1）铸管式水冷挂渣炉壁。图2-16为铸管式水冷挂渣炉壁示意图。其内部铸有无缝钢管做的冷却管，炉壁热工作面附设耐火材料打结槽或镶耐火砖槽。该结构特点如下：

1）具有与炉壁所在部位的热负荷相适应的冷却能力。

2）结构坚固，具有较大热容量，能抗击炉料撞击和因搭料打弧和吹氧不当造成的过热。

3）具有良好的挂渣能力，易形成稳定的挂渣层，并通过挂渣层厚度的变化，调节炉壁散热能力与炉内热负荷相平衡。

4）管式冷却，冷却速度快，不易结垢。

（2）板式或管式水冷挂渣炉壁。板式水冷挂渣炉壁见图2-17。它用锅炉钢板焊接，水冷壁内用导流板分隔为冷却水流道，其流道截面可根据炉壁热负荷来确定，热工作表面镶挂渣钉或挂渣的凹形槽。而管式水冷挂渣炉壁是用锅炉钢管制成，两端为锅炉钢管弯头或锅炉钢铸造弯头，由多支冷却管组合而成，见图2-18。

图2-17 板式水冷挂渣炉壁

图2-18 管式水冷挂渣炉壁

板式或管式水冷挂渣炉壁有良好的挂渣能力，适用于高功率和超高功率电弧炉炉壁热流高的炉体，并且利用分离炉壳，易于水冷壁更换，同时可将漏水引出炉外，以保证水冷挂渣炉壁的安全操作，见图2-19。

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图2-19 板式或管式水冷挂渣炉壁安全水冷系统

图2-20为70t电弧炉水冷挂渣炉壁的展开图。在70t电弧炉内，由12块水冷挂渣炉壁构成，其宽度基本相同，高度视炉内所在部位不同，操作门和出钢口所用水冷块安装位置较高，其水冷块的总高度较低，且在出钢口两侧设置冷却能力较强的铜质组合式水冷挂渣炉壁。图2-21为电弧炉冷却板的典型安装方式。

图2-20 70t电弧炉水冷挂渣炉壁展开图

图2-21 电弧炉冷却板的典型安装方式

2.5.2 水冷炉盖的应用

水冷炉盖有全水冷炉盖和半水冷炉盖两种，见图2-22和图2-23。

水冷炉盖上表面和下表面两部分用锅炉钢板焊接而成，下表面工作条件恶劣，一般采用14mm厚钢板，而上表面采用8～10mm厚钢板。炉盖拱度一般为1/8～1/6，但其顶部中心较平，也有采用球缺体状冷压成形，然后对焊在一起。焊好后应进行消除内应力的热处理及水压试验。

水冷炉盖取消电极水冷圈而改用耐火水泥绝缘圈。为了保护炉盖并减少热量散失，最好在炉盖的受热面上挂一层厚度为60～80mm的磷酸盐耐火混凝土或铝酸盐矾土耐火混凝土。使用期间，耐火层掉下一层后，又会自然形成3～15mm厚的挂渣保护层，该层靠近钢板处由FeO、MgO、CaO、SiO₂及MnO的复盐组成，并由上向下MgO含量逐渐降低，CaO含量逐渐增加且有游离碳并存。这种挂渣保护层在氧化过程中增厚，在还原过程中减薄。另外，在水冷炉盖的受热面上加上一层永久或半永久的耐火内衬，使用效果很好。

图2-22 电弧炉全水冷炉盖

1—石墨电极 2—耐火砖 3—炉盖 4—出水管 5、6—进水管

图2-23 电弧炉半水冷炉盖

水冷炉盖在使用过程中不得缺水，且水压、水量应满足要求。为了使炉盖内水温均匀，不成死角，一般采用两个进水管，水进入炉盖后通过炉盖圈内直径相同的数十个孔流向炉盖顶部，并由顶部流出。使用过程中，既要保证水路畅通，严防堵塞，还要严格控制水温，一般为70℃最好，水温过高容易产生水垢而降低炉盖的使用寿命；水温过低则不利于炉内保温。为此，要求在水的进出口处安置水温、水压表进行监控。

水冷炉盖的出现，不仅提高了炉盖的使用寿命，简化了水冷系统，而且节约了大量的耐火材料并改善了劳动条件。另外，水冷炉盖圈较宽，对炉壁的上部也起一定的冷却作用，因而也能提高炉壁的使用寿命。