电炉炉壁耐火材料：从失效机理到寿命延长策略深度解析

电炉炉壁，作为电弧炉炼钢的核心区域，其服役环境堪称严苛。它不仅仅是一个简单的容器，更是一个时刻承受着高温、化学侵蚀与物理冲击的战场。在冶炼周期内，炉壁要直面高温电弧的炙烤、废钢加料的撞击、钢液与熔渣的冲刷侵蚀，以及温度剧变带来的热冲击。这种复杂且恶劣的工况，使得炉壁耐火材料的寿命成为制约电炉生产效率和成本的关键瓶颈。

为了实现对炉壁耐火材料的有效管理与寿命预测，我们必须首先对其进行功能分区。通常，电炉炉壁可划分为三个关键区域：普通炉壁区、渣线区和热点区。每个区域的损毁机理和速率各不相同，其中，三相电极正对的热点区是温度最高、电弧辐射最强的部位，而渣线区则承受着高温炉渣最剧烈的化学侵蚀与物理冲刷。可以说，炉门口、渣线区和热点区共同构成了炉衬的“阿喀琉斯之踵”，其损毁往往是导致电炉停炉检修的主要原因。

炉壁损毁的薄弱环节与根本原因

要延长炉衬寿命，首先必须精确诊断其“病灶”。在三相交流电弧炉中，能量分布和物料运动的不均匀性，导致了炉壁不同部位的损毁机制存在显著差异。

• 炉门口及两侧：此区域是扒渣机等机械设备作业的“重灾区”，反复的机械冲撞和熔渣侵蚀叠加，使其成为最易损毁的部位。
• 热点区：位于三相电极附近，是电弧热辐射的焦点，温度最高。这里的耐火材料不仅要抵抗熔渣侵蚀，还要承受强烈的电弧烧损和材料自身的脱碳氧化，损毁速度极快。
• 渣线部位：顾名思义，这里是钢液与炉渣的交界面。高温炉渣具有极强的化学活性，会对耐火材料产生严重的渗透和侵蚀，同时伴随着钢渣流动的物理冲刷，其损毁程度也相当严重。
• 出钢口侧炉壁：相对而言，此区域属于“冷区”，受到的综合影响最小，损毁程度也最轻。

下表系统性地总结了炉壁各关键部位的损毁原因与程度。

表1 炉壁耐火材料损毁部位及损毁原因

为了实现整个炉衬的均衡蚀损，避免局部区域过早失效，现代电炉普遍采用综合砌筑法，即针对不同区域的工况，选用不同性能的耐火材料进行匹配。

延长炉衬寿命的核心技术路径

电炉炉壁耐火材料的使用寿命，早已不是一个单纯的材料问题，而是与整体冶炼技术紧密耦合的系统工程。为了强化冶炼过程，同时缓和苛刻条件对炉衬的冲击，现代炼钢企业已开发并应用了多种协同技术。

现代冶炼技术的介入

1. 电炉水冷炉壁技术 这是一种革命性的技术。通过在炉壁区域安装内部通有循环冷却水的钢制或铸钢水冷壁板，直接替代大部分耐火材料。目前，水冷炉壁的覆盖面积已超过电炉炉壁的60%，其核心作用机理是在水冷壁的内表面利用低温挂上一层固态的保护性渣层。这层“自生”的炉渣保护层，有效地将熔融的钢水和炉渣与炉壁隔离开，大幅度降低了耐火材料的消耗和冶炼成本。为了达到最佳效果，通常会在水冷壁内表面预先喷涂一层耐火涂料以利于初始挂渣，或在其内侧砌筑一层镁炭砖以保护水冷元件。

图1 电炉冷却板的典型安装方法

2. 泡沫渣技术 水冷技术的应用虽然效果显著，但也带来了不可避免的热损失。那么，如何在强化冶炼的同时，又能高效利用能源并保护炉衬？泡沫渣技术应运而生。通过向熔池内喷吹碳粉、氧气或加入专用起泡剂，在熔池表面产生大量稳定、丰富的泡沫状炉渣。这些泡沫渣能够将整个电弧包裹、埋没其中，其意义是多方面的：

• 保护炉衬：泡沫渣极大地削弱了电弧对炉壁和炉盖的直接热辐射，是保护热点区的最有效手段。
• 提高热效率：电弧能量更多地传递给熔池而非炉衬，加快了熔化速度，缩短冶炼周期。
• 优化工艺：允许采用长电弧操作，有利于快速脱磷，同时降低电耗和电极消耗。

可以说，造好一炉合格的泡沫渣，是现代电炉操作的重中之重。

3. 氧燃助熔与氧煤喷吹技术 这两项技术均属于辅助能源技术，通过氧-燃料或氧-煤燃烧器向炉内吹入高温火焰，作为电能之外的补充热源。其主要目的是消除炉内的“冷区”，实现废钢的同步快速熔化，增加总热量输入，从而缩短冶炼周期，并间接降低电耗以及对电极和耐火材料的消耗。

不同工况下的耐火材料选型策略

冶炼技术在进步，耐火材料自身也在不断进化，以适应日益严苛的要求。

普通功率电炉的传统配置

对于功率较低、未大规模采用水冷壁的传统电炉，炉壁主要采用镁砖、白云石砖和镁铬砖砌筑。但在热点和渣线这两个关键部位，由于工况最为恶劣，通常会升级采用性能更优的MgO-C砖。

超高功率(UHP)电炉的必然选择：高性能MgO-C砖

进入超高功率(UHP)电炉时代，其冶炼强度和热负荷急剧增加，对耐火材料提出了前所未有的挑战。在这种背景下，**MgO-C砖（镁炭砖）**凭借其优异的抗热震性、高导热率和抗侵蚀性，几乎成为UHP电炉侧墙的唯一选择。

特别是在采用偏心炉底出钢(EBT)技术、水冷面积高达70%的现代电炉中，对与水冷系统配合的MgO-C砖提出了更高的要求，尤其是高导热性能，以便快速将热量导出。这类高性能MgO-C砖通常选用高纯电熔镁砂和高纯大鳞片石墨作为主要原料，以酚醛树脂为结合剂，经过高压成型、在还原气氛下（如埋炭烧成）于800~1500°C温度范围内烧成，有时还会进行真空浸渍沥青处理以进一步提高其抗侵蚀性和抗氧化性。其侧墙工作层厚度依据电炉容量在200~450mm不等，永久衬厚度则在100mm左右。

下表展示了我国电炉炉壁用镁炭砖的一些典型理化指标。

表2 我国电炉炉壁用耐火材料的典型指标

对表中各项性能指标的精确表征与质量控制，是确保耐火材料在实际工况下能够达到预期寿命的基础。这正是专业检测实验室的核心价值所在。 精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测耐火材料性能检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636

从材料到工艺：全方位的寿命提升措施

延长炉衬寿命是一项系统工程，需要从材料升级、维护技术和工艺控制三个维度协同推进。

材料本身的持续优化

• 原料升级：采用大结晶电熔镁砂和高纯大鳞片石墨是提升MgO-C砖抗侵蚀与抗氧化性能的根本。晶体尺寸和纯度直接影响材料在高温下的稳定性。
• 添加抗氧化剂：在材料中引入适量的Si、Al、Mg等金属粉末或SiC、B₄C等非氧化物，它们会在高温下优先与氧化性气氛反应，保护基体中的石墨，其氧化产物还能填充气孔或生成新的高熔点物相，起到“原位增强”和“致密化”的双重作用。
• 改善结合系统：采用沥青与树脂复合结合剂，能够在材料内部形成更具韧性的镶嵌式碳结合网络，提升抗热震剥落能力。真空油浸或浸渍沥青则能有效封闭材料的初始气孔，阻挡熔渣渗透。

炉衬维护的关键：喷补技术

即使是最高端的耐火材料也会有损耗。通过定期的炉衬喷补维护，可以“对症下药”，及时修复局部侵蚀区域，实现炉衬寿命的最大化。电炉喷补料的选择是一门学问，涉及：

• 原料选择：骨料通常采用镁质、镁白云石质或镁碳质等与炉衬基体材料相匹配的原料。通过添加金属粉（如Al、Si）来利用其氧化放热促进烧结；添加尖晶石、SiC等来提升耐蚀性；添加有机纤维来防止干燥时爆裂；添加金属纤维来增强特定部位（如出钢口）的抗剥落性。
• 结合剂选用：结合剂是喷补料附着和硬化的关键。从传统的硅酸盐、磷酸盐到现代的热固性树脂，经常采用有机与无机复合的方式。其中，磷酸盐结合剂因其优异的附着强度，在镁质喷补料中应用广泛且效果良好。
• 颗粒级配优化：这是一个平衡的艺术。粗颗粒耐侵蚀性好但回弹率高，附着性差；细颗粒流动性好、回弹率低但易形成高气孔率结构，不耐侵蚀。半干法喷补料的临界粒度通常控制在3mm，而火焰喷补料则需更细，临界粒度一般为1mm。

下表为国内某企业生产的电炉喷补料的理化指标示例。

表3 某企业生产的电炉喷补料理化指标

综上所述，电炉炉壁耐火材料的长寿化，依赖于对损毁机理的深刻理解、先进冶炼技术的配套应用、高性能耐火材料的持续开发，以及精细化的日常维护策略。这是一个多变量、多学科交叉的课题，需要材料工程师与炼钢工程师的紧密协作，方能不断突破瓶颈，实现经济效益与生产效率的双重提升。