矿热炉系统EPC项目承包方案
**编制单位**：洛阳盛铁耐火材料有限公司 | 2026年7月
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一、矿热炉系统EPC概述
矿热炉（Submerged Arc Furnace，SAF）是铁合金（硅铁/锰铁/铬铁/硅锰）、工业硅、电石、镍铁等产品冶炼的核心设备。其工作原理为：通过三根石墨电极（交流/直流）插入炉料中，强大的电流（>100kA）通过炉料的电阻产生焦耳热，将炉料加热熔化并发生碳热还原反应——利用碳（焦炭/兰炭）为还原剂将金属氧化物还原为金属/合金。
矿热炉按炉型分为有渣法（如锰铁、铬铁、镍铁——有大量熔渣产生）和无渣法（如硅铁、工业硅——几乎无渣），两种工艺对炉衬的侵蚀机制差异显著。矿热炉的炉衬应用场景与炼钢电弧炉（EAF）有相似之处（电弧加热+碳还原），但工作温度不同（矿热炉1600-2000℃的铁合金熔炼温度区间）。
矿热炉耐材EPC的核心：炉底碳砖/碳捣打料的防渗透与导电安全平衡（碳质炉底是导电体，如果碳砖渗透铁水则可能导致漏炉和电极短路）和炉壁的渣线区抗侵蚀（有渣法中高MnO/高Cr₂O₃/高FeO渣对炉衬的侵蚀）。
二、矿热炉炉衬设计
2.1 炉底设计——碳质材料的主导地位
矿热炉炉底普遍采用碳质材料（碳砖+碳捣打料），而不是氧化物耐火砖，原因有三：
- 碳在高温还原性气氛下是最稳定的耐火材料（C+CO₂→2CO的反应仅在有游离O₂时发生，而矿热炉炉内为强还原性气氛）
- 碳不与绝大多数铁合金熔液润湿（接触角>90°），降低了铁水渗透的驱动力
- 碳的导热率高（利于炉底散热冷却，防止炉底温度过高）
炉底结构（从下到上）：
| 层次 | 材料 | 厚度 | 功能 |
| 炉底钢板 | 碳钢板（水冷或自然冷却） | 20-40mm | 炉底壳体 |
| 保温层（可选） | 粘土砖/轻质隔热砖 | 100-200mm | 减少散热，但降低炉底冷却效果（需权衡） |
| 永久层/找平层 | 粘土砖或碳化硅捣打料 | 60-120mm | 找平和缓冲 |
| 工作层（碳砖层） | 碳砖或半石墨化碳砖 | 500-1000mm | 主工作衬 |
| 工作层（碳捣打料） | 冷捣碳糊/碳质捣打料 | 200-400mm | 无缝整体炉底上层 |
碳砖 vs 碳捣打料的选择：
- 碳砖方案（砌筑）：适用于大型矿热炉（>20MVA），砖缝需<1mm，碳砖之间用碳质泥浆/捣打料填充。炉底寿命长（5-10年）
- 碳捣打料方案（整体捣打）：适用于中小型矿热炉，将碳糊（无烟煤/石墨+煤焦油沥青结合剂）分层捣打至炉底，整体无缝。施工简单但抗侵蚀性略逊于碳砖
炉底捣打料的施工：
- 碳糊在使用前需加热软化（80-120℃），分层铺料（每层50-80mm），热态风镐捣打至密度≥1.55g/cm³
- 层间刮毛处理保证结合
- 捣打完成后在炉底铺焦炭层并点燃烘烤（碳糊中的沥青在烘烤时碳化，将颗粒粘结为整体碳质炉底）
2.2 炉壁设计——有渣法与无渣法的差异
有渣法（锰铁/铬铁/镍铁）炉壁
有渣法产生大量熔渣（渣量占出铁量的30%-50%甚至更高），渣线区侵蚀极为严重：
- 渣线区：采用镁碳砖（MT12-MT18）或镁铬砖（MgO-Cr₂O₃）。铬铁冶炼的高Cr₂O₃渣对纯MgO砖侵蚀极快（Cr₂O₃与MgO生成MgCr₂O₄固溶体），此时镁铬砖中的Cr₂O₃对高铬渣有较好的化学惰性。
- 炉壁非渣线区：高铝砖（Al₂O₃ 70%-85%）或SiC砖。SiC砖对酸性渣（锰铁渣含SiO₂较高）的抗侵蚀性优异。
- 炉壁厚度：渣线区600-800mm，非渣线区400-600mm
无渣法（硅铁/工业硅）炉壁
无渣法几乎无熔渣，炉壁侵蚀主要来自高温SiO蒸气和硅液的化学侵蚀：
- SiO蒸气侵蚀：硅铁冶炼时炉内产生大量SiO气体（SiO₂+C→SiO↑+CO），SiO蒸气渗透入炉衬中氧化生成SiO₂，伴随体积膨胀破坏炉衬结构。因此炉衬需致密（低气孔率<15%）且不含易被SiO还原的氧化物。
- 炉壁材质：碳化硅砖（SiC≥85%）是硅铁炉/工业硅炉炉壁的首选。SiC不润湿硅液、不被SiO还原、且导热性好利于挂渣形成自保护层。刚玉砖和高铝砖也可用于炉壁，但对SiO蒸气的抵抗力不如SiC。
- 炉壁厚度：400-600mm
2.3 出铁口（Tap Hole）设计
矿热炉出铁口的工况与高炉铁口类似：承受高温铁水/合金液和熔渣的交替冲刷和开堵铁口的机械冲击。出铁口区域采用Al₂O₃-SiC-C质炮泥和泥套材料，性能要求与高炉炮泥一致（易开口、快速烧结、抗冲刷、耐侵蚀）。
三、镍铁RKEF工艺的特殊性
RKEF（Rotary Kiln-Electric Furnace）是红土镍矿生产镍铁的两步法工艺：红土镍矿先在回转窑中预还原/预焙烧（700-1000℃），再热态加入矿热炉中冶炼。RKEF矿热炉的炉衬设计需考虑红土镍矿渣的特殊性——MgO含量高（MgO 15%-25%）、SiO₂含量高（SiO₂ 45%-55%）、FeO含量高（FeO 10%-20%），渣型偏酸性～中性，对镁质炉衬的侵蚀较为严重。
RKEF矿热炉渣线区推荐采用镁碳砖（MT14-MT18，兼顾抗渣性和抗热震）或镁铬砖，炉底沿用碳砖/碳捣打料方案。
四、施工关键点
- 炉底碳捣打料的加热和捣打是整个炉衬施工中最关键也最耗费工时的工序。碳糊温度过低则无法捣打致密，温度过高则沥青挥发过多降低结合强度
- 炉壁砌筑与转炉/电炉类似，镁碳砖/镁铬砖干砌或湿砌（用镁质火泥），砖缝<1-2mm
- 出铁口泥套的施工精度（与炉前开口机-泥炮的同轴度）
- 烘炉：炉底碳捣打料的碳化需要缓慢升温（烘炉曲线与碳质炉底类似），烘炉温度至高炉正常的铁合金冶炼温度（1500-1600℃）
五、盛铁矿热炉系统耐材产品配套
| 区域 | 盛铁配套产品 | 材质体系 |
| 炉底 | 碳砖、冷捣碳糊/碳质捣打料 | C |
| 炉壁（有渣法） | 镁碳砖、镁铬砖 | MgO-C、MgO-Cr₂O₃ |
| 炉壁（无渣法） | 碳化硅砖、刚玉砖 | SiC、Al₂O₃ |
| 出铁口 | 铁合金炮泥、Al₂O₃-SiC-C浇注料 | Al₂O₃-SiC-C |
| 炉盖 | 高铝浇注料预制件 | Al₂O₃-SiO₂、钢纤维增强 |
| 安全衬 | 粘土砖、高铝砖 | Al₂O₃-SiO₂ |
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