求铸铁筑炉、筑包工艺

yuanfeiguo · 发表于 2009-7-17 09:52:49

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筑炉筑包工艺在铸造手册上提的很少，各厂独有好的经验，我们用石英砂、硼酐筑炉，寿命在120-150炉，包用水玻璃、石英砂，寿命很少，请高手明示！

yuanfeiguo · 发表于 2009-7-17 09:59:06

是一顿中频炉，球铁550-6及450-10，消失模工艺，随流孕育。出炉温度在1520左右，浇注在1430-1460左右。

zjy95381 · 发表于 2009-7-17 14:03:07

请问你熔炼温度有多高？石英砂粒度多少？好像是太少了，加强一下石英砂配比，加强筑炉工艺，应该在200炉以上没问题

xiayaxi · 发表于 2009-7-17 18:51:09

提高中频炉炉衬寿命的筑炉工艺
一．前言：
中频无芯感应炉炉衬的高温性能主要取决于所用耐火材料的物理、化学性能及矿物组成，在原辅材料选定的前提下，烧结工艺是使炉衬获得良好显微组织结构以充分发挥其耐高温性能的的关键工序。炉衬烧结的致密化程度与耐火材料的化学组成、粒度配比、烧结工艺和烧结温度等因素有关。我厂通过二十多年的不断摸索和生产试验，总结出了合理的筑炉打结工艺和烘烤烧结工艺，使炉龄大幅度上升，2T中频炉干式打结炉衬的炉龄（经一次中修）高达1157炉次，取得了显著的经济效益。
二．筑炉工艺：
3.1筑炉时去掉云母纸。
3.2对筑炉用水晶石英砂进行如下处理：
3.2.1手选：主要去除块状物及其它杂质；
3.2.2磁选：必须完全去除磁性杂质；
3.2.3干式捣打料：必须进行缓慢烘干处理，烘干温度为200℃－300℃，保温4小时以上。
3.3粘结剂的选用：用硼酐(B2O3)代替硼酸（H3BO3）作粘结剂，加入量为1.1%－1.5%。
3.4筑炉材料的选用及配比：
3.4.1筑炉材料的选用：应注意，不是所有SiO2≥99%的石英砂均可用作感应炉炉衬材料，重要的是石英晶粒大小，晶粒越粗大，晶格缺陷越少越好，（如水晶石英砂SiO2纯度高，外表洁白、透明。）炉子容量越大，对晶粒的要求越高。
3.4.2配比：炉衬用石英砂配比：6－8目10%－15%，10－20目25%－30%，20－40目25%－30%，270目25%－30%。
3.5炉衬的打结：炉衬打结质量好坏直接关系到烧结质量。打结时砂粒粒度分布均匀不会产生偏析，打结后的砂层致密度高，烧结后产生裂纹的几率下降，有利于提高感应炉炉衬使用寿命。
3.5.1干式打结炉衬（以2t中频无芯感应炉为例）：线圈绝缘胶泥的应用：2t中频无芯感应炉的感应圈涂覆有绝缘胶泥层。与感应路通常使用的绝缘材料云母、玻璃丝布等相比，使用线圈绝缘胶泥有如下好处:第一，烘干后，厚度为8－15mm的线圈绝缘胶泥层具有良好的绝缘性能，完全可代替云母和玻璃丝布，充当线圈和炉衬之间的绝缘保护层；胶泥材料的导热系数较高，不必担心相对较厚的胶泥层会影响热面炉衬的三层结。第二，胶泥层位于线圈和保温层之间，正常情况下，环境温度很低（＜300℃，偶尔有金属液接近其表面时胶泥层会释放出少量残余的水分，使绝缘电阻降低，系统提供早期报警。第三，利用胶泥本身高于1800℃的耐火度，当偶尔有金属液渗漏到其表面时，胶泥能给线圈提供一层保护屏障，当出现报警时，胶泥层可提供一定的事故处理时间。第四，对带有底顶出式的炉子而言，将胶泥制作成带有锥度的形状，避免了炉衬与线圈的摩擦，同时利用其强度对线圈进行固定，避免了线圈在使用和建、拆炉过程中的变形，延长了线圈的使用寿命。第五，线圈与胶泥层作为炉子的永火衬，虽一次性费用高，施工周期长，但其使用寿命可以与线圈相同，也可进行局部修补，因此就整体而言降低了筑炉成本。
干式打结炉衬前，首先在炉子线圈绝缘层内铺设一层石棉板和一层玻璃丝布，铺设时除手工平整压实各层材料外，还要用弹簧圈上下绷紧，捣固石英砂时，自上而下逐个移动弹簧圈，直至炉衬打结完毕。
3.5.2打结炉底：炉底厚约280mm，分四次填砂，人工打结时防止各处密度不均，烘烤与烧结后的炉衬不致密。因此，必须严格控制加料厚度，一般填砂厚度不大于100mm/每次，炉壁控制在60mm以内，多人分班操作，每班4－6人，每次打结30分钟换人，围绕炉子缓慢旋转换位，用力均匀，以免造成密度不均。
炉底打结达到所需高度时刮平，即可放置坩埚模。对此，应注意保证坩埚模与感应圈同心，上下调整垂直，模样尽量与所筑炉底紧密结合，调整周边间隙相等后用三个木楔卡紧，中间吊重物压上，避免炉壁打结时石英砂产生位移。
3.5.3打结炉壁：炉衬厚度为110-120mm，分批加入干式打结料，布料均匀，填料厚度不大于60 mm，打结15分钟（人工打结），直至与感应圈上缘平齐。在打结完后坩埚模不取出，烘干和烧结时起感应加热作用。
3.6烘烤与烧结规范：为获得炉衬的三层结构，烘烤和烧结工艺大致分为三个阶段：
3.6.1烘烤阶段：分别以25℃/h、50℃/h的速度将坩埚模加热至600℃，保温4h，目的是彻底排除炉衬中的水分。
3.6.2半烧结阶段：以50℃/h升温至900℃，保温3h，以100℃/h升温至1200℃，保温3h，必须控制升温速度，防止产生裂纹。
3.6.3完全烧结阶段：高温烧结时，坩埚的烧结结构是提高其使用寿命的基础。烧结温度不同，烧结层厚度不足，使用寿命明显降低。
2T中频炉在烘烤过程中加入了约950公斤铁料增强感应圈加热作用，随着烘烤与烧结的持续进行，通过低功率送电产生较为平稳的电磁力搅拌铁水，是炉衬上下受热均匀。严格控制石英砂三个相变区的温度，促进石英砂相变充分，提高了炉衬的首次烧结强度。
三．小结
对于中、工频炉炉衬的寿命，除保证获得完整合理的三层炉衬外，还应注意平时的操作，筑炉是选用优质干净的筑炉材料，合理配比，精心打结，科学烘烤与烧结规范，严格操作工艺，即可延长炉子使用寿命。

xiayaxi · 发表于 2009-7-17 18:52:02

如何提高中频炉炉衬寿命的筑炉工艺技术
一．前言：
  中频无芯感应炉炉衬的高温性能主要取决于所用耐火材料的物理、化学性能及矿物组成，在原辅材料选定的前提下，烧结工艺是使炉衬获得良好显微组织结构以充分发挥其耐高温性能的的关键工序。炉衬烧结的致密化程度与耐火材料的化学组成、粒度配比、烧结工艺和烧结温度等因素有关。我厂通过二十多年的不断摸索和生产试验，总结出了合理的筑炉打结工艺和烘烤烧结工艺，使炉龄大幅度上升，2T中频炉干式打结炉衬的炉龄（经一次中修）高达1157炉次，取得了显著的经济效益。
二．筑炉工艺：
2.1筑炉时去掉云母纸。
2.2对筑炉用水晶石英砂进行如下处理：
2.2.1手选：主要去除块状物及其它杂质；
2.2.2磁选：必须完全去除磁性杂质；
2.2.3干式捣打料：必须进行缓慢烘干处理，烘干温度为200℃－300℃，保温4小时以上。
2.3粘结剂的选用：用硼酐(B2O3)代替硼酸（H3BO3）作粘结剂，加入量为1.1%－1.5%。
2.4筑炉材料的选用及配比：
2.4.1筑炉材料的选用：应注意，不是所有SiO2≥99%的石英砂均可用作感应炉炉衬材料，重要的是石英晶粒大小，晶粒越粗大，晶格缺陷越少越好，（如水晶石英砂SiO2纯度高，外表洁白、透明。）炉子容量越大，对晶粒的要求越高。
2.4.2配比：炉衬用石英砂配比：6－8目10%－15%，10－20目25%－30%，20－40目25%－30%，270目25%－30%。
2.5炉衬的打结：炉衬打结质量好坏直接关系到烧结质量。打结时砂粒粒度分布均匀不会产生偏析，打结后的砂层致密度高，烧结后产生裂纹的几率下降，有利于提高感应炉炉衬使用寿命。
2.5.1干式打结炉衬（以2t中频无芯感应炉为例）：线圈绝缘胶泥的应用：2t中频无芯感应炉的感应圈涂覆有绝缘胶泥层。与感应路通常使用的绝缘材料云母、玻璃丝布等相比，使用线圈绝缘胶泥有如下好处:第一，烘干后，厚度为8－15mm的线圈绝缘胶泥层具有良好的绝缘性能，完全可代替云母和玻璃丝布，充当线圈和炉衬之间的绝缘保护层；胶泥材料的导热系数较高，不必担心相对较厚的胶泥层会影响热面炉衬的三层结。第二，胶泥层位于线圈和保温层之间，正常情况下，环境温度很低（＜300℃，偶尔有金属液接近其表面时胶泥层会释放出少量残余的水分，使绝缘电阻降低，系统提供早期报警。第三，利用胶泥本身高于1800℃的耐火度，当偶尔有金属液渗漏到其表面时，胶泥能给线圈提供一层保护屏障，当出现报警时，胶泥层可提供一定的事故处理时间。第四，对带有底顶出式的炉子而言，将胶泥制作成带有锥度的形状，避免了炉衬与线圈的摩擦，同时利用其强度对线圈进行固定，避免了线圈在使用和建、拆炉过程中的变形，延长了线圈的使用寿命。第五，线圈与胶泥层作为炉子的永火衬，虽一次性费用高，施工周期长，但其使用寿命可以与线圈相同，也可进行局部修补，因此就整体而言降低了筑炉成本。
  干式打结炉衬前，首先在炉子线圈绝缘层内铺设一层石棉板和一层玻璃丝布，铺设时除手工平整压实各层材料外，还要用弹簧圈上下绷紧，捣固石英砂时，自上而下逐个移动弹簧圈，直至炉衬打结完毕。
2.5.2打结炉底：炉底厚约280mm，分四次填砂，人工打结时防止各处密度不均，烘烤与烧结后的炉衬不致密。因此，必须严格控制加料厚度，一般填砂厚度不大于100mm/每次，炉壁控制在60mm以内，多人分班操作，每班4－6人，每次打结30分钟换人，围绕炉子缓慢旋转换位，用力均匀，以免造成密度不均。
  炉底打结达到所需高度时刮平，即可放置坩埚模。对此，应注意保证坩埚模与感应圈同心，上下调整垂直，模样尽量与所筑炉底紧密结合，调整周边间隙相等后用三个木楔卡紧，中间吊重物压上，避免炉壁打结时石英砂产生位移。
2.5.3打结炉壁：炉衬厚度为110-120mm，分批加入干式打结料，布料均匀，填料厚度不大于60 mm，打结15分钟（人工打结），直至与感应圈上缘平齐。在打结完后坩埚模不取出，烘干和烧结时起感应加热作用。
2.6烘烤与烧结规范：为获得炉衬的三层结构，烘烤和烧结工艺大致分为三个阶段：
2.6.1烘烤阶段：分别以25℃/h、50℃/h的速度将坩埚模加热至600℃，保温4h，目的是彻底排除炉衬中的水分。
2.6.2半烧结阶段：以50℃/h升温至900℃，保温3h，以100℃/h升温至1200℃，保温3h，必须控制升温速度，防止产生裂纹。
2.6.3完全烧结阶段：高温烧结时，坩埚的烧结结构是提高其使用寿命的基础。烧结温度不同，烧结层厚度不足，使用寿命明显降低。
2T中频炉在烘烤过程中加入了约950公斤铁料增强感应圈加热作用，随着烘烤与烧结的持续进行，通过低功率送电产生较为平稳的电磁力搅拌铁水，是炉衬上下受热均匀。严格控制石英砂三个相变区的温度，促进石英砂相变充分，提高了炉衬的首次烧结强度。
三．小结
  对于中、工频炉炉衬的寿命，除保证获得完整合理的三层炉衬外，还应注意平时的操作，筑炉是选用优质干净的筑炉材料，合理配比，精心打结，科学烘烤与烧结规范，严格操作工艺，即可延长炉子使用寿命。

xiayaxi · 发表于 2009-7-17 18:53:22

提高感应电炉炉龄实用技术
电炉炉衬的使用寿命对于需要连续大规模生产的冶金、铸造企业来说具有重大意义。我公司使用无芯感应酸性炉衬电炉(先是1．5 t工频炉，后为2 t、3 t中频电炉)熔炼灰铁和球铁铁液，炉衬寿命平均达到400次以上，最高达到620炉(按总出铁量除以电炉额定铁液容量计算)。达到电炉的高炉龄是一个系统工程，必须做好以下各方面的工作。

1 筑炉前期工作
  包括水冷、感应线圈、磁轭、支撑胶木、绝缘涂料、耐火胶泥的检查和处理。
1．1 要求
  各个部件之间必须连接稳固，通电元件之间必须部件本身无隐患、保持规定的距离，通水元件本身及连接无渗漏；通电线圈上必须无多余金属残留物且涂刷专用线圈涂抹料(绝缘材料)；线圈内侧圆周之间必须要涂抹专用耐火胶泥，耐火胶泥在线圈内部形成的柱(锥)面必须光滑，不允许出现凸凹点、在线圈每匝之间形成良好的连续填充；凡涂抹料、耐火胶泥在筑炉前必须干燥，可以自然停留24—48h晾干，也可以晾干12h后置人坩埚模小功率10kW左右烘烤1～2h烘干。
1.2 目的
  达到尽量减少因为炉体的绝缘(胶木发烟、匝间短路和感应线圈吸附铁豆)、漏电、炉体内圆柱(锥)面影响炉衬自然收缩产生裂纹等意外事故，而导致的必须或者难以判断的停炉、拆炉。
2 筑炉工序
  包括筑炉准备工作、筑炉操作两个步骤。
2．1 筑炉准备工作
2．1．1 筑炉工具
  一般要用到以下三种工具：耘松叉、捣固叉、捣固锤和通用的连接棒、电振动器等。
(1)耘松叉：因为并排几个铁齿较短(一般常为40～50mm)、较细且端部较尖，主要用于把加入坩埚四周的炉衬材料耙匀并预叉实，在加入后一层炉衬材料之前把前一层筑好的炉衬上表面耘松约20mm。
  (2)捣固叉：一是要求齿的分布形状与坩埚圆周仿形，便于叉到坩埚模的边沿部位；二是叉齿的长度应比较适中，达到电振动器传输冲量到前一层与本层的交接处又不至于影响效率，取100～120mm的齿长较合适。
  (3)电振动器：拉法基乐法耐火材料(上海有限公司)和美国联矿生产的电振动器性能卓越，比一般的气动、手动筑炉振动效果好得多且效率高；另外，乐法提供的不用叉、锤，在坩埚壁上三个振动点的新式电振动器更具有效率极高、炉衬整体均匀优质的特点。
2．1．2 坩埚模
  额定3 t以内一般为5～6 mm的A3钢分段焊接而成。1．5 t以上的电炉坩埚模一般是在烧结阶段被熔化，因为这个规格以上的坩埚模即使加大斜度也难以拔出，即使拔出也很可能拉裂炉壁，烘烤烧结效果(特别是均匀性)比不上熔掉坩埚模，否则将得不偿失。另外其结构特点将对炉衬寿命有直接影响。
  (1)坩埚模主体圆周：这一段可以根据线圈处内面耐火胶泥层的形状(炉衬推出式一般从炉底至炉口有一定便于炉衬推出的斜度)，保持一定炉衬厚度而让坩埚此段随形，也可以以保证最薄位置的安全厚度将此段做直。根据使用中此段的侵蚀状况而将坩埚此段在电炉厂家规定的坩埚圆周尺寸上每边缩小10 mm～15 mm。
(2)坩埚模高度的确定：一般认为，底部炉衬厚度以达到高过最下面一匝感应线圈为基准，但是在实际过程中应充分考虑以下因素：熔化效率、熔炼材料、中／工频炉的炉衬侵蚀部位。一般情况下生产灰铁或者球铁的中频炉的炉底侵蚀不大(大约30～50 mm)，可以按压着最下面一匝感应线圈上沿为准，而工频炉的炉底侵蚀比较严重(往往达到100 mm以上)，这就要求将工频炉的炉底比同规格的中频炉炉底炉衬厚50～100 mm，整个坩埚模的高度应为炉底炉衬上平面至炉沿平面垂直高度距离加上高过炉沿平面约50 mm的高度，这个高度有利于后面的满炉铁液烧结炉衬，具体高度以不影响合上炉盖准。
  (3)转角处的尺寸和形状：这是至关重要的。因为灰铁、特别是球铁在高温(1 500～1 550℃)下此处易产生“大象脚”侵蚀，而且此处的耐火胶泥层直径也较小，所以此处是可能穿炉的“薄弱环节”。这个地方的转角应该平缓，转角梯度由一次改为不低于二次，而整体炉衬应该加厚是一个基本方向。
  (4)钻排气孔和底部形状：在坩埚模底及侧壁上应按200—300 mm的间距钻出呈菱形分布的小孔，这有利于烘烤阶段炉衬材料中水分的排出和增大电阻，提高发热烘烤效果。孔的直径在3 mm左右较好，太小则排气效果不好，太大则导致筑炉时炉衬材料从孔中大量喷人。坩埚模底部平面不能向内凹进，最好水平，要么由中心向外凸出1 mm左右，以免筑炉后底部有气隙和结构性应力导致烘烤烧结时“底爆”。
  (5)其余：焊缝必须打磨光滑不留锐角；坩埚的外圆尺寸公差及同心度严格限制在5 mm以内；备用坩埚模应在使用前除锈。
2．1．3 筑炉材料
  这里指的是炉衬材料，熔炼灰铁、球铁铁液一般选用二氧化硅为骨料配粘结剂硼酸等的酸性炉衬。材料的好坏是决定炉衬寿命的第一要素，对此有以下要求。
  (1)用量不大的可以自己配制
①石英砂成分ω为：SiO2>99％，
CaO<0．5％，  MgO<0．5％， FeO<0．5％， Al2O3<0．5％，    H2O<0．5％。
  ②配方
  目数：6～8、10～20、40～70、200及以下；比例：分别为30％、20％、30％、20％。
  另外加入2．0％～2．2％未潮解的过筛硼酸；对上部(感应线圈最上面一匝平面以上)“炉领”炉衬材料最好适量加入模数在2．2～2．8的水玻璃。
  ③混制：首先对石英砂进行磁选，再把各种目数的石英砂按以上配比加入，用铁铲翻转均匀；按以上配比加入硼酸，再翻转均匀，最后用手再次搓匀。混制炉领炉衬材料时硼酸加入量取下限，与水玻璃同时加入并翻转均匀和用手搓揉，水玻璃的加入量以硅砂的粉尘全部变潮、手捏不成团为准。否则，加入过多炉领处易开裂。
  (2)用量较大且需要连续生产时最好选取专业炉衬材料厂配制好的“干打料”。对此作以下说明。
  ①供应商和炉衬材料种类、牌号的选择：外国厂家有联矿(天津)、拉法基乐法(上海)等，国内厂家有沈阳力达等；需要什么种类和牌号的材料只需要提供给供应商所在单位熔炼合金种类、最高使用温度等参数即可。
  ②对供应炉衬材料的使用前检查：一般库存量够用即可，以防炉衬材料回潮；使用前必须检查是否回潮结块，否则要么停用，要么将潮湿料仅仅用于修筑炉嘴，否则容易导致炉衬局部裂纹、剥落。拆开袋后的炉衬材料要求经过磁选，对非石英质的其它杂质也尽量选出；对材料的种类、牌号等应在使用中适时调整。
3 筑炉操作
3．1 耐火、绝缘材料的铺设
  对内部涂有耐火胶泥的特别是拆炉衬为推出式的，建议先铺设一层云母板，再铺一层石棉板；对非以上情况的，铺设两层石棉板、一层云母板，其中云母板置于两层石棉板之间，要求云母板、石棉板的接头应在50～100 mm，且接头应相互错开；云母板、石棉板与线圈内侧(或者耐火胶泥层)之间必须伸展、紧贴；云母板、石棉板必须用张紧圈张紧，特别是在炉口部位必须箍紧，不得留下让异物(特别是铁屑)掉入的隐患。
3．2 倒砂、拨匀
  将经过磁选的炉衬材料用塑料或者木质瓢沿环状的炉衬区倒人，尽量均匀；再用耘松叉将炉衬材料沿环状的炉衬区拔平并预紧实，每次倒人的炉衬材料以拨平、预紧实后比前一层增高不超过120mm为准；耘松叉应在再次倒人炉衬材料前将上一批的已打结炉衬上面耘松20 mm深。
3．3 打结
  先用捣固叉，每次都应争取让捣固叉的叉齿扎到此层与上一层的交界处，捣固叉主要是通过向下传递冲量将炉衬材料中的空气排除，从而达到炉衬材料的紧实；当捣固叉难以下扎时就换用捣固锤，捣固锤的打击平面要求下一个要压着上一个的1／3～1／2，直到回弹有力打不动为止。用叉和锤都应离开石棉板而贴近坩埚模并沿着环状炉衬区旋转打结；这样有利于避免将石棉板打破为碎屑造成穿炉隐患，又可让炉衬在径向方向形成从内到外逐步降低的紧实度梯度，并且在圆环每个同心圆的各点紧实程度均一。在打结转角处时应格外注意，一是炉衬材料最好按每层80～100mm加料，二是应该将捣固叉、锤适当偏斜，确保能打结该处坩埚模附近区域的炉衬材料。
3．4 筑炉其它注意事项
  确保整个筑炉过程中炉衬及耐热、绝缘材料中不掉入任何杂物(特别是铁质材料)，否则应该予以清除；坩埚模水平放置在炉内正中的前提下，根据电炉的侵蚀、出铁时辐射烘烤主要在后面炉衬的情况，建议坩埚模向前面移动5 mm左右。
4 烘烤、烧结
  这是炉衬寿命的关键之一。应制订《烘烤、烧结工艺》，并用热电偶、温度数字显示仪进行监控。烘烤、烧结应注意以下控制要点。
4．1 烘烤和初期烧结阶段的加料特点
  通常工频炉需要加入起炉块，大约为电炉额定容量的20％～30％，起炉块的四周与坩埚模内壁留5～15 mm的间隙；而中频炉不必加入起炉块，只需要加入的炉料块小、密实、干燥无锈。在底下金属没有熔化之前，一般可将炉内加满炉料，在金属开始熔化后小批量的每次加入50～200 kg炉料(视电炉规格定)，直到最后金属液面离炉沿50～100 mm。
4．2 烘烤、烧结阶段的升温特点
  总的原则是“低温阶段慢升温，持续时间长”，烧结阶段温度要比平时最高出铁温度高50～80℃左右，烧结时间保温2～3h。低温阶段900℃以前升温速度为1．2℃／min，这有利于炉衬材料中水和晶间水的逸出，在900℃左右保温2～3 h后石英稳定发生相变；否则，升温过快将导致石英急剧相变，内应力过大将导致以后炉衬开裂、剥落，急剧降低炉衬寿命及使用安全。高温烧结做到位，有利于在炉衬的径向上从内到外形成各占1／3厚度的烧结层、过渡层、松散层，这样炉衬既有一定抗高温侵蚀性能，又有较好的强度和韧性。
4．3 其它
  烘烤、烧结使用炉料尽量少用，避免长时间用高碳质炉料在过高温度下熔炼，这将加大炉衬的侵蚀，因为将发生以下反应：C+SiO2＝CO2+Si—Q，高温有利于吸热反应的进行。为使坩埚表面形成一定厚度的耐侵蚀的烧结釉质层，应在烘烤前向炉内投入5～10 kg的石英玻璃碎屑；新炉开始使用的前7、8炉铁液建议每次出铁1／5～1／3左右，有利于对炉衬的保护和进一步完好烧结。
5 使用维护
  良好的使用方法对炉衬寿命也很重要。以下要点应予以注意。
5．1 加料、出铁
  要求炉料的块度不得太大，炉料小批量多批加入，不能蓬料，减少炉料对炉壁、炉底的冲击。炉内留的铁液在不影响交界材质和加料不飞溅的情况下应适当多些，避免铁料直接撞击炉底。每次出铁后电炉应平放，减少炉内铁液对后壁的辐射烘烤和重力对整体炉壁的不均匀作用。
5．2 “冷凝金属起熔”
  为减少炉衬因为反复骤热骤冷的热疲劳导致开裂，往往连续开炉对炉衬寿命的延长是相当重要的，但是由于突发性事件导致电炉停电，炉内的铁液冷凝后重新启炉的情况难以避免。对此，提出以下要求。
  (1)在炉内金属顶部没熔穿之前必须将炉体合上炉盖并向前倾斜15°左右，以低于电炉的保温功率开始送电。
  (2)在冷凝金属没有软化之前不得提高功率，因为此时升温太快将导致金属的膨胀严重超过炉衬的膨胀而导致金属凝块将炉衬拉裂，最终导致穿炉等严重事故；金属冷凝软化后可以将功率升到保温功率左右，直到冷凝金属上面的金属壳被下面的液体金属熔穿，此时可将炉体放平，以较高的功率升温熔化。
5．3 保护炉领措施
  炉领在加料和扒渣中经常受到磕碰易于损坏，对其应加以防护，在炉沿上加一个铸铁做的随形防护压圈是一个较好措施。要求此压圈螺栓固定在炉沿钢板上，底部不得压着炉衬上部，因为炉衬在烧结阶段要向上膨胀，可以提前在筑炉时让最后一层上平面低于炉沿20～30 mm，这样压圈既不妨碍炉衬的上下自由伸缩，又起到了对炉领部位良好的防护作用。
5．4 随时掌握炉况
  熔炼人员必须注意炉衬的侵蚀、裂纹状况，估计到炉衬寿命的中后期时，甚至应倒空铁液停炉检查。同时看电炉最高熔化功率和电流，以及铁液翻动情况。
5．5 补炉
  通常情况下除非是专门停炉对电炉进行中、大修，一般情况下中频炉是不进行小修补炉的(严重的大象脚腐蚀，难以热补或者补后炉衬易脱落上浮)。工频炉主要腐蚀炉底、铁液翻动频率低，所以在炉底腐蚀不是很严重(小于50 mm)的情况下可以将筑炉材料适当调湿，将炉底杂质清除后铲人炉底用捣固锤捣实进行“热补”，一般补炉底不超过两次。
5．6 正确恰当的掌握好停、拆炉时机
  可以这么说，假如炉衬穿炉为650炉，能在用到620炉左右决定停炉就已是很好的水平，绝对不要去追求650炉。因此，在电炉的炉壁圆周方向出现肉眼明显可见的水平环状裂纹、炉衬侵蚀和剥落严重(特别是炉底及转角处)、电炉可以送的功率和电流达到甚至超过额定的5％～10％(一般此时电炉的铁液容量也接近或者超过额定容量的10％)、炉内铁液翻转比平时明显剧烈时必须考虑停、拆炉。

xiayaxi · 发表于 2009-7-17 18:55:02

无芯感应电炉炉衬使用寿命的影响因素及其控制措施

感应电炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能，使金属炉料熔化的设备。感应电炉按结构分为无芯感应电炉（又称坩埚式感应电炉）和有芯感应电炉（又称沟槽式感应电炉）2种；按频率可分为工频（50 Hz）、中频（50～1 000 Hz）及高频（1 000 Hz以上）3种。无芯感应电炉由于具有升温速度快，可间歇作业，熔炼时元素烧损少，炉衬费用低，使用灵活方便等特点而被广泛采用，其中中频和变频感应电炉因更为节能和高效，在近年来得到更多应用。高功率、快速熔化、大型化已成为目前无芯感应电炉发展的潮流。
炉衬质量是影响无芯感应电炉使用效果的关键因素之一。目前国内冶金和铸造工业使用的无芯感应电炉炉衬普遍存在如下缺点：制作炉衬的劳动强度大，工作效率低，炉衬使用寿命短，对高温金属液和熔渣的抗侵蚀能力弱，熔炼成本高。西方工业发达国家已普遍采用专业生产的商品化系列成型炉衬，其使用寿命长，抗侵蚀能力和保温性能优异，金属液纯净度高。为了充分满足国内金属熔炼生产需要，有必要进一步研究炉衬的失效形式，分析炉衬使用寿命的影响因素，探讨提高炉衬使用寿命的有效措施。
1 无芯感应电炉的炉衬结构
图1为无芯感应电炉结构示意图。由铜管绕制成的感应线圈在炉衬外侧，金属炉料装在炉衬内。当交
变电流通过感应线圈时，线圈内产生交变磁通，一部分交变磁通通过闭合的金属炉料，在炉料表面一定深度内产生感应电流，使炉料发热熔化。在整个过程中，发生电能→磁场能→电能→热能的转化。
图1  无芯感应电炉结构示意图
Fig. 1 Schematic diagram of coreless induction furnace

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湖北省科技厅科技攻关项目（992P0202）资助。
传统的炉衬结构是在紧靠线圈的部位铺设一层绝缘云母纸，接下来铺设报警网，再铺设一层石棉绝缘保温板或布，其后是捣打耐火炉衬层。耐火炉衬层在烘烤和使用过程中逐步形成烧结层、过渡层和未烧结层三层截面结构。为了满足底顶出式拆炉方式的需要，出现了取代云母纸的线圈绝缘保护胶泥，其炉衬结构示意图见图2。为适应某些金属的熔炼需要，又出现了用预烧成或仅烘干的成型炉衬和填充料取代捣打耐火炉衬层的复合炉衬结构。这种结构可改善金属熔液或渣对炉衬的熔蚀状况，预烧成的成型炉衬还可避免某些金属在低温熔炼过程中原来采用捣打成型的捣打料难以烧结的问题。
图2  无芯感应电炉典型炉衬结构示意图
Fig. 2 Schematic diagram of typical lining of coreless induction furnace
2  无芯感应电炉炉衬的制作工艺
耐火炉衬按制作方法分类，可分为炉内捣制整体式炉衬、炉外预制成型炉衬、炉内砌筑式炉衬3种。国内目前广泛使用的中小型电炉主要采用炉内捣制整体式炉衬。炉外预制成型炉衬尚处于研究开发阶段，是中小型电炉炉衬的主要发展方向。炉内砌筑式炉衬一般用于大型电炉，但是国内目前很少使用大型电炉，故在此不作论述。
炉内捣制整体式炉衬的制作工艺如下：
1）准备工作
将筑炉材料进行充分磁选，除去含铁氧化物，备齐月牙锤等打炉专用工具和云母片、石棉布等绝缘保温材料，清理检查感应圈上有无金属杂物及有无渗漏水现象。
2）捣筑工艺
首先紧靠感应圈放云母片和/或石棉布，在炉体底部根据大小剪石棉布放平，然后按炉底、炉壁、炉口三个部位顺序进行捣筑。
○1炉底的捣筑。炉底承受全部金属液的静压力，特别是炉底、炉壁的交界处是整个炉衬的最薄弱环节，要求有较高的打结质量。因此，首先炉底要捣实并保证一定的厚度。500 kg中频炉的炉底厚度在150～170 mm之间。炉底捣实后，刮平对准中心放入坩埚模，并用重物压实，严禁转动。炉底捣筑可分5～6次，每次打结20～30 min。
○2炉壁的捣筑。炉壁是炉衬的工作部位，它承受着金属液的静压力、冲刷力，内外温差应力以及金属液的化学侵蚀，要求炉壁必须紧实均匀，这样烧结后才能得到优良的工作面。实践表明，500 kg中频电炉的炉衬料分15次左右加入，每次捣打时间在20 min左右，每次打结厚度以不超过40 mm比较适宜。每次加料前检查是否有异物落入，捣打完一层后用钢钎划松表层，以免层间结合性差而产生横向烧结裂纹。捣打过程中要经常检查模型是否在中心。
○3炉口的捣筑。渣线以上部分称为炉口，此处在感应圈以上，金属液无法到达，不能进行高温加热，若捣筑质量不好，会在浇注时产生落砂。为得到结实的炉口，砂料中必须增加细料的比例或增加适量粘土、水玻璃等，并用木锤打实。
炉外预制成型炉衬（空心开口实底圆柱状耐火成型制品）使用前仅需将其吊进炉腔并用普通不定形炉衬混合料将炉衬与感应线圈之间的间隙填实即可。其成型方法有普通模压成型和等静压成型等。与炉内捣制炉衬相比，我院采用等静压成型工艺生产的炉外预制成型炉衬具有以下优点：
1）使用方便，节省更换时间（只需炉内捣筑整体式炉衬的20％～30％）；
2）节能，不需长时间低温烘烤，正常熔炼时节省功率10％～15％；
3）熔化量增加10％左右；
4）由于成型炉衬本身强度大、致密度高，一般不会发生穿炉事故，使用安全；
5）炉衬使用寿命长，炉龄为炉内捣筑整体式炉衬的1.5倍以上。
3  无芯感应电炉炉衬的主要失效形式和寿命评估方法
3.1  主要失效形式
感应电炉炉衬是在一系列物理、化学作用交织条件下进行工作的。它要承受熔炼过程的高温作用，金属液的静压力，炉衬内外温差应力，加料时炉料对炉衬的剧烈冲击与碰撞，熔炼时电磁搅拌引起金属液对炉衬的强烈冲刷作用，炉渣对炉衬的化学侵蚀作用，间断作业使炉衬温度产生急冷急热变化等，从而使炉衬因裂纹、局部侵蚀、局部剥落等因素引起金属液穿透而导致炉衬失效。
炉衬的主要失效形式可概括为以下几种：
1）热应力开裂
无芯感应电炉炉衬的厚度较薄，一般为70~110 mm，内侧与高温金属液接触，外侧紧贴水冷线圈，耐火材料两侧存在很大温差。由于炉衬在使用过程中受到周期性的加热、冷却作用，引起体积的膨胀与收缩，在其内部产生相应的循环热震冲击。这些因素均易导致炉衬发生热应力开裂。筑炉时炉衬料的分层易产生横向裂纹，炉衬经受急剧的冷热循环冲击时则易产生纵向裂纹。
2）侵蚀
无芯感应电炉炉衬受到的侵蚀可分为金属液侵蚀、熔渣侵蚀、电磁搅拌和过热引起的机械侵蚀。
○1金属液侵蚀
碱性镁砂炉衬对Fe、Mn、Ni的承受能力良好，而对C、Si的承受能力较弱，在高温下金属液中〔C〕、〔Si〕的活性增强，与炉衬表面的MgO发生界面反应，使炉衬受损。例如：镁砂炉衬熔炼高锰钢时，MgO与钢液中的〔C〕发生以下反应：
MgO（s）+[C]→ Mg（s）+CO（g）
由于感应电炉的电磁搅拌作用，反应生成物易离开反应区使反应不断进行，从而加剧炉衬侵蚀。金属液中的元素如Ti、B、Re等在高温作用下均会与炉衬材料发生相互反应，使炉衬受到侵蚀。
采用酸性石英砂炉衬熔炼时，SiO2与金属液中的〔C〕发生以下反应：
SiO2（s）+2[C]→ [Si]（s）+2CO（g）
对于球铁熔炼，该反应的平衡温度为1 467 ℃，灰铁为1 540 ℃，可锻铸铁为1 580 ℃。当熔化温度超过平衡温度时，炉衬中SiO2被C还原，炉衬变薄。
○2熔渣侵蚀
由于炉料中存在铁锈、回炉料不净及金属液高温被氧化等因素，产生大量含FeO的炉渣。在熔炼过程中，熔渣由于受到电磁搅拌作用，其粘度明显降低，在与炉衬表面接触时被深深地吸附在炉衬的孔隙间。在高温下，被吸附的熔渣中的氧化物FeO与酸性炉衬中的SiO2、中性炉衬中的Al2O3、碱性炉衬中的MgO等产生渣化反应。这些反应生成物的熔点较低（如FeO•SiO2的熔点仅1 170 ℃），在高温金属液搅拌作用下极易熔化并很快离开反应区，进入渣中。炉衬材料的碱度水平和炉渣组成的碱度差越大，炉衬就越容易被侵蚀。
○3电磁搅拌和过热引起的机械侵蚀
在与金属液接触的界面处，或混有金属物的炉衬局部区域，或由于炉料“搭桥”引起金属液过热的炉衬局部区域，炉衬实际上已呈软化状态。金属液在电磁搅拌力作用下，将会不断地对软化的炉衬界面进行冲刷。
3）剥落
剥落是炉衬材料以块状或片状的形式从炉衬表层掉落下来的一种现象。其产生原因有：
○1热应力。当热应力超过炉衬的耐冲击强度和裂纹弥合能力时，便产生裂纹。裂纹严重时，材料将在裂纹交叉处发生剥落。
○2机械损伤。其来源主要有：加装料时大块状炉料的硬性撞击，冷却清渣时铲子的机械冲击以及处理炉料“架桥”现象时的锤击振动。
○3金属液冲刷与粘滞。金属液在电磁搅拌作用下，粘度低、流动性好，极易浸入炉衬中的微小孔洞和裂纹，致使炉衬颗粒结合松弛，在反复的熔炼过程中这些颗粒极易剥落。金属液出炉后，粘滞在炉衬内壁上的残留金属液出现凝固收缩，容易将其附着的部分从炉衬表面剥落下来。
○4膨胀剥落。因不同的热膨胀率所引起的炉衬剥落现象一般发生在炉衬烧结层被金属液严重渗透的部位。在交替变化的冷热循环中，被严重渗透部位的热膨胀率与未被渗透部位的热膨胀率差别很大，在两者的界面处容易产生不规则应力而造成剥落。
4）渗透
渗透是指金属液对炉衬孔洞、裂纹的浸入和填充，其形式主要有2种：一种是金属液浸润，即金属液通过炉衬连续的孔隙渗入炉衬中，并沿垂直于炉衬表面的方向延伸；另一种是裂纹渗透，因金属液浸透造成炉衬材料热膨胀、力学性能改变等引起炉衬开裂，金属液充填裂纹的缝隙。
5）结渣
炉料中的杂质和锈蚀物在金属液中以悬浮的固态颗粒或熔渣液滴的形式存在。因其对炉衬表面具有粘附性而在上面沉积，成为结渣基底。没有上浮至金属液液面而被结渣层粘住了的大的悬浮颗粒使结渣层进一步加厚。
采用石英砂炉衬熔炼时，如果熔化温度较低，炉料中混入的Si及金属液中的〔Si〕与O2发生反应：
[Si] + O2（g）→ SiO2（s）
生成的SiO2在熔炼时被吸附到炉衬表面，形成炉瘤，使炉衬变厚。
3.2  寿命评估方法
炉衬寿命评估方法有如下3种：
（1）炉次：炉衬熔化的炉次数（要求倒空计算）；
（2）吨金属液/公斤耐材：熔化每吨金属液平均消耗炉衬的重量；
（3）金属液通过量：筑炉一次能通过的金属液量（保温和升温炉用）。
目前铸造行业普遍采用炉衬使用炉次数来评价炉衬的使用寿命。
4  无芯感应电炉炉衬使用寿命的影响因素及其控制措施
在炉衬使用过程中，影响炉衬寿命的因素主要有：
（1）炉衬耐火材料的性质和熔化金属的种类；
（2）炉衬耐火材料的颗粒配比；
（3）炉衬制作及修补工艺；
（4）炉衬烧结工艺；
（5）电炉容量；
（6）炉衬厚度；
（7）熔炼操作方法。
4.1  炉衬耐火材料的性质和熔化金属的种类
炉衬材质的化学成分和物理、化学特性对炉衬的使用寿命有很大的影响。
感应电炉炉衬一般都使用不定形耐火材料，按施工方法分类，可分为干式捣打料、湿式捣打料和浇注料等；按耐火材料化学性质分类，可分为酸性炉衬、中性炉衬和碱性炉衬3种。以酸性氧化物（SiO2）作筑炉材料的酸性炉衬，适用于熔炼铸铁和碳素钢，但由于它的耐火度不高，使其在高温合金熔炼上受到限制；以碱性氧化物（MgO）作筑炉材料的碱性炉衬，主要用于熔炼铸钢，但物化性能的稳定性较差，容易产生裂纹；以中性氧化物（Al2O3）为代表的中性炉衬，可用于熔炼铸钢、铸铁及其它各种合金，其适应性强，炉龄较高，近几年得到广泛的应用。
铝矾土用作感应电炉炉衬材料具有如下优势：
（1）较高的耐火度。铝矾土主要成分为Al2O3，其次是SiO2，杂质有TiO2、Fe2O3、Na2O、K2O和MgO等。从Al2O3-SiO2相图可见，较纯硅砂的耐火度在1710℃左右。当ω（Al2O3）＝5.5％时，体系处于最低共熔点（熔点只有1 545 ℃）。随Al2O3的增加，体系熔点急剧升高，当ω（Al2O3）＞15％时，熔点已超过硅砂；当ω（Al2O3）＝50％时，熔点达1 800 ℃左右；ω（Al2O3）＞71.8％时，相组成中几乎全部为莫来石，熔点大于1 850 ℃。用作炉衬材料的铝矾土中一般ω（Al2O3）≥75％，显然其耐火度较高。
（2）良好的热稳定性。铝矾土用作炉衬时，烧结后的相组成中多为莫来石，其次为刚玉及少量方石英和玻璃相。莫来石的热膨胀系数为（4.5～5.3）×10-6 ℃-1，大约只有镁砂和硅砂的1/3（硅砂为13×10-6 ℃-1），刚玉的热膨胀系数（8.0×10-6 ℃-1）也比镁砂和硅砂低。因此，铝矾土炉衬较镁砂炉衬和硅砂炉衬的抗热震性能优良，若配料、打结得当，就是采用间歇式熔炼，也不易产生裂纹。
（3）较好的抗渣性。铝矾土中的主要成分Al2O3属中性氧化物，因而对各种炉渣均有较好的抵抗作用。Al2O3与MgO作用生成镁铝尖晶石，熔点高达2 135 ℃；与FeO作用生成铁尖晶石，熔点高达1 780 ℃；与MnO作用生成锰尖晶石，熔点高达1 560 ℃。
（4）较好的抗侵蚀性。冶炼高锰钢时，C、Mn等主要元素在高温下与镁砂发生不同程度作用，使炉衬蚀损。由于高温下Al2O3比MgO更稳定，在一般情况下，与上述元素的作用较弱，故炉衬蚀损较轻微，炉衬的寿命较长。
铝镁尖晶石质和镁铝尖晶石质耐火材料炉衬是分别以中性氧化物（Al2O3）和碱性氧化物（MgO）为主要原料，添加适量合成尖晶石或合成尖晶石的原料制成的。尖晶石在高温下抗渣性能优良，热膨胀系数比方镁石的小，在使用过程中由于二次尖晶石化产生的体积膨胀能有效地抑制炉衬中裂纹的产生和扩展。
无芯感应电炉炉衬常用耐火材料及其主要性能见表1[1]。
表1  无芯感应电炉炉衬常用耐火材料及其主要性能
Table 1  Conventional refractories of coreless induction furnace lining and its major properties
种类材质化学组成（ω）/％热膨胀率/% 抗热
震性热导率
/（W•m-1•K-1）烧结性最高使用
温度/℃
SiO2 Al2O3 MgO
酸性天然石英质
熔融石英质＞98
＞99 1.2~1.4 中 1.3 好 1650
1650
中性刚玉质
高铝矾土质
铝尖晶石质＜10 ＞98
＞80
55~75

20~45 0.8~1.0
0.8~1.0
0.9~1.1 高 2.5
2.5
2.6 差 1750
1500
1750
碱性镁质
镁尖晶石质
＞20 ＞92
＞75 1.3~1.5
1.1~1.3 低
中 3.0
2.7 好
差 1800
1800
不同材质的耐火材料由于其物理、化学性质不同，对冶炼条件的适应能力也不同，例如抗炉渣侵蚀能力、耐急冷急热性等。因此，炉衬的使用寿命差别很大。表2列出了几种典型的感应炉用镁质和镁铝质炉衬的使用寿命[2]。从表中数据可以看出：镁铝尖晶石炉衬比电熔镁砂炉衬的使用寿命高。其主要原因是镁铝尖晶石比镁砂的热膨胀率低，耐急冷急热性好。镁铝质炉衬的烧结结构优于镁质炉衬，镁质炉衬的烧结层和过渡层在高温下均产生体积收缩，镁铝质炉衬则不同，它的烧结层产生收缩时，过渡层产生膨胀，这样来自烧结层的裂纹不会继续在过渡层中延伸，从而提高了炉衬的使用寿命。
表2  几种典型的感应炉炉衬的材质与炉龄
Table 2  The material and campaign of typical induction furnace lining
炉子种类炉衬材料最高炉龄/次平均炉龄/次
200 kg
真空感应炉电熔镁砂 - 70
镁铝尖晶石 207 132
3 000 kg
非真空感应炉电熔镁砂 20 10
镁铝尖晶石 47 35
5 000 kg
非真空感应炉电熔镁砂 18 6
镁铝尖晶石 44 31
镁铝质炉衬中由于含有Al2O3，能和炉渣中的游离CaO和SiO2结合使炉衬受到侵蚀，因此，在选择炉衬材料时应考虑到相应的冶炼工艺。使用镁铝质炉衬时应选择低碱度炉渣，真空感应炉冶炼时采用镁铝质炉衬最适宜，200 kg真空感应炉用这种炉衬冶炼精密合金时寿命可达200炉次。
和碱性炉衬相比，天然石英质酸性炉衬的耐火度低，体积膨胀率大，抗热冲击性较差，用于炼钢时，炉衬寿命较低。但是，由于天然石英砂的成本低，在使用中虽因SiO2发生晶型转变产生急剧膨胀，但其晶型转变是不可逆的，冷却后会保留下来，因此炉衬热面不易产生裂纹，熔炼铸铁时可以获得稳定可靠的使用寿命，如用于工频感应炉连续熔炼铸铁时（炉衬温度保持在800～1 000 ℃），其寿命高达数百炉。因此，工频感应炉几乎全部使用石英质炉衬。熔融石英炉衬比天然石英炉衬的热膨胀系数小，抗热震性能优，同时克服了天然石英炉衬在长期使用过程中烧结层较厚甚至烧透的现象，保留了足够厚的未烧结层，避免了裂纹穿透，确保了炉衬安全稳定运行，用于0.5～10 t电炉时炉衬寿命通常为250～450炉次[1]。
对于以间歇式操作为主的无芯感应电炉而言，所用耐火材料除石英质用于熔炼铸铁和碳钢时使用寿命相对较长外，不论是镁质还是高铝质耐火材料的实际使用寿命均不太理想。
耐火材料中的杂质在高温下能形成低熔点的化合物，从而降低了耐火材料的耐火度。随着耐火材料中杂质含量的增加，耐火度降低，炉衬的使用寿命下降。为了延长炉衬的使用寿命要求耐火材料的纯度越高越好。
熔化金属的种类对炉衬使用寿命的影响也很大。例如：石英质酸性炉衬熔炼碳含量分别为2.5%、3.4%、4%的可锻铸铁、灰铸铁、球墨铸铁时，使用寿命递减，分别为10~14周、4~6周和1~3周[3]。
4.2  炉衬耐火材料的颗粒配比
粒度配比直接关系到炉衬的使用寿命，合理的配比是获得气孔率小、致密度高、烧结性好、强度高、热稳定性好的炉衬的基础。砂料的粒度分三个等级，即粗粒度、中等粒度和细粒度。粒度不同，其作用也不同。
粗粒度的砂料在炉衬中起骨架作用，能使炉衬具有一定的强度，以便承受各种外力的作用，提高炉衬的抗冲击性和抗渣性能。粗粒度砂所占比例为20％～25％。如果粗粒度砂粒比例过大，则打结密度低，在与金属液接触的表面难以形成稳固和完整的烧结层，并使炉衬烧结时膨胀较大，容易引起炉衬破裂，孔隙率增加，影响炉衬寿命。
中等粒度砂料的作用是填充粗粒的间隙，增加堆积密度，可改善炉衬的烧结性能，提高强度。中等粒度的砂料所占的比例为25％～30％，其比例不足时，会使炉衬强度下降。
细粒度砂料的作用是保证炉衬烧结性能和质量以及烧结网络的连续性，使炉衬具有良好的致密性。细粒度的砂料所占比例为40％～50％，其比例过高使炉衬产生裂纹的几率增加，炉衬的收缩率增大，耐急冷急热性降低，耐火度及抗渣侵蚀性能也会降低，同时细砂的表面活性大，易熔融及同炉渣反应，使炉衬的使用寿命缩短。
砂料的粒度配比应结合烧结工艺和使用条件选择。表3为430 kg中频感应炉的电熔镁砂炉衬因砂料配比不当对炉衬使用寿命的影响[2]。
表3  电熔镁砂砂料粒度配比与炉衬使用寿命的关系
Table 3  Relationship between granularity proportioning of fused magnesite and service life of lining
序号镁砂粒度组成（ω） / % 出现裂纹
炉次/次坩埚使用
寿命 /次
8～20 mm 3～8 mm 0.5～3 mm ＜ 0.5 mm
1 20 25 55 - 23 45
2 - 50 15 35 70 110
4.3  炉衬制作及修补工艺
炉内捣制整体式炉衬时，有湿式（炉衬耐火材料中加水）和干式（炉衬耐火材料中不加水）两种捣制方法。干式捣制方法的特点是：炉衬容易烘干，对烘炉升温速度要求不严，烧结时间短，对裂纹扩展的敏感性小，炉衬密度大，使用寿命比湿式捣制炉衬长。
酸性炉衬的修补效果比碱性炉衬好。酸性炉衬通过修补，可以成倍地提高炉衬的使用寿命。
4.4  炉衬烧结工艺
烧结的目的在于提高炉衬的致密性、强度和体积稳定性，以适应冶炼条件的需要。烧结过程是在高温下使砂料的接触面上出现液相熔合，形成连续的烧结网络，通过网络使整个砂料连成一个整体。烧结过程所需的热量，可以来自石墨型芯和钢板型芯因加热而放散的热量，也可以由金属液直接供给。前已述及，烧结后炉衬理想的断面结构可分为烧结层、过渡层（半烧结层）和未烧结层（松散层）三个区域（见图2）。不同材质的砂料应选择相应的合适的烧结温度和保温时间，以便得到理想的烧结结构。烧结温度不够，烧结层厚度不足，会使炉衬的使用寿命明显降低。为了获得使用寿命长的炉衬，必须预先得到理想的烧结结构。
烧结层是整个炉衬的工作层，它直接和金属液及炉渣接触，受到金属液及炉渣的侵蚀和冲刷。另外，它还要受到因急冷急热变化造成的炉体膨胀和收缩产生的内应力及金属液的静压力的作用。因此烧结层强度要高，密度要大，表面裂纹要少。这一层砂料颗粒之间应当全部熔合，烧结网络均匀完整。随着炉壁的熔蚀，烧结层应不断向内壁推移，完整消耗。烧结层厚度应占到炉衬壁厚的30％～50％。
过渡层（半烧结层）是指烧结层和未烧结层之间的过渡区域，其作用是缓解烧结层的应力，阻止烧结层内产生的裂纹向外延伸。此层厚度应占到炉衬壁厚的35％～40％。
未烧结层（松散层）的主要作用是缓冲因体积膨胀和收缩造成的危害。烧结层产生裂纹造成金属液渗透后，松散层可起阻挡作用，防止漏炉事故的发生。此外，松散层也起着隔热的作用。炉衬具有一定的松散层，可使拆炉工作的强度减低。此层厚度应占25％～30％。
控制炉衬烧结断面结构的主要途径是调整烧结剂种类、烧结剂加入量、烧结温度、烧结时间、骨料与基质质量比和骨料粒度配比等因素。
在石英砂材料中一般使用硼酸（H3BO3）或硼酐（B2O3）为烧结剂，主要作用是降低烧结温度。因为石英砂的烧结温度较高，硼酸在加热分解后以B2O3的形式存在于砂料中。在1 000～1 300 ℃时B2O3和砂料中的SiO2等形成低熔点的化合物（SiO2•B2O3熔点为500 ℃），从而降低烧结熔点，改善烧结条件，提高烧结质量。在砂料中加入硼酸后，还会减少砂料在烧结过程中由于发生热胀冷缩而导致的体积变化，从而降低产生裂纹的几率。但由于在硼酸受热分解过程中生成大量水蒸气，如不能及时排出，易在炉衬底部产生蜂窝状气孔。
不同的使用温度对硼酐（硼砂）或硼酸的加入量也有不同要求（见表4[4]）。作为烧结剂如加入量过多，会导致耐火材料的熔点降低，在较高的烧结温度下也会使炉衬的烧结层过厚，体积变化加大，影响使用寿命，并对拆炉工作带来难度。石英砂炉衬熔炼铸铁和铸钢时，硼酸加入量一般取1.0％～2.0％。沈阳重型机器厂1 t中频无芯感应电炉采用石英砂炉衬熔炼铜合金时发现：硼酸最佳加入量为3.50％；采用硼酐时，其用量为硼酸的58％左右[5]。
表4 硼酸、硼酐加入量对石英砂炉衬使用温度的影响
Table 4  Effect of additions of boric acid and boron anhydride
      on working temperature of quartz sand furnace lining
硼酸(H3BO3) /％硼酐（B2O3）/％最高使用温度/℃ 正常工作温度/℃
1.4
1.6
1.8
0
0
0 0
0
0
0.8
0.9
1.0 1560
1530
1480
1560
1530
1480 1500
1470
1420
1500
1470
1420
对于大容量炉衬，可按照炉衬的高度位置取不同的硼酸加入量分别配制炉衬材料，炉底应取下限，而炉领应取上限。也可按照炉衬的高度位置采用不同的骨料/基质比和骨料粒度配比。
在打筑炉衬前，一般都在感应器与炉衬材料之间加云母和/或石棉层，起到绝缘保护及保温的效果，并且便于拆炉。如云母和/或石棉层过厚，虽然可以减少炉衬热损耗，但会显著提高炉衬温度，使水冷线圈的热交换能力减弱，经长期工作，将使烧结层过厚，在烧结层产生裂纹后没有松散层保护而导致炉衬报废。但是，如果云母和/或石棉层过薄，则炉衬热损耗大，烧结层减薄，线圈表面温度升高，超过线圈绝缘层最高使用温度后将降低线圈的绝缘等级，导致线圈绝缘层失效。
4.5  电炉容量
感应电炉炉衬使用寿命随炉衬容量的增加而下降（见表5），其原因是：
（1）容量越大，炉衬壁承受的金属液对炉衬的静压力越大。大型感应电炉内金属液更容易向炉衬内渗透，使炉衬易损坏。
（2）随感应电炉容量的增大，电源的频率下降。金属液中的电磁搅拌力和电源频率的平方根成反比。频率越低搅拌力越大，炉衬壁承受的冲击力越大。
（3）大型感应电炉渣线部位的侵蚀比小型感应电炉严重。随炉衬容量增大，自金属液表面散失的热量比例下降，炉渣温度比小容量炉衬高，炉渣的流动性好，对炉衬的侵蚀加剧。大型感应电炉多采用炉渣混出的方法，要求炉渣具有良好的流动性。
表5  非真空感应炉碱性炉衬的使用寿命与炉容的关系[2]
Table 5  Relationship between service life of non-vacuum induction furnace lining and volume of furnace
炉衬容量/kg 炉衬材质冶炼钢种使用寿命/次
150 电熔镁砂精密电合金 30~60
430 电熔镁砂不锈钢、耐热钢 30~50
900 普通镁砂不锈钢、精密合金 20~30
3000 镁铝尖晶石高温合金，特殊钢 30~40
5000 镁铝尖晶石高温合金，特殊钢 30~35
4.6  炉衬厚度
提高炉衬的使用寿命，应适当增加炉衬的壁厚。但是随壁厚的增加，炉衬的电阻值增大，无功损失增高，电效率下降。炉衬壁厚度与炉容的关系见图3[6]。如果一定炉容的炉衬实际壁厚小于图中相应的壁厚时），炉衬将很快被破坏。必须选定合理的壁厚，同时兼顾电效率和炉衬使用寿命。

图3  炉容与炉衬壁厚的关系曲线
Fig. 3  Curve of furnace capacity and lining thickness
4.7  熔炼操作方法
正确使用和维护炉衬是提高其使用寿命的重要途径。除注意上述影响炉衬寿命的因素外，还应从以下方面加强对炉衬的维护，以利于延长其使用寿命。
连续冶炼和间歇冶炼对炉衬的使用寿命有很大的影响。在连续冶炼时，炉衬始终是处于热状态，受温度剧变的影响小。间歇作业时，每冶炼1炉炉衬就从低温—高温—低温周期性的急冷急热地变化一次。这种急冷急热变化的结果就会产生裂纹，从而使炉衬寿命降低。除镁铝尖晶石质炉衬外，镁质和石英质炉衬的耐急冷急热性是很差的。其中石英砂炉衬尤其显著，在炉衬加热和冷却过程中，炉衬烧结层的线膨胀或收缩率约0.9％。也就是说，每间歇冶炼1炉，炉衬的体积将产生一次膨胀和收缩。在800 ℃以下这种变化率最大，如果炉衬处于连续冶炼的条件下，炉衬壁的温度将不会低于800 ℃，这样炉衬体积的变化率是很小的，产生裂纹的时间也将推迟，炉衬的寿命得以提高。因此，为了延长炉衬的寿命，熔炼铸铁的大型工频炉停炉时，必须使炉衬温度保持在800 ℃以上。
在间歇作业的情况下，应当尽量集中生产，减少停炉次数，以利于提高炉衬的使用寿命。
熔化初期由于炉衬热面未充分烧结，需控制电炉送电功率不能过大，以免金属液发生渗透。为了使炉衬热面均匀地充分烧结，必须延长保温时间以均衡炉衬各部分温度。均衡炉衬顶部温度也是必要的，因为如果烧结时顶部温度过低，在后来的使用过程中随着温度的上升会产生不可控制的膨胀。电炉冷启动时，由于前面的冷却降温会导致炉衬产生裂纹，故必须在金属熔化前充分加热，使炉衬升温发生可逆膨胀，弥合由于冷热冲击而产生的裂纹。
新炉衬使用初期应当加强维护，这对于低温烧结的炉衬尤其重要。新炉衬的潜在缺陷会在最初冶炼的炉次中暴露出来，渗漏金属液的事故往往在前几炉发生。因此，从装料、熔化直到达到冶炼温度等操作的控制必须特别仔细，保证冶炼过程顺利进行。冶炼不同牌号的钢液时，炉衬在整个炉役期内应统筹安排冶炼的钢种。前期要尽量避免冶炼流动性好的高碳、高锰钢种，而应安排低碳、低合金钢种；中期以高合金钢为主，后期则以高碳钢种为主。初期炉渣的粘度要大些，出钢后要仔细检查炉衬内壁是否有明显的裂纹。
使用新炉衬冶炼的过程中，要注意观察电参数的变化情况。炉衬正常时电压、电流是稳定的，如果炉衬不正常，电压和电流将发生变化，电压下降，电流上升。出现电参数异常时应立即停电进行检查和处理，以免产生漏钢事故。
炉衬漏钢，大多因有裂纹和局部侵蚀。出钢后应立即用专用除渣工具，铲除粘附于炉衬内壁上的残渣，并检查有无裂纹和局部侵蚀。发现裂纹和局部侵蚀后，要及时进行修补。等炉衬冷却下来，清除熔渣层露出烧结层，用含细粉较多的砂料与卤水（镁砂炉衬用）、水玻璃（石英砂炉衬用）混合均匀后进行修补并进行烘干，必要时还要进行烧结。侵蚀深度大于壁厚的1/3，裂纹深入半烧结层时，则应当拆除炉衬。
感应电炉熔炼时产生的熔渣挂在炉壁上，在高温下不易上浮，严重侵蚀炉衬。大量熔渣如不及时清除，会加速对炉衬的侵蚀，而且炉渣会掩盖炉衬真实裂纹，因此及时清渣也是延长炉衬寿命的有效措施。
5 结语
（1）炉衬的失效形式主要有：热应力开裂，金属液侵蚀，熔渣侵蚀，电磁搅拌和过热引起的机械侵蚀，炉衬剥落，金属液渗透和炉衬结渣。
（2）影响炉衬使用寿命的因素主要有：炉衬耐火材料性质和熔化金属的种类，炉衬耐火材料颗粒配比，炉衬制作及修补工艺，炉衬烧结工艺，电炉容量，炉衬厚度和熔炼操作方法。
（3）合理控制影响炉衬使用寿命的因素，可显著提高炉衬的使用寿命。

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