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发表于 2009-7-17 18:55:02
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无芯感应电炉炉衬使用寿命的影响因素及其控制措施
9 Z3 W3 W2 E3 D& W% ?) u- [) H U5 t' F: s( W4 S! @7 |
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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。
+ l' R+ l: K, K8 G; \2 F8 Z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。
! X! E2 N9 U# X( V1 无芯感应电炉的炉衬结构; G% j" i1 B# d7 S# n5 X
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
' D. c4 g3 j5 K3 c; k1 J7 O: ~; Q; K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。
" }2 c6 ^/ T' \6 Z. V2 q) [ \图1 无芯感应电炉结构示意图
$ ]' o& p1 p& C: C4 m: PFig. 1 Schematic diagram of coreless induction furnace
) k4 p8 p) K/ n$ f& M0 c( Z+ g# z! C
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湖北省科技厅科技攻关项目(992P0202)资助。9 D7 y) O$ l2 q! B9 f- [ k
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。6 K. _0 s- S1 G. Q" G
图2 无芯感应电炉典型炉衬结构示意图5 n' x/ o! d6 K
Fig. 2 Schematic diagram of typical lining of coreless induction furnace9 P: e! F' R$ M& ]( a. x: ^# N
2 无芯感应电炉炉衬的制作工艺
+ ~ z' I& m1 ]0 k+ p' s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。 {4 Q* d! A2 b+ `
炉内捣制整体式炉衬的制作工艺如下:/ V! K6 f2 h1 J& Y/ [
1)准备工作/ K7 j0 u J' [6 @7 k
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。% {3 Y9 k5 ?% p+ l
2)捣筑工艺1 F7 Y; ?) y5 R8 C% ^5 A
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。! A7 I& l+ C6 C3 @0 b# y
○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。
4 o# Z, X: D7 g3 e! W. r% r○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。
4 U8 d+ H9 e n' ^2 N○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。
5 _" f* o& |0 R( o U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:. {* m+ u' u, N3 b5 g) N6 ]
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%);
$ R1 \4 T2 g% |2 H9 n2)节能,不需长时间低温烘烤,正常熔炼时节省功率10%~15%;
5 z! Q! d$ w+ S$ n: I2 t3)熔化量增加10%左右;
* e7 s9 S$ p+ c2 ~$ U H# n4)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;$ N8 z3 o& |$ V% q( u8 d
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。
2 d+ \( e- e# G3 W3 无芯感应电炉炉衬的主要失效形式和寿命评估方法3 \! H5 I9 R. [
3.1 主要失效形式: t- E# M* L8 W6 H- _/ K' s
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。" S- B7 @1 u1 u# `' Z
炉衬的主要失效形式可概括为以下几种:
4 }% B. u0 I: e0 \! _1)热应力开裂' v4 H2 J; Y. A0 N
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。! @& O- k$ k# I3 z; ~1 \
2)侵蚀+ }3 F( ?: Y# q {& ~( A8 w
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。. G# ?" ~6 t- V( f% I
○1金属液侵蚀
7 M* s2 u4 H% ^& g6 l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:
% N% A* t9 g {) Q" MMgO(s)+[C]→ Mg(s)+CO(g)5 J, t8 }- C: A) T
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。* }/ l8 K1 F. d
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:
1 Y" u- ]5 f- B, g! Q! j5 k7 Y8 HSiO2(s)+2[C]→ [Si](s)+2CO(g)4 n+ A3 ~, u) f) A) s; u+ ?
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。
. X9 L+ [7 K7 ]5 m" t( H○2熔渣侵蚀% T# {4 M2 O0 C; |! p5 G
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。
- F+ \! ~$ ~) [4 \○3电磁搅拌和过热引起的机械侵蚀
1 B, {) r4 F$ T ^ V; G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。, ]7 K& X: c& j8 Q- s! d I
3)剥落8 g: i- |2 b1 Z6 t, j/ L5 ~5 j
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:
" d8 f5 z) S6 @2 q○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。9 L5 q1 Z+ g) z4 b
○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。
2 S( h R+ `6 P9 F○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。
! y8 H* M& a3 k, u5 v! @○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。+ k7 x% L7 n" s" w' B4 q4 o4 h
4)渗透
+ F2 @* |$ c2 m9 n( [+ V% L1 Q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 Q, {8 ]( v+ b/ V' p' [% ?
5)结渣. ^8 l# P; [4 z9 g+ N& R
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。2 \5 f6 `) [) X6 i( _1 }* u: W2 [$ q
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:
% N& l9 Q" J2 h+ p[Si] + O2(g)→ SiO2(s)4 F) Q" Y' {! A* u4 a3 _
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。
, K0 q6 p6 a1 Z$ {8 J8 l% l3.2 寿命评估方法
, _: o* Z6 v+ O7 ]( f* e$ h炉衬寿命评估方法有如下3种:) q$ D+ {5 ^! u3 J( I' d2 |9 o9 _
(1)炉次:炉衬熔化的炉次数(要求倒空计算);, u, G' N9 k8 j% L0 r0 J, j4 b6 N
(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;
+ l& k1 ~$ C' o2 p, [+ m! p D0 r(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)。. W+ g& L' c$ x+ `* w: |
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。
/ u( H) d& U" ]& j) h- K7 q4 无芯感应电炉炉衬使用寿命的影响因素及其控制措施 H) P! R/ t( t* {$ T% Y/ U
在炉衬使用过程中,影响炉衬寿命的因素主要有:8 Z$ P; N" h D0 ~
(1)炉衬耐火材料的性质和熔化金属的种类;
# V! S* V: j, |- x$ p+ p(2)炉衬耐火材料的颗粒配比;
" x z6 |9 a$ ?. r/ R* h(3)炉衬制作及修补工艺;
' W* F, X* w$ B(4)炉衬烧结工艺;
2 _+ I) o3 K# ?' o; ?. E; ](5)电炉容量;
{# u' M5 x# o7 H2 S(6)炉衬厚度;
% T; j! s1 }. ^9 P! ]8 M(7)熔炼操作方法。
/ N$ B4 d3 ~7 a; q% e5 a6 F4.1 炉衬耐火材料的性质和熔化金属的种类
) D5 _& \" H5 [1 a" r/ g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。
' A& S/ u+ ~( Y1 r) g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。# T# x$ P3 f/ h% {0 L
铝矾土用作感应电炉炉衬材料具有如下优势:
/ K4 E+ c) D7 Q- ?3 s: f0 j' a(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。
6 J, y$ k. Y' I" a(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。& |# A8 e! R! l
(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 ℃。
/ C5 e6 s' }, O' K! D8 V& J(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。
6 @% c3 h% g$ y5 l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。1 Q, e; f# F% z
无芯感应电炉炉衬常用耐火材料及其主要性能见表1[1]。* u! k! E; y3 |( e, s) m& b
表1 无芯感应电炉炉衬常用耐火材料及其主要性能7 Y: d9 m( l+ u9 S4 h
Table 1 Conventional refractories of coreless induction furnace lining and its major properties
6 v2 }/ j* g; n# Z3 H种类 材质 化学组成(ω)/% 热膨胀率/% 抗热/ u/ ^% }2 \$ s) G/ [! g0 X$ r
震性 热导率 o$ L2 c+ ^/ D/ u1 U
/(W•m-1•K-1) 烧结性 最高使用
' U2 y0 x$ p Q) U) o温度/℃8 `+ Q" \* e; D# M2 o& _( `2 C! m
SiO2 Al2O3 MgO # n) C2 e- {4 |, `8 x
酸性 天然石英质 8 R' ?0 l. Y7 g" G- w
熔融石英质 >98
8 o {+ Q. l! V' h f, o( y# R! U# e>99 1.2~1.4 中 1.3 好 1650
+ s) t+ \& D* C' a- J3 k16506 X5 T8 g! }. d; I
中性 刚玉质
! Y! a$ r. u! O$ k1 Y- I高铝矾土质3 V, Z- S( P) N5 m3 ~
铝尖晶石质 <10 >98
5 J4 L; u/ y6 H/ g8 r6 @>80+ e$ Q# y3 ]9 S% I9 W
55~75
( X- H6 D* r' z
| K3 n& }; m6 c20~45 0.8~1.0
- i: F$ G8 F. D9 W. M! z0 f0.8~1.0, b3 S7 R( f2 {& E" `4 J9 O
0.9~1.1 高 2.5$ ]0 B, n/ `% |# }* X0 i
2.5* [ ?& E0 R0 h3 [% @6 R
2.6 差 1750& a _/ y4 \' k! U! k' p# C; Z
15001 l: `. C) Z7 k/ L( S
1750$ y9 X6 F J+ L! A
碱性 镁质 # E5 ^9 v7 R5 X! E0 P1 y' y
镁尖晶石质
4 Q8 Q/ C& v& w>20 >92
. b+ K4 @( R' E' H3 {% a>75 1.3~1.5# W4 _9 ~0 @1 U- s. W! }3 F0 M8 a
1.1~1.3 低
7 D" x% r' p$ H& `中 3.0
% _" C& y8 _* s2.7 好
# _# }5 D' G m6 j* c( {差 1800
9 o$ r/ F- ?8 j0 @1800
3 N* p1 n0 R7 l5 E2 I) s# o' d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。( q% N5 x8 Q$ a) t) U8 j! C
表2 几种典型的感应炉炉衬的材质与炉龄
% L4 S8 _% p+ e7 P' j& rTable 2 The material and campaign of typical induction furnace lining+ c" k( L6 I, G4 n, Z9 b8 y; a
炉子种类 炉衬材料 最高炉龄/次 平均炉龄/次
" m4 Y( n6 F; W& G200 kg7 [$ w7 |2 i7 q8 m
真空感应炉 电熔镁砂 - 70
' y% c3 b& a+ R4 A) ?1 h( L3 G3 i/ E 镁铝尖晶石 207 132 ! h% @/ ` M0 Z" k A8 F0 \
3 000 kg
@, e6 }) _- X5 |2 z3 n. _# {% L非真空感应炉 电熔镁砂 20 10
( ?" `( V: d9 D0 P 镁铝尖晶石 47 35 3 m' C3 I$ E7 f" P% j# G) H
5 000 kg. B, L6 G7 Q( t% d$ I
非真空感应炉 电熔镁砂 18 6 ! O; e+ v1 a6 s. y0 F9 ?
镁铝尖晶石 44 31
. ]5 G) \# o$ A6 P. `) j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。2 f9 U# F$ S, x. e; @
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]。
% p+ y( B) ^, G4 m# y q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。9 \) n! \1 I# g6 P: Q9 O
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。/ ]( L8 A7 y' C# h% X+ d8 E
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]。+ \5 g1 H0 a& d, p
4.2 炉衬耐火材料的颗粒配比
) M* T7 I _7 d; ^4 c( r: B5 _- A0 h! d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。+ e3 t8 P! r# t6 g# h
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。
4 ]2 c f/ N- I; y* I! K5 |4 s! Z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。9 c2 U+ M% W8 F) B
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。
8 P1 }/ V) [' m7 x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]。
; S' A6 T7 b' o* R. x! n表3 电熔镁砂砂料粒度配比与炉衬使用寿命的关系 ' A$ @$ |& d, G% R( n
Table 3 Relationship between granularity proportioning of fused magnesite and service life of lining
. O7 T( ^. T" C/ @ \序号 镁砂粒度组成(ω) / % 出现裂纹; L7 N& [3 R ^$ n2 `: {
炉次/次 坩埚使用& A6 O+ T9 V5 f: H$ A& \4 ^
寿命 /次; Q8 S# k D* b. O/ H7 s
8~20 mm 3~8 mm 0.5~3 mm < 0.5 mm : @; F; E+ u4 V# l) ~; p
1 20 25 55 - 23 457 D) }7 ]9 x# \* g
2 - 50 15 35 70 110+ Z+ O$ o# e- A+ L! K0 t2 O
4.3 炉衬制作及修补工艺
; k- X- y9 u% a+ y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。
: U* l3 Z2 |, Y- V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。
5 N: a! J6 G, ]3 G; Y2 O3 d+ F' G4.4 炉衬烧结工艺
, D( z2 e+ G& \; n k* {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。
5 Y& S) w7 Z1 t1 n; t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%。& c! ^* N* I X1 a
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%。5 i7 {# k/ s! X9 P% }
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%。
) e( E1 e: V0 p! r, D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。$ o% g J) n9 c+ D
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。
# p' `0 B* k' g& w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]。
0 \+ @8 ^+ H) i- N) ~0 f9 S表4 硼酸、硼酐加入量对石英砂炉衬使用温度的影响
0 H1 X/ [) K! c" n: X" uTable 4 Effect of additions of boric acid and boron anhydride
' a, ^0 h# ]" F0 r5 R3 P6 e on working temperature of quartz sand furnace lining- ]" w9 j2 l+ b" \! N# a; r! U; O6 G
硼酸(H3BO3) /% 硼酐(B2O3)/% 最高使用温度/℃ 正常工作温度/℃. J: k6 w: q. d1 ~
1.4
, ?) V5 m1 d! s: s1.6
$ k2 R; W8 S4 o1 ?1 P4 J' w1.8
9 P9 u0 C" Y! U, n4 }% p% B; D0' T6 v+ p, v2 J+ \$ e! k
01 ^8 Y- L2 O4 K1 E1 k7 t
0 0
! X# l; V$ K8 ?% w8 S0 l H2 v P* t1 }" [) f/ g
0. p2 X2 V0 a3 ~% q2 e$ l6 h
0.8) d8 J& H) H. f2 N8 [( R
0.9
f: g+ a6 c. M* H. z1.0 1560
% p$ ?6 t# w J- L# ^+ p1530
! B# y- H$ w& n( n$ [" f6 ?14804 u' s7 S3 u. G! U; A# U
1560
& }6 k% K8 v6 j8 h' L1530: D4 u# o3 j; l7 ~2 w; C- t
1480 15003 [- m3 a' J2 `6 [, U
1470
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$ Z; e- d$ `6 o# L& H1500% b' I: I& f ]& b3 B0 L7 E, R% ^
1470
+ g. o* p* { S1 m! B, P14203 e$ j2 K s. x$ d W7 F
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。; D6 s. E* I% k) H2 B
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。
" o8 `" ^* u/ e9 }! O6 x: c" e# w4.5 电炉容量
. d0 g% y; v4 h: s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:
* W* c, o& P7 x& |* O% s(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。
0 @$ d& M6 h9 N4 b: Y, j(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。
8 h K& T1 L) |( e# B+ _; b- Q* q: E(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。3 a" \9 I6 Z" s$ `
表5 非真空感应炉碱性炉衬的使用寿命与炉容的关系[2] ( T% ]' v# n0 _1 E$ O
Table 5 Relationship between service life of non-vacuum induction furnace lining and volume of furnace" ? C' q1 Z7 g4 T5 |. q
炉衬容量/kg 炉衬材质 冶炼钢种 使用寿命/次 5 x# |; _& K: a# z' z' X* h( r
150 电熔镁砂 精密电合金 30~60 7 v6 v9 l( t K2 F/ q
430 电熔镁砂 不锈钢、耐热钢 30~50 5 M0 _! Q* r; G Y, f
900 普通镁砂 不锈钢、精密合金 20~30 6 I5 S& D2 U- \$ ], I/ X, i6 y
3000 镁铝尖晶石 高温合金,特殊钢 30~40
4 T; v7 c9 Z* e9 _/ f5 T5000 镁铝尖晶石 高温合金,特殊钢 30~35
4 s. H" N# [# U. F, D$ N4.6 炉衬厚度
8 i' k- m+ D# F- H" G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。% b9 P: F4 S, r; x; A7 q4 @
! W( s6 d5 \$ F
图3 炉容与炉衬壁厚的关系曲线( B+ j6 l C8 C
Fig. 3 Curve of furnace capacity and lining thickness
3 R3 q5 |" y* T2 o+ u+ k J- `4.7 熔炼操作方法
* S1 y) D' L, j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。. n: H8 ?3 I- c* u
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。9 n; [) Y* M, v1 q* r" T8 F
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。
: |3 i8 Y) A( M/ T ^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。
2 l; a8 I3 E% X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。
) h* s" N7 W: F$ T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。
$ ~" B" {, n3 F1 d9 F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。$ M& K/ }4 b) M3 B- |3 s; ~% h4 h: c
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。; ?& [/ r$ E" \) u
5 结语1 v% ^3 K/ N6 M; B
(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。
& Y* c1 }% I! g( `$ d0 n+ E(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。& C* V* j/ }" s7 R7 a" c& K6 J
(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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