耐火材料作為感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)材料及元部件材料，單位消耗在很大程度上與經(jīng)營(yíng)管理狀況有關(guān)系。噸鋼產(chǎn)量所消耗的耐火材料的質(zhì)量稱耐火材料綜合消耗指標(biāo)，它是衡量一個(gè)國(guó)家的工業(yè)水平，尤其是耐火材料質(zhì)量的重要指標(biāo)。

一般來(lái)說(shuō)，質(zhì)量好的耐火材料在爐窯上使用的效果好，壽命長(zhǎng)，但使用條件不能忽視，如同一種耐火材料在同一熱工設(shè)備上使用，由于使用條件改變，往往使用結(jié)果差別很大。因此，為充分滿足國(guó)內(nèi)金屬熔煉生產(chǎn)需要，有必要進(jìn)一步研究爐襯的失效形式，分析爐襯的使用條件及壽命的影響因素，探討提高爐襯使用壽命的有效措施。

無(wú)心感應(yīng)電爐爐襯通常采用不定型耐火材料整體施工，爐襯結(jié)構(gòu)是在緊靠線圈的一側(cè)涂抹一層有一定錐度的線圈漿料，接下來(lái)是報(bào)警網(wǎng)，在報(bào)瞥網(wǎng)內(nèi)再鋪—層云母紙，最后是干式搗打工作爐襯。

過(guò)熱是指爐襯使用在過(guò)高的熔化溫度下，足以熔合或熔化耐火材料的結(jié)合劑，分不清爐襯的顆粒形狀，如圖1所示。

圖1 爐內(nèi)金屬液過(guò)熱示意圖

過(guò)熱的現(xiàn)象：耐火材料呈現(xiàn)玻璃狀，一般發(fā)生在爐體下部。爐襯過(guò)熱時(shí)，爐襯的粒形和顆粒的邊緣通常是分不清楚的。爐襯一旦過(guò)熱，將經(jīng)不起熱沖擊，再起熔也不會(huì)成功，過(guò)熱后的耐火材料如圖2所示。

過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱區(qū)域耐火材料嚴(yán)重侵蝕，爐襯燒結(jié)層產(chǎn)生不均勻的玻璃體，抗熱沖擊(熱沖擊是溫度變化或者溫度梯度對(duì)爐襯產(chǎn)生的應(yīng)力。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)耐火材料的強(qiáng)度時(shí)，將使?fàn)t襯產(chǎn)生裂紋或者使原有裂紋擴(kuò)張)的性能降低，沒(méi)有足夠的可逆膨脹，產(chǎn)生的裂紋無(wú)法彌合。表1是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)渣樣進(jìn)行的能譜定量分析結(jié)果的實(shí)例。

從表1可以看出，渣樣中含28.68%SiO2，18.78%P2O5，84%K2O，28.79%CaO，其中P2O5來(lái)自脫氧劑，SiO2、K2O、CaO不能找到明確的來(lái)源，但是根據(jù)電化學(xué)原理，幾乎所有的電解質(zhì)的化學(xué)電位差在溫度升高時(shí)，都有大的變化趨勢(shì)，因此在溫度升高時(shí)，SiO2、P2O5、K2O、CaO等氧化物的電解質(zhì)與Al2O3，之間的電位差因溫度的升高都有變大的趨勢(shì)，因而反應(yīng)也會(huì)加劇。

從圖3三元相圖上看，在CaO-Al2O3-SiO2三元相存在低于1200℃的共熔點(diǎn)，共熔點(diǎn)處CaO：Al2O3：SiO2摩爾比為28：8：65，而渣中CaO：Al2O3：SiO2的摩爾比為56：7：60，滿足形成低共熔點(diǎn)的條件，所以高溫下，會(huì)加速該反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致?tīng)t襯高溫侵蝕嚴(yán)重，壽命顯著縮短。另外，渣中高含量的磷與爐襯有與上述相似的反應(yīng)機(jī)理，加速爐襯的侵蝕。因高溫加劇了耐火材料的高溫熔蝕，外界引入的P2O5，CaO和SiO2，在高溫下加速了耐火材料的高溫侵蝕。

過(guò)熱產(chǎn)生的原因：

(1)爐料架橋：一次性加料過(guò)多，上部爐料堆放過(guò)緊，爐料卡死、架空;爐料結(jié)構(gòu)不合理，上部料塊小、熔點(diǎn)高，下部料塊大，熔點(diǎn)低;爐壁不平滑，不利于爐料順行;爐料架橋后，與下部金屬熔池溫度脫離而不能有效的傳熱和熔化，停滯在低溫區(qū);下部熔池溫度則不斷升高。

(2)耐火材料中含有金屬(螺釘、焊渣等)，因局部感應(yīng)發(fā)熱致使耐火材料局部過(guò)熱。

(3)金屬滲透或裂紋滲透。

(4)熔煉金屬溫度過(guò)高，缺少溫度控制。

(5)原材料中的Al2O3、Fe2O3等雜質(zhì)會(huì)顯著降低爐襯材料的耐火度，也會(huì)在正常操作溫度下使?fàn)t襯表現(xiàn)為過(guò)熱現(xiàn)象。

(6)與操作有關(guān)的原因：造成快速的溫度變化、冷熱循環(huán);不正確的加熱程序、過(guò)早進(jìn)水等;火焰的沖擊;間斷性高功率;過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的低液面保溫。

(7)與材料有關(guān)原因：材料的晶型轉(zhuǎn)變速度;爐襯燒結(jié)的情況;爐襯松散層的厚度等。

穿爐現(xiàn)象表現(xiàn)為：大量金屬滲透在耐火材料裂紋中，如圖4所示。

穿爐會(huì)導(dǎo)致：在穿爐周圍的金屬滲透;爐襯的壽命明顯降低;早期的接地報(bào)警;潛在的金屬液鉆到線圈的風(fēng)險(xiǎn);干振料的整體燒結(jié)，沒(méi)有松散層;爐襯表現(xiàn)為持續(xù)不斷的從爐口膨脹;穿爐部位的氧化會(huì)造成局部耐火材料的侵蝕等。

形成穿爐的原因主要為冷熱循環(huán)形成的裂紋，包括水平裂紋、垂直裂紋及任意方向的裂紋。水平裂紋的形成原因主要是：①分層：不正確的筑爐方法，造成爐襯沒(méi)有形成致密的爐襯打結(jié)層;②爐襯依附：經(jīng)常出現(xiàn)在出液口與工作爐襯的結(jié)合部，可通過(guò)改變爐嘴的施工方法解決。垂直裂紋由冷熱沖擊引起，主要由不正確的冷卻工藝和再起熔工藝引起。任意方向的裂紋一般由機(jī)械碰撞或脫模引起。

爐襯剝落是耐火材料以塊狀或片狀從燒結(jié)的爐墻上脫落的一種現(xiàn)象，如圖5所示。

爐襯剝落產(chǎn)生原因有：

(1)不恰當(dāng)?shù)闹t或燒結(jié)致使?fàn)t襯未形成良好的燒結(jié)層引起爐襯剝落。

(2)水蒸氣：爐襯燒結(jié)時(shí)速度太快，耐火材料中的水分來(lái)不及排出。在高溫下H2O分解為H2和O2，根據(jù)理想氣態(tài)方程：PV=nRT，可知?dú)怏w的溫度迅速上升，氣體的壓力和體積乘積將迅速擴(kuò)大，體積迅速膨脹，壓力迅速增大的氣體將導(dǎo)致未燒結(jié)好的爐襯出現(xiàn)剝落。

(3)機(jī)械剝落：加料對(duì)爐襯尤其是爐底形成的反復(fù)沖擊是引起機(jī)械剝落的最主要原因。

(4)膨脹剝落：金屬液侵蝕爐襯后造成被金屬侵蝕的部位的熱膨脹率與未被侵蝕部位的熱膨脹率不一致，使得在兩者的界面處容易產(chǎn)生不規(guī)則應(yīng)力而造成爐襯脫落。

(5)擠壓剝落：常發(fā)生在爐底，由于加料對(duì)爐底的沖擊及金屬液的自重對(duì)爐底長(zhǎng)期的壓力引起。

(6)熱剝落：溫度快速變化，短時(shí)間內(nèi)波動(dòng)太快太大，造成耐火材料內(nèi)應(yīng)力大，產(chǎn)生崩裂，剝落而損毀。

侵蝕現(xiàn)象表現(xiàn)為爐襯變薄，坩堝直徑變大。侵蝕產(chǎn)生的原因有機(jī)械侵蝕和化學(xué)侵蝕。

（一）機(jī)械侵蝕

機(jī)械侵蝕由以下原因引起：

(1)爐料碰撞、摩擦。

(2)電磁攬拌，在與金屬液接觸的爐襯區(qū)域，金屬液在電磁攬拌作用下不斷地對(duì)爐襯進(jìn)行沖刷。

（二）化學(xué)侵蝕

1)熔融金屬反應(yīng)

鎂制爐襯對(duì)Fe、Mn、Ni的承受能力良好，而對(duì)C、Si的承受能力較弱，在高溫下金屬液中[C]、[Si]的活性增強(qiáng)，與爐襯表面的MgO發(fā)生界面反應(yīng)，使?fàn)t襯受損。采用硅質(zhì)爐襯溶煉時(shí)，SiO2與金屬液中的[C]發(fā)生以下反應(yīng)：SiO2(s)+2[C]→[Si]+2CO(g)。對(duì)于球鐵熔煉該反應(yīng)的平衡溫度為1467℃，灰鐵為1540℃，可鍛鑄鐵為1580℃。當(dāng)熔化溫度超過(guò)平衡溫度時(shí)，爐襯中的SiO2被[O]還原，爐襯變薄。

2)渣侵蝕

由于爐料中存在鐵銹、回爐料不干凈及金屬液高溫下被氧化等因素，產(chǎn)生大量的含F(xiàn)eO的爐渣。在熔煉過(guò)程中，熔渣由于受到電磁攪拌作用，其黏度明顯降低，在與爐襯表面接觸時(shí)滲入爐襯孔隙間。在高溫下，熔渣中的FeO與爐襯中的SiO2、Al2O3或MgO等產(chǎn)生渣化反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)物(如FeO·SiO2的熔點(diǎn)僅1170℃)，在高溫金屬液攪拌作用下極易熔化并很快離開(kāi)反應(yīng)區(qū)，進(jìn)入液中。爐襯材料的堿度與爐渣的堿度差越大，爐襯就越容易被侵蝕。

滲漏現(xiàn)象表現(xiàn)為金屬滲透在爐襯中。引起滲漏的原因有：

(1)筑爐密度太低;

(2)燒結(jié)層未形成之前金屬已經(jīng)熔融;

(3)化學(xué)反應(yīng)。

結(jié)渣現(xiàn)象變現(xiàn)為爐墻變厚，不光滑。結(jié)渣的原因?yàn)榻饘傺趸?、含渣子和砂的回料等在爐墻上引起附著。結(jié)渣對(duì)爐襯的影響表現(xiàn)為：①結(jié)渣是漂浮在金屬液上的不熔氧化物、硫化物或磷化物粘在金屬液流速低、熱損失的爐襯部位;②降低爐子容量;③降低爐子的熔化效率;④使隱藏在渣中的金屬容易過(guò)熱;⑤和爐襯耐火材料發(fā)生反應(yīng);⑥清渣時(shí)對(duì)爐襯易造成機(jī)械損傷;⑦改變掛渣部位爐襯的熱力學(xué)狀態(tài)。

石英砂爐襯結(jié)渣，回爐料中含石英砂(粘在鑄鐵表面的廢型砂)較多，這些沙子會(huì)沉在爐底、粘在爐壁上使?fàn)t襯增厚，嚴(yán)重時(shí)使?fàn)t底形成V字形，爐子容積變小。石英砂爐襯系酸性爐襯，酸性渣遇到酸性爐襯粘附，尤其在渣線位置固定，出鐵溫度較低的情況下，渣線位置結(jié)渣嚴(yán)重，影響加料和爐子容量。