無芯感應(yīng)爐由于具有升溫能力強(qiáng)、可間歇作業(yè)、爐襯費(fèi)用低、使用靈活方便等特點(diǎn)而被廣泛采用。目前正向高功率、快速熔化、大型化方向發(fā)展。
爐襯耐火材料是決定感應(yīng)爐產(chǎn)量、鑄件質(zhì)量及運(yùn)行安全可靠性的一個(gè)重要因素。要獲得質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)的感應(yīng)爐襯,首先要了解無芯感應(yīng)爐中爐襯耐火材料的工作環(huán)境。其中耐火材料工作環(huán)境的特點(diǎn)為:
(1)爐襯厚度薄,爐襯材料的溫度梯度很大;
(2)爐中金屬液電磁攪拌能力強(qiáng),會(huì)對(duì)爐襯耐火材料產(chǎn)生機(jī)械損;
(3)爐襯耐火材料反復(fù)受到急冷急熱。
根據(jù)以上工作條件,爐襯耐火材料必須具有以下特性:
(1)具有相對(duì)于金屬液足夠高的耐火度和荷重軟化溫度;
(2)良好的熱穩(wěn)定性;
(3)不與金屬熔渣及其熔化時(shí)所存在的成分等發(fā)生化學(xué)反應(yīng);
(4)具有高的高溫機(jī)械強(qiáng)度;
(5)具有好的隔熱性和絕緣性;
(6)材料的施工性能好,填充密度高,燒結(jié)性能好,維修方便;
(7)資源豐富,價(jià)格低廉。
1爐襯的結(jié)構(gòu)及所用耐火材料
1.1爐襯結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的爐襯結(jié)構(gòu)是在緊靠線圈的部位鋪設(shè)一層云母紙,接下來是報(bào)警電極,再鋪設(shè)一層石棉板(布),其后是干式搗打熱面爐襯。干式熱面在烘烤和使用過程中逐步形成燒結(jié)層、過渡層和未燒結(jié)層,合理的三層厚度結(jié)構(gòu)是決定爐襯壽命的重要因素之一。為了滿足底頂出式拆爐方式的需要,出現(xiàn)了線圈絕緣保護(hù)膠泥,膠泥取代了云母層,同時(shí)給線圈增加了一層保護(hù)屏障。膠泥層一般較云母層厚,但導(dǎo)熱系數(shù)大大高于云母,因此稱含膠泥的爐襯結(jié)構(gòu)為改良的爐襯結(jié)構(gòu)。復(fù)合爐襯結(jié)構(gòu)是為適應(yīng)一些金屬的熔煉需要,用預(yù)燒成的坩堝(爐瓦)和填充料取代熱面層,這種結(jié)構(gòu)解決了干式料較低溫度下難以燒結(jié)的問題,同時(shí)改善某些金屬熔液或渣對(duì)爐襯熔蝕較大的狀況。
1.2爐襯耐火材料感應(yīng)爐用耐火材料按其性質(zhì)分為酸性、中性、
堿性三種類型,按施工方法分為干式搗打料、濕式搗打料、澆注料、涂抹料等。在絕大部分場(chǎng)合,爐襯都使用不定形耐火材料,有時(shí)也要用一些定形耐火制品。耐火材料的材質(zhì)應(yīng)根據(jù)熔化金屬的種類、渣的性質(zhì)、爐容量及操作條件等選定。無芯感應(yīng)爐常用的耐火材料見下圖。 2感應(yīng)爐用耐火材料材質(zhì)的選擇
2.1熔化鑄鋼、特殊鋼用爐襯材料
目前,熔化鑄鋼、特殊鋼多使用500kg以下的中頻爐,爐襯一般使用石英質(zhì)、氧化鎂質(zhì)、鎂尖晶石質(zhì)等干式搗打料,壽命一般為50~150爐次。
近年來,爐容量在1t以上的熔化和保溫爐逐漸增多,僅國(guó)內(nèi)用于煉鋼的20t感應(yīng)爐就有近10臺(tái),且正在向多品種熔煉、高溫熔煉和高功率快速熔化的方向發(fā)展。因此,要求鑄鋼、特殊鋼熔化用爐襯耐火材料必須具有優(yōu)良的高溫特性,即耐蝕、熱面不易產(chǎn)生裂紋、不易發(fā)生滲液、漏液等意外事故?，F(xiàn)在鋁尖晶石質(zhì)搗打料逐步取代其他材料,正在煉鋼感應(yīng)爐上進(jìn)行推廣。表3為熔化鑄鋼、特殊鋼用爐襯材料的特性。 鎂質(zhì)搗打料是以電熔鎂砂為主要原料的爐襯耐火材料,具有熔點(diǎn)高、耐蝕性優(yōu)、荷重軟化溫度高等優(yōu)點(diǎn),尤其對(duì)堿性熔液、熔渣顯示出十分良好的化學(xué)穩(wěn)定性。但是它的熱膨脹系數(shù)較大,燒結(jié)溫度高,作業(yè)中由于膨脹、收縮,爐襯會(huì)產(chǎn)生龜裂及剝落,因此這種材料對(duì)500kg以下的爐子比較合適。
鎂尖晶石搗打料是以鎂砂為主要原料,添加尖晶石原料制成的。尖晶石在高溫下抗渣性優(yōu)良,熱膨脹系數(shù)小于方鎂石,在使用過程中由于二次尖晶石化產(chǎn)生的膨脹能抑制龜裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,可廣泛用于1t左右的感應(yīng)熔煉爐。但對(duì)于1t以上的爐子來說,由于爐殼直徑增大,溫度急變產(chǎn)生的龜裂紋的擴(kuò)大很難避免,因此鎂尖晶石搗打料在1t以上的爐子上難以獲得穩(wěn)定理想的使用壽命。
鋁尖晶石搗打料以電熔剛玉為主要原料,添加適量尖晶石原料和外加劑制成的。電熔剛玉熔點(diǎn)高,具有優(yōu)良的耐蝕性,與方鎂石和尖晶石相比,剛玉具有熱膨脹系數(shù)小,熱態(tài)體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)使用過程中二次尖晶石化所產(chǎn)生的體積膨脹能有效地抑制爐襯的龜裂。
因此,使用鋁尖晶石質(zhì)搗打料作爐襯材料,爐襯熱面龜裂明顯獲得控制,微裂紋顯著減少。目前這種材料在3~5t爐子上的使用壽命達(dá)到200~400爐次。
2.2用于鑄鐵熔化和保溫的爐襯材料
以前熔化鑄鐵大都使用工頻感應(yīng)爐,近年來由于中頻、變頻感應(yīng)熔煉爐具有高效、節(jié)能等種種優(yōu)點(diǎn),新安裝的鑄鐵感應(yīng)爐,中頻爐、變頻爐占了相當(dāng)?shù)谋戎亍?br /> 鑄鐵感應(yīng)爐用爐襯耐火材料一般選用酸性的石英質(zhì)搗打料。在國(guó)內(nèi)大都采用廉價(jià)的天然石英質(zhì)搗打料。天然石英在使用中雖因SiO2的晶型轉(zhuǎn)變會(huì)發(fā)生急劇膨脹,但由于β-石英※α-石英的晶型轉(zhuǎn)變是不可逆的,冷卻時(shí)會(huì)保留下來,因此爐襯熱面不易產(chǎn)生裂紋,可以獲得穩(wěn)定可靠的使用壽命。但是由于SiO2的熱膨脹系數(shù)較大,抗熱沖擊性能差,要求爐子操作不能倒空,連續(xù)操作較為理想。目前國(guó)內(nèi)這類爐襯的使用壽命為60~150爐次。
值得注意的是,并不是SiO2<98%的石英砂都可以用作感應(yīng)爐爐襯,更重要的是石英晶粒的尺寸,晶粒越粗大、晶格缺陷越少越好。感應(yīng)爐容量越大,對(duì)晶粒的要求越高。
在國(guó)外,熔融石英用于鑄鐵感應(yīng)爐比較多見。與天然石英質(zhì)搗打料相比,熔融石英搗打料具有熱膨脹系數(shù)小、抗熱沖擊性能優(yōu)的特點(diǎn),同時(shí)克服了天然石英在長(zhǎng)期使用過程中燒結(jié)層較厚甚至燒透的現(xiàn)象,保留了足夠厚的未燒結(jié)層,避免裂紋穿透,確保爐子安全穩(wěn)定地運(yùn)行。據(jù)報(bào)道,該搗打料用于500kg~10t的爐子爐襯壽命通常為250~450爐次,20t爐子的使用壽命達(dá)300爐次。
2.3熔化有色金屬感應(yīng)爐用耐火材料
2.3.1銅及銅合金感應(yīng)爐用耐火材料
目前常用于銅及銅合金無芯感應(yīng)爐的爐襯系統(tǒng),主要有剛玉質(zhì)和石英質(zhì)干式搗打料,還有預(yù)成型的石墨坩堝及碳化硅坩堝,坩堝的背襯為不燒結(jié)的填充料。石英質(zhì)搗打料成本低，且筑爐方便,在300~700kg爐子中最多可使用200爐次,當(dāng)工作溫度提高、工作環(huán)境更苛刻時(shí),剛玉質(zhì)爐襯就顯示出其優(yōu)越性,使用壽命較長(zhǎng),但材料的成本比石英質(zhì)提高7~8倍。預(yù)合成的粘土結(jié)合石墨坩堝和碳化硅坩堝的突出優(yōu)點(diǎn)是可以快速更換,節(jié)省燒結(jié)時(shí)間,同時(shí)采用石墨作結(jié)合劑可以增加坩堝的電導(dǎo)率,從而使感應(yīng)爐的電效率提高,坩堝內(nèi)的溫度自然也高。但是這種爐襯的熱損失較大,節(jié)能效果差,其更換方便和不須燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)及節(jié)能效益,未必能補(bǔ)償成型坩堝與剛玉質(zhì)爐襯之間的成本差額,同時(shí)坩堝內(nèi)的攪拌作用降低,對(duì)爐溫均勻性不利。另外在連續(xù)使用的大型無芯爐上,可以使用與有芯爐襯類似的莫來石質(zhì)或高鋁質(zhì)搗打料和澆注料,以上料的筑爐和烘烤周期較長(zhǎng),要求連續(xù)使用,一般使用壽命可達(dá)到一年以上。
?2.3.2鋁及鋁合金感應(yīng)爐用耐火材料
無芯感應(yīng)熔鋁爐特別是中頻感應(yīng)爐由于加熱速度快、易于變換金屬品種、占地面積小,近年來發(fā)展較快。目前其爐襯材料主要有以下幾種:
1、澆注或濕式搗打成型的高鋁質(zhì)、莫來石質(zhì)爐襯,這些材料的施工和烘烤周期長(zhǎng),要求連續(xù)工作,使用效果較好,一般壽命在一年以上。但由于操作復(fù)雜,條件苛刻,目前使用者較少。
2、復(fù)合爐襯由于筑爐簡(jiǎn)便、烘爐時(shí)間短而被廣泛采用。其熱面采用預(yù)燒成的坩堝或爐瓦,線圈采用絕緣膠泥保護(hù),中間填充以抗?jié)B、止漏的干式耐火材料,使用效果較好,但坩堝加工周期長(zhǎng)、坩堝的尺寸不夠準(zhǔn)確等因素限制了復(fù)合爐襯的推廣應(yīng)用。
3、干式搗打料的出現(xiàn)克服了以上兩種爐襯的缺點(diǎn),是目前使用最廣泛的化鋁爐爐襯,雖然使用壽命不及前兩種材料,但使用穩(wěn)定。該料的品種有石英質(zhì)、莫來石質(zhì)、剛玉質(zhì)等幾種。
同時(shí),選擇爐襯材料時(shí),必須注意到金屬鋁強(qiáng)烈的還原作用。我們經(jīng)?？梢杂^察到化鋁爐爐襯內(nèi)壁有堅(jiān)硬的蘑菇狀沉積物,這種沉積物是鋁在熔化過程中產(chǎn)生氧化而形成的氧化鋁微晶的聚集物。在爐襯材料中加入一定的不浸潤(rùn)添加劑可以改善這一趨勢(shì)。如果爐襯材料中存在有游離的SiO2,它與鋁液接觸時(shí)將被還原成硅,硅再與鋁形成硅鋁合金,存在于材料中或粘附在爐襯的表面。如果金屬液中含有金屬鎂,鎂氧化后生成的MgO與Al2O3進(jìn)一步反應(yīng)生成尖晶石,這個(gè)過程的體積變化將導(dǎo)致爐襯表面層的剝落。
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