無芯感應爐由于具有升溫能力強、可間歇作業、爐襯費用低、使用靈活方便等特點而被廣泛采用。目前正向高功率、快速熔化、大型化方向發展。
爐襯耐火材料是決定感應爐產量、鑄件質量及運行安全可靠性的一個重要因素。要獲得質量好、壽命長的感應爐襯,首先要了解無芯感應爐中爐襯耐火材料的工作環境。其中耐火材料工作環境的特點為:
(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,會對爐襯耐火材料產生機械損;
(3)爐襯耐火材料反復受到急冷急熱。
根據以上工作條件,爐襯耐火材料必須具有以下特性:
(1)具有相對于金屬液足夠高的耐火度和荷重軟化溫度;
(2)良好的熱穩定性;
(3)不與金屬熔渣及其熔化時所存在的成分等發生化學反應;
(4)具有高的高溫機械強度;
(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,燒結性能好,維修方便;
(7)資源豐富,價格低廉。
1爐襯的結構及所用耐火材料
1.1爐襯結構
傳統的爐襯結構是在緊靠線圈的部位鋪設一層云母紙,接下來是報警電極,再鋪設一層石棉板(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層、過渡層和未燒結層,合理的三層厚度結構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,出現了線圈絕緣保護膠泥,膠泥取代了云母層,同時給線圈增加了一層保護屏障。膠泥層一般較云母層厚,但導熱系數大大高于云母,因此稱含膠泥的爐襯結構為改良的爐襯結構。復合爐襯結構是為適應一些金屬的熔煉需要,用預燒成的坩堝(爐瓦)和填充料取代熱面層,這種結構解決了干式料較低溫度下難以燒結的問題,同時改善某些金屬熔液或渣對爐襯熔蝕較大的狀況。
1.2爐襯耐火材料感應爐用耐火材料按其性質分為酸性、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。在絕大部分場合,爐襯都使用不定形耐火材料,有時也要用一些定形耐火制品。耐火材料的材質應根據熔化金屬的種類、渣的性質、爐容量及操作條件等選定。無芯感應爐常用的耐火材料見下圖。 2感應爐用耐火材料材質的選擇
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、氧化鎂質、鎂尖晶石質等干式搗打料,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,僅國內用于煉鋼的20t感應爐就有近10臺,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展。因此,要求鑄鋼、特殊鋼熔化用爐襯耐火材料必須具有優良的高溫特性,即耐蝕、熱面不易產生裂紋、不易發生滲液、漏液等意外事故。現在鋁尖晶石質搗打料逐步取代其他材料,正在煉鋼感應爐上進行推廣。表3為熔化鑄鋼、特殊鋼用爐襯材料的特性。 鎂質搗打料是以電熔鎂砂為主要原料的爐襯耐火材料,具有熔點高、耐蝕性優、荷重軟化溫度高等優點,尤其對堿性熔液、熔渣顯示出十分良好的化學穩定性。但是它的熱膨脹系數較大,燒結溫度高,作業中由于膨脹、收縮,爐襯會產生龜裂及剝落,因此這種材料對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良,熱膨脹系數小于方鎂石,在使用過程中由于二次尖晶石化產生的膨脹能抑制龜裂紋的產生和擴展,可廣泛用于1t左右的感應熔煉爐。但對于1t以上的爐子來說,由于爐殼直徑增大,溫度急變產生的龜裂紋的擴大很難避免,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。電熔剛玉熔點高,具有優良的耐蝕性,與方鎂石和尖晶石相比,剛玉具有熱膨脹系數小,熱態體積穩定性好等優點,同時使用過程中二次尖晶石化所產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爐,近年來由于中頻、變頻感應熔煉爐具有高效、節能等種種優點,新安裝的鑄鐵感應爐,中頻爐、變頻爐占了相當的比重。
鑄鐵感應爐用爐襯耐火材料一般選用酸性的石英質搗打料。在國內大都采用廉價的天然石英質搗打料。天然石英在使用中雖因SiO2的晶型轉變會發生急劇膨脹,但由于β-石英※α-石英的晶型轉變是不可逆的,冷卻時會保留下來,因此爐襯熱面不易產生裂紋,可以獲得穩定可靠的使用壽命。但是由于SiO2的熱膨脹系數較大,抗熱沖擊性能差,要求爐子操作不能倒空,連續操作較為理想。目前國內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。感應爐容量越大,對晶粒的要求越高。
在國外,熔融石英用于鑄鐵感應爐比較多見。與天然石英質搗打料相比,熔融石英搗打料具有熱膨脹系數小、抗熱沖擊性能優的特點,同時克服了天然石英在長期使用過程中燒結層較厚甚至燒透的現象,保留了足夠厚的未燒結層,避免裂紋穿透,確保爐子安全穩定地運行。據報道,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300爐次。
2.3熔化有色金屬感應爐用耐火材料
2.3.1銅及銅合金感應爐用耐火材料
目前常用于銅及銅合金無芯感應爐的爐襯系統,主要有剛玉質和石英質干式搗打料,還有預成型的石墨坩堝及碳化硅坩堝,坩堝的背襯為不燒結的填充料。石英質搗打料成本低，且筑爐方便,在300~700kg爐子中最多可使用200爐次,當工作溫度提高、工作環境更苛刻時,剛玉質爐襯就顯示出其優越性,使用壽命較長,但材料的成本比石英質提高7~8倍。預合成的粘土結合石墨坩堝和碳化硅坩堝的突出優點是可以快速更換,節省燒結時間,同時采用石墨作結合劑可以增加坩堝的電導率,從而使感應爐的電效率提高,坩堝內的溫度自然也高。但是這種爐襯的熱損失較大,節能效果差,其更換方便和不須燒結的優點及節能效益,未必能補償成型坩堝與剛玉質爐襯之間的成本差額,同時坩堝內的攪拌作用降低,對爐溫均勻性不利。另外在連續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或高鋁質搗打料和澆注料,以上料的筑爐和烘烤周期較長,要求連續使用,一般使用壽命可達到一年以上。
?2.3.2鋁及鋁合金感應爐用耐火材料
無芯感應熔鋁爐特別是中頻感應爐由于加熱速度快、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、莫來石質爐襯,這些材料的施工和烘烤周期長,要求連續工作,使用效果較好,一般壽命在一年以上。但由于操作復雜,條件苛刻,目前使用者較少。
2、復合爐襯由于筑爐簡便、烘爐時間短而被廣泛采用。其熱面采用預燒成的坩堝或爐瓦,線圈采用絕緣膠泥保護,中間填充以抗滲、止漏的干式耐火材料,使用效果較好,但坩堝加工周期長、坩堝的尺寸不夠準確等因素限制了復合爐襯的推廣應用。
3、干式搗打料的出現克服了以上兩種爐襯的缺點,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,但使用穩定。該料的品種有石英質、莫來石質、剛玉質等幾種。
同時,選擇爐襯材料時,必須注意到金屬鋁強烈的還原作用。我們經常可以觀察到化鋁爐爐襯內壁有堅硬的蘑菇狀沉積物,這種沉積物是鋁在熔化過程中產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添加劑可以改善這一趨勢。如果爐襯材料中存在有游離的SiO2,它與鋁液接觸時將被還原成硅,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進一步反應生成尖晶石,這個過程的體積變化將導致爐襯表面層的剝落。
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