铝合金熔化炉熔池内衬刚玉瘤成因及对策

1、2) 美国联合矿产( 天津) 有限公司 天津 300459摘 要 铝合金熔化炉熔池内衬刚玉瘤的形成与扩展是熔池内衬耐火材料破损的重要原因。铝合金熔化炉熔池内衬耐火浇注料和刚玉瘤的化学分析结果显示，刚 玉 瘤 中 al2 o3 的 质 量 分 数 为 94% ，远高于原浇注料 的61 0% 。分析认为，铝及其合金元素与耐火材料间的化学反应，铝液液面的氧化反应，炉内温度过高是刚玉瘤形成的原因，而且冶炼过程中加入的助熔剂或清渣剂加速了对内衬耐火材料的渗透。据此提出了降低刚玉瘤形成及减轻内衬损毁的对策。关键词 铝合金，熔化炉，熔池，耐火浇注料，刚玉瘤铝熔化炉炉衬膨胀破损机制主要是侵蚀反应，即刚玉化矿物

2、 相 ( 俗 称 刚 玉 瘤) 的 生 成，其 主 要 成 分 为 al2 o3 、mgal2 o4 、al 及少量 si 等。这种坚硬的暗灰色 的瘤状生成物，不仅引起炉子容积减小，而 且 还 引 起 耐火材料体积膨胀，并不断向炉衬内部扩展，使 炉 衬 裂纹加剧，造成恶性 循 环; 图 1 示出了刚玉瘤对铝合 金熔化炉熔池侧墙的破坏情况。图 2 炉体金属结构变形情况fig 2 deformation of furnace metal structure熔池侧墙及 炉 气 三 相 ( 液、固、气) 交界处尤为严重 对刚玉瘤取样进行了检测。该部位原炉衬耐火浇注料和刚玉瘤的化学组 成见表 1，刚玉瘤

3、试样的 xrd 图谱见图 3。表 1 熔池炉衬材料和刚玉瘤的化学组成(w)table 1 chemical compositions of furnace lining material in图 1 刚玉瘤对铝合金熔化炉熔池侧墙的破坏情况fig 1 damage status of corundum skull on side wall of melt-ing pool in al alloys melting furnace刚玉瘤形成严重时还会使炉体金属结构变形( 如 图 2 所示) ，大大降低熔化炉的使用寿命。有关铝合金熔化炉炉衬损毁机制方面的研究报 道较少。本工作 中，对这一问题进行了研

4、究，并 提 出 了相应的对策。melting pool and corundum skull%al2 o3sio2tio2k2 o试样caomgofeo其他炉衬材料 61 034 14 51 70 71 40 10 90 10 3刚玉瘤940 40 2从以上检测结果来看，刚玉瘤中 al2 o3 的质量分数为 94% ，远远高于炉衬耐火浇注料原有 al2 o3 的含量，说明炉衬耐火材料在使用过程中确实发生了刚玉化过程。1刚玉瘤的化学矿物组成某铝合金熔化炉在使用 2 年多后，发现在熔池侧张路宁:男，1957 年生，硕士，副教授。e-mail:zln neu-sanken com收稿日期:20110

5、505*墙上出现了较为严重 的 刚 玉 瘤 ，特别是铝液液面 、编辑:黄卫国甚至更高。研究表明，刚玉瘤生长速度与温度有很大关系，会随着温度的提高而加速生成，如图 5 所示。图 3 刚玉瘤的 xrd 图谱fig 3 xrd pattern of corundum skull2刚玉瘤成因分析2 1铝及合金元素与耐火材料间的化学反应铝合金中的铝及合金元素会与炉衬耐火材料中 的 fe2 o3 、tio2 、cr2 o3 等杂质以及游离 sio2 发生以下 化学反应:4al + 3sio2 3si + 2al2 o3 ，2mg + sio2 si + 2mgo，6al + 3fe2 o3 6fe + 3

6、al2 o3 ，6al + 3cr2 o3 6cr + 3al2 o3 ，3mg + fe2 o3 2fe + 3mgo，3mg + cr2 o3 2cr + 3mgo，mgo + al2 o3 mgo·al2 o3 。( 1)( 2) ( 3) ( 4)( 5)( 6) ( 7)氟和碱金属的作用对另一台铝合金熔化炉中受损的内衬耐火材料 取样进行了 化 学 分 析，结 果 见 表 2。钠、钾 和 氟 元 素 来源于日常操作中加入的助熔剂或清渣剂，它们与耐 火材料发生化学反应，形成六氟酸钠和六氟酸钾或者 氟硅酸钠 和 氟 硅 酸 钾，反 应 过 程 是 一个体积膨胀过 程。同时，氟盐的

7、 熔 点 极 低，在炉内正常工作温度下 将加速对耐火材料的渗透。表 2 受损耐火材料的组成(w)2 4反应形成的刚玉相最初形成于炉衬表面，但随着反应的进行会逐渐向炉衬内部蔓延，并与耐火材料紧密结 合。反应( 1) 、( 2) 会导致铝液中增硅，提高铝液的流动性，使铝液更容易渗入炉衬耐火材料中，从 而 加 剧刚玉相的 生 成 反 应。反 应 ( 7 ) 为镁铝尖晶石 形 成 反 应，反应过程伴有体积膨胀，会使炉衬表面剥落，进一 步加剧侵蚀过程。2 2 铝液表面的氧化在铝液液面、熔池侧墙及炉气三相( 液、固、气) 交 界处，铝液 因 接 触 空气而首先被氧化，形 成 膨 松 物。 同时，由于炉衬材

8、料中微小裂纹的存在，液 面 以 下 的 铝液会在毛细管作用下沿炉墙向膨松物内部渗透，再 经氧化形成刚玉相。这个过程持续进行，刚玉相不断 成长结瘤，且极易粘附在炉墙上。这种结瘤如果仅仅 粘附在炉衬表面，则较 容 易 清 除，但如果蔓延到耐火 材料内部 则 很 难 清 除。刚玉瘤的形成示意图如图 4 所示。table 2 compositions of damaged refractories%元素alsinakf含量62 2254 54 50 83对策3 1正确选择炉衬材料应首先了解铝合金熔化料的种类及成分，并据此 选定合适的炉衬材料。不采用那些在使用过程中易 产生 游 离 sio2 的 耐 火

9、 材 料。 高纯莫来石基产品 matripump 71acx 和 matripump 72acx 及 含 抗 氟盐添加剂的耐火材料，具有更好的抗化学侵蚀和抗3 3规范生产操作生 产 实 践 表 明，炉子的寿命同使用过程有很大 成致密的烧结整体;( 3) 不同的凝固面设计使炉衬热面的温度和炉衬关系:( 1) 超产会大大降低炉子的使用寿命，因为在熔 池铝液受热面积一定的情况下，为尽快提高铝液温度 必然要提高熔池炉气温度，进而会加重铝液对耐火材 料的侵蚀。( 2) 熔化过程中炉墙“挂渣”是不可避免的，但一 定要及时清理，否则，一旦形成刚玉化矿物且向炉内 扩展，就会加速耐火材料的破损。( 3) 应合理

10、选择清渣剂，减轻对耐火材料基质的 破坏。如，含盐和不含盐的铝液对耐火材料的侵蚀情 况对比见图 6。可 以 看 出，在 相 同 条 件 下，含 盐 铝 液 对耐火材料的侵蚀更严重。内热流分布不同，对工作炉衬的侵蚀不同，见图 7。图 7 凝固面设计对炉衬热面温度和炉衬内热流分布的影响fig 7 effect of solidification face design on hotface tempera ture and heat flow distribution of furnace lining4结语铝合金熔化炉炉衬耐火材料的损毁过程是一 个极其复杂的物理化学 过 程，取决于多方面的原因，归

11、纳起来有: 机械冲击与 磨 损，铝及合金元素与耐火 材料间的化学反应，炉内温度及压力超高，助 熔 剂 及 清渣剂中盐类的影响，清渣操作不到位。十几年的跟踪调查发现，选择合适的耐火材料并及时清渣，是减轻铝合金熔化炉炉衬耐火材料损毁的图 6 含盐和不含盐铝液对耐火材料的侵蚀(982 ，72 h)最重要因素。近年来，通过加强这方面的研究及改进fig 6 corrosion of liquid alrefractorieswithandwithoutsalinityon工作，铝合金熔化炉炉衬耐火材料的损毁问题已有很3 4合理设计炉体结构一个炉衬系统的运行状况不光与工作炉衬的性大改观。( 下转 451

12、页)( 2) 应用改型滑板。加大滑板尺寸，将下滑板与滑动小车内腔之间的距离由 2 5 mm 缩小到 1 5 mm， 同时在下滑板子母口处增加定位台，最大程度降低松 动空间。( 3) 改进水口机构护板设计。为防止顶紧套与挡 渣板碰撞 造成下水口松动，将 机 构 护板上的挡渣板 拆除。( 4) 保证水口机构与顶紧套的加工精度。对顶紧 套齿轮的锥度以及与机构本体和下水口的啮合情况、 加工精度等进行严格检查，防止顶紧套出现高点或出 现由面接触变为线接 触 或 点 接 触，造成摩擦力降低， 从而导致松动等情况的发生。( 5) 及时清理连铸钢包长水口以及锥形支撑环内 的冷钢，最大程度地降低长水口与锥形支撑

13、环之间的 摩擦力，防止控流时长水口推动下水口松动。( 6) 每炉检查顶紧套的磨损情况，发现毛刺、凹沟等现象及时更换顶紧套; 同时及时清理转炉炉下及精炼炉道轨内的大块积渣，确保在钢包运行过程中积渣 不碰撞下水口。4结语莱钢特钢事业部通过优质钢钢包滑动水口多连 滑的设计优化与改进，实现了优质钢全保护浇注生产条件下钢包滑动水口的三炉连滑，可实现钢包的快速 热周转，满足生产节奏 要 求，同时也可有效降低职工 劳动强度以及生产成本。参考文献1高海潮，朱伦才，陈岩松，等 钢包滑动水口滑板多炉连续使用技术j 炼钢，2002，18( 1) : 57 60郭连英，夏春学，李 熙 锋 钢包滑动水口存在的问题及解决

14、方法 j 耐火材料，2005，39( 6) : 473 4742optimization and improvement of repeat sliding of ladle slide nozzle / chen liang / / naihuo cailiao 2011，45( 6) : 449to solve the problems of easy corrosion of slide gate surface and easy loosening of lower nozzle under the total protection casting of quality steel，l

15、adle slide nozzle for 3 repeat slidings was realized by improving nozzle structure，optimizing slide nozzle design，analyzing the loosening reason of lower nozzle and taking the corresponding measureskey words: quality steel，slide nozzle，repeat slidingauthors address: special steel department，laiwu st

16、eel co ，ltd ，laiwu 271126，shandong ，china檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷( 上接 448 页)causes and countermeasures of corundum skull in refractory lining of aluminum alloy melting furnace bath / zhang luning，he shengping / / naihuo cailiao 2011，45( 6) : 446the formation and extension of

17、corundum skull on the refractory lining are the main damage reasons of alu- minum alloy melting furnaces the chemical compositions of refractory castables and the corundum skull from the aluminum alloy melting furnace bath were analyzed the result shows that the mass percent of al2 o3 is 94% in the

18、corundum skull，much higher than 61% in the original castables it is analyzed that the corundum skull is caused by the chemical reactions between al and its alloys and the refractories，the oxi- dation of the molten aluminum surface，the excess high temperature in the furnace，etc besides，the flux fastens the penetration to refractory lining based on the analysis，the countermeasures to decrease the co- rundum