浅谈水平连铸感应电炉熔沟断裂

1、第39卷第2期有色金属加工Vo l 139No 122010年4月NON FERROU S M ET ALS PRO C ESS I N GAp ril 2010浅谈水平连铸感应电炉熔沟断裂周俊芳, 王云龙(浙江海亮股份有限公司浙江诸暨311814摘要:有芯熔沟式感应炉因具有加热速度快, , 。水平连铸TP2管坯一般采用有芯熔沟式感应加热, 当熔沟断裂时, 最终造成死炉事故, 出现死炉后就会使炉体报废, 、停炉启动升温、正常浇铸过程行探讨, , , 提高炉体使用寿命。关键词:水平连铸; 停炉启熔; 凝固顺序中图分类号:TG291文献标识码:A 文章编号:1671-6795(2010 02-00

2、22-04 收稿日期:2009-02-19由于有芯熔沟式感应炉因具有加热速度快, 热效率高、金属烧损少、质量好、投资低等一系列优点, 被广泛用于熔炼铜及铜合金。我厂水平连铸采用有芯感应电炉进行熔化, 其工作原理相当于短路状态下工作的变压器, 通电线圈相当于变压器的一次线圈, 其熔沟(感应体 相当于变压器的二次线圈。当一次线圈通电后, 熔沟内的金属由于产生感应电流而被熔化。当热量传到炉膛时, 又使其炉膛内金属的温度不断上升, 使金属熔化。然而长期以来, 熔沟断裂事故一直是该种电炉生产的主要问题, 若处理不当极易造成死炉, 使炉体报废, 生产线全线停产, 进而给企业带来巨大的经济损失。本文在生产工

3、艺实践的基础上对水平连铸使用的有芯感应电炉熔沟断沟机理进行了分析, 提出了预防与控制断沟的措施, 以期最大限度地防止设备事故的发生。1熔沟热断裂的原因分析有芯熔沟式感应炉采用感应加热, 其熔沟(感应体 相当于变压器的二次线圈。当一次线圈通电后, 熔沟内的金属由于产生感应电流而被加热。熔沟一旦断裂, 感应器便处于断路状态, 此时二次电流为零, 铜液在电炉内不再循环, 炉子就失去了熔炼能力。可以说熔沟是有芯感应铜炉的要害。生产过程中我们发现熔沟在新炉子启动升温、停炉启动升温、正常浇铸过程中如控制不当熔沟都会出现出现熔沟断裂事故。1. 1开炉时断沟在新炉开炉过程中, 若预先放置的熔沟是铸造件, 难免

4、存在有夹渣、气孔、裂纹、晶间裂纹等铸造缺陷, 这些缺陷分布在晶界上。由于夹渣和气孔难于被晶体润湿, 留有细小的微孔, 另外当熔沟温度逐渐升高时, 捣打料中的水汽会被吸出, 铜熔沟基体就不连续, 在高温烘烤过程中熔沟处于高应力和低温度状态。熔沟内晶界此时将产生滑动和扩散, 当滑动扩散到有铸造缺陷部位就会产生应力集中。在高温的作用下, 晶粒边界快速移动。再加上微孔和气体作用必定导致晶间裂纹或穿晶裂纹而萌生裂纹形核。原子的排列与两颗晶粒内部比较是歪曲、并逐渐变化的。由于高温将位错的钉扎降低, 晶粒边界处金属的强度会显著降低。由于金属往复运动加速热运动, 扩大了裂口, 最终导致宏观裂纹出现, 虽然铜受

5、热体积膨胀, 但往往膨胀部分的体积无法填充上述缺陷形成的裂纹。当新开炉时只要出现熔沟温度过低、上下部温差过大、输入功率过大等任何一种情况下, 都会产生熔沟断裂。另外在筑炉过程中, 熔沟与水套距离最近周围捣打料捣打不紧密, 水冷套冷却水流量大, 炉膛温度低, 第2期有色金属加工 熔沟升温等工艺因素控制不当, 都可能造成断沟。新炉捣打时采用的是新熔沟, 在升温烘炉时, 熔沟的顶部与炉膛的底部连接(AB 弧、AD 弧 , 通过热交换, 散热面积大, 散热速度快, 升温较慢。而熔沟的下半圆部分全部被捣打料包裹(BC 弧CD 弧 , 石英砂热交换能力差, 且该部分横断面小, 电流密度大, 因此总是该部位

6、先熔化, 熔化的铜液逐渐向上方移动, 随着时间延长。熔沟存在夹渣、气孔、缩孔等缺陷如果进入铜液内部时, 不会存在熔沟断裂, 当在熔化过程出现长时间断电或者水压异常变动时, , 下部已经处于液态的金属收缩, , 界断裂; , 边界显得比本身强度大得多, 虽不能沿晶界断裂, 但它可以因直接穿过晶粒本身而断裂。裂口使熔沟多处截面的电阻不同, 在电阻大的地方, 产生的热量就多, 这时使用钳形电流表出现剧烈摆动。当熔沟一旦出现宏观断裂, 二次绕组便处于断路状态而无法工作。温度随之下降, 熔沟内将出现膨胀不均匀产生的应力, 加大了裂纹宽度, 造成死炉。1. 2停炉后重新启动断熔沟水平连铸熔沟式感应电炉的特

7、点是适合于连续生产, 尤其是新的电炉内部石英砂没有烧结完成前, 停炉后再次启动时炉体不仅要经历两次热胀冷缩, 还增加了停炉及以后开炉时断沟的危险性。所以炉体在投入使用后除非特殊情况, 其他时间严禁停炉。停炉后重新启动熔沟断裂的可能性很大, 因此必须对停炉后重新启动断熔沟给予关注。1. 2. 1冷凝收缩断裂停炉后炉内通常有一层厚度为200mm 的金属与两条熔沟相连, 金属液凝固时, 在上部金属与下部熔沟之间由于冷却补缩不充分而形成大面积中间缩孔(见图2 如果这时脱氧不彻底, 在熔沟处有大量气泡, 下层冷凝收缩时会在A 、B 、C 三个区域由于拉应力作用产生断裂, 笔者对发生停炉启熔断裂熔沟进行观

8、察, 发现所有断裂位置均在这3个区域, 因此可以认为这三个区域是当重新启熔时断裂高发区。在生产过程应对这3个断裂高发区域给予重视。1. 2. 2低温转高温断裂在生产中发现, 停炉后重新启动后紫铜熔沟在150V -180V 极易发生断裂。由于固液面附近凝固收缩产生的中间缩孔, 为气孔的形成和长大提供了有利条件, 因而促进了气孔在支晶间及晶体边界的形成和长大。沿晶体分布的气孔相连为一薄弱的晶界结构环节。由于平衡氢分压及沿晶分布类杂质等的存在, 就有利于沿晶裂口的扩展。氢从固溶体中析出并偏聚, 含氢的铜在300600区间, 在拉应力作用下,氢又从溶体中析出, 并在不致密(晶界 聚集, 在处于高压状态

9、时使铜开裂。则晶界有稍多气孔的熔沟在高温和拉应力的作用下, 。再, , 。特别(沿晶成串气孔部分 尤其明显, 导, 裂口速度加快, 而使紫铜熔沟在低温阶段转入高温阶段就断裂。1. 3正常使用时发生熔沟断裂熔沟断裂事故较多发生在停炉重新启熔过程, 但笔者曾经见到过前一套铸造模具正常使用, 更换模具以后升温时出现熔沟断裂情况, 这种情况虽然很少见, 但笔者认为应该对这种情况成因进行必要的探讨。出现这种情况下熔沟断裂无外乎以下4种情况造成的。1. 3. 1全压高温加热模具更换完成后, 进入加料升温阶段, 操作时为了加快熔化速度常常将熔化炉电压升高, 而水平连铸电炉的热电偶放置在保温炉内, 熔化炉与保

10、温炉通过保温炉熔沟相连, 金属液体流动缓慢, 这样热电偶读出的温度具有强烈的滞后, 熔化炉已经达到1200, 热电偶温度还是1120, 当温度超过1300后会造成石英砂上浮, 在熔沟内部胶结析出形成熔瘤, 使熔沟截面积变小。正常情况熔瘤在电场力的推动下会上升到铜液表面, 如果此时操作人员发现熔化炉温度过高而采用停止为熔化炉熔沟供电的方法进行降温, 随着熔化电流降为0, 熔沟内铜液不再流动, 温度随之下降, 熔瘤就凝固留在熔沟通道内, 在图1AD 段内堵塞熔沟, 轻者会降低熔化电流, 重者整个熔沟断裂。1. 3. 2加料不当拉断熔沟如果加入料过大, 使靠近熔沟附近熔体出现大的温降而凝固, 熔沟上

11、下温差过大, 造成断沟。这时如果贸然采用全压升温, 熔沟顶部散热大, 温度较之熔32 沟内部低, 同时顶部与大气接触, 表面被氧化, 故形成熔点较高的薄壳。由于熔沟出现凝固情况, 改变了铜液在熔沟内的流动方向, 一旦熔沟顶部局部熔化, 熔沟内部金属在受热膨胀形成的压力以及熔沟中气体在高温下形成的压力作用下, 加之输入功率过高产生的电磁压力, 金属液就会从熔化部位冲破薄壳喷出, 造成断沟。1. 3. 3感应炉的铁芯是用硅钢片叠制而成, 在交变磁场中产生磁动态振动。振动大小主要取决于磁感应强度, 因此就与一次感应线圈的电流, 电压有直接关系。预埋在硅砂里的紫铜熔沟产生动应力, 如果炉体捣打料在熔沟

12、附近捣打不紧密, 打结料干燥不彻底, 都会使熔沟周围产生一些空隙, 在铁芯交替动应力情况下会产生共振, 将熔沟附近石英砂剥离堵塞熔沟。加上熔沟中的冶金缺陷的作用会使熔沟中部断裂。若如炉子升温速度太快, 会出现下部高温熔沟断裂情况。1. 3. 4线圈匝数不符合生产时, 为了增加产量, 有必要增加铜的熔化率, 即提高熔化电流, 众所周知, 熔化电流的大小与匝数成反比, 增加熔化率最快的方法就是减少线圈匝数。但是生产厂家忽略了一个重要问题, 这就是当熔化电流加大, 发热量同样增大, 从熔沟结构上可知, 熔沟下半圆部分全部被捣打料包裹(BC 弧CD 弧 , 石英砂热交换能力差, 且该部分横断面小, 电

13、流密度大, 因此总是该部位温度最高。如果不减少匝数时熔化温度不足以熔化熔沟下部的石英砂, 当减少了线圈匝数后熔化电流增大, 势必引起底部熔沟内温度升高, 增加了石英砂熔化可能性, 当温度超过1300后会造成石英砂上浮, 在熔沟内部胶结析出形成熔瘤, (见图3使熔沟截面积变小。正常情况熔瘤在电场力的推动下会上升到铜液表面, 随着熔化电流变化, 熔沟内铜液不再流动, 温度随之下降, 熔瘤就凝固留在熔沟通道内, 轻者会降低熔化电流, 重者整个熔沟断裂。3预防措施3. 1; 120V 送电时间, 使熔沟充分加热, 减少热应力可能造成的熔沟断裂;要求熔沟生产厂家在新使用的新熔沟内加入一些锌块, 这些锌可

14、以驱除熔沟铸造成型中的气体, 保持熔沟的密实度, 不易出现气孔性断裂;新开炉时需严密监视水套温度, 不能出现水压大范围变化情况, 因为水套水压大造成靠近水套部位已经熔化的熔沟凝固而拉断熔沟;开炉前应用木炭对炉膛加热(120V , 并用燃烧的木炭覆盖。开炉过程中, 仍要对炉膛及熔沟上表面加热, 以减小熔构与炉膛的温差。3. 2停炉后重新启动断熔沟预防措施增加炉膛保温, 增大水套冷却强度, 停炉过程必须保证熔沟由下及上的冷凝原则;停炉前舀出铜水, 减少上层金属的数量, 防止冷凝收缩时拉断熔沟;停炉前必须通3次全压电1分钟, 并且加入25克磷铜脱氧, 减少低温转高温时熔沟断裂的几率;铜水快凝固时在3

15、个断裂高发区插入不锈钢签子, 人为将断裂处导通, 可以保证停炉启熔一次成功;出现这类熔沟断裂事故是可以挽救的, 譬如在炉膛内通入点燃的煤气进行高温烧灼, 将上方金属熔化后导通断裂的熔沟。3. 3正常使用时发生熔沟断裂换模后加料升温熔化炉严禁使用全压, 发现熔化炉温度高不能采用停电降温的方法处理, 应该立即将电压降到保温电压。并且严格监视熔化炉温度变化;加入大块物料前应将熔化炉内温度提高, 加入物料后把电压降到180V 运行10分钟, 确认电流没有变化再将电压上升到210V 运行10分钟, 依次类推;严禁擅自通过减少熔化线圈匝数的方法来提高熔化率, 在正常的拉速下当出现一只熔沟没有电流情况时,

16、将炉内铜水舀出, 高度比保温炉熔沟位置略(下转第42页 控制挤压过程的温升与温度-速度条件; 优化淬火制度及淬火冷却速度; 精密可控的水-雾-气在线淬火装置。参考文献1肖亚庆、谢水生、刘静安等编. 铝加工实用技术手册M.北京:冶金工业出版社, 20042王祝堂、田荣璋编. 铝合金及其加工手册(第三版 M.北京:冶金工业出版社, 20063罗苏编. 铝型材加工实用技术手册M.长沙:中南大学出版社, 20064刘静安、谢建新. 大型铝合金型材挤压技术与工模具优化设计M.北京:冶金工业出版社, 20035谢建新、刘静安. 金属挤压理论与技术M.北京:冶金工业出版社, 2004On 2li n e Q

17、uench i n g Technology i u onL I U J i n Y i zhong(South west A lu Gr L . J iulingpo, Chongqing, 401326, China A b s tra c t:Th is a rti c l e fu iscu s se s ba si c p ri nc i p l e o f o n 2li ne quench i ng f o r a l um i num a ll o y extru s i o n and p r o ce ssco nd iti o n s t o re a li ze o n

18、 2li ne nch i ng, lists o n 2li ne que nch i ng p a ram e te rs fo r p a rtl y comm o n a l um i num a ll o y e xtru s i o n, i nd i ca te s chem i ca l com po siti o n o f a l um i num a ll o y; b ill e t qua lity and hom o gen i z i ng tre a t m en t; p re 2hea ti ng co nd iti o n o f b ill e t be

19、fo re extru si o n; quench i ng sen siti vity o f a ll o y and coo li ng sp e e d o f e xtru s i o n o n 2li ne que nch i ng; Advanced p rec is i o n w a te r 2m is t 2ga s que nch i ng de vi ce is a nece s sa ry and suffi c i e n t co nd iti o n t o re a li ze th is p r o ce ss . It is a n advance

20、d and effe c ti vep r o ce s s w h i ch can si m p li fy p r o ce s s fl o w , i m p r o ve p r o duc ti o n e ffi c i ency, sho rten p r o duc ti o n p e ri o d, reduce p r o duc ti o n co s t andha s i m po rtan t eco nom i c va l ue.Ke yw o rd s :a l um i num a ll o y e xtru s i o n; A l 2M g 2S

21、i a ll o y; so li d and ho ll o w p r o fil e; o n 2li ne que nch i ng; tem p e ra tu re co n tr o l(上接第24页高, 将熔化炉与保温炉打到全压状态, 断裂的熔沟水套水压调小, 采用高温将断裂的熔沟化通。4结论水平连铸感应电炉在开炉过程中, 应严格控制熔沟的铸造质量, 炉体捣打料的密实度, 冷却水流量, 炉膛保温和送电电压等工艺因素, 以防断沟;停炉过程必须保证熔沟由下及上的冷凝原则, 脱氧要充分;炉体温度过高时, 严禁采用停电方法对炉体降温, 保证熔沟内有电流;如果控制以上关键点, 可有效地防

22、止熔沟断裂事故发生。参考文献1吴予才. 采用“熔沟冷结法”修理大型有芯感应电炉实践J .云南冶金, 2005, 82刘强等. 感应电炉熔沟断沟的预防与控制J .铸造, 2004, 83唐华. 有芯熔沟紫铜感应炉在升温中“断环”的分析J , 冶金丛刊, 2005, 8Channel Break of Inducti on Furnace i n Hor i zon t a l Con ti n uous Ca sti n gZHO U Junfang, W ANG Y un long(Zhejiang Hailiang Co . , L td . , Zhuji, Zhuji, Zhejiang

23、, 311814, China A b s tra c t:The co red i nduc ti o n fu rnace is w i de l y u se d i n m e lti ng copp e r w ith its a dva n ta ge s o f fa s t he a ti ng, h i gh the r m a le ffi c i ency . TP 2tube fo r ho ri zo n ta l co n ti nuo u s ca s ti ng ge ne ra ll y adop ts co red channe l i nduc ti o n hea ti ng, w hen the channe l is b r o ke n, the re is no cu rre n t i n i nduc ti o n bo dy, w h i ch w ill fi na