感应炉用耐火材料

1、感应炉用耐火材料2006年4月第31卷第2期国外耐火材料感应炉用耐火材料王相丰李政杰李艳丽裘富伟候泽张义先摘要:论述了感应炉用耐火材料的工作条件和使用要求,并按结构划分分别论述了无芯感应炉和有芯感应炉的结构特点及所使用的耐火材料.关键词:感应炉;耐火材料;结构特点;炉内衬中图分类号:TQ175.7文献标识码:h文章编号:10007563(2006)020001111前言感应炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能,或熔炼金属或单纯使金属炉料发热熔化的设备.按工艺分类,可分为感应加热设备和感应熔炼炉;根据频率的不同,感应炉分为工频感应炉(50Hz以内),中频感应炉(501000Hz)和高频感应炉(

2、1000Hz以上);感应炉按结构分为无芯感应炉(坩埚式)和有芯感应炉(也称作铁芯感应炉,沟槽式)两大类.感应炉具有高效,节能,低污染,成分易调节(无芯炉),气氛易控制等优点,因而在铸造,炼钢,有色熔炼,精密合金生产等方面得到了广泛应用.然而,感应炉的发展在一定程度上却受高功率电源及长寿命耐火材料发展的限制.近年来,随着大功率晶闸管变频电源的开发和可靠性的提高,中频感应炉逐步取代工频感应炉;感应炉向大容量,高功率方向发展,应用领域不断拓展,工作条件日益苛刻,从而对耐火材料性能提出了更高的要求.本文在研究及开发感应炉用耐火材料的基础上,对无芯和有芯感应炉用耐火材料的应用情况及使用中的一些问题作以介

3、绍.2感应炉用耐火材料的工作条件和使用要求不论是用于无芯感应炉,还是有芯感应炉,其工作条件的共同特点都为:(1)炉衬厚度薄,炉衬材料的温度梯度很大.(2)炉中金属液电磁搅拌能力强,会对炉衬耐火材料产生机械蚀损.(3)炉衬耐火材料反复受到急冷急热.根据以上工作条件,可以看出炉衬耐火材料是决定感应炉产量,铸件质量及运行安全可靠性的一个重要因素.要获得质量好,长寿命的感应炉衬,炉衬耐火材料必须具有以下特性:(1)具有相对于金属液足够高的耐火度和荷重软化温度,具有良好的化学稳定性,不与金属熔渣及其熔化时所存在的成分等发生化学反应.(2)具有良好的热震稳定性.这一点对无芯感应炉特别重要,因为无芯炉作业方

4、式为"加热一熔化一出炉"过程的不断循环,炉衬材料反复受到热冲击.若耐火材料热震稳定性不佳,则极易产生裂纹和裂纹扩展,金属液会在短期内渗透到线圈处,导致整套炉衬报废.(3)具有高的高温机械强度.为了使炉子有较高的电效率,一般炉壁材料都设计得很薄,但炉子运行过程中,由于电磁力的作用,炉内金属液不停地翻腾和搅动,对炉衬不断地冲刷和磨损.对于有芯感应炉,由于采用喷流型熔沟,熔沟耐火材料受到的冲刷和磨损更为严重.所以耐火材料必须具有很高的高温机械强度.(4)具有好的隔热性和绝缘性.(5)材料的施工性能好,填充密度高,烧结性好,不易被金属液润湿和渗透,不易产生结瘤,维修方便.?2?Ap

5、r.2006VoI_3lNo.2作为炉衬用耐火材料,在材质已经确定的情况下,又都希望获得较高的致密度和体积稳定性.体积密度的高低,反应了成型体内部气孔数量多少,特别是烧结程度的好坏.材料的体积稳定性愈高,烧结和使用过程产生裂纹的可能性愈小,所产生裂纹宽度愈小,抗渗透能力愈强.耐火材料是脆性材料,在加热和冷却过程中不可避免地要产生裂纹.但决定其寿命的关键因素之一是裂纹的大小和裂纹扩展的快慢.而裂纹扩展与金属液对所接触材料的润湿和渗透能力大小有关.润湿能力愈差愈有利.炉瘤会使炉子容量显着降低,而且金属瘤本身致密坚韧,不易清除,所以要尽量减少由于熔融物表面或内部存在的杂质(例如A1:0,)而形成炉瘤

6、的可能性.(6)资源丰富,价格低廉.3无芯感应炉用耐火材料3.1无芯感应炉的工作原理,结构及特点无芯感应炉由于具有升温能力强,可间歇作业,炉衬费用低,使用灵活方便等特点而被广泛采用.目前,正向高功率,快速熔化,大型化方向发展.图l为无芯感应炉结构示意图.由铜管烧制成的感应线圈绕在坩埚外侧,金属炉料装在坩埚内.当交变电流通过感应线圈时,线圈内产生交变磁通,一部分通过闭合的金属炉料,在炉料表面一定深度内产生感应电流,使炉料发热熔化.在整个过程中发生电能h÷磁场能一电能一热能的转化.常用的无芯感应炉主要有工频和中频两种,其结构如图2,图3和图4所示.从目前的发展趋势看,中频炉更有前景.两者

7、的共同点在于可根据需要采用间断或连续运行方式,由于不断重复"加热一熔化一出炉"的作业过程,炉衬承受很大的热应力.工频炉炉内金属液比中频炉炉内的翻腾更厉害,即炉衬受到冲刷较严重,而中频炉的比功率大(是工频炉的两倍),功率密度高,熔化速度快,冷热交替快.由于匝间电压高(约为工频炉的24倍),通过裂缝渗入炉衬的金属液过热,往往造成线圈损坏的可能性比较大.封口料炉村石棉层绝缘胶泥线圈金属液炉底电椴炉底座砖图1无芯感应炉结构示意圈图2卧式工频无芯感应炉1一出渣口;2一加料口;3一磁轭;4一感应线圈;5一出铁口;6一耐火混凝土炉衬;7一铁水;8一耐火砖;9一衬砖;l0一保温砖图3SL7

8、1105型工频无芯感应熔炼炉1一炉盖;2一坩埚;3炉架;4一轭铁;5一感应器;6一耐火砖;7一坩埚模;8可绕流排;9一冷却水系统2006年4月第31卷第2期国外耐火材料?3?固4中频无芯2t炼钢炉l一感应器;2一磁轭;3一坩埚;4一炉壳;5一馈电线如表l所示,传统的炉衬结构是在紧靠线圈的部位铺设一层云母纸,接下来是报警电极,再铺设一层石棉板(布),其后是干式捣打炉衬.干式炉衬在烘烤和使用过程中逐步形成烧结层,过渡层和未烧结层,合理的三层厚度结构是决定炉衬寿命的重要因素之一,无芯感应炉耐火材料衬的厚度较薄,一般侧壁为70150mm,炉底为200300mm,内侧与高温金属液接触,外侧紧贴水冷线圈,

9、耐火材料两侧存在很大温差.其典型炉衬结构示意图如图5所示.为了满足底顶出式拆炉方式的需要,出现了线圈绝缘保护胶泥,胶泥取代了云母层,同时给线圈增加了一层保护屏障.胶泥层一般较云母层厚,但热导率大大高于云母,因此称含胶泥的炉衬结构为改良的炉衬结构.复合炉衬结构是为适应一些金属的熔炼需要,用预烧成的坩埚(炉瓦)和填充料取代热面层,这种结构解决了干式料较低温度下难以烧结的问题,同时改善某些金属熔液或渣对炉衬熔蚀较大的状况.3.2无芯感应炉衬用耐火材料表1常见的无芯感应炉炉衬结构图5无芯感应炉炉衬结构示意图感应炉炉衬用耐火材料按其性质分为酸性,中性,碱性三种类型,按施工方法分为干式捣打料,湿式捣打料,

10、浇注料,涂抹料等.在绝大部分场合都使用不定形耐火材料,有时也要用一些定形耐火制品.炉衬的材质根据熔化金属的种类,渣的性质,炉容量及操作条件等选定.无芯感应炉常用的耐火材料见表2.无芯感应炉由于灵活的作业方式,特别是静态变频技术的发展和进步,发展极为迅速.然而,随着炉子功率和容量的增大,熔化金属质量的提高,对所用耐火材料的要求更加苛刻.作为无芯感应炉用耐火材料,应具有十分优良的热震稳定性和抵抗裂纹扩展的能力.显然,有芯感应炉使用的浇注料用作无芯炉炉衬是不适宜的.干式成型耐火材料是一种几乎不含水分和任何液态加入物,经短时间振动或捣打成型即可快速升温烘烤的新型不定形耐火材料.它是一种特殊的热凝结性耐

11、火材料,加热时烧结剂产生作用使工作层具有足够的强度,而非工作层仍保持未烧结的松散状态.在使用过程中,当热面工作层开裂时,尚未烧结的松散结构可以吸收局部集中的热应力,阻止裂纹的延伸,保证炉子安全使用.3.2.I用于铸铁熔化和保温的炉衬材料以前熔化铸铁大都使用工频感应炉,近年来?4-FOREl(NREFRACrr0RlESApr.2006Vo1.31No.2表2无芯感应炉用耐火材料由于中频,变频感应炉具有高效,节能等优点.新安装的铸铁感应炉中中频炉和变频炉占了相当的比例.熔化铸铁感应炉衬用耐火材料一般选用酸性的石英质捣打料.其打结方法有手工捣打和机械震动捣打两种.在国内大都采用廉价的天然石英捣打料

12、.天然石英在使用中虽因SiO的晶体转变会发生急剧膨胀,但由于B一石英一a一石英的晶型转变是不可逆的,冷却时会保留下来,因此炉衬热面不易产生裂纹,可以获得稳定可靠的使用寿命.但是由于SiO:的热膨胀系数较大,抗热冲击性能差.要求炉子操作不能倒空.连续操作较为理想.目前国内这类炉衬的使用寿命为6O150炉次.值得注意的是,并不是SiO>98%的石英砂都可以用作感应炉炉衬,更蘑要的是石英晶粒的尺寸.晶粒越粗大,晶格缺陷越少越好.感应炉容量越大,对晶粒的要求越高.在国外,熔融石英用于铸铁感应炉比较多见.与天然石英质捣打料相比,熔融石英捣打料具有热膨胀系数小,抗热冲击性能优的特点.同时克服

13、了天然石英在长期使用过程中烧结层较厚甚至烧透的现象.保留了足够厚的未烧结层,避免裂纹穿透,确保炉子安全稳定地运行.据报道,该捣打料用于500kglOt的炉子炉衬寿命通常为250450炉次,20t炉子的使用寿命达300炉次.在图5所示的炉衬结构中,氧化铝质线圈绝缘胶泥的作用为:胶泥嵌入匝间和线圈内侧,起绝缘作用;线圈胶泥耐火度高,具有一定机械强度,起隔热保护作用,即使金属液渗透至此,还可为倾炉排空争取时间.胶泥层热导率高,石棉板不宜过厚,否则,热耗虽少,但提高了石棉板和炉衬的界面温度,降低炉衬内温度梯度,烧结层过厚,松散层变薄甚至消失,降低炉衬寿命.3.2.2熔炼钢无芯感应炉炉衬耐火材料感应炉冶

14、炼钢方法按耐火材料性质分为酸性冶炼法和碱性冶炼法.酸性冶炼法冶炼时造酸性渣,所用耐火材料主要为石英质,其打结,烘烤,烧结过程与熔化铸铁时相差不大.石英质炉衬成本较低,一般只用于碳素钢和低合金钢的熔化.碱性冶炼法冶炼时造碱性渣,所用耐火材料为中性,碱性材料以及石墨坩埚等,碱性冶炼法按冶炼过程有无氧化过程可分为熔化法和氧化法两种方式.(1)熔化法.用质量好的碳钢,合金返回钢,工业纯铁及铁合金做炉料,冶炼过程中没有氧化过程,不进行脱碳和脱磷,熔化后即进行精炼.冶炼过程基本上是一个再熔化过程,由于炉料质量好,冶炼出的钢与合金质量高.熔化法适用予冶炼高合金钢,高温合金和精密合金.(2)氧化法.氧化法所用

15、的炉料含磷较高,含碳量波动较大,因而在冶炼过程中要进行氧化脱碳和脱磷,然后再进行精炼.氧化法冶炼使用的炉料便宜,因而生产成本低.但由于冶炼过程中存在氧化过程影响坩埚寿命.氧化法冶炼适用2006年4J_=I第31巷第2刺国外耐火材料?5?于碳素钢和低合金钢的冶炼.酸性冶炼方法和碱性冶炼方法各有优缺点,总的来说,酸性冶炼方法适用范围较窄,碱性冶炼方法适用范围比较广泛.碱性熔钢时,由于石灰,萤石及各种铁合金(硅铁,锰铁,铬铁和钼铁等)的加入,与熔化铸铁相比,渣成分复杂,润湿性大,冶炼温度高,对耐火材料的侵蚀作用增大.以前,熔化铸钢,特殊钢多使用500kg以下的中频炉,炉衬一般使用石英质,镁质,镁尖晶

16、石质等捣打料,打结方法有干法打结和湿法打结两种.寿命一般为5O一,150炉次.近年来,容量在lf以上的熔化炉和保温炉逐渐增多,仅国内用于熔钢的20t感应炉就有近lO台,且正在向多晶种熔炼,高温熔炼和高功率快速熔化的方向发展,因此要求铸钢,特殊钢熔化用炉衬耐火材料必须具有优良的高温特性,即耐蚀,热面不易产生裂纹,不易发生渗液,漏液等意外事故.表3为熔化铸钢,特殊钢用炉衬材料的特性.表3熔化铸钢,特殊钢用炉衬材料的特性镁质捣打料以电熔或烧结镁砂为主要原料,具有熔点高,耐蚀性优,荷重软化温度高等优点,尤其对碱性熔渣显示出良好的化学稳定性.但是它的热膨胀系数较大,烧结温度高,作业中由于膨胀和收缩,会使

17、炉衬产生龟裂及剥落,因此这种材料对500kg以下的炉子比较适合.镁尖晶石质捣打料是以镁砂为主要原料,添加尖晶石原料制成的.尖晶石在高温下抗渣渗透性优良,热膨胀系数小于方镁石,在使用过程中能抑制龟裂的产生和扩展,可广泛用于1t左右的感应炉.但对于lt以上的炉子来说,由于炉壳直径增大,温度急变产生的龟裂纹的扩大很难避免,因此镁尖晶石质捣打料在lt以上的炉子上难以获得稳定理想的使用寿命.铝尖晶石质捣打料以电熔刚玉为主要原料,添加适量尖晶石原料和外加剂制成的.电熔刚玉熔点高,具有优良的耐蚀性,与方镁石和尖晶石相比,刚玉具有热膨胀系数小,热态体积稳定性好等优点,同时使用过程中二次尖晶石化所产生的体积膨胀

18、能有效地抑制炉衬的龟裂.因此,使用铝尖晶石质捣打料作炉衬材料,炉衬热面龟裂纹明显获得控制,微裂纹显着减少.然而,对于以间歇式操作为主的无芯感应炉而言,所用耐火材料除石英质寿命相对比较稳定外,不论是镁质还是镁尖晶石质材料的实际使用寿命均不太理想.由于钢材质量要求和石英耐火性能的局限又使石英质材料应用范围很窄(表2).日本新泻精密铸造公司高频炉额定为3000Hz一200kWl00kg(最高为220kWl20kg),其操作条件如表4,所用耐火材料如表5,干式砌筑后进行烧结,耐用次数和用后状况也示于表5f,表4操作条件熔化金属熔化时问熔化次数熔化重世熔化温度内村玲却修补玛,妇吼炉玲r8:一一眺一一无-

19、6?FOREIGNREFRACTORIESApr.2006V0I.3lNo.2表5材料性能和使用结果从日本小型高频炉的使用结果可知,在刚玉基质中加入1520%镁质料是适宜的,防止了裂纹,改进了耐蚀性和安全性.美国某中型中频无芯感应炉通常用多种废钢原料,由于不可能始终采用高质量废钢原料,最初的炉衬寿命只有3O炉.原用耐火材料的组成:AlO393.O%,MgO4.O%,TiO,.2.O%,SiO20.5%,FeO30.5%.该种炉衬用电熔棕刚玉,添加4%的镁砂可形成尖晶石.使用后电熔棕刚玉基质和骨料均被侵蚀.事实上,钢水已浸入耐火材料基质中,并集聚在其孔隙内,因而决定设计出种新型电熔白刚玉质耐火材

20、料.除改用高纯电熔刚玉提高耐火度外,还采用10%的镁砂增强其基质.显然,增加的镁砂与高纯刚玉一起提高耐火材料的抗侵蚀性.该种耐火材料的组成:AI:O,89.0%,MgO10.0%,TiO20.2%,SiO20.7%.Fe:O0.1%,其寿命几乎比原内衬提高l倍.后来由于所用废钢的成本提高,在炉料中必须加入直接还原铁球,最高可采用30%的代用铁料.这样便改变了无芯感应炉中渣的化学组成,因而叉开发出了更高级的耐火材料.该种材料具有较高的纯度,亦为电熔白刚玉质,但添加了镁砂和铬矿,此次的出发点是用抗氧化铁渗透的材料增强其基质.该种材料的化学组成:AI:O84%,MgO8.5%,Cr20.0.5%,F

21、e2O32.O%,SiO20.5%.用后材料的岩相分析表明,氧化铁渗透极少,抗渣性提高.事实上,耐火材料的热面同渣与钢水几乎无反应,其反应带比原用耐火材料明显减薄.美国某大型中频无芯感应炉熔钢,所用废钢的质量经常改变,并含有非常多的金属氧化物.开始用的耐火材料是电熔白刚玉质材料,并含有10%的镁砂,使用时由于片状剥落而未达到预期的效果.对其用后试样的检测表明,耐火材料基质中有较大范围的氧化物渗透.耐火材料在剥落之前的蚀损极小,因而确信耐火材料最初的损毁模式是热震损毁.为此,通过改变熔炼操作使热震减至最小程度,当时耐火材料性能无改进.后来为了改进耐火材料性能,对用后材料进行了详尽的岩相分析.耐火

22、材料检测试样分别在依次相连的3个炉役中提取,对其断面进行x射线定量分析.对第一炉役耐火材料试样的岩相分析表明,炉衬大部分热面的蚀损极小.在上述3个炉役中,感应线圈区域的绝缘部位均出现一些片状剥落.所有试样均呈现同一种规律,即其热面AI:O含量减少,SiO含量增加,高SiO含量被认为是由渣的化学成分引起的.进一步分析表明,距热面较深的部位具有较高的氧化锰与氧化铁含量.高含量的氧化锰与氧化铁同基质中多余的AI:O,反应生成富锰和富铁尖晶石,这些尖晶石的形成伴随有较大的体积膨胀,进而引起了片状剥落.为能抵挡氧化锰与氧化铁的渗透,开发了含30%镁砂的耐火材料.该种材料实际上已消除了氧化锰与氧化铁渗透,

23、其热面反应带也明显减薄.增加镁砂含量显着地提高了材料抗侵蚀性,但是热震是该种间歇式批量熔炼操作的主要问题.因此使用了预合成尖晶石原料以进一步改进材料性能.该原料既能提高炉衬材料的抗侵蚀性,又能改进其热稳定性.目前,已成功地应用于真空感应熔炼操作,但该种制品长期以来一直比较昂贵.感应炉是耐火材料最具挑战的应用之一,为了成功地砌筑大型批量熔钢感应炉,必须提高耐火材料的使用性能,这已促进了熔钢用耐火材料的发展.进一步提高熔钢用耐火材料的重点是刚玉质耐火材料,因为该种材料既能耐渣的侵蚀,又能承受间歇时的热震冲击.当前,较多地采用2006年4月第31卷第2期国外耐火材料?7-镁砂,铬矿和预合成尖晶石(包

24、括镁铝尖晶石和镁铬尖晶石以及镁铝铬复合尖晶石)等原料,来提高刚玉质耐火材料的综合使用性能.某感应炉熔炼含Mn,Cr,Ti成分的耐热不锈钢,其炉衬采用镁质衬时,使用寿命很低,仅十余次便被侵蚀掉,抗渗透性极差,考虑在Al:O一MgO系材料中添加适量Cr:0,细粉(工业纯),高温下于基质中生成MgO?AI:05和MgO?Cr203尖晶石及AI:0,?Cr:0,并与渣中的Fe形成复合尖晶石(Mg?F)0?(cr,Fe)z0,保护薄层,一方面促进材料的致密化,提高强度,另一方面发挥了铬尖晶石对酸性和碱性渣的优良抗侵蚀性能和低热膨胀性,提高材料的抗侵蚀能力及热震稳定性.这种镁铬质捣打料在不锈钢熔炼炉上使用

25、,其使用寿命比原镁质捣打料提高35倍,如表6所列.表6熔化不锈钢用镁铬质捣打料的主要性能前苏联采用镁铬颗粒与烧结镁砂和铬矿细分散混合料配合,同时向细分散混合料中加入电熔刚玉,在这种情况下由于电熔刚玉和方镁石强烈地互相作用生成尖晶石,细分散组份的体积增大,所以捣打料不仅不收缩,而且炉衬工作层的密度得到提高.用镁铬砂30.5mm75%,0.060mm10%及电熔刚玉0.060ram15%代替电熔镁砂30.5mm40%,烧结镁砂30.5mm30%和电熔刚玉0.060mm30%的配料,可以把熔炼侵蚀性极大的耐热钢的坩埚寿命从25炉次提高到52炉次,其出钢温度为16501670oC.如出钢温度提高到17

26、501770oC,将急剧降低用镁铬砂和电熔刚玉混合料捣制的坩埚寿命(降至8一IO炉次).原因是坩埚与熔体互相作用而产生的产物,其耐火度仅比熔融金属温度高2O一5O.【=,所以坩埚工作表面熔损十分严重.采用电熔复合尖晶石代替镁铬烧结颗粒料,用电熔镁砂和电熔刚玉细分散混合料代替电熔刚玉细料,在上述使用条件下可将坩埚寿命从8一10炉次提高到6283炉次.而这种电熔尖晶石是用24.3%苛性镁石和43.7%铬矿及32%磨料工业刚玉废料以旋涡熔炼法制得的.近几年来,随着中频炉技术发展,冶炼不锈钢的中频炉从几百公斤容积发展到15t的容积,某15t中频炉冶炼钢种为304,301,204等不锈钢种,配套炉衬从国

27、外进口价格很高,使用寿命最高为60次.因此采用国产刚玉尖晶石质干式捣打料,主要原料有电熔刚玉,电熔镁砂,高纯尖晶石以及中,低温烧结剂等.施工时在感应器内侧铺好石棉布,炉壁每一层铺料厚度为100140mm,炉底捣打厚度300ram,渣线位置厚度120ram,壁厚90mm,烘炉时间不少于8h.在使用中观察,炉衬表面光滑平整,没有裂纹掉块现象,而且在表面形成一层46mm的挂渣层,这有利于减少炉衬在投废钢过程中的机械损坏和炉渣侵蚀.该料在炼钢过程中易烧结,并有很高的热态强度,能够满足冶炼不锈钢的需要,成型炉衬整体性好,易施工,易拆除.采用该种捣打的炉衬一次使用寿命最高达108次,最低8O次,平均侵蚀速

28、率在每炉0.6mm.3.2.3熔化有色金属用耐火材料3.2.3.I熔化铜及铜合金用耐火材料目前常用于铜及铜合金无芯感应炉的炉衬系统,主要有刚玉质和石英质干式捣打料,还有预成型的石墨坩埚及碳化硅坩埚,坩埚的背衬为不烧结的填充料.石英质捣打料成本低且筑炉方便,在300700kg炉子中最多可使用200炉次,当工作温度提高,工作环境更苛刻时,刚玉质炉衬就显示出其优越性,使用寿命长,但材料的成?8?FOREIGNREFRACTORIESApr.2006Vo1.31No.2本比石英质提高78倍.预合成的粘土结合石墨坩埚和碳化硅坩埚的突出优点是可以快速更换,节省烧结时间,同时采用石墨作结合剂可以增加坩埚的电

29、导率.从而使感应炉的电效率提高,坩埚内的温度自然也高.但是这种炉衬的热损失较大,节能效果差,其更换方便和不须烧结的优点及节能效益,未必能补偿成型坩埚与刚玉质炉衬之间的成本差额,同时坩埚内的搅拌作用降低,对炉温均匀性不利.另外在连续使用的大型无芯炉上,可以使用与有芯炉衬类似的莫来石质或高铝质捣打料和浇注料,以上材料的筑炉和烘烤周期较长,要求连续使用,般使用寿命可达到一年以上.3.2.3.2熔化铝及铝合金用耐火材料金属铝及铝合金不仅化学活性高,而且其熔液的流动性极好.铝熔液在750%时的粘度仅为0.104Pa?s,与20时水的粘度(0.1Pa-s)相当接近,这就是其易向炉衬内部渗透和发生化学反应的

30、主要原因.目前.其炉衬材料主要有以下几种g(1)浇注或湿式捣打成型的高铝质,莫来石质炉衬,这些材料的施工和烘烤周期长,要求连续工作,使用效果较好,一般寿命在一年以上.但由于操作复杂,条件苛刻,目前使用者较少.(2)复合炉衬由于筑炉简便,烘炉时间短而被广泛采用.其热面采用预烧成的坩埚或炉瓦,线圈采用绝缘胶泥保护,中间填充以抗渗,止漏的干式耐火材料.使用效果较好,但坩埚加工周期长,坩埚的尺寸不够准确等因素限制了复合炉衬的推广应用.(3)干式捣打料的出现克服了以上两种炉衬的缺点,是目前使用最广泛的熔化铝炉炉衬,该料采用手持式振动器或装配有专用捣打头的风镐分层捣打.整个施工周期大大短于湿法浇注料.虽然

31、使用寿命不及前两种材料长,但使用寿命稳定.该料的品种有石英质,莫来石质,刚玉质等.含有特殊低温烧结剂的新型中性干式成型炉衬材料.其理化性能:主要化学成分为A】O,>73%.SiO2<l2%.Fe20.<2.O%;烧后耐压强度500,6h6.5MPa,650,6h9.7MPa,800,6hl9.6MPa,650a【二,6h9.7MPa,800,6hl9.6MPa,1000,6h28.OMPa;80o,5h烧后线变化率+0.26%;800,5h烧后体积密度2.5Ig?cm;烧后试样凭肉眼观察,无开裂.同时,选择炉衬材料时,必须注意到金属铝强烈的还原作用.我

32、们经常可以观察到化铝炉炉衬内壁有坚硬的蘑菇状沉积物,这种沉积物是铝在熔化过程中产生氧化而形成的氧化铝微晶的聚集物.在炉衬材料中加入一定的不浸润添加剂可以改善这一趋势.如果炉衬材料中存在有游离的SiO:,它与铝液接触时被还原成硅,硅再与铝形成硅铝合金,存在于材料中或粘附在炉衬的表面.如果金属液中含有金属镁,镁氧化后生成的MgO与AlO,进一步反应生成尖晶石,这个过程的体积变化将导致炉衬表面层的剥落.4有芯感应炉用耐火材料4.1有芯感应炉工作原理,结构和特点有芯感应炉结构如图6所示,熔沟与炉底结构复杂,工作条件苛刻,目前受耐火材料等限制,不适于熔炼钢,只适于熔化铸铁,铜,铝,锌等低熔点物料.其工作

33、原理类似于变压器,一次绕组为铁芯上的多匝线圈,二次绕组为闭合的金属熔沟,当感应线圈通交变电流时,其交变磁通导致熔沟内产生感应电流,使熔沟发热熔化.因只有在熔沟闭合状态下感应炉才能正常运行,所以有芯感应炉适于连续式作业图6有芯感应炉炉衬结构示意图4.2熔化铸铁有芯感应炉炉衬用耐火材料2006年4月第31巷第2期国外耐火材料?9?熔化铸铁有芯感应炉的结构如图7所示.炉衬材料按部位分为盖,炉膛,喉部和熔沟四部分.喉部,特别是熔沟耐火材料是最关键的材料,直接影响炉子的寿命和运行成本.图7卧式有芯感应熔炼炉结构简图1一渣13盖;2一装料13;3一出料口;4一可拆换的感应体;5一回转支座4.2.1炉盖用耐

34、火材料炉盖的主要作用是减少炉子的热损失,防止加料及熔化过程中金属液飞溅.这就要求炉盖材料保温性能好,重量轻和抗侵蚀性强.目前有芯感应炉炉盖大都采用重量轻,热导率小的硅酸铝耐火纤维作衬里,或者由保温层和热面层复合构成.保温层以高铝轻质砖粉及A1:0,空心球颗粒为主,以高铝水泥为结合剂.热面层以特级矾土为骨料,特级矾土细粉及适量电熔镁砂粉为粉料,以纯铝酸钙水泥为结合剂配制而成.实际应用时,由于工作温度通常低于8oocIc,辅以锚固砖或耐热锚固件,因而多采用耐热钢铆钉和耐热钢网将其固定在炉盖壳体上.可有效提高炉盖耐火材料抗高温气流冲蚀性能及热震稳定性,达到保温,隔热的目的.这种炉盖不仅保温隔热而且轻

35、巧,关闭和打开十分方便.4.2.2炉膛用耐火材料炉膛用耐火材料在使用过程中所受到的物理化学作用不如熔沟苛刻,但其化学特性也应对所熔炼金属及熔渣呈惰性,有较高的强度和密度.有芯感应炉熔炼灰铁或球墨铸铁时,与无芯感应炉不同,炉衬寿命主要取决于耐火材料与渣中侵蚀性成分之间的反应,而耐火材料的物理特性对炉衬寿命的影响则居于次要地位.对于灰铁保温炉,熔化炉而言,熔渣呈酸性;对于球墨铸铁保温炉,熔化炉,渣的化学性质随冶金过程变化而呈酸碱交替变化,但普遍情况下,其球化过程使渣呈酸性,这就决定了炉衬选择中性材料为主.有芯感应炉熔炼灰铁或球铁时,其使用温度介于14501550之间,炉膛耐火材料的损毁形式主要表现

36、为:渣线部位受渣蚀及浸润作用,耐火材料与渣反应形成变质层,与原材料性质相异产生结构剥落,或产生低熔物使材料熔蚀,脱落;进,出铁口部位被铁液冲刷,熔渣侵蚀,尤其是进铁口部位损毁严重,常导致隔墙坍塌;烘炉烧结期间产生的裂纹或剥落,以及中途更换感应器时倾炉倒空铁水,温度下降(900J200q【=)产生的热震裂纹或剥落.上述情况要求炉衬具有抗侵蚀,抗冲刷,抗渗透,化学稳定性高等特点.为此,选择电熔刚玉为骨料,掺适量氧化铝煅烧粉,纯铝酸钙水泥为结合剂的浇注料.为改善炉衬的抗热震性,考虑到炉内多为还原性气氛,可加入适量SiC细粉(含铁量应低).炉衬寿命很大程度上受感应器耐火材料寿命及更换次数的影响,一般为

37、两年左右.4.2.3感应器用耐火材料感应器用耐火材料包括熔沟部位耐火材料,封口料和隔离料.熔沟与水套之间最薄处约70mm,而该处温度又最高达16001700cI=.感应器炉壳及线圈均强制水冷,炉衬内部温度梯度大.此外,熔沟材料还受高速铁液冲刷,强烈电磁搅拌和铁液静荷载的作用,这使得该部位耐火材料处于苛刻的工作条件之下.因而要求材料具有极好的高温强度,化学稳定性,体积稳定性和致密度.考虑到熔沟的复杂形状及材料的工作环境,一般采用MgO质或MgOMgO?A1.,03质材料浇注或捣打施工.目前主要采用干法振动成型MgOMgO?AI0质耐火材料.一方面,从材料性能上看,电熔镁砂和刚玉的化学稳定性好,耐

38、?l0-FOREIGNREFRACTORIESApr.2006VI)1.31No.2高温,抗酸和碱性渣及金属液侵蚀能力强.另一方面,从材料高温状况看,以细粉形式加入的Alz0,在高温下与MgO发生反应,在基质中生成大量的镁铝尖晶石,改善材料微观组织结构,从而提高材料的强度,致密度和抗渗透能力.此外,干法振动成型料水分含量少,烧结时问短,高温气体排放少,具有烧结层,过渡层,松散层三层结构,这是湿法浇注或半干法捣打料所不具备的优点.这种过渡型缓冲结构有利于阻止金属液渗透,改善材料的隔热及抗热震性能.同材质封口料的作用主要是使对接面的感应器料常温下具有一定强度,对接后使感应器与炉体紧密无缝.当选用A

39、I:O质封口料时,也可采用纯铝酸钙水泥或磷酸作结合剂,因其热硬性作用,可有效防止现场最易出现的结合面料爆裂,提高对接速度和效率.隔离料采用Cr:O粉,是因Cr:O,与膛料(AhO,质)或感应器料(MgOAIO质)的烧结温度高,在使用温度下基本上不产生陶瓷烧结层,以利于感应器和炉体喉部耐火材料的分离.应该指出:感应器干法料除优选材质及配比外,施工质量也关系到炉衬寿命和炉子安全性.4.3熔化有色金属有芯感应炉炉衬用耐火材料有芯感应熔铜炉的结构如图8图l0所示.熔炼温度一般介于J200一l350qC之间(铜熔点960),感应器熔沟部位温度则达13501450.由于铜的熔点低,铜液粘度小(接近于水的粘度),密度大,具有很强的渗透性;且渗透的铜易氧化,并伴随体积膨胀(Cu+1/20:=CuO,V=+0.75%;Cu+0