无芯感应炉炉衬耐火技术的发展

无芯感应炉炉衬耐火技术的发展

无芯传感器，也称为类传感器，根据频率分为三个频率，输入频、低频和高频（包括频率），其中大多数频率是输入频和低频传感器。与有芯感应炉相比,无芯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。鉴于中频、变频感应炉高效、节能等种种优点,近年来新安装的感应炉中中频炉、变频炉的比重越来越大,高功率、快速熔化、大型化已成为目前无芯感应炉发展的潮流。感应炉的发展与炉衬耐火材料的技术进步密切相关,炉衬耐火材料是决定感应炉生产量、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、寿命长的感应炉衬,首先要了解无芯感应炉中炉衬耐火材料的工作环境。(1)为了提高炉子的电效率,炉衬厚度应尽量减薄,通常为60～150mm,由于炉衬的热面直接与高温熔液接触,背面受感应器冷却水的冷却,使得炉衬中存在着很大的温度梯度。(2)炉中金属液电磁搅拌能力强,会对炉衬耐火材料产生强烈的机械蚀损。(3)周期作业的炉子完全倒空的操作很多,炉衬耐火材料反复受到急冷急热损伤。根据以上工作条件,炉衬耐火材料必须具有以下特性:(1)具有足够高的耐火度和荷重软化温度。(2)良好的热稳定性。(3)不与熔化金属熔渣及其熔化时所存在的成分等发生化学反应。(4)具有高的高温机械强度,能承受金属液的静压力、搅拌力以及加料时的冲击力。(5)为了减小炉子的热损失,保证炉子安全运行,炉衬材料应具有好的隔热性和绝缘性。(6)材料的施工性能好,填充密度高,烧结性能好,维修方便。(7)资源丰富,价格低廉。1无芯传感器结构1.1炉衬结构的3种无芯感应炉通常采用不定形耐火材料整体施工,复合炉衬结构较为少见,完全采用弧形砖砌筑的炉衬由于施工难度大、安全可靠性差,已被整体或复合炉衬代替。目前常见的无芯感应炉炉衬结构如表1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,接下来是报警网,再铺设一层石棉板(布),其后是干式捣打热面层。干式热面层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。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。胶泥层一般较云母层厚,但导热系数大大高于云母,因此,含胶泥的炉衬结构称为改良的炉衬结构。复合炉衬结构是为适应某些金属的熔炼需要,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。1.2烧结剂的性能影响因素无芯感应炉通常采用石棉板(布)作保温层,保温层的薄厚直接影响感应电炉的热损耗和石英砂热面炉衬三层结构的合理性。一般情况下,保温层的厚度由炉子的容量、使用温度、炉衬材料的导热性能、烧结剂的加入量及保温层的隔热性能等因素决定。保温层过厚虽然可以减小炉子的热损耗,但显著提高了保温层与炉衬界面的温度,使得炉衬的未烧结层厚度减薄甚至消失,同时界面温度有可能超过石棉制品的极限使用温度(500℃),使得石棉制品粉化而失效;保温层过薄则炉子热损失大,烧结层减薄,线圈表面的温度升高,超过线圈绝缘层的最高使用温度而降低线圈的绝缘等级以至于失效。可见保温层过薄或过厚都会使得炉子的使用可靠性降低,隐患增加。长期以来,国内各感应炉用户所采用的保温层厚度不太统一,这是导致其炉龄差别悬殊的主要原因之一。1.3绝缘材料胶泥覆盖绝大多数陶瓷材料本身就是优良的绝缘材料,其击穿电压>10kV/mm,体积电阻率>1012Ω·m,用陶瓷材料制造的绝缘器件已得到普遍使用。20世纪80年代初,国外在感应炉线圈部位涂抹绝缘胶泥,由于它所具有的优异性能使得感应炉的使用可靠性大为增加,很快得到各感应炉制造厂商和用户的认可,随后该技术在国内得到广泛推广,现在生产的无芯感应炉几乎全部涂覆有胶泥层。与感应炉通常使用的绝缘材料云母、玻璃丝布等相比,使用线圈绝缘胶泥有以下好处:第一,烘干后厚度为8～15mm的绝缘胶泥层具有优良的绝缘性能,完全可以代替云母和玻璃丝布充当线圈和炉衬之间的绝缘保护层,胶泥材料的导热系数较高,因此不必担心相对较厚胶泥层影响热面炉衬的三层结构;第二,胶泥层位于线圈和保温层(石棉板或石棉布)之间,正常情况下环境温度很低(<300℃),当偶尔有熔融金属液接近其表面时,胶泥体内就会释放出少量残留的水分,使得绝缘电阻降低,系统提供早期报警;第三,利用胶泥本身高于1800℃的耐火度,当偶然有金属熔体渗漏到其表面时,胶泥能给线圈提供一层保护屏障,当出现报警时,胶泥层可提供一定的事故处理时间;第四,对于带有底顶出式装置的炉子而言,将胶泥制作成带有锥度的形状,从而避免了炉衬与线圈的磨擦,同时利用其强度对线圈进行固定,避免了线圈在使用和筑、拆炉过程中的变形,延长了线圈的使用寿命;第五,线圈绝缘胶泥层作为炉子的永久衬,虽然一次性费用高,施工周期长,但其使用寿命可与线圈相同,也可进行局部修补,因此就整体而言,它降低了筑炉成本。2无芯传感器设备的耐腐蚀性2.1感应炉常用的试验方法感应炉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、浇注料、涂抹料等。一般情况下,感应炉都使用不定形耐火材料,有时也用一些成型耐火材料。无芯感应炉常用的耐火材料见表2。2.1.1加产品的制作目前无芯感应炉所使用的不定形耐火材料绝大多数都是采用干式整体施工的干式捣打料,只有一些小容量的炉子为了重复使用坩埚而在炉料(如石英砂或高铝料)中添加少量水或粘结剂,采用湿法捣打施工,还有一些熔点太低的金属(如锌的熔点为419.6℃),由于没有很合适的粘结剂只好采用湿法浇注料整体施工。与湿法料相比,干式捣打料有着明显的优势:不含水或液体粘结剂,干燥烧结周期短,不需要排气,但储存及施工时要进行防潮处理;稳定性好,可间断筑炉,剩余材料可长期保存而不会变质;施工速度快,省略了湿捣料的困料和浇注料的养护时间,停炉周期短;三层炉衬结构,吸收体积膨胀,抗渗止裂,安全性提高;拆炉方便。2.1.2粘结剂和烧结剂不定形耐火材料的粘结剂品种繁多,按其化学性质可分为无机粘结剂(如水泥、水玻璃、磷酸盐、粘土等)和有机粘结剂(如酚醛树脂、聚乙烯醇等)。无芯感应炉常用的不定形耐火材料有干式捣打料(热面)、湿式捣打料(热面)、浇注料(炉底、炉盖)、涂抹料(绝缘胶泥)等,湿捣料的粘结剂常用水玻璃、卤水(MgCl2)和粘土,浇注料和涂抹料的粘结剂以铝酸盐水泥较为多见。干式捣打料的粘结剂又称烧结剂,最常用的是硼酸(H3BO3),近来使用硼酐(B2O3)作烧结剂的越来越多。H3BO3在301℃时脱水分解为B2O3(熔点为577℃)。B2O3液相在耐火材料表面润湿铺展,随着温度的升高,它能与耐火材料逐步反应形成低共熔液相,该液相粘度高、表面张力大,它能使粉状耐火材料颗粒在高温下粘接在一起而保持原有的形状。低共熔液相的生成量及性质取决于耐火材料的品种和细度、B2O3加入量以及炉衬的温度等因素,在耐火材料系统和炉子使用条件固定的前提下,硼酸的加入量应取下限。因为过多的硼酸不仅会减薄炉衬正常三层结构中松散层的厚度,降低炉衬的使用可靠性,增加热损失,而且还会降低炉衬材料的耐火度。另外,为提高干式高铝(含刚玉)质炉衬的耐冲刷性,硼酸经常与软质粘土复合使用,以利用粘土在900℃左右开始的陶瓷化效应,提高炉衬的高温强度。2.2无芯感应炉所用送材料的选择炉衬耐火材料的材质主要根据熔化金属的种类、渣的性质、炉容量及操作条件等选定。2.2.1用于炉衬材料的活性材料目前,熔化铸钢、特殊钢多使用500kg以下的中频炉,炉衬材料一般使用石英质、氧化镁质和氧化镁尖晶石质等干式捣打料,寿命一般为50～150炉次。近年来,容量在1t以上的熔化和保温炉逐渐增多,且正向多品种熔炼、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。现在氧化铝尖晶石质捣打料正在逐步取代其他材料,在炼钢感应炉上进行推广。氧化镁质捣打料是以电熔镁砂为主要原料的炉衬耐火材料,具有熔点高、耐蚀性优、荷重软化温度高,尤其对碱性熔液、熔渣显示出十分良好的化学稳定性。但是它的热膨胀系数较大,烧结温度高,作业中由于其膨胀、收缩,炉衬会产生龟裂及剥落,因此这种材料适用于500kg以下的炉子。氧化镁尖晶石捣打料是以氧化镁为主而添加尖晶石原料组成。尖晶石在高温下抗渣性优良,热膨胀系数小于方镁石,在使用过程中由于二次尖晶石化产生的膨胀能抑制龟裂纹的产生和发展,可广泛用于1t左右的感应熔炼炉。但对于1t以上的炉子来说,由于炉壳直径进一步增大,温度急变产生的龟裂纹的扩大很难避免,因此氧化镁尖晶石捣打料在1t以上的炉子上难以获得稳定理想的使用寿命。表3为熔化铸钢、特殊钢用炉衬材料的特性。氧化铝尖晶石捣打料以电熔刚玉为主加适量尖晶石和添加剂组成。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,使用过程中二次尖晶石化所产生的体积膨胀能有效抑制炉衬的龟裂。因此,使用氧化铝尖晶石质捣打料作炉衬材料,炉衬热面龟裂明显得到控制,微裂纹显著减少。目前这种材料在3～5t炉子上的使用寿命达到150～300炉次。2.2.2炉衬可减少裂纹及延长使用寿命以前熔化铸铁大都使用工频感应炉,近年来由于中频、变频感应熔炼炉高效节能等优点,新安装的铸铁感应炉中变频炉、中频炉占了相当的比重。铸铁感应炉用炉衬耐火材料一般选用酸性的石英质捣打料。国内大都采用廉价的天然石英质捣打料。天然石英在使用中虽然会因为SiO2的晶型转变会发生急剧膨胀,但由于β-石英→α-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SiO2的热膨胀系数较大,抗热冲击性能差,使用时要求炉子不能倒空,连续操作较为理想。目前国内容量大于10t用于铸铁连续熔化的炉衬使用寿命为40～90天,容量小的炉子炉衬使用寿命将更长。值得注意的是,并不是SiO2>98%的石英砂都可以用作感应炉炉衬,重要的是石英晶粒的大小,晶粒越粗大、晶格缺陷越少越好。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,同时克服了天然石英在长期使用过程中烧结层较厚甚至烧透的