耐火材料在有(yǒu)芯感应炉的应用(yòng)及发展
2020-09-26 09:57:59 点击：
耐火材料的应用(yòng)非常广泛，例如民(mín)生、高温工业、航天等领域，今天介绍一下耐材在有(yǒu)芯感应炉的应用(yòng)及发展，下面请看详细介绍。
有(yǒu)芯感应炉是有(yǒu)铁芯穿过感应器并用(yòng)工频電(diàn)源供電(diàn)，利用(yòng)電(diàn)磁感应原理(lǐ)使金属炉料发热熔化的设备。有(yǒu)芯感应炉具有(yǒu)加热快、生产率高、金属烧损少、操作方便、投资少、经济效益显著等优点，广泛应用(yòng)于化铁、化铜、化锌、化铝等行业，特别是对于单一品种大批量冶炼的物(wù)料具有(yǒu)其优越性。
有(yǒu)芯感应炉用(yòng)耐火材料的选择非常重要，直接关系到炉子的使用(yòng)效果。有(yǒu)芯炉用(yòng)耐火材料分(fēn)為(wèi)：背衬耐火材料和炉衬耐火材料，背衬材料一般為(wèi)陶瓷保温纸、保温砖及重质砖；而炉衬材料，在炉體(tǐ)，喉部和感应體(tǐ)等部位要按熔炼金属的种类，熔炼温度等选用(yòng)不同的耐火材料。
1、有(yǒu)芯感应炉的结构及工作原理(lǐ)
有(yǒu)芯炉分(fēn)為(wèi)上下炉體(tǐ)，上炉體(tǐ)有(yǒu)炉盖、炉膛；下炉體(tǐ)為(wèi)感应體(tǐ)，有(yǒu)熔沟等，炉子本身相当于一个带铁芯的变压器，感应線(xiàn)圈相当于变压器的一次線(xiàn)圈，熔沟中的金属相当于变压器的二次線(xiàn)圈。将工业频率的交流電(diàn)引进一次線(xiàn)圈时，通过電(diàn)磁感应，在熔沟金属中将产生很(hěn)大的電(diàn)流。在热对流及電(diàn)磁力的作用(yòng)下，熔沟内热量不断传递到熔沟上部熔炉中的金属，从而使整个熔池内的金属熔化。因只有(yǒu)在熔沟闭合状态下有(yǒu)芯感应炉才能(néng)正常运行，所以适于连续作业。
2、有(yǒu)芯感应炉各部位耐火材料的使用(yòng)要求
有(yǒu)芯感应炉按部位分(fēn)為(wèi)炉盖、炉膛、喉部和熔沟四部分(fēn)，其喉部和熔沟是关键直接影响炉子的寿命和运行成本。
2.1 炉盖
因為(wèi)不与熔化的金属液接触，炉盖对耐火材料的要求相对较宽松，要具有(yǒu)抗高温辐射能(néng)力，保温性能(néng)好，结合强度高，不会掉落。一般由保温层和热面层复合构成，即由轻质保温材料与重质耐火材料构成。
2.2 炉膛
炉膛内衬的使用(yòng)寿命主要取决于耐火材料与渣中侵蚀成分(fēn)之间的反应，因此要求耐火材料在長(cháng)期经受高温的金属液體(tǐ)作用(yòng)下，化學(xué)稳定性要好，能(néng)够抵抗金属液和渣的侵蚀。炉膛内衬耐火材料要有(yǒu)足够的常温及高温强度，耐高温金属液的强烈冲刷及抵抗炉體(tǐ)承受的机械作用(yòng)；还要有(yǒu)良好的體(tǐ)积稳定性，尤其是进铁口与出铁口部位，在高温或冷却后无过大膨胀或收缩。
2.3 感应器
感应器包括熔沟部位，封口料，修平料和隔离料。
熔沟：有(yǒu)芯炉是金属液通过熔沟感应加热，在循环流动中实现升温或保温的目的。因此要求干式振动料長(cháng)期耐高温而不软化，有(yǒu)良好的抗冲刷及抗侵蚀性，有(yǒu)良好的化學(xué)稳定性和较高的强度。
封口料：要求与熔沟料材质相同或相近，且有(yǒu)高的耐火性能(néng)和适当的低温与高温强度。
修平料：要求具有(yǒu)小(xiǎo)的临界颗粒，高的耐火性能(néng)，良好的涂抹性。
隔离料：要求有(yǒu)很(hěn)高的耐火性能(néng)，防止对接面烧结在一起，并保证对接面不渗漏金属液。
3、有(yǒu)芯感应炉用(yòng)耐火材料的选择
3.1化铁炉
工频有(yǒu)芯炉的效率和功率因数相比无芯炉高，散热少，因而经济性好。大吨位炉的铁液温度比较稳定，長(cháng)时间保温对铁合金成分(fēn)损失少，所以用(yòng)来过热铁液，提高浇铸温度，能(néng)显著改善铸件质量，特别适合大批量连续生产。目前一些大企业都使用(yòng)30 t以上的有(yǒu)芯工频感应炉，特别是开炉后不能(néng)任意停炉，连续运行越長(cháng)越好，制约炉子运行的原因，往往是炉衬耐火材料损坏而被迫停炉，所以分(fēn)析炉衬损毁原因，提高耐火材料使用(yòng)寿命，是发挥设备优越性的关键。
用(yòng)于化铁的有(yǒu)芯感应炉分(fēn)為(wèi)：灰铁炉和球铁炉。灰铁炉出铁温度為(wèi)1420℃~1470℃，对于灰铁熔化炉而言，炉渣呈酸性；球铁炉出铁温度為(wèi)1530℃，渣的化學(xué)性质随冶金过程变化而呈酸碱交替变化，炉衬要选中性耐火材料。由于出铁后温度剧变，虽留一部分(fēn)铁水，但降温也在300℃~400℃，如更换感应器则降的更低，故炉膛内衬的抗热震性要好，其次是铁液和渣及球化剂对炉膛内衬的侵蚀，以及铁翻滚产生的机械冲刷和液面波动时对内衬的机械冲刷，要求内衬有(yǒu)一定的高温强度和抗冲刷能(néng)力。
炉膛的损毁现象主要為(wèi)出铁后炉衬开裂，裂缝无固定规律且缝隙宽度较大，当纵横裂纹交汇时产生大块剥落，还有(yǒu)铁液渗入，加快开裂速度，尤其进铁口部位损毁严重。分(fēn)析进铁口蚀损、炉壁结构剥落与蚀损、感应器结瘤堵沟等产生原因，选用(yòng)合适的耐火材料：
炉盖：大都采用(yòng)硅酸铝纤维作衬里。或者保温层以高铝矾土轻质砖粉及空心球颗粒為(wèi)主，铝酸盐水泥结合的浇注料，辅以锚固件或锚固砖，多(duō)采用(yòng)耐热钢铆钉和耐热钢网，将其固定在炉盖壳體(tǐ)上。
炉膛：采用(yòng)電(diàn)熔刚玉為(wèi)骨料和粉料，纯铝酸钙水泥及SiO2、Al2O3 超微粉结合的低水泥浇注料。為(wèi)了提高抗热震性，浇注料中可(kě)加入适量含铁低的SiC粉。炉内衬寿命很(hěn)大程度受感应器耐火材料寿命及更换次数的影响，一般為(wèi)2~3 年。
感应器：包括熔沟部位、封口料、修平料和隔离料。熔沟：普遍采用(yòng)MgO＞79%的MgO-Al2O3质干式振动料或浇注料。封口料一般采用(yòng)与熔沟相同材质的干式捣打料或湿式浇注料，选用(yòng)Al2O3质封口料时，也可(kě)采用(yòng)纯铝酸钙水泥或磷酸做结合剂，尤其快换感应器时，采用(yòng)磷酸结合剂，可(kě)防止接合面出现爆裂，提高对接速度和效率。修平料一般為(wèi)Al2O3-SiO2质湿式涂抹料，临界颗粒為(wèi)2 mm。隔离料普遍采用(yòng)Cr2O3粉，Cr2O3比炉膛的Al2O3质料或感应器的MgO- Al2O3质料烧结温度高，在使用(yòng)温度下基本不产生陶瓷烧结层，以利于感应器和炉體(tǐ)喉部耐火材料分(fēn)离。
实践证明，低水泥刚玉质浇注料，在有(yǒu)芯感应工频炉炉體(tǐ)使用(yòng)，長(cháng)期在1500℃下经高温熔體(tǐ)的冲刷与侵蚀，炉體(tǐ)无开裂、剥落等现象，使用(yòng)寿命达三年以上；MgO-Al2O3质干式振动料及其配套的封口料、修平料、隔离料在700 kW感应器上使用(yòng)寿命在半年以上，而在其他(tā)感应器上使用(yòng)寿命达1~2 年。
3.2化铜炉
有(yǒu)芯工频感应炉具有(yǒu)電(diàn)效率高，加热快、金属烧损少等优点，目前世界有(yǒu)90% 以上的黄铜及铜合金在这种炉中熔炼。我國(guó)常用(yòng)的熔铜炉容量有(yǒu)1.5 t、2.0 t、5.0 t，的有(yǒu)30 t，熔炼铜温度介于1 200℃～1350℃，熔沟达1 350℃~ 1 450℃。
铜液黏度小(xiǎo)，密度大，具有(yǒu)很(hěn)强的渗透性，且渗透的铜易氧化，并伴随體(tǐ)积膨胀，致使炉衬产生龟裂、剥落，从而降低炉衬寿命。
影响炉衬寿命的因素很(hěn)多(duō)，取决于耐火材料的选择、筑炉方法、烘烤制度、熔沟维护和监测、以及熔沟形状和炉子结构等。我國(guó)熔炼铜的工频有(yǒu)芯感应炉，用(yòng)石英砂的捣打料做内衬虽然成本低、烘烤快，但寿命短，提高石英砂的原料级别，在精心施工、保养和维护下，使用(yòng)寿命一般能(néng)达到1 年；用(yòng)高铝矾土加钢纤维，磷酸盐结合的捣打料或干振料，使用(yòng)寿命在4~7 年。
正确的筑炉方法是保证熔铜炉开炉成功的基本前提。选用(yòng)合适的捣打料，其颗粒级配合理(lǐ)，添加一定比例的红柱石、碳化硅是提高烧结强度的有(yǒu)效措施。筑炉时，采用(yòng)分(fēn)层递降厚度的加料方式：打结层的表面层拉毛并掏出细粉，有(yǒu)利于料层间的粘结。采用(yòng)中心环形辐射式向外逐圈打结方法，二级密实的捣打工艺，并进行三段式烘炉启炉，有(yǒu)效的延長(cháng)炉龄。
一般炉體(tǐ)内衬寿命与感应體(tǐ)寿命是不同步的，感应體(tǐ)寿命相比上炉體(tǐ)大大减少，按熔炼的铜合金品种采用(yòng)不同材料捣打施工也是一种解决途径，如黄铜采用(yòng)石英砂捣打料；青铜、紫铜采用(yòng)碳化硅捣打料等，大部分(fēn)企业感应器熔沟部位耐火材料选用(yòng)烧结较好的以莫来石和刚玉為(wèi)主晶相的高铝矾土為(wèi)主，加入适量的碳化硅细粉，改善材料的润湿性，抵抗铜液的强渗透性，施工方法可(kě)采用(yòng)磷酸盐结合剂的捣打施工，或者采用(yòng)加入助烧结剂的干法振动成型施工，取得比较好的使用(yòng)效果。
3.3化锌炉
工频有(yǒu)芯感应炉广泛用(yòng)于電(diàn)解阴极锌片的熔铸、热镀锌、锌合金等锌加工行业。锌的熔点為(wèi)419.5℃，正常浸锌时熔池温度在460℃~485℃左右，熔沟在600℃~670℃左右，锌液特别容易流动，渗透性非常强，当耐火材料炉衬受到侵蚀，产生裂纹，锌液进入裂纹内破坏炉體(tǐ)，造成熔沟口堵塞及感应體(tǐ)漏锌等现象。
目前熔锌炉内衬采用(yòng)Al2O3含量85%左右的高铝矾土质浇注料或捣打料，使用(yòng)寿命可(kě)达4~8年及以上。感应體(tǐ)的使用(yòng)寿命除了与感应線(xiàn)圈、冷技术、绝缘技术等感应體(tǐ)本身的因素有(yǒu)关外，还与熔沟耐火材料的使用(yòng)寿命密切相关。目前大型双沟感应體(tǐ)采用(yòng)湿法浇注料，单沟感应體(tǐ)主要采用(yòng)干式捣打料和湿法浇注料，材质多(duō)选用(yòng)莫来石质或高铝矾土质，使用(yòng)寿命可(kě)达半年左右。
3.4化铝炉
由于有(yǒu)芯炉的连续作业及低能(néng)耗，一些大型企业广泛采用(yòng)有(yǒu)芯感应炉熔化铝锭，废铝材及铝合金等物(wù)质。铝的熔点為(wèi)660 ℃，熔液粘度小(xiǎo)，渗透性很(hěn)强，化學(xué)活性高，高温下起强还原剂作用(yòng)，易与耐火材料发生化學(xué)反应，尤其在耐火材料-铝液-气相三相交界处，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易渗入耐火材料中，发生氧化还原反应，导致耐火材料变质，结构疏松而损坏。
有(yǒu)芯炉的炉衬材料分(fēn)為(wèi)炉盖（与熔铁炉盖基本相同）、炉膛、喉部和感应器熔沟四部分(fēn)耐火材料。
炉膛近年来普遍采用(yòng)以刚玉、莫来石為(wèi)主晶相的高铝矾土质，以纯铝酸钙水泥為(wèi)结合剂的浇注料，在外加膨胀剂等条件下使用(yòng)时表现中温强度高、膨胀状态，抗渗透、抗侵蚀，使用(yòng)寿命可(kě)达4~5 年。
喉部和熔沟结构复杂，主要采用(yòng)不定形耐火材料，主要是以刚玉、莫来石為(wèi)主晶相的高铝质浇注料，在使用(yòng)过程中无反应迹象，抗冲刷、耐磨损。对于熔铝炉特别要重视铝液的渗透性，当铝液进入气孔和裂纹中，就会与耐火材料发生反应，产生體(tǐ)积效应，破坏内衬，降低感应炉的使用(yòng)寿命。目前的铝工业不沾铝浇注料通过加入BaSO4等外加剂等可(kě)表现出良好的铝液不润湿性，加入铬刚玉和氮化硼也较好，但成本较高；将BaSO4或CaF2与Na3AlF6复合加入，并将浇注料基质进行均化处理(lǐ)，抗铝液的渗透性能(néng)更好。
4、有(yǒu)芯感应炉的维护
做好有(yǒu)芯感应炉的维护和监测，发现问题及时处理(lǐ)，特别是发现内衬损坏之处，及时修补，是保证炉子正常连续运作，提高使用(yòng)寿命的重要措施。
维护与监测
在炉子正常运行时，应该加强炉衬，特别是熔沟运行状态的监测与控制。并做好日常的维护工作。在开炉过程中，应严格控制熔沟样板的铸造质量，熔沟周围打结料的致密度，水冷套冷却水流量，炉膛温度，熔沟温度和输入功率等工艺因素，以防断沟。
長(cháng)期以来，熔沟事故是有(yǒu)芯感应炉的主要问题，若处理(lǐ)不当，极易造成炉體(tǐ)报废，生产全線(xiàn)停产。对于炉衬的日常维护，应该以下事项：
（1）任何时候，不得任意停水或停電(diàn)；
（2）在加料过程中要特别小(xiǎo)心，避免撞坏炉底并及时清理(lǐ)熔沟上部的炉渣；
（3）经常注意熔化炉和保温炉的電(diàn)流变化情况；
（4）注意观察熔沟形状；
（5）尽量减少停炉和部位次数，操作不当，往往会造成熔沟断裂；
（6）定期扒除炉膛内的炉渣，并观察有(yǒu)无块状炉料；
（7）监测冷却水进，出口的温差；
（8）定期测量炉體(tǐ)及感应器表面温度，并进行综合比较分(fēn)析。采取熔炼-保温-熔炼交替进行的生产方式，以防止停炉时断沟。
