中頻爐酸性爐襯使用壽命的探討

1、收稿日期:2003-10-11作者簡(jiǎn)介:周育(1969-,男,大學(xué),高級(jí)工程師。·設(shè)備研究·中頻爐酸性爐襯使用壽命的探討周育(天津市浩湖科工貿(mào)有限公司,天津300074摘要:通過對(duì)爐襯材料的選擇,作用機(jī)理及影響石英砂爐襯材料壽命的相關(guān)因素的闡述,說明了SD -T -A 石英砂干振料可提高中頻爐酸性爐襯使用壽命的原因。關(guān)鍵詞:耐火度;熱膨脹系數(shù);石英砂;硼酐;燒結(jié)中圖分類號(hào):TG 232.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1004-6178(200401-0007-05Discussion of the Life of Acidic Liner for Medium -Freque

2、ncy Induction FuraceZHOU Yu(T ianjin Haohu Technology Science &trade Co .L td ,Tianjin 300074,China A bstract :T he choose of liner materials ,working principle and factors of influencing the life of liner material were described and the reason of prolonging the life of medium -frequency inducti

3、on furnace by using SD -T -A silica sand dry material was discussed .Key Words :refractoriness ;thermal expansio n coefficient ;silica sand ;B 2O 3;sintering在0.5t 、1t 、5t 、8t 、20t 無芯中頻感應(yīng)爐上采用SD -T -A 系列石英砂干振料,熔化使用爐齡穩(wěn)定達(dá)到450爐次,雙聯(lián)24h 連續(xù)使用爐齡穩(wěn)定達(dá)到5周。創(chuàng)造了使用國(guó)內(nèi)耐火材料的良好記錄。下面是我們對(duì)提高中頻感應(yīng)爐爐襯爐齡的體會(huì)。1爐襯材料的選擇感應(yīng)爐對(duì)制作爐襯的耐火

4、材料有嚴(yán)格的要求。1足夠的耐火度。作為感應(yīng)爐爐襯材料,其耐火度應(yīng)高于1700,軟化溫度應(yīng)高于1650。2良好的熱態(tài)穩(wěn)定性。由于爐襯壁內(nèi)外側(cè)溫度梯度差很大,加之受到出鐵、加料和停爐等影響,爐壁溫度總是在變化,隨之而產(chǎn)生體積的膨脹和收縮,因此要求制作爐襯的耐火材料應(yīng)該有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。3高的化學(xué)穩(wěn)定性。爐襯材料的化學(xué)穩(wěn)定性和爐襯材料的使用壽命有密切關(guān)系,爐襯材料要有一定的低溫強(qiáng)度,在高溫時(shí)不易分解和還原,在熔煉過程中,不易與爐渣形成低熔點(diǎn)物質(zhì),不與鐵水和添加劑產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng),使鐵水成份發(fā)生變化。4較高的機(jī)械性能。在低溫狀態(tài)時(shí)要能隨爐料的沖擊,在高溫狀態(tài)下能承受鐵水的靜壓力和強(qiáng)力的電磁攪拌作用,在鐵水

5、的長(zhǎng)期沖刷使用下耐磨和耐蝕。5絕緣性好。爐襯材料在高溫狀態(tài)下不得導(dǎo)電,否則會(huì)引起漏電和短路而造成事故。6施工性能好,燒結(jié)性能好,筑爐及維修方便。針對(duì)中頻爐用于熔化生產(chǎn)灰鐵件、球墨鑄鐵件、碳鋼件、低合金鋼件以及鑄銅的用戶,綜合考慮以上因素,并經(jīng)過實(shí)踐證明,采用石英砂是較理想的爐襯材料。使用石英砂耐火度為1720,經(jīng)過相變處理后,各項(xiàng)熱物理參數(shù)大幅度提高。打結(jié)的酸性爐襯成本低、并且原材料來源廣泛、高溫強(qiáng)度高、耐急冷急熱性強(qiáng),燒結(jié)性能好。2酸性爐襯材料對(duì)爐襯壽命的影響2.1爐襯材料中各成份對(duì)爐襯壽命的影響2.1.1石英砂純度石英砂的耐火度主要限決于SiO 2的含量。作為坩堝材料,石英砂中SiO 2的

6、含量應(yīng)大于99%,CaO 和Fe 2O 3等雜質(zhì)含量應(yīng)低于0.2%,特別是堿金屬氧化物含量應(yīng)小于0.2%,部分集中的雜質(zhì)能使?fàn)t襯產(chǎn)生熔洞,而滲漏鐵水,并且部分雜質(zhì)在爐襯上結(jié)疤,嚴(yán)重影響熔化,從而影響爐襯的使用壽命。有關(guān)氧化鐵雜質(zhì)的影響如表1所示。2.1.2石英砂中含水量石英砂含水量過高,在石英砂燒結(jié)過程中水分不易盡快排出,即使長(zhǎng)時(shí)間烘爐,也易在加熱時(shí)引起水蒸汽殘留從而在爐襯中出現(xiàn)孔洞。石英砂中水分對(duì)爐襯的影響見圖1。2004年第1期鑄造設(shè)備研究2004年2月RESEARCH ST U DI ES ON F OU N DRY EQ UI PM EN TF eb .20041表1氧化鐵雜質(zhì)對(duì)爐襯的

7、影響 Fe 2O 3在爐襯材料的比率/%爐襯使用壽命比率/%010059010801560圖1石英砂水分對(duì)爐襯的影響2.1.3石英砂中的添加劑1在石英砂材料中一般使用硼酸(H 3BO 3或硼酐(B 2O 3為添加劑,主要作用是降低燒結(jié)溫度。因?yàn)槭⑸安牧系臒Y(jié)溫度較高,硼酸在加熱時(shí)分解,以B 2O 3的形式存在于砂料中。在10001300時(shí)B 2O 3和砂料中SiO 2等形成低熔點(diǎn)的化合物(SiO 2·B 2O 3熔點(diǎn)為500,從而降低燒結(jié)熔點(diǎn),改善燒結(jié)條件,提高燒結(jié)質(zhì)量。并且在砂料中加入硼酸后,會(huì)降低砂料在燒結(jié)過程中發(fā)生的熱脹冷縮而導(dǎo)致體積變化產(chǎn)生的裂紋傾向性。但由于在硼酸受熱分解

8、過程中生成大量水蒸汽,如不能及時(shí)排出,易在爐襯底部產(chǎn)生蜂窩狀氣孔SD -A 系列石英砂干振料已將硼酐(硼酸脫水后的產(chǎn)物作為添加劑。不同的使用溫度對(duì)硼酐或硼酸的加入量也有不同要求。作為添加劑如加入量過多,會(huì)導(dǎo)致耐火材料的熔點(diǎn)降低,在較高的燒結(jié)溫度下也會(huì)使?fàn)t襯的燒結(jié)層過厚,體積變化加大,影響使用壽命并對(duì)拆爐工作帶來難度。表2為添加劑占砂料的比率。表2添加劑占砂料的比率硼酸(H 3BO 3最高溫度/工作溫度/ 1.4156015001.6153014701.814801420硼酸(H 3BO 3最高溫度/工作溫度/0.8156015000.9153014701.0148014202加入氧化鋯在生產(chǎn)中

9、經(jīng)常出現(xiàn)爐底材料被熔蝕,而上部完好情況。圖2為爐襯狀況。圖2爐襯狀況這一熔蝕問題普遍發(fā)生于電爐中,而這一現(xiàn)象往往導(dǎo)致爐襯材料上半部分仍然完好,下半部分已無法使用需重新筑爐,生產(chǎn)效率降低,造成資金的浪費(fèi)。在長(zhǎng)期實(shí)踐中,我們認(rèn)為在爐襯材料中添加氧化鋯可有效的防止鐵水對(duì)爐襯底部的侵蝕。SD -A 系列干振料的化學(xué)成份如下(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%:SiO 2:99%;Al 2O 3:0.3%;Fe 2O 3:0.02%;ZrO 2:0.08,其它:0.1%。2.2爐襯材料的粒度和顆粒形狀的選擇2.2.1粒度選擇爐襯材料中,粗、中、細(xì)粒度各起不同作用。對(duì)感應(yīng)爐爐襯的壽命有很大關(guān)系。合理的粒度配合比可以使坩堝的氣孔

10、率最小,致密性最高,燒結(jié)性好和耐激冷激熱性好。粗粒度砂料在爐襯中起著骨架作用,使?fàn)t襯具有一定的強(qiáng)度,使?fàn)t襯的抗沖擊性提高,高溫性能好,抗渣性能提高,且能改善爐子的隔熱性能。但如果粗粒度砂粒過多,則打結(jié)密度差,在與金屬接觸的表面難以形成穩(wěn)固和完整的燒結(jié)層,并使?fàn)t襯燒結(jié)時(shí)膨脹較大,容易引起爐襯破裂,孔隙率增加,影響爐襯壽命。中粒度砂料可有效填充粗粒度砂料的間隙,增加了堆積密度可改善爐襯的燒結(jié)性能,提高爐襯強(qiáng)度。細(xì)粒度砂可保證爐襯的燒結(jié)性能和質(zhì)量,以及燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性,使?fàn)t襯具有良好的致密性。但細(xì)砂料容易燒蝕,若含量太高,耐火度及抗渣侵蝕性能會(huì)降低。同時(shí)細(xì)砂的表面活性大,易熔融及同爐渣反應(yīng),使?fàn)t襯的

11、使用壽命縮短。爐襯材料經(jīng)振動(dòng)打?qū)嵑?容重應(yīng)在2.15kg /cm 2.20kg /cm 之間。這是由于爐襯燒結(jié)后最終形成穩(wěn)定的方石英,方石英的體密度為2.15kg /cm 2.20kg /cm 之間。這一容重的爐襯在整個(gè)爐役過8鑄造設(shè)備研究2004年第1期程中保持良好的熱態(tài)穩(wěn)定性。SD A 系列干振料完全符合這一要求。為了提高爐襯的使用壽命,必須嚴(yán)格控制砂料粒度的配合比。2.2.2不同顆粒形狀的影響在我們使用的石英砂材料中砂粒的外形基本有如下幾種類型:圓形、橢圓形、多角形、尖角形、復(fù)合形。在原砂線脹率非常小(<3.5%,1600的情況下,其中除圓形外,其它多種顆粒形狀的砂粒組合,在爐襯材

12、料燒結(jié)時(shí)起到相互交聯(lián)支撐的作用,打結(jié)后的密度最高對(duì)提高爐襯的使用壽命也最好。SD -A 系列干振料符合這一條件。3燒結(jié)對(duì)爐襯壽命的影響對(duì)于石英砂坩堝材料,只有經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)才能出現(xiàn)液相融合,形成連續(xù)的燒結(jié)網(wǎng)絡(luò),通過網(wǎng)絡(luò)使整個(gè)砂料煉成一體,形成穩(wěn)定化的方石英材料,玻璃化的燒結(jié)層,提高爐襯材料的致密度和強(qiáng)度,使其受熱體積變化率減少,并具備抵抗鐵水的侵蝕作用。3.1燒結(jié)的作用石英砂具有較復(fù)雜的晶形轉(zhuǎn)變,燒結(jié)的目的之一是使?fàn)t襯材料燒結(jié)層石英晶變進(jìn)行的較徹底,尤其希望燒結(jié)層中含有較多的-方石英成份。晶變不徹底的燒結(jié)層含有較多的-鱗石英甚至殘留有-石英。如圖3所示 。圖3石英的同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變及體積變化率在57

13、3時(shí)-石英向-石英轉(zhuǎn)化,此時(shí)體積膨脹率為0.82%,此時(shí)升溫速度不宜太快,否則將達(dá)不到我們所希望的-方石英結(jié)構(gòu),而不再發(fā)生相變,直至1600形成石英。在8501300燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)迅速建立,在此期間對(duì)燒結(jié)起決定作用的是B 2O 3和砂料中SiO 2等形成低熔點(diǎn)的化合物SiO 2· B 2O 3由于以上反應(yīng)的進(jìn)行,在1300時(shí),燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)完全形成。在870時(shí)有晶形轉(zhuǎn)變-石英向-鱗石英轉(zhuǎn)化,此時(shí)體積膨脹率為16%,1200時(shí)體積膨脹達(dá)到最大值,直到1470止。在此期間升溫不宜過快,以防止燒結(jié)層因巨大的相變應(yīng)力而產(chǎn)生的裂紋和疏松。在1470時(shí),發(fā)生-鱗石英向-方石英的晶型轉(zhuǎn)化,此時(shí)體積膨脹率為4.

14、7%。坩堝正常工作溫度處于-方石英區(qū)域。在石英的同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變中,體積發(fā)生很大變化,由于SiO 2·B 2O 3的形成,使砂料體積收縮,部分抵消了石英因晶變形成的膨脹。爐襯材料的添加劑為硼酐時(shí),在燒結(jié)過程中水分含量較低,可以使燒結(jié)時(shí)間大大縮短。由于SD -A 系列石英砂干振料使用相變砂-即將石英砂經(jīng)高溫加熱,率先發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變,而后再打筑、燒結(jié)形成爐襯坩堝。該方法降低了爐襯燒結(jié)時(shí)的體積膨脹,提高了爐襯的使用壽命,而且把爐襯的燒結(jié)時(shí)間縮短為不超過4h 。3.2改善燒結(jié)效果的措施爐襯材料經(jīng)燒結(jié)后,其燒結(jié)結(jié)構(gòu)可分為燒結(jié)、半燒結(jié)層(過渡層和未燒結(jié)層(松散層。燒結(jié)層是構(gòu)成材料的工作層,它直接和鐵水

15、及爐渣接觸,受到鐵水及爐渣的侵蝕和沖刷。另外,它要受到因激冷激熱變化造成的爐體膨脹和收縮產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力及鐵水的靜壓力的作用。因此燒結(jié)層強(qiáng)度要高,密度要大,表面裂紋要少。這一層砂料顆粒之間應(yīng)當(dāng)全部融合,燒結(jié)網(wǎng)絡(luò)均勻完整。隨著爐壁的熔蝕,燒結(jié)層應(yīng)不斷向內(nèi)壁推移完整消耗。過渡層是燒結(jié)層和松散層之間的過渡帶,它的作用是緩解燒結(jié)層的應(yīng)力,阻止燒結(jié)層內(nèi)產(chǎn)生的裂紋向外延伸。松散層是沒有燒結(jié)的砂料,它的作用是緩沖因體積膨脹和收縮造成的危害。燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋造成鉆鐵后松散層起阻擋作用,防止漏爐故障的發(fā)生。此外松散層也起著絕熱作用。具有一定的松散層,可使拆爐工作的強(qiáng)度減低。圖4為爐襯材料燒結(jié)后斷面結(jié)構(gòu)。圖4燒結(jié)后爐襯

16、斷面結(jié)構(gòu)在打筑爐襯前,一般都在感應(yīng)器與爐襯材料之92004年第1期周育:中頻爐酸性爐襯使用壽命的探討間加云母層,其使用是起到絕緣保護(hù)及保溫效果,并可便于拆爐。在實(shí)際工作中,我們發(fā)現(xiàn)如云母層過厚,會(huì)使水冷線圈的熱交換能力減弱,經(jīng)長(zhǎng)期工作,會(huì)使燒結(jié)層過厚,燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋后,沒有松散層保護(hù)而導(dǎo)致爐襯報(bào)廢。后我們將原使用的雙層云母層板改為雙層云母紙厚度由原來的4mm降低到目前的0.76mm,起到了明顯效果。提高了爐襯使用壽命。SD-A系列石英砂干振料產(chǎn)品,相對(duì)于不同使用溫度添加的助熔劑適量,燒結(jié)層、過渡層、松散層明顯,松散層相對(duì)較厚,足可起到良好的保溫效果;如果采用線圈絕緣膠泥涂抹線圈,打筑爐襯時(shí)可以

17、省略云母保溫層。4鐵水與爐渣對(duì)爐襯壽命的影響4.1鐵水對(duì)爐襯的影響鐵水對(duì)爐襯的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面鐵水在電磁作用下產(chǎn)生的攪拌力,沖刷爐襯。另一方面高溫時(shí)爐襯中的SiO2被鐵水中的C還原,生成Si和CO造成爐襯材料變薄,鐵水降C增Si。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)盡量避免不必要的過熱操作。SiO2+2C Si+2CO4.2爐渣對(duì)爐襯的影響由于爐料中的鐵銹、回爐料不凈及鐵水高溫被氧化等因素,產(chǎn)生大量的FeO等爐渣,與爐襯中的SiO2反應(yīng)形成許多低熔點(diǎn)的熔渣,這些熔渣掛在爐壁上在高溫下又不易上浮,嚴(yán)重侵蝕爐襯,大量熔渣如不及早清除,會(huì)連成一體影響測(cè)溫及易產(chǎn)生鐵水過熱,加速對(duì)爐襯侵蝕。并且爐渣會(huì)掩蓋爐襯真

18、實(shí)裂紋,因此及時(shí)的清渣也是延長(zhǎng)爐襯壽命的一個(gè)因素。5筑爐和操作對(duì)爐襯材料的影響筑爐和操作對(duì)爐襯材料的影響嚴(yán)格筑爐工藝,規(guī)范日常操作是提高爐襯壽命的重要一環(huán)。5.1筑爐對(duì)爐齡的影響打結(jié)爐襯分為人工打結(jié)和機(jī)械打結(jié)。目前多采用人工打結(jié),由于各人力量不同,會(huì)造成爐襯各處密度不均。影響爐襯的使用壽命。因此,建議機(jī)械打結(jié)。機(jī)械打結(jié)為先用筑爐底機(jī)將爐底打結(jié),再下入胎具,在胎具與絕緣層之間加入筑爐材料,用振搗器振動(dòng)胎具使材料緊實(shí)。筑爐工序如圖5所示。使用機(jī)械打結(jié)可以達(dá)到較高的填充密度、降低筑爐工作強(qiáng)度,縮短施工周期、使?fàn)t襯材料粒度分布 均勻,無偏析是今后大生產(chǎn)的必然方向。圖5筑爐過程示意圖5.2操作對(duì)爐襯材料

19、的影響在日常生產(chǎn)中,SD-A系列爐襯材料對(duì)冷爐爐體及爐料不需進(jìn)行預(yù)熱,不會(huì)因急熱造成爐襯材料產(chǎn)生裂紋。不用采用低溫保溫,倒空鐵水不會(huì)造成爐襯的橫紋及拉裂。對(duì)添加的爐料應(yīng)清理干凈,防止鐵銹等的帶入。在添加爐料時(shí)可按照重量由輕至重依次放入,以減少爐襯不必要的機(jī)械損傷。應(yīng)嚴(yán)格防止含Zn、Pb過高的材料加入,因以上兩種元素的熔點(diǎn)相對(duì)于鐵非常底,在鐵還未熔化時(shí),就以蒸汽的形式穿透整個(gè)爐襯。導(dǎo)致石英砂爐襯燒蝕洞及裂紋的產(chǎn)生。6其他因素對(duì)爐襯壽命的影響6.1感應(yīng)線圈有的公司對(duì)線圈進(jìn)行了改進(jìn),極大的延長(zhǎng)了爐襯的使用壽命。圖6改進(jìn)前后線圈示意圖。圖6改進(jìn)前后的線圈這種加長(zhǎng)圈設(shè)計(jì),即感應(yīng)線圈延伸并超過爐襯底部,因

20、此從爐體的頂部到底部爐料負(fù)載與磁場(chǎng)的耦合非常均勻,從而提高了能量轉(zhuǎn)換效率。傳統(tǒng)的感應(yīng)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在爐體的底部成彎曲狀,這種磁場(chǎng)產(chǎn)生的攪拌力使得爐襯底部拐角過早因侵蝕而破壞。這種加長(zhǎng)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在爐體底部引起的攪拌力是向上的,因此減少了對(duì)底部爐襯的影響。10鑄造設(shè)備研究2004年第1期6.2定期維護(hù)另外加強(qiáng)日常點(diǎn)檢,做好定期維護(hù)也是提高爐襯材料使用壽命的重要因素。如根據(jù)鐵水的通過噸位,定期檢查爐襯受侵蝕情況,做好相應(yīng)的修襯計(jì)劃等。7結(jié)束語對(duì)于爐襯材料的使用壽命同設(shè)備、工藝及日常操作是密不可分的。其中優(yōu)良的筑爐材料是關(guān)鍵,正確的施工工藝是前提,合理的操作是保證。只有嚴(yán)格的管理,正確的操作才

21、能使?fàn)t襯壽命得以不斷提高。參考文獻(xiàn):1鑄造工程師手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.2王嘯穆.陶瓷工藝學(xué)M.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,1997.3韓行祿.不定行耐火材料M.北京:冶金工業(yè)出版社,1996.(上接第4頁將被管理和存貯,每種型板的各種造型參數(shù)可預(yù)先輸入。其主界面可顯示如下信息:(1目前生產(chǎn)的型板和后續(xù)將要投入使用的型板;(2到目前為止,這些型號(hào)的型板已生產(chǎn)了多少整型;(3當(dāng)前班次信息:班次持續(xù)時(shí)間(已生產(chǎn)了多長(zhǎng)時(shí)間、休息持續(xù)時(shí)間、最近一次的設(shè)備循環(huán)時(shí)間及到目前為止,本班次已生產(chǎn)了多少型澆鑄出了多少箱;(4Production list產(chǎn)品列表信息:可以設(shè)置一天或者一周將要生產(chǎn)的產(chǎn)品,在產(chǎn)品列表中的型板將被自動(dòng)更換用以生產(chǎn),產(chǎn)品列表中的每個(gè)條目屬于一套(具有相同的型板參數(shù),這些參數(shù)將被自動(dòng)傳送給PLC,每個(gè)型板的調(diào)試生產(chǎn)都是以預(yù)先設(shè)置的型板參數(shù)來生產(chǎn)的。3Casting tracking鑄件跟蹤通過造型機(jī)、自動(dòng)澆注機(jī)等的信息錄入,計(jì)算機(jī)軟件可對(duì)鑄型狀況如模板號(hào)、批次號(hào)、是好型還是壞型、是否已澆注等信息進(jìn)行自動(dòng)跟