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2022-03-18 荣盛 耐材点击 76 次

耐火材料在无芯感应炉的应用

无芯感应炉指无铁芯穿过感应器的感应炉,分为工频感应炉、三倍频感炉、发电机组中频感应炉等种类。是利用电磁场感应原理将电能转化为热能,熔化金属炉材料的设备。

无芯感应炉具有高效、节能、污染低、成分调节方便、气氛控制方便、加热能力强、间歇运行等优点,广泛应用于炼钢、铸造、有色金属熔炼精密合金生产等领域。感应炉按频率分为:工频感应炉(50Hz以内);中频感应炉(50Hz-1万Hz)和高频感应炉(1万Hz以上)。近年来,随着大功率晶闸管变频电源的发展和可靠性的提高,中频炉逐渐取代了工频炉。与工频炉相比,中频炉具有热效率和电效率高、熔炼时间短、耗电量低、自动化方便等优点。而感应炉向大容量、高功率方向发展,对耐火材料要求较高。

 

耐火材料内衬是决定感应炉产量、铸件质量和生产运行安全可靠性的重要因素。要获得质量好、使用寿命长的耐火材料内衬,首先要了解使用条件:(1)耐火材料内衬厚度薄,内衬温度梯度大;(2)炉内电磁搅拌金属液,对内衬耐火材料造成机械腐蚀;(3)耐火材料内衬反复受到冷热冲击。

因此,所选耐火材料必须具有:足够高的耐火性和负荷软化温度;良好的热冲击稳定性;不与金属和渣发生化学反应;具有一定的高温机械强度;绝缘和隔热性好;施工好,填充密度高,烧结方便,维护方便;耐火原料资源丰富,价格低廉。感应炉的发展与耐火材料的技术进步密切相关。大型工频坩埚感应炉的设计往往始于耐火材料的选择和炉衬模拟试验。在任何情况下,炉衬耐火材料的选择都是基于炉的利用率和经济性。为了使电器紧密耦合,炉衬厚度越薄越好。

1.无芯感应炉的结构及耐火材料衬里的结构方法。
1)内衬结构。
铜管制成的线圈在衬里外部。传统的衬里结构是在线圈附近铺一层云母纸,然后是报警电极,再铺一层石棉板(布),再铺一层干式捣打炉衬。干式捣打衬里在烘烤和使用过程中逐渐形成烧结层。过渡层和未烧结层,合理的三层结构厚度是决定衬里使用寿命的重要因素之一。为了满足底部顶部的拆卸方法,出现了线圈绝缘水泥,取代了云母层,为线圈增加了保护屏障。水泥层一般比云母层厚,但导热率高于云母,因此称含水泥的衬里结构为改进结构。为了满足一些金属熔炼的需要,复合炉衬结构用预烧坩埚和填料代替捣打衬里。这种结构解决了干燥材料难以烧结的问题,改善了一些金属熔液或渣对衬里的严重腐蚀。

2)无芯感应炉耐火材料的种类及衬里的结构方法。
无芯感应炉耐火材料按不同材料分类如下:
(1)捣打成型耐火材料衬里:采用机械或手动捣打衬里。5t以下的感应炉大多采用这种方法搭建衬里。可以说,几乎所有的无芯感应炉都采用捣打材料。具体方法是:先在传感器内部和底部铺一层石棉板(或玻璃丝布),然后打结炉底,打好后放置坩埚模型(用5~7mm钢板焊接),加入混合捣打材料,用气锤或手动捣打坩埚壁,打结后自然干燥,再用木材烘烤,再通电烘烤。模型不需要取出,在通电过程中起到感应加热的作用,在熔炼第一炉时与炉料一起熔化。也有采用浇筑工艺成型的感应炉,容量100kg至几十吨。
(2)预制坩埚或炉瓦:在炉外形成和干燥坩埚或炉衬。此时,线圈采用绝缘水泥保护,与放置的坩埚填充防渗干耐火材料,称为复合炉衬。该结构解决了干材料在低温下难以烧结的问题,改善了一些金属熔液和渣对衬里的较大腐蚀。该方法适用于小容量(一般低于200公斤)的感应炉。由于预制坩埚里更换方便,主要用于实验和冶炼特殊金属。
(3)砌筑炉衬:感应炉内衬采用耐火砖分层砌筑,主要用于大型感应炉。

2.感应炉耐火材料的选择。
根据熔化金属的种类、渣的性质、炉容量和操作条件,选择不同的耐火材料,如表2所示。

1)铸铁熔化保温炉衬耐火材料。
感应炉可熔化球墨铸铁、蠕墨铸铁等各种铸铁。过去,工频炉主要用于熔化铸铁。由于中频变频感应炉具有效率高、节能等优点,近年来中频或变频炉越来越多地用于熔化铸铁。
铸铁感应炉内衬一般采用石英捣打材料,硼酸为烧结剂的酸性内衬。天然石英在使用过程中由于晶体变化产生体积效应,热膨胀系数大,耐热冲击性差,不适合间歇操作,炉操作不能空,连续操作良好。目前,这种炉衬的使用寿命约为60~150炉,有些可达到200炉。值得注意的是,近年来,一些地方的石英衬使用寿命显著提高,主要是高纯度。大晶粒石英和不同的烧结剂。

打结工艺主要有:
(1)线圈打结。
选缘水泥均匀涂抹在感应线圈表面,水泥层厚8~15mm,干燥后具有良好的绝缘性能。在线圈绝缘层中铺设一层石棉板和一层玻璃丝布,手动压实各层材料,然后用弹簧圈上下拧紧。捣打石英砂时,自上而下移动弹簧圈,直至内衬完成;
(2)打结炉底。
炉底厚度为280mm,分为四次填砂。必须严格控制填砂厚度不超过100mm/次,每次手动打结30min,绕炉缓慢旋转换位,均匀捣打,防止密度不均匀。打结到要求高度时,刮平并放置坩埚模具。坩埚模具必须与感应圈同心,并与炉底紧密结合。调整周围间隙后,用木楔夹紧,避免打结衬壁时位移。
(3)打结炉壁。
炉衬厚度为110~120mm,分批加料,填料厚度不超过60mm/次,人工打结15min,直至与感应圈上缘平齐。打结后,不取出坩埚模,干燥烧结时起感应加热作用。还有合理的烘烤烧结工艺,可以获得三层结构(即烧结层、过度层、松散层)的内衬,做好日常维护工作,达到炉衬的高寿命。
熔融石英打结料也用作酸性衬里,尤其是国外。熔融石英热膨胀系数小,捣打料抗冲击性能好。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结的现象,保留了足够的未烧结层,避免了裂纹穿透,保证了感应炉的安全稳定运行。该捣打料用于50kg-10t感应炉内衬,使用寿命为250~450炉,20炉内衬使用寿命为300炉。
此外,高铝土矿捣打材料也可作为熔铁感应炉的衬里,具有更好的抗热震性能。三级铝土矿熟料,质量分数55~66%,可满足铸铁感应炉衬里的要求。

2)铸钢。特殊钢熔炉内衬耐火材料。
目前铸钢。特殊钢熔化多采用500kg以下的中频炉,其内村耐火材料包括石英(偶尔使用)、氧化镁、镁尖晶石等干式捣打材料,使用寿命为50~150炉。镁捣打材料是以电熔镁砂为主要原料的内衬耐火材料,耐火性高,耐腐蚀性好。特别是对于碱性溶液。熔渣非常稳定。但其热膨胀系数大,烧结温度高。在使用过程中,由于膨胀和收缩,内衬会产生裂纹和剥落。因此,镁捣打材料适用于500kg以下的炉子。镁尖晶石捣打材料以镁砂为主要原料,加入适量的尖晶石制成。由于其热膨胀系数小于氧化镁,使用中的二次尖晶石化使材料膨胀,可抑制裂纹的产生和发展,尖晶石具有优异的耐渣性,可用于1t左右的感应熔炼炉内衬。

目前,容量超过1t的熔化保温炉逐渐增多,并向多品种熔化。高温熔化和高功率快速熔化的方向发展,使得感应炉衬里的使用条件极其苛刻。因此,大型铸钢。特殊钢熔化对感应炉衬里耐火材料的性能提出了更高的要求。因此,铸钢特殊钢熔化炉衬里耐火材料必须具有优异的高温性能,即耐腐蚀性。接触钢水的加热面不会产生裂纹,也不会出现漏钢液等问题。为了满足这些要求,一般选择电熔白刚玉或致密刚玉,加入适量的镁砂或铝镁尖晶石,在大型熔钢感应炉中推广应用。电熔刚玉耐火性好,耐腐蚀性强。与方镁石或尖晶石相比,刚玉具有热膨胀系数小、热体积稳定性好等优点。同时,在使用过程中产生二次尖晶石化的体积膨胀可以有效抑制衬里裂纹的产生。因此,采用铝尖晶石捣打材料衬里,内衬热面裂纹得到控制,微裂纹显著降低。该材料在3t~5t感应炉上的使用寿命为200~400炉次。

3)铜与铜合金熔化炉内衬用耐火材料
对于一般熔铜炉,石英、高铝土矿、莫来石和刚玉材料都能满足要求。由于石英捣打材料成本低,施工方便,300~700kg炉可高达200炉。莫来石或高铝捣打料或浇注料可用于连续使用的大型无芯感应炉,连续使用寿命一般可达一年以上。当工作温度升高,使用条件更苛刻时,可以使用刚玉衬里。近年来,国外出现了30多吨大型无芯感应炉。苏州铜厂16t工频熔铜炉采用刚玉衬里材料,添加抗渗剂,与铜液中的Mn.Ni.Al无反应,无粘渣,使用寿命超过3年(700多炉)。铜是铜合金中渗透性强的一种,熔点为1083℃。熔化时,熔体渗透到衬里内部,氧化,伴随体积膨胀和低熔点物质的生成,降低衬里材料的使用寿命。在30t熔铜感应炉中,熔化镍铝青铜时,最高温度为1350℃,采用临界颗粒达10mm的莫来石捣打料,使用条件良好。

其他采用预合成石墨坩埚或碳化硅坩埚,其优点是可以快速更换,节省烧结时间,提高感应炉的电效率,因此坩埚内的温度也很高,节能。但与刚玉捣打材料相比,成本高,坩埚内的搅拌效果降低,不利于炉温的均匀性。

4)铝及铝合金熔化炉内衬耐火材料。
金属铝和铝合金是高温下的强还原剂。虽然熔化温度不高(炉温不超过850C),但铝液的粘度很低,对衬里耐火材料具有很强的润湿性和渗透性。因此,衬里耐火材料具有较高的抗热冲击性和铝液渗透性。目前,其衬里耐火材料主要包括:
(1)高铝浇筑或湿捣打。莫来石衬里一般施工烘烤周期长,需要连续工作,使用效果好,使用寿命一般在一年以上。
(2)复合衬里:即热面采用预烧坩埚或炉瓦,线圈采用绝缘水泥保护,中间填充防渗防漏干耐火材料。使用效果更好。
(3)石英、莫来石、刚玉等干式捣打材料是铝熔炉中应用广泛的衬里材料。虽然使用寿命不如前两种材料,但使用稳定。

5)镍熔化炉内衬耐火材料。
一家有色金属公司有几个1t无芯中频感应炉生产水淬镍,采用金属液产生的耐火材料机械冲刷,也受到急冷热反复剧烈循环的影响,镍液穿透力强,经常发生炉底烧穿和线圈火灾事故,使用寿命超过十炉。一家耐火集团公司通过镁。镁尖晶石。铝尖晶石捣打材料的深入和详细的实验研究,得出铝尖晶石捣打材料更合适。

3.感应炉的维修。
做好感应炉内衬的维护当的维修是提高使用寿命的重要途径。
1)感应炉内衬损坏情况大致如下:
(1)热应力裂纹,由于衬里厚度薄,内部与高温金属液接触,外部靠近水冷线圈,两侧温差大,加上周期性冷热循环,导致衬里热应力开裂;
(2)机械侵蚀是由金属液和熔渣侵蚀引起的,特别是电磁搅拌和过热;
(3)剥落,由于热应力或机械碰撞等原因,内衬材料以块状或片状从内衬表面脱落;
(4)渗透与结渣。

2)感应炉维护。
维护工作非常重要,不仅能及时发现各种隐患,避免重大事故,还能保证安全生产,延长使用寿命,提高铸件质量,降低生产成本。日常生产应注意以下几点:
(1)炉内熔炼的原材料必须干净。为防止进料过程划伤炉衬,原材料尺寸不宜过大,不得直接撞击炉底。
(2)连续熔炼时,不要产生净金属液,留下约10%的保护衬里。注意防止熔化温度过高,腐蚀衬里。粘在衬里上的渣应及时清理,炉体尺寸应每周测量一次,问题应及时处理。
(3)定期记录炉体各关键部位的电参数、冷却水温度和壳体温度,随时监测炉体的使用情况。
(4)每天观察水压表、水温表、水流及软管老化程度,发现问题及时处理。
(5)分阶段熔炼后,炉体盖上保温盖,防止炉体冷却过快,产生深裂纹。当炉体出现较大裂纹或严重腐蚀时,清除损坏部分的烧结层,打结修复。

3)感应炉修复。
修复局部损坏的炉衬,不仅延长了感应炉的使用寿命,而且节省了大量的耐火材料、保温材料和绝缘材料,降低了烘烤炉的功耗,节省了工作时间和筑成本。例如,0.5t中频感应炉采用铝尖晶石内衬,熔化铝硅锰合金,一般使用寿命约为50炉。当使用约40炉时,采用硅微粉结合的镁修补材料对内衬的裂缝剥落和严重侵蚀部位进行修补。修补后,炉余热自然干燥10分钟,熔化加热烘烤高温处理,发现修补材料与原衬结合牢固。经过两次修复,衬里的使用寿命可提高到90~100炉。
维修方法有很多种,根据衬里的损坏情况灵活使用。大致有小修、中修、大修,小于1mm的裂缝不能修复,1mm以上的裂缝,特别是水平方向的裂缝必须修复,可用硼酸耐火材料筛选,用铁丝等工具填充,补充表面加水玻璃湿混合砂。如有小范围的侵蚀或损坏,清除炉渣和残留铁,涂抹水玻璃,然后用混合水玻璃的耐火材料进行维修,或用含有Aloo的不定形耐火材料进行维修。

中修有以下几种:
(1)热补法:常用于炉口,去除松动的原衬里,清洗后将高度和直径合适的模具放入碗口斜坡,加入散装耐火材料,先送低压电3~4小时,再送高压电化材料。
(2)冷补法:炉子冷却后修补。可能有以下情况:
①面积较大的局部损坏,去除补充氧化层,放置合适的坩埚模具,填充原衬里材料,根据旧炉曲线烘烤;②整个炉衬变薄,先去除衬里氧化层,底部捣打,然后放入整个炉胆,然后分批捣打,根据新炉烘烤;③修复底部脚部分,切割原烧结层(不全部去除),放入坩埚,加入。
(3)感应线圈修复:清理破损,均匀涂绝缘水泥,一般水泥为耐火水泥,为水硬物质,干燥太慢,容易流动变形,干燥太快,无法修复,掌握水泥的初凝和终凝时间。
中间维修简单易行,可反复连续进行。中间维修后,可达到新建筑内衬的相当效果,大大延长了使用寿命。如果中间维修反复无限延长,可实现感应炉耐火材料零排放,节能环保。建议感应炉采用喷涂技术,效率更好。

所谓大修,就是拆除所有耐火材料,重新筑炉。
无芯感应炉耐火材料是根据熔炼金属的种类、熔渣的性质、炉容量、操作条件等因素进行选择的。铸铁和部分铸钢。铜铝和合金熔化炉采用酸性石英耐火材料。纯度高(w(SiO)>99%),结晶颗粒大,捣打料颗粒比合理,烧结剂合适。衬里结实。铸钢和部分铸铁、铜铝和合金、镍熔化炉采用高铝土矿和刚玉尖晶石的中性镁和镁尖晶石的碱性耐火材料,可干式捣打或预制坩埚的复合衬里。根据炉容量和使用条件选择。对炉子进行精细维护,及时修复损坏部位,是延长感应炉使用寿命的重要途径。应采用喷涂技术、机械化作业和反复喷涂,力求使用后耐火材料零排放,向永久衬里方向发展。