中頻爐酸性爐襯使用壽命的探討

1、收稿日期:2003-10-11作者簡介:周育(1969-,男,大學,高級工程師。·設備研究·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:通過對爐襯材料的選擇,作用機理及影響石英砂爐襯材料壽命的相關因素的闡述,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。關鍵詞:耐火度;熱膨脹系數(shù);石英砂;硼酐;燒結中圖分類號:TG 232.3文獻標識碼:A 文章編號: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)定達到450爐次,雙聯(lián)24h 連續(xù)使用爐齡穩(wěn)定達到5周。創(chuàng)造了使用國內(nèi)耐火材料的良好記錄。下面是我們對提高中頻感應爐爐襯爐齡的體會。1爐襯材料的選擇感應爐對制作爐襯的耐火

4、材料有嚴格的要求。1足夠的耐火度。作為感應爐爐襯材料,其耐火度應高于1700,軟化溫度應高于1650。2良好的熱態(tài)穩(wěn)定性。由于爐襯壁內(nèi)外側溫度梯度差很大,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該有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。3高的化學穩(wěn)定性。爐襯材料的化學穩(wěn)定性和爐襯材料的使用壽命有密切關系,爐襯材料要有一定的低溫強度,在高溫時不易分解和還原,在熔煉過程中,不易與爐渣形成低熔點物質,不與鐵水和添加劑產(chǎn)生化學反應,使鐵水成份發(fā)生變化。4較高的機械性能。在低溫狀態(tài)時要能隨爐料的沖擊,在高溫狀態(tài)下能承受鐵水的靜壓力和強力的電磁攪拌作用,在鐵水

5、的長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)下不得導電,否則會引起漏電和短路而造成事故。6施工性能好,燒結性能好,筑爐及維修方便。針對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,各項熱物理參數(shù)大幅度提高。打結的酸性爐襯成本低、并且原材料來源廣泛、高溫強度高、耐急冷急熱性強,燒結性能好。2酸性爐襯材料對爐襯壽命的影響2.1爐襯材料中各成份對爐襯壽命的影響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、含量應大于99%,CaO 和Fe 2O 3等雜質含量應低于0.2%,特別是堿金屬氧化物含量應小于0.2%,部分集中的雜質能使爐襯產(chǎn)生熔洞,而滲漏鐵水,并且部分雜質在爐襯上結疤,嚴重影響熔化,從而影響爐襯的使用壽命。有關氧化鐵雜質的影響如表1所示。2.1.2石英砂中含水量石英砂含水量過高,在石英砂燒結過程中水分不易盡快排出,即使長時間烘爐,也易在加熱時引起水蒸汽殘留從而在爐襯中出現(xiàn)孔洞。石英砂中水分對爐襯的影響見圖1。2004年第1期鑄造設備研究2004年2月RESEARCH ST U DI ES ON F OU N DRY EQ UI PM EN TF eb .20041表1氧化鐵雜質對爐襯的

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溫度。因為石英砂材料的燒結溫度較高,硼酸在加熱時分解,以B 2O 3的形式存在于砂料中。在10001300時B 2O 3和砂料中SiO 2等形成低熔點的化合物(SiO 2·B 2O 3熔點為500,從而降低燒結熔點,改善燒結條件,提高燒結質量。并且在砂料中加入硼酸后,會降低砂料在燒結過程中發(fā)生的熱脹冷縮而導致體積變化產(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,會導致耐火材料的熔點降低,在較高的燒結溫度下也會使爐襯的燒結層過厚,體積變化加大,影響使用壽命并對拆爐工作帶來難度。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。在長期實踐中,我們認為在爐襯材料中添加氧化鋯可有效的防止鐵水對爐襯底部的侵蝕。SD -A 系列干振料的化學成份如下(質量分數(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、細粒度各起不同作用。對感應爐爐襯的壽命有很大關系。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,使爐襯具有一定的強度,使爐襯的抗沖擊性提高,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)固和完整的燒結層,并使爐襯燒結時膨脹較大,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性能,提高爐襯強度。細粒度砂可保證爐襯的燒結性能和質量,以及燒結網(wǎng)絡的連續(xù)性,使爐襯具有良好的致密性。但細砂料容易燒蝕,若含量太高,耐火度及抗渣侵蝕性能會降低。同時細砂的表面活性大,易熔融及同爐渣反應,使爐襯的

11、使用壽命縮短。爐襯材料經(jīng)振動打實后,容重應在2.15kg /cm 2.20kg /cm 之間。這是由于爐襯燒結后最終形成穩(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爐役過8鑄造設備研究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、料燒結時起到相互交聯(lián)支撐的作用,打結后的密度最高對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燒結對爐襯壽命的影響對于石英砂坩堝材料,只有經(jīng)過高溫燒結才能出現(xiàn)液相融合,形成連續(xù)的燒結網(wǎng)絡,通過網(wǎng)絡使整個砂料煉成一體,形成穩(wěn)定化的方石英材料,玻璃化的燒結層,提高爐襯材料的致密度和強度,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燒結的作用石英砂具有較復雜的晶形轉變,燒結的目的之一是使爐襯材料燒結層石英晶變進行的較徹底,尤其希望燒結層中含有較多的-方石英成份。晶變不徹底的燒結層含有較多的-鱗石英甚至殘留有-石英。如圖3所示 。圖3石英的同質異晶轉變及體積變化率在57

13、3時-石英向-石英轉化,此時體積膨脹率為0.82%,此時升溫速度不宜太快,否則將達不到我們所希望的-方石英結構,而不再發(fā)生相變,直至1600形成石英。在8501300燒結網(wǎng)絡迅速建立,在此期間對燒結起決定作用的是B 2O 3和砂料中SiO 2等形成低熔點的化合物SiO 2· B 2O 3由于以上反應的進行,在1300時,燒結網(wǎng)絡完全形成。在870時有晶形轉變-石英向-鱗石英轉化,此時體積膨脹率為16%,1200時體積膨脹達到最大值,直到1470止。在此期間升溫不宜過快,以防止燒結層因巨大的相變應力而產(chǎn)生的裂紋和疏松。在1470時,發(fā)生-鱗石英向-方石英的晶型轉化,此時體積膨脹率為4.

14、7%。坩堝正常工作溫度處于-方石英區(qū)域。在石英的同質異晶轉變中,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,在燒結過程中水分含量較低,可以使燒結時間大大縮短。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)生晶形轉變,而后再打筑、燒結形成爐襯坩堝。該方法降低了爐襯燒結時的體積膨脹,提高了爐襯的使用壽命,而且把爐襯的燒結時間縮短為不超過4h 。3.2改善燒結效果的措施爐襯材料經(jīng)燒結后,其燒結結構可分為燒結、半燒結層(過渡層和未燒結層(松散層。燒結層是構成材料的工作層,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)應力及鐵水的靜壓力的作用。因此燒結層強度要高,密度要大,表面裂紋要少。這一層砂料顆粒之間應當全部融合,燒結網(wǎng)絡均勻完整。隨著爐壁的熔蝕,燒結層應不斷向內(nèi)壁推移完整消耗。過渡層是燒結層和松散層之間的過渡帶,它的作用是緩解燒結層的應力,阻止燒結層內(nèi)產(chǎn)生的裂紋向外延伸。松散層是沒有燒結的砂料,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,可使拆爐工作的強度減低。圖4為爐襯材料燒結后斷面結構。圖4燒結后爐襯

16、斷面結構在打筑爐襯前,一般都在感應器與爐襯材料之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及保溫效果,并可便于拆爐。在實際工作中,我們發(fā)現(xiàn)如云母層過厚,會使水冷線圈的熱交換能力減弱,經(jīng)長期工作,會使燒結層過厚,燒結層產(chǎn)生裂紋后,沒有松散層保護而導致爐襯報廢。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,相對于不同使用溫度添加的助熔劑適量,燒結層、過渡層、松散層明顯,松散層相對較厚,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,打筑爐襯時可以

17、省略云母保溫層。4鐵水與爐渣對爐襯壽命的影響4.1鐵水對爐襯的影響鐵水對爐襯的影響主要表現(xiàn)在兩個方面: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。在實際生產(chǎn)中應盡量避免不必要的過熱操作。SiO2+2C Si+2CO4.2爐渣對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反應形成許多低熔點的熔渣,這些熔渣掛在爐壁上在高溫下又不易上浮,嚴重侵蝕爐襯,大量熔渣如不及早清除,會連成一體影響測溫及易產(chǎn)生鐵水過熱,加速對爐襯侵蝕。并且爐渣會掩蓋爐襯真

18、實裂紋,因此及時的清渣也是延長爐襯壽命的一個因素。5筑爐和操作對爐襯材料的影響筑爐和操作對爐襯材料的影響嚴格筑爐工藝,規(guī)范日常操作是提高爐襯壽命的重要一環(huán)。5.1筑爐對爐齡的影響打結爐襯分為人工打結和機械打結。目前多采用人工打結,由于各人力量不同,會造成爐襯各處密度不均。影響爐襯的使用壽命。因此,建議機械打結。機械打結為先用筑爐底機將爐底打結,再下入胎具,在胎具與絕緣層之間加入筑爐材料,用振搗器振動胎具使材料緊實。筑爐工序如圖5所示。使用機械打結可以達到較高的填充密度、降低筑爐工作強度,縮短施工周期、使爐襯材料粒度分布 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操作對爐襯材料

19、的影響在日常生產(chǎn)中,SD-A系列爐襯材料對冷爐爐體及爐料不需進行預熱,不會因急熱造成爐襯材料產(chǎn)生裂紋。不用采用低溫保溫,倒空鐵水不會造成爐襯的橫紋及拉裂。對添加的爐料應清理干凈,防止鐵銹等的帶入。在添加爐料時可按照重量由輕至重依次放入,以減少爐襯不必要的機械損傷。應嚴格防止含Zn、Pb過高的材料加入,因以上兩種元素的熔點相對于鐵非常底,在鐵還未熔化時,就以蒸汽的形式穿透整個爐襯。導致石英砂爐襯燒蝕洞及裂紋的產(chǎn)生。6其他因素對爐襯壽命的影響6.1感應線圈有的公司對線圈進行了改進,極大的延長了爐襯的使用壽命。圖6改進前后線圈示意圖。圖6改進前后的線圈這種加長圈設計,即感應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載與磁場的耦合非常均勻,從而提高了能量轉換效率。傳統(tǒng)的感應線圈所產(chǎn)生的磁場在爐體的底部成彎曲狀,這種磁場產(chǎn)生的攪拌力使得爐襯底部拐角過早因侵蝕而破壞。這種加長線圈所產(chǎn)生的磁場在爐體底部引起的攪拌力是向上的,因此減少了對底部爐襯的影響。10鑄造設備研究2004年第1期6.2定期維護另外加強日常點檢,做好定期維護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,做好相應的修襯計劃等。7結束語對于爐襯材料的使用壽命同設備、工藝及日常操作是密不可分的。其中優(yōu)良的筑爐材料是關鍵,正確的施工工藝是前提,合理的操作是保證。只有嚴格的管理,正確的操作才

21、能使爐襯壽命得以不斷提高。參考文獻:1鑄造工程師手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.2王嘯穆.陶瓷工藝學M.北京:中國輕工業(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,這些型號的型板已生產(chǎn)了多少整型;(3當前班次信息:班次持續(xù)時間(已生產(chǎn)了多長時間、休息持續(xù)時間、最近一次的設備循環(huán)時間及到目前為止,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更換用以生產(chǎn),產(chǎn)品列表中的每個條目屬于一套(具有相同的型板參數(shù),這些參數(shù)將被自動傳送給PLC,每個型板的調(diào)試生產(chǎn)都是以預先設置的型板參數(shù)來生產(chǎn)的。3Casting tracking鑄件跟蹤通過造型機、自動澆注機等的信息錄入,計算機軟件可對鑄型狀況如模板號、批次號、是好型還是壞型、是否已澆注等信息進行自動跟