坩堝熔煉的特點(diǎn)與高效操作

坩堝熔煉的特點(diǎn)與高效操作修毓平摘要介紹了目前主要應(yīng)用于有色合金的珀蝸爐熔煉的特點(diǎn)和發(fā)展概況，對(duì)國內(nèi)外在珀蝸熔煉高效操作方面的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了分析和評(píng)述。關(guān)鍵詞：珀蝸爐熔煉有色合金TheFeaturesandHighEfficientProcessingofCrucibleMeltingXiuYuping(GuangzhouXindaCast-EquipmentFactory)ABSTRACTInthispaper,thefeaturesanddevelopmentofcruciblefurnacemeltingmainlyusedfornonferrousalloyshavebeenintroducedbriefly.Thedomesticandoverseasexperiencesonthehighefficientprocessinghavebeenremarked.KeyWords:CrucibleFurnace,Melting,NonferrousAlloys1坩堝熔煉的優(yōu)點(diǎn)16世紀(jì)中葉，陶瓷業(yè)者及煉金術(shù)士利用粘土制造珀蝸，開始使用時(shí)先以慢火預(yù)熱使水氣蒸發(fā)，然后以猛火加熱珀蝸至金屬熔化所需的溫度。至18世紀(jì)末期，開始生產(chǎn)石墨質(zhì)珀蝸，但因成形技術(shù)落后，故與現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)相比，壽命仍嫌太短。1820年，美國的JOSEPH開發(fā)了一種珀蝸，采用天然石墨和耐火粘土，因石墨導(dǎo)熱性好且化學(xué)性能穩(wěn)定，耐火力強(qiáng)，故珀蝸壽命大大提高。從早期耐高溫石墨珀蝸逐步發(fā)展到超級(jí)超強(qiáng)珀蝸，直到當(dāng)今的高級(jí)碳化硅/石墨珀蝸，人類走過了一段漫長的歷史過程。與此同時(shí)，隨著耐熱耐蝕鑄鐵材質(zhì)的進(jìn)步和表面涂層防止?jié)B鐵技術(shù)的發(fā)展，合金鑄鐵珀蝸亦在近幾十年獲得廣泛的應(yīng)用。特別是有色金屬熔煉領(lǐng)域，采用石墨或鑄鐵珀蝸的熔爐占有很大的比例。這主要得益于珀蝸熔煉的一系列優(yōu)點(diǎn)。燒損少因被熔化的金屬與火焰隔離，且從珀蝸底部加熱，充分利用了熱對(duì)流作用，有利于爐料成分和溫度的均勻，避免局部高溫，使貴重合金元素的氧化燒損及高溫?fù)]發(fā)減少。一般珀蝸爐的金屬燒損僅為1%?2%，而無珀蝸爐高達(dá)5%?25%。冶金質(zhì)量高由于珀蝸使火焰及燃燒產(chǎn)物與金屬隔離，大大減少了氧化性氣體對(duì)金屬液的侵入。此外，便于對(duì)珀蝸內(nèi)的全部金屬液進(jìn)行凈化處理，保證冶金質(zhì)量的穩(wěn)定。生產(chǎn)組織靈活在生產(chǎn)不同種類和牌號(hào)的合金時(shí)，只需更換坩蝸，不會(huì)象無坩蝸爐那樣，有金屬液可能被污染之憂。此外，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模，可選用一個(gè)或多個(gè)可傾斜式坩蝸爐作為集中熔解和分湯，再用數(shù)個(gè)坩蝸可提出式保溫爐置于鑄機(jī)旁；也可不采用集中熔化而在每一臺(tái)鑄機(jī)旁配一個(gè)可提出式坩蝸熔解兼保溫爐。當(dāng)某個(gè)熔爐出現(xiàn)故障或需維修時(shí)，不會(huì)對(duì)全局產(chǎn)生較大影響。即使增加幾臺(tái)備用爐，其投資的增加也較小。而且，當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大時(shí)，熔爐添置的應(yīng)對(duì)方案及實(shí)施也比較靈活。成本低，占地省與相同熔化能力的無坩蝸爐相比，投資成本低，且占空間小，移動(dòng)方便。安裝調(diào)試簡便可直接放在地面上，接通能源即可開始作業(yè)。保養(yǎng)費(fèi)用低，停工時(shí)間短因爐襯不接觸金屬液，不易腐蝕，故爐襯壽命長。坩蝸更換簡便，對(duì)作業(yè)影響小。2現(xiàn)代坩垠熔爐的主要類型一般坩蝸爐所用熱源為燃油、燃?xì)饧半娏ΑＶ饕愋陀幸韵聨追N。可提出式坩蝸爐一般容量較小，坩蝸可自爐內(nèi)取出，將金屬液直接倒入型內(nèi)。不同合金可用不同的坩蝸，同一熔爐也可用不同大小的坩蝸，因此，有很大的彈性。汲出式坩蝸爐(如圖1)對(duì)鋁合金而言，一般容量50?500kg，主要用于壓鑄和重力鑄造。每次用勺子自坩蝸內(nèi)取出液體送入鑄模，具有自動(dòng)點(diǎn)火(指燃油)，自動(dòng)溫控等功能，故生產(chǎn)成本較手工控制減少30%。電熱坩蝸爐主要用于保溫，其熔解能力有限，往往因設(shè)計(jì)上的缺點(diǎn)使電熱體過早失效，導(dǎo)致輸入動(dòng)力損失近三分之一，而且更換電熱體頻繁，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，影響生產(chǎn)。（3）傾倒式坩蝸爐（如圖2）圖2傾倒式坩蝸爐Fig1Drawingcruciblefurnace一般容量（鋁）200?1600kg，用于單一合金生產(chǎn)且出湯量較大時(shí)。金屬自熔爐傾倒進(jìn)包內(nèi)，然后倒入保溫爐或鑄模中。未改良的爐體傾倒機(jī)構(gòu)是繞中央支軸旋轉(zhuǎn)，缺點(diǎn)是出水口位置不能定點(diǎn)出料。后來開發(fā)了一種邊緣支點(diǎn)式傾斜爐，其最新設(shè)計(jì)是裝有兩個(gè)油壓缸，可嚴(yán)格控制傾倒的流量和保證液流的平穩(wěn)。若爐體損壞時(shí)，可吊起更換一備用爐體，30min即可恢復(fù)作業(yè)。相對(duì)于傳統(tǒng)的窄而高的坩蝸，目前又發(fā)展了矮而闊的盆型坩蝸，便于加入大型金屬廢料。表面上看，盆型的受熱面積較小，金屬表露面積較大，熱損失較大。其實(shí)，它有利于坩蝸上緣部分金屬的預(yù)熱，使熔解速度比老式爐提高30%左右。此外，老式爐為了防止上下溫差過大導(dǎo)致坩蝸損壞，一般用人工操作的低壓燃燒器緩慢加熱至設(shè)定的溫度，而用盆型坩蝸因上下溫差小，采用控制盒自動(dòng)控制式燃燒器，無須先緩慢加熱，減少預(yù)熱時(shí)間，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉燃燒機(jī)，既防止過熱又節(jié)省燃油。（4）沉浸式坩蝸爐（如圖3）是最新式爐。采用一般爐之逆向設(shè)計(jì)，將燃燒器火焰直接噴入坩蝸內(nèi)，而金屬置于坩蝸外壁和耐火爐襯之間。選用特殊強(qiáng)力短火焰燃燒機(jī)可保證火力充滿坩蝸，其排放的燃?xì)獗灰鲱A(yù)熱爐料。滿負(fù)荷時(shí)熱效率高達(dá)40%，燒損率僅1%?2%，綜合效益遠(yuǎn)高于一般開放式火焰爐或保溫爐。目前有4種標(biāo)準(zhǔn)，可用于熔化、保溫及大容量爐，熔化率為300?1000kg/h。該爐結(jié)構(gòu)緊湊，與鑄機(jī)匹配協(xié)調(diào)方便。由于熱源在爐中心部，故工作環(huán)境溫度較低，坩蝸伸入金屬液底部，使金屬整體受熱均勻，坩蝸熱疲勞程度輕，壽命延長。該爐可用機(jī)械加料而無坩蝸損壞之虞。圖3沉浸式坩蝸爐Fig3Immersingcruciblefurnace旋轉(zhuǎn)式坩蝸爐爐身及坩蝸可旋轉(zhuǎn)，主要用來處理有色金屬屑及細(xì)廢料。坩蝸呈一瓶狀，容量為銅屑600kg。工作時(shí)爐體與垂直面成50。傾角，爐身與坩蝸同時(shí)旋轉(zhuǎn)，始終保持熔化金屬與坩蝸的受熱面接觸而將未熔的金屬屑旋進(jìn)熔液內(nèi)部及下方。旋轉(zhuǎn)可加快熔化速度，并防止金屬料在液面上的漂浮。窄頸狀坩蝸有利于防止金屬的氧化，提高金屬回收率。如含油3%的銅屑，其標(biāo)準(zhǔn)回收率達(dá)94%。根據(jù)我廠多年生產(chǎn)坩蝸和去使用廠家調(diào)試熔爐的經(jīng)驗(yàn)，在組織生產(chǎn)時(shí)，應(yīng)從以下幾方面考慮坩蝸爐的選用。使用對(duì)象對(duì)較大規(guī)模的鑄造車間宜選用汲出式坩蝸爐用于保溫。但當(dāng)考慮下列因素時(shí)，應(yīng)選兼具熔化和保溫功能的坩蝸爐。希望自動(dòng)定時(shí)預(yù)先將待熔料熔化，保證一上班即可澆鑄。適應(yīng)熔化少量多牌號(hào)合金。為要較快捷和準(zhǔn)確控制爐溫波動(dòng)。合金種類和日產(chǎn)量對(duì)要求合金成分嚴(yán)格且種類較多時(shí)，為避免誤混，應(yīng)適當(dāng)增加爐子的數(shù)量。最大的鑄件尺寸應(yīng)購置比正常熔化能力稍大些的熔爐，以便應(yīng)對(duì)鑄件最大尺寸的變化。金屬液供應(yīng)的連續(xù)性：可采用幾個(gè)熔爐輪流供應(yīng)，或由一大型熔化爐分湯至各保溫爐，但必須考慮應(yīng)急備用設(shè)備。熔爐的大小除銘牌上標(biāo)記的熔爐性能數(shù)據(jù)外，還應(yīng)考慮容量，加料的難易及出爐溫度等。為保證溫度的穩(wěn)定，熔爐內(nèi)任何時(shí)候都要保持不少于1/3容量的金屬液。能源選擇要考慮成本。燃油的儲(chǔ)存方法。安裝費(fèi)用。對(duì)一些特殊要求，優(yōu)先考慮保持產(chǎn)品的品質(zhì)和操作便利。3高效操作應(yīng)注意的問題為了充分發(fā)揮坩蝸爐的效能，根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)，建議注意以下問題。熔爐檢查安裝前要仔細(xì)檢查坩蝸有無裂痕，石墨坩蝸不明顯的瓷釉損壞也會(huì)使內(nèi)層被氧化。檢查爐壁并作必要的整修，保證尺寸正確，特別是噴火道和排氣口。要徹底清除爐底部的雜物并確保漏湯口能快速打開。底座和坩蝸應(yīng)放在爐中心，坩蝸和支撐導(dǎo)火柱及上蓋板之間的接觸點(diǎn)均應(yīng)留有一定的膨脹間隙。點(diǎn)火點(diǎn)火前檢查油溫及氣壓是否正常，儀表是否良好，燃燒機(jī)的位置及角度是否合理，空氣開關(guān)及調(diào)節(jié)桿須能自由活動(dòng)。為防止坩蝸因熱震早期損壞，要逐步加溫，火焰不要直接沖擊坩蝸。溫度未達(dá)到高熱時(shí)，不能移動(dòng)傾斜式熔爐，以確保接合劑有足夠力量固定坩蝸。加料料未開始熔化前不要加入助熔劑，否則，因大部分助熔劑的熔點(diǎn)較金屬低，當(dāng)坩蝸未被熔化金屬蓋住前，已熔化的助熔劑就會(huì)浸入坩蝸內(nèi)壁侵蝕坩蝸。坩蝸內(nèi)的液面太低，則使其內(nèi)壁暴露而氧化。熔化及出料正確調(diào)節(jié)空氣和燃料的混合比例，用短而暗明的火焰沿坩蝸外緣加熱。當(dāng)燃油燃燒不完全時(shí)，爐內(nèi)壁相對(duì)位置有積碳現(xiàn)象，要在未冷卻前盡快清除使之燒光。過量積碳的原因是：油料溫度太低，燃燒機(jī)位置未校正及過度損耗，噴嘴磨損，火道尺寸及角度不對(duì)，爐底部有雜物，導(dǎo)火柱或坩蝸未放在爐中央?？焖偃劢猓竭_(dá)設(shè)定溫度立刻出料，盡快使坩蝸倒清，除去附在蝸壁上的熔渣，開始再熔化，保持不間斷使用才能省油和延長坩蝸壽命。絕不能使金屬在坩蝸內(nèi)凍結(jié)。如需要暫時(shí)終止作業(yè)，應(yīng)關(guān)閉熔爐所有孔穴，蓋住坩蝸，以保溫和防止坩蝸被氧化。清理在每爐熔化的間隔，應(yīng)利用坩蝸的熱度刮凈熔渣，否則會(huì)導(dǎo)致熔化容量減少，導(dǎo)熱能力下降，變硬的熔渣層與坩蝸的膨脹系數(shù)不同會(huì)使坩蝸受損。此外，熔渣吸收水分將使金屬液內(nèi)含氣量增加。應(yīng)定期使用強(qiáng)力除渣劑清理。4熔解高品質(zhì)金屬的冶金因素高品質(zhì)的金屬液是保證鑄件質(zhì)量的第一關(guān)，用坩蝸爐熔煉高品質(zhì)金屬的冶金因素往往被淡化或忽視，應(yīng)予以足夠的關(guān)注。金屬液溫度控制合理的澆鑄溫度由模具設(shè)計(jì)、鑄件形狀、壁厚、復(fù)雜程度以及合金種類決定。溫度過低，將導(dǎo)致誤流(Missruns)及冷凝結(jié)(ColdShuts)；過高，則易被氧化，形成氧化夾渣，惡化結(jié)晶組織，降低鑄件品質(zhì)。尤其是金屬液高溫停留時(shí)間過長，將造成“死煎”。因此，須用浸入式感溫棒連續(xù)測定金屬的溫度，并與自動(dòng)燃燒機(jī)協(xié)同控溫。除氣氣體特別是氫以原子態(tài)溶于金屬液中的數(shù)量是在固體中的10余倍。當(dāng)鑄件凝固時(shí)，從金屬液中析出的氣體殘留在鑄件中而形成氣孔或針孔。因此，必須防止熔化時(shí)氣體的侵入并在澆鑄前進(jìn)行除氣，以凈化金屬液。確保金屬料、工具、耐火材料、助熔劑等的干燥。因金屬液吸氣量與溫度和時(shí)間成正比，故應(yīng)縮短高溫保持時(shí)間，不要燉煮金屬液。使用覆蓋劑可減少氣體的侵入。但要注意覆蓋劑對(duì)坩蝸的負(fù)面作用。如熔化銅合金，可用少量氧化助劑使之在輕度氧化狀態(tài)下熔化，然后在澆鑄前作除氧處理。但該氧化助劑生成的金屬氧化物對(duì)坩蝸有影響，故改用干燥的木炭塊覆蓋，在出爐時(shí)再吹干燥的氮?dú)獬龤?。有些合金如黃銅含較多的低熔點(diǎn)可揮發(fā)性的鋅，熔化時(shí)鋅蒸氣可有效地阻止吸氫，在化學(xué)反應(yīng)上可作為除氧劑，因此熔黃銅時(shí)，必須加一蓋子以防止表面氧化。又如鉛合金有很強(qiáng)的親氧性，但可形成一堅(jiān)固的氧化膜防止進(jìn)一步氧化，氣體的侵入量也不會(huì)太多。在汲出式爐中，氣體的侵入