無芯爐爐襯侵蝕的一種普遍現(xiàn)象－－“大象腳”現(xiàn)象

1、無芯爐爐襯侵蝕的一種普遍現(xiàn)象“大象腳”現(xiàn)象作者：Mr. David C. Williams, Dr. Ying H. Ko-Allied Mineral Products, Inc.簡介“大象腳”侵蝕是無芯感應(yīng)電爐下部，斜面部分和爐底石英砂爐襯的一種快速侵蝕現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般在無芯爐用于熔化球鐵時發(fā)生，但有時也發(fā)生于灰鐵和瑪鐵的熔化。這種不尋常的侵蝕導(dǎo)致下部爐襯侵蝕后狀似大象腳。非常不幸的是這種侵蝕發(fā)生在感應(yīng)線圈之內(nèi)，因此如果爐襯材料為金屬所滲入，過熱將加快材料的被侵蝕速度?？紤]到這一問題發(fā)生位置，在安裝過程中松散層材料的加入厚度需要認(rèn)真的控制。但是當(dāng)模具已經(jīng)安放在爐內(nèi)，站在爐子上是很難控制加

2、入松散層材料的厚度。這種侵蝕同時也涉及到首批加入的爐料與石英砂爐襯之間的化學(xué)反應(yīng)；模具斜面部分的設(shè)計；爐內(nèi)低鐵水液面時的過熱；與爐襯結(jié)構(gòu)有關(guān)的溫度梯度。這篇文章的目的就是深入分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因以及為鑄造廠推薦一些補(bǔ)救的方法。通過圖一可以看到“大象腳”侵蝕是爐體下部、斜面部分和爐底部分的耐火材料被侵蝕掉，而不幸的是當(dāng)這一現(xiàn)象發(fā)生時，其余部分的爐襯材料并未受到很多的侵蝕。而大多數(shù)耐火材料制造商推薦使用石英砂的無芯爐爐襯應(yīng)在整體厚度被侵蝕掉33或局部侵蝕50時拆除爐襯。圖一、無芯感應(yīng)電爐中的“大象腳”侵蝕產(chǎn)生“大象腳”侵蝕的原因當(dāng)分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因時，我們必須從具體情況中去考察，我們發(fā)現(xiàn)以下

3、幾條因素將對這種侵蝕產(chǎn)生影響：工作爐襯的安裝；爐襯的燒結(jié)；石英砂爐襯材料與首批爐料的化學(xué)反應(yīng)；模具斜面部分的設(shè)計；低鐵水液面時的過熱；（包括加料過程中的搭棚現(xiàn)象）下部爐墻和爐底的溫度梯度；鉆鐵和局部金屬滲入；有色合金的加入。工作爐襯的安裝當(dāng)我們考慮無芯爐爐襯干振料的安裝時，最基本的控制松散層的加入厚度。這是因為爐墻第一層耐火材料的安裝非常困難，當(dāng)我們把模具放置在已經(jīng)打結(jié)完成的爐底并加入石英砂，確認(rèn)松散層耐火材料的加入厚度為4英寸（100mm）是非常困難的。當(dāng)我們把石英砂加入后，一般來講下一步應(yīng)該是除氣，但對于這一層首先將材料刮平是非常重要的。這將確保每一部位的材料厚度都是4英寸。一些鑄造廠將第

4、一批材料的加入厚度降低為23英寸（5075mm），事實證明這是有效的。工作爐襯的燒結(jié)對爐襯燒結(jié)的目的是使干振料的表面形成一層陶瓷熱面，對于石英砂材料來講就是方石英相，這一層方石英相將直接接觸熔融金屬。形成陶瓷熱面的目的也是為了防止金屬的滲入。燒結(jié)工藝一般由耐火材料制造商推薦，燒結(jié)爐襯時需要使用放置在模具內(nèi)的K型熱電偶精確控制溫度，仔細(xì)的選擇首批爐料或起熔塊，認(rèn)真控制感應(yīng)能量。如果任何一個方面被忽略，首先受到影響的將是斜面部分和爐底。爐襯與首批爐料的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)熔化球鐵時，石英砂爐襯與鐵水中的碳的反應(yīng)將加速，從熱動力學(xué)角度分析，碳與二氧化硅在一定的溫度下有一個平衡比率，如下圖所示。在球鐵成份的鐵水

5、中碳與硅的比率遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離這一平衡比率。因此球鐵成份的鐵水將爐襯中的二氧化硅還原為硅來平衡這一比率，這將形成大象腳現(xiàn)象。無芯爐加入的爐料一般由回爐料、生鐵、碳鋼組成。材料的加入順序?qū)τ诜乐箤π泵娌课粻t襯材料的早期化學(xué)侵蝕有明顯的影響。當(dāng)首批加入的爐料為碳鋼時，我們可以想象到最初熔化的金屬的碳含量和硅含量是非常低的，這將導(dǎo)致氧化鐵和氧化錳數(shù)量的增加，所有的這些氧化物將與爐底和斜面部位的石英砂爐襯反應(yīng)：2FeO + SiO2 2FeOSiO2，熔點(diǎn)：1217C2MnO + SiO2 2MnOSiO2，熔點(diǎn)：1345C加料中的生鐵一般扮演中性角色。對于灰鐵成份的生鐵由于其碳硅含量相對較高，對石英砂爐襯的

6、侵蝕較小。對于高碳低硅成份的球鐵基生鐵料，將需要更多的硅來平衡碳/硅比率。這種成份的生鐵也是球體所必須的。當(dāng)回爐料加入時，這種化學(xué)侵蝕的傾向?qū)⒂兴档?。許多鑄造廠向空爐內(nèi)加入高碳、低硅成份的生鐵，當(dāng)這種情況發(fā)生時，最初得到的鐵水碳量非常高，而硅含量非常低，這將加速局部耐火材料的侵蝕，特別是爐底和斜面部分。為了避免這一情況的發(fā)生，應(yīng)首先在爐底加入回爐料，再加入高碳成份的生鐵或碳鋼。斜面部位的設(shè)計斜面部位的設(shè)計對于安裝的影響很大，此處材料的密度將直接取決于這一部位的幾何形狀。如果這一部位的角度很大，將使安裝和對材料的除氣工作非常難以進(jìn)行。如果使用BOSCH振動器進(jìn)行安裝工作，對斜面部位的打結(jié)會很困

7、難。如果使用內(nèi)部振動模具的方法來安裝材料，比如使用MARTIN振動器或高頻振動器，我們也很難在這一部位得到理想的密度，這是因為在振動過程中，材料是依靠自身的重力作用緊實的，也就是說垂直方向上緊實。因此我們希望斜面的角度越小越好。如果材料安裝密度不夠理想，在燒結(jié)過程中陶瓷熱面的形成將不足，因此易于在此部位發(fā)生侵蝕。低鐵水液面的過熱在工頻感應(yīng)爐中，感應(yīng)能量的穿透深度非常大，幾乎覆蓋整個電爐空間，因此對斜面部位的燒結(jié)非常有效，因此大象腳現(xiàn)象有時并不明顯。在中頻或高頻感應(yīng)爐中，對爐襯的燒結(jié)作用并不因為增加投入功率而上升，這些電爐能夠很快的將加入的鐵料熔化，也允許鑄造廠使用半爐熔化。但是如果后續(xù)加入的爐

8、料有所延誤，比如搭棚現(xiàn)象的發(fā)生，或者爐內(nèi)只有半爐鐵水而并未降低投入功率，爐底的鐵水溫度將上升的非常高，實際上是過熱了耐火材料，這一情況通常發(fā)生在爐底和斜面部位。因此認(rèn)真控制熔化過程，包括連續(xù)測溫是非常重要的。一般的來說，當(dāng)電爐轉(zhuǎn)入保溫狀態(tài)而并未降低功率時，將發(fā)生過熱。當(dāng)鐵水溫度非常高、攪拌作用非常強(qiáng)時，侵蝕速度將被加速。另外，加入清潔的爐料和認(rèn)真操作將避免搭棚現(xiàn)象的產(chǎn)生。下部爐墻和爐底的溫度梯度在所有的無芯爐中，由于水冷的作用將在耐火材料中產(chǎn)生一個溫度梯度。在下圖中我們可以對比氧化硅基線圈漿料和氧化鋁基線圈漿料對溫度梯度的影響。同時這一溫度梯度也將直接影響到耐火材料燒結(jié)的厚度。同時這也將影響到

9、鐵水和渣對爐襯材料的滲入，如果使用氧化硅基線圈漿料，水冷作用降低，將加劇金屬和渣對爐襯材料的滲入。當(dāng)我們考慮石英砂爐襯在斜面部位的厚度時，由于材料厚度的不同，將加劇金屬和渣對此部位的滲入。為解決這一問題，非常必要認(rèn)真研究斜面部位的溫度梯度，包括認(rèn)真考慮此部位的背襯材料。高鋁澆注料具有很好的熱傳導(dǎo)能力，能夠很好的將熱量通過水冷系統(tǒng)帶走。如果對爐襯結(jié)構(gòu)有任何的變動，在作出改變之前，非常必要向電爐制造商進(jìn)行咨詢。爐襯鉆鐵和局部金屬滲入爐襯鉆鐵一般是由于爐襯材料的裂紋造成的。而裂紋的形成一般是由于冷熱沖擊或加料過程中的機(jī)械沖擊引起的。當(dāng)有鐵存在于爐襯材料的橫截面中，使用電爐時感應(yīng)熱量將加熱這一部分金屬

10、引起周圍耐火材料的滲入，由于溫度梯度原因，這種鉆鐵一般發(fā)生在斜面部分，這種溫度梯度的不同是由于材料厚度不同造成的，背襯材料的結(jié)構(gòu)不同可在以下照片中看到。在中頻高功率感應(yīng)電爐中，嚴(yán)重的金屬滲入將導(dǎo)致石英砂爐襯的熔化，造成嚴(yán)重侵蝕，這種啟動時鉆鐵可通過適當(dāng)?shù)睦鋮s和冷啟動工藝來減少。有色金屬爐料的影響有色金屬對爐襯材料的影響變得非常普通，由于經(jīng)常在鐵中加入合金來提高其性能，比如鍍鋅鐵，任何鍍鋅表層都含一層很薄的鋅，其他鍍層可能會含一層錫或其他成份，這些有色金屬的熔點(diǎn)相對于鐵非常低，當(dāng)考慮到這些成份對爐襯的滲透作用時，它將完全穿透爐襯工作層，比如說相對于鋅，它的熔點(diǎn)只是420，汽化溫度只有910，在下

11、圖中可以發(fā)現(xiàn)鋅在910鐵還未熔化時就以蒸汽形式穿透整個爐襯，通過以下橫截面圖我們可以看出鋅由氣體形式變?yōu)橐后w形式，當(dāng)?shù)竭_(dá)溫度為420的爐襯界面位置，一層固體鋅將存在于與線圈漿料平行的爐襯材料內(nèi)部。由于這種穿透是在低溫下發(fā)生，因此非常難以預(yù)防，對于斜面部分，由于材料厚度的增加冷卻效果下降，這種穿透也將達(dá)到更大的深度，任何有色金屬的穿透將最終造成爐襯鉆鐵，減小這種情況發(fā)生的最好方法是不使用含有有色合金的加入料。補(bǔ)救措施1 嚴(yán)格執(zhí)行適當(dāng)?shù)氖┕Y(jié)工藝。多年來的實踐證明認(rèn)真執(zhí)行燒結(jié)工藝、增加安裝密度將減少大象腳侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，耐火材料理想陶瓷熱面的形成將會把金屬滲入降低到最小程度。2 加入爐料的質(zhì)量和

12、適當(dāng)?shù)募恿享樞?。在熔化球鐵時，為減小大象腳侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生，必須注意加料的順序，回爐料應(yīng)該作為首批加入爐料來代替首先加入碳鋼、高碳生鐵或碳來減少這一部位的化學(xué)侵蝕。這些材料應(yīng)在得到半爐鐵水時加入到爐內(nèi)。這將明顯的減少侵蝕現(xiàn)象，相對熔化回爐料和碳鋼，電爐的功率投入也相對有所降低。當(dāng)回爐料作為首批加入料時也不需要加入增碳劑。另外熔化碳鋼將產(chǎn)生氧化鐵和氧化錳也將加速爐襯的侵蝕。3 石英砂材料中氧化鋯的添加。近來的研究發(fā)現(xiàn)，在石英砂中加入氧化鋯有利于防止大象腳現(xiàn)象的產(chǎn)生，氧化鋯的加入有利于提高石英砂爐襯的不粘性，將使鐵水與爐襯之間的反應(yīng)降低到最小。4 對于熔化模斜面部位的設(shè)計。模具斜面部位的角度將影響爐襯材料的打結(jié)密度，特別是對于大爐子。在此部位材料難于達(dá)到理想密度這一點(diǎn)已經(jīng)被證實。我們也曾改變斜面的角度，但成效不大。為了易于這部分材料的安裝，加大爐底的直徑來減小斜面部位的傾斜角度，使材料更容易得到理想的密度。5 修補(bǔ)為了延長爐襯壽命，有些鑄造廠修補(bǔ)爐底。他們將爐底和斜面侵蝕的部位進(jìn)行清理，包括渣子和金屬滲入部分。得到一個干凈的材料表面。但這一切工作必須認(rèn)真謹(jǐn)慎的進(jìn)行，以防止整體爐襯的崩塌。如果爐底需要修補(bǔ)首先修補(bǔ)爐底。對爐底材料的打結(jié)需要高出所需高度25mm，然后刮到所需高度以得到一個堅實的材料表面，同時也減少粒度偏