無芯感應爐用爐襯材料的選擇

　　作者 趙敬忠

　　西安理工大學材料科學與工程學院

　　摘 要 介紹了感應爐爐襯耐火材料的使用環(huán)境，分析了感應爐爐襯結構以及在不同的使用環(huán)境下的使用情況和材料選擇。

　　關鍵詞 感應爐,爐襯,耐火材料

　　無芯感應爐由于具有升溫能力強、可間歇作業(yè)、爐襯費用低、使用靈活方便等特點而被廣泛采用。目前正向高功率、快速熔化、大型化方向發(fā)展。

　　爐襯耐火材料是決定感應爐產(chǎn)量、鑄件質量及運行安全可靠性的一個重要因素。要獲得質量好、壽命長的感應爐襯，首先要了解無芯感應爐中爐襯耐火材料的工作環(huán)境。其中耐火材料工作環(huán)境的特點為：(1)爐襯厚度薄，爐襯材料的溫度梯度很大；(2)爐中金屬液電磁攪拌能力強,會對爐襯耐火材料產(chǎn)生機械蝕損；(3)爐襯耐火材料反復受到急冷急熱。

　　根據(jù)以上工作條件，爐襯耐火材料必須具有以下特性：(1)具有相對于金屬液足夠高的耐火度和荷重軟化溫度；(2)良好的熱穩(wěn)定性；(3)不與金屬熔渣及其熔化時所存在的成分等發(fā)生化學反應；(4)具有高的高溫機械強度；(5)具有好的隔熱性和絕緣性；(6)材料的施工性能好，填充密度高，燒結性能好，維修方便；(7)資源豐富，價格低廉。

　　1 爐襯的結構及所用耐火材料

　　1.1 爐襯結構

　　如表1所示，傳統(tǒng)的爐襯結構是在緊靠線圈的部位鋪設一層云母紙，接下來是報警電極，再鋪設一層石棉板(布)，其后是干式搗打熱面爐襯。干式熱面在烘烤和使用過程中逐步形成燒結層、過渡層和未燒結層，合理的三層厚度結構是決定爐襯壽命的重要因素之一。為了滿足底頂出式拆爐方式的需要，出現(xiàn)了線圈絕緣保護膠泥，膠泥取代了云母層，同時給線圈增加了一層保護屏障。膠泥層一般較云母層厚，但導熱系數(shù)大大高于云母，因此稱含膠泥的爐襯結構為改良的爐襯結構。復合爐襯結構是為適應一些金屬的熔煉需要，用預燒成的坩堝(爐瓦)和填充料取代熱面層，這種結構解決了干式料較低溫度下難以燒結的問題，同時改善某些金屬熔液或渣對爐襯熔蝕較大的狀況。

1.2 爐襯耐火材料

　　感應爐用耐火材料按其性質分為酸性、中性、堿性三種類型,按施工方法分為干式搗打料、濕式搗打料、澆注料、涂抹料等。在絕大部分場合,爐襯都使用不定形耐火材料,有時也要用一些定形耐火制品。耐火材料的材質應根據(jù)熔化金屬的種類、渣的性質、爐容量及操作條件等選定。無芯感應爐常用的耐火材料見表2

　　2 感應爐用耐火材料材質的選擇

　　2.1 熔化鑄鋼、特殊鋼用爐襯材料

　　目前,熔化鑄鋼、特殊鋼多使用500kg以下的中頻爐，爐襯一般使用石英質、氧化鎂質、鎂尖晶石質等干式搗打料,壽命一般為50～150爐次。近年來，爐容量在1t以上的熔化和保溫爐逐漸增多，僅國內(nèi)用于煉鋼的20t感應爐就有近10臺，且正在向多品種熔煉、高溫熔煉和高功率快速熔化的方向發(fā)展。因此，要求鑄鋼、特殊鋼熔化用爐襯耐火材料必須具有優(yōu)良的高溫特性，即耐蝕、熱面不易產(chǎn)生裂紋、不易發(fā)生滲液、漏液等意外事故?，F(xiàn)在鋁尖晶石質搗打料逐步取代其他材料，正在煉鋼感應爐上進行推廣。表3為熔化鑄鋼、特殊鋼用爐襯材料的特性。

　　鎂質搗打料是以電熔鎂砂為主要原料的爐襯耐火材料，具有熔點高、耐蝕性優(yōu)、荷重軟化溫度高等優(yōu)點，尤其對堿性熔液、熔渣顯示出十分良好的化學穩(wěn)定性。但是它的熱膨脹系數(shù)較大，燒結溫度高，作業(yè)中由于膨脹、收縮，爐襯會產(chǎn)生龜裂及剝落，因此這種材料對500kg以下的爐子比較合適。

　　鎂尖晶石搗打料是以鎂砂為主要原料，添加尖晶石原料制成的。尖晶石在高溫下抗渣性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)小于方鎂石，在使用過程中由于二次尖晶石化產(chǎn)生的膨脹能抑制龜裂紋的產(chǎn)生和擴展，可廣泛用于1t左右的感應熔煉爐。但對于1t以上的爐子來說，由于爐殼直徑增大，溫度急變產(chǎn)生的龜裂紋的擴大很難避免，因此鎂尖晶石搗打料在1t以上的爐子上難以獲得穩(wěn)定理想的使用壽命。

　　鋁尖晶石搗打料以電熔剛玉為主要原料，添加適量尖晶石原料和外加劑制成的。電熔剛玉熔點鎂質搗打料是以電熔鎂砂為主要原料的爐襯耐火材料，具有熔點高、耐蝕性優(yōu)、荷重軟化溫度高等優(yōu)點,尤其對堿性熔液、熔渣顯示出十分良好的化學穩(wěn)定性。但是它的熱膨脹系數(shù)較大，燒結溫度高，作業(yè)中由于膨脹、收縮，爐襯會產(chǎn)生龜裂及剝落，因此這種材料對500kg以下的爐子比較合適。

　　鎂尖晶石搗打料是以鎂砂為主要原料，添加尖晶石原料制成的。尖晶石在高溫下抗渣性優(yōu)良，熱膨脹系數(shù)小于方鎂石，在使用過程中由于二次尖晶石化產(chǎn)生的膨脹能抑制龜裂紋的產(chǎn)生和擴展，可廣泛用于1t左右的感應熔煉爐。但對于1t以上的爐子來說，由于爐殼直徑增大，溫度急變產(chǎn)生的龜裂紋的擴大很難避免，因此鎂尖晶石搗打料在1t以上的爐子上難以獲得穩(wěn)定理想的使用壽命。

　　鋁尖晶石搗打料以電熔剛玉為主要原料,添加適量尖晶石原料和外加劑制成的。電熔剛玉熔點，確保爐子安全穩(wěn)定地運行。據(jù)報道，該搗打料用于500kg～10t的爐子爐襯壽命通常為250～450爐次，20t爐子的使用壽命達300爐次。

　　2.3 熔化有色金屬感應爐用耐火材

　　2.3.1 銅及銅合金感應爐用耐火材料

　　目前常用于銅及銅合金無芯感應爐的爐襯系統(tǒng)，主要有剛玉質和石英質干式搗打料，還有預成型的石墨坩堝及碳化硅坩堝,坩堝的背襯為不燒結的填充料。石英質搗打料成本低且筑爐方便，在300～700kg爐子中最多可使用200爐次，當工作溫度提高、工作環(huán)境更苛刻時，剛玉質爐襯就顯示出其優(yōu)越性，使用壽命較長，但材料的成本比石英質提高7～8倍。預合成的粘土結合石墨坩堝和碳化硅坩堝的突出優(yōu)點是可以快速更換，節(jié)省燒結時間，同時采用石墨作結合劑可以增加坩堝的電導率，從而使感應爐的電效率提高，坩堝內(nèi)的溫度自然也高。但是這種爐襯的熱損失較大，節(jié)能效果差，其更換方便和不須燒結的優(yōu)點及節(jié)能效益，未必能補償成型坩堝與剛玉質爐襯之間的成本差額，同時坩堝內(nèi)的攪拌作用降低，對爐溫均勻性不利。另外在連續(xù)使用的大型無芯爐上，可以使用與有芯爐襯類似的莫來石質或高鋁質搗打料和澆注料，以上料的筑爐和烘烤周期較長，要求連續(xù)使用，一般使用壽命可達到一年以上。

　　2.3.2 鋁及鋁合金感應爐用耐火材料

　　無芯感應熔鋁爐特別是中頻感應爐由于加熱速度快、易于變換金屬品種、占地面積小，近年來發(fā)展較快。目前其爐襯材料主要有以下幾種:

　?、贊沧⒒驖袷綋v打成型的高鋁質、莫來石質爐襯，這些材料的施工和烘烤周期長,要求連續(xù)工作，使用效果較好，一般壽命在一年以上。但由于操作復雜，條件苛刻，目前使用者較少。

　?、趶秃蠣t襯由于筑爐簡便、烘爐時間短而被廣泛采用。其熱面采用預燒成的坩堝或爐瓦，線圈采用絕緣膠泥保護，中間填充以抗?jié)B、止漏的干式耐火材料，使用效果較好，但坩堝加工周期長、坩堝的尺寸不夠準確等因素限制了復合爐襯的推廣應用。

　?、鄹墒綋v打料的出現(xiàn)克服了以上兩種爐襯的缺點，是目前使用廣泛的化鋁爐爐襯，雖然使用壽命不及前兩種材料，但使用穩(wěn)定。該料的品種有石英質、莫來石質、剛玉質等幾種。

　　同時,選擇爐襯材料時，必須注意到金屬鋁強烈的還原作用。我們經(jīng)?？梢杂^察到化鋁爐爐襯內(nèi)壁有堅硬的蘑菇狀沉積物，這種沉積物是鋁在熔化過程中產(chǎn)生氧化而形成的氧化鋁微晶的聚集物。在爐襯材料中加入一定的不浸潤添加劑可以改善這一趨勢。如果爐襯材料中存在有游離的SiO₂，它與鋁液接觸時將被還原成硅，硅再與鋁形成硅鋁合金，存在于材料中或粘附在爐襯的表面。如果金屬液中含有金屬鎂，鎂氧化后生成的MgO與Al₂O₃進一步反應生成尖晶石，這個過程的體積變化將導致爐襯表面層的剝落。

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