有芯感應爐用耐火材料的選擇非常重要,直接關係到爐子的使用效果。有芯爐用耐火材料分為:背襯耐火材料和爐襯耐火材料,背襯材料一般為陶瓷保溫紙、保溫磚及重質磚;而爐襯材料,在爐體,喉部和感應體等部位要按熔鍊金屬的種類,熔煉溫度等選用不同的耐火材料。
1、化鐵爐
工頻有芯爐的效率和功率因數比無芯爐高,電氣設備投資少,熔池的絕熱層厚,散熱少,因而爐子的經濟性好。大噸位爐的鐵液溫度比較穩定,密封好,長時間保溫對鐵合金成分損失少,所以用它來過熱鐵液,提高澆鑄溫度,能顯著改善鑄件質量;還可以用來兼作澆鑄裝置,如氣壓澆鑄爐。特別適合大批量連續生產,目前一些大企業都使用 30 t 以上的有芯工頻感應爐。特別是開爐後不能任意停爐,要連續運行下去,越長越好。制約爐子運行的原因,往往是爐襯耐火材料損壞而被迫停爐,所以分析爐襯損毀原因,研究提高耐火材料使用壽命,是發揮這一設備優越性的關鍵。
用於化鐵的有芯感應爐分為:灰鐵爐和球鐵爐。灰鐵爐出鐵溫度為 1 420 ℃~1 470 ℃,對於灰鐵熔化爐或保溫爐而言,爐渣呈酸性;球鐵爐出鐵溫度為 1 530 ℃,渣的化學性質隨冶金過程變化而呈酸鹼交替變化,爐襯要選中性耐火材料。由於出鐵後溫度劇變,雖留一部分鐵水,但降溫也在 300 ℃~400 ℃,如更換感應器 1 h ~2 h,會降得更低,所以爐膛內襯的抗熱震性要好,其次是鐵液和渣及球化劑對爐膛內襯的侵蝕,以及鐵翻滾產生的機械衝刷和液面波動時對內襯的機械衝刷,也要求內襯有一定的強度。
爐膛的損毀現象:主要是出鐵後爐襯開裂,裂縫沒有固定規律,縱向、橫向、斜向都有,且縫隙寬度較大,當縱橫裂紋交匯時就會產生大塊剝落,還有鐵液滲入裂縫,加快開裂速度。尤其進鐵口部位損毀嚴重。分析進鐵口蝕損、爐壁結構剝落與蝕損、感應器結瘤堵溝等產生原因,提出改進措施,選用合適的耐火材料,情況如下:
1)爐蓋:大都採用矽酸鋁纖維作襯裡。或者保溫層以高鋁礬土輕質磚粉及空心球顆粒為主,鋁酸鹽水泥結合的澆注料,輔以錨固件或錨固磚,多採用耐熱鋼鉚釘和耐熱鋼網,將其固定在爐蓋殼體上。
2)爐膛:採用電熔剛玉為骨料和粉料,純鋁酸鈣水泥及 SiO2、Al2O3 超微粉結合的低水泥澆注料。為了提高抗熱震性,而爐內又多為還原氣氛,澆注料中可加入適量含鐵低的 SiC 粉。爐內襯壽命很大程度受感應器耐火材料壽命及更換次數的影響,一般為 2~3 年左右。
3)感應器:包括熔溝部位、封口料、修平料和隔離料。
熔溝:普遍採用 w(MgO)>79%,w(Al2O3)>17%的 MgO—Al2O3 質乾式振動料或澆注料。乾式振動料是一種幾乎不含水分和任何液態加入物,經短時間振動成型後,不需烘烤即可投入使用的熱固性不定形耐火材料。加熱時,工作層陶瓷化具有較高的強度,非工作層保持未燒結狀態。在使用過程中,由於未燒結的非工作層可吸收工作層產生的應力,防止工作層產生裂紋或裂紋擴展,保證設備安全運行。與其他不定形耐火材料相比,乾式振動料施工方便,施工時間短,耐熱震性好,用好後拆除方便;用於感應器上可排除電擊穿或短路的危險。乾式振動料的性能及使用效果與充填的密度有關係。
合理的顆粒級配是提高充填密度的關鍵,採用多個振動器複合震動成型能獲得更高的充填密度,其次乾式振動料的物理性能還與燒結劑和加入量有關係,一般採用硼酸或磷酸鹽,加入量不能過大,否則會造成收縮大,氣孔率高,使用效果不好。
封口料一般採用與熔溝相同材質的乾式搗打料或溼式澆注料,臨界顆粒為 4 mm,烘乾後抗折強度 0.3 MPa 左右。選用 Al2O3 質封口料時,也可採用純鋁酸鈣水泥或磷酸做結合劑,尤其快換感應器時,採用磷酸結合劑,可防止接合面出現爆裂,提高對接速度和效率。
修平料:一般為 Al2O3- SiO2 質溼式塗抹料,臨界顆粒為2 mm,烘乾後強度不高。隔離料:普遍採用 Cr2O3 粉,是 因 為 Cr2O3 比 爐 膛 的 Al2O3 質 料 或 感 應 器 的MgO- Al2O3 質料燒結溫度高,在使用溫度下基本不產生陶瓷燒結層,以利於感應器和爐體喉部耐火材料分離,其顆粒為 0.043mm.
實踐表明:低水泥剛玉質澆注料,在有芯感應工頻爐爐體使用,長期在 1 500℃下,經高溫熔體的衝刷與侵蝕,爐體無明顯變化,無開裂、剝落等現象,使用壽命達三年以上;MgO- Al2O3 質乾式振動料及其配套的封口料、修平料、隔離料在 700 kW 感應器上使用壽命在半年以上,而在其他感應器上使用壽命達 1~2 年。
2、化銅爐
有芯工頻感應爐具有電效率高,加熱快、金屬燒損少等優點,目前世界有 90 以上的黃銅及銅合金在這種爐中熔煉。我國常用的熔銅爐容量有 1.5 t、2.0 t、5.0 t,最大的有 30 t.熔煉銅溫度介於 1 200 ℃~1 350 ℃(銅的熔點 960 ℃),熔溝達 1 350 ℃~ 1 450 ℃.銅液黏度小(接近水的黏度 0.1Pa·s),密度大,具有很強的滲透性;且滲透的銅易氧化,並伴隨體積膨脹,致使爐襯產生龜裂、剝落,從而降低爐襯壽命。
影響爐襯壽命的因素很多,取決於耐火材料的選擇、築爐方法、烘烤制度、熔溝維護和監測、以及熔溝形狀和爐子結構等。我國熔煉銅的工頻有芯感應爐,先從國外引進熔銅爐,採用莫來石、剛玉質耐火材料,使用壽命一般在 6~12 個月,最長達 4 年以上。從 20 世紀 80 年代開始,國內開始研究,並製造出中國的工頻有芯感應爐,經過多次改進,有些爐子的性能及使用壽命,接近或達到國外同類產品的先進水平,但還有不少爐子存在爐齡短的問題。其原因是多方面的,首先是用石英砂的搗打料做內襯。用石英砂雖然成本低、烘烤快,但壽命短。如某單位採用石英砂加入硼酸和玻璃粉的搗打料搗打內襯,其緻密度由 1.9 g/cm3 2.65 g/cm3 爐襯的使用壽命由不足 2 個月提高到 10 個月。
江西一家工廠採用的石英砂,提高到要求 SiO2含量必須大於 98%,不存在黃或黑色雜質,並有嚴格的顆粒級配:5~10 目 15%;20~40 目 20%;40~70目 20%;70~140 目 20%;270~320 目 25%,外加粒度小於 0.5 mm 的硼砂 3.0%作為黏結劑。在精心施工、保養和維護下,使用壽命一般能達到 1 年。因而,在提高材料緻密度和燒結程度的同時,一些單位採用Al2O3 含量大於 80%以上的高鋁礬土澆注料或搗打料。
如廣州銅材廠就是採用這種澆注料,其施工步驟是:安裝底模板、黏貼石棉板、砌保溫磚、安裝築爐模板、最後澆注高鋁質低水泥澆注料,然後進行脫模、養護等。比傳統的石英砂內襯使用壽命長。正確的築爐方法是保證熔銅爐開爐成功的基本前提。選用合適的搗打料,其顆粒級配合理,添加一定比例的紅柱石、碳化矽是提高燒結強度的有效措施。築爐時,採用分層遞降厚度的加料方式:打結層的表面層拉毛並掏出細粉,有利於料層間的粘結。採用中心環形輻射式向外逐圈打結方法,二級密實的搗打工藝,並進行三段式烘爐啟爐,有效的延長爐齡。進口的矽線石、莫來石質磚在熔銅爐和保溫爐的內襯及喉部使用壽命可達 4 年以上。我國某單位在特級高鋁礬土中加入鋼纖維,提高材料的抗剝落能力。這種材料也取得與進口料同樣的結果。
一般爐體內襯壽命與感應體壽命是不同步的,如某企業從芬蘭引進 300 kW 有芯感應熔銅爐,上爐體壽命可達 7 年左右,而感應體壽命只有 5 個月左右。
更換一次感應體要一周時間,而且生產後 1~2天時間內銅杆質量不穩定。經論證改造了熔溝形狀,將耐火襯板改成不鏽鋼水冷套,使感應體的壽命大大延長。廣州銅材廠對感應體,按熔煉的銅合金品種採用不同材料搗打施工,黃銅採用石英砂搗打料;青銅、紫銅採用碳化矽搗打料,使用壽命低於上爐體的壽命。大部分企業感應器熔溝部位耐火材料選用燒結較好的以莫來石和剛玉為主晶相的特級高鋁礬土為主,加入適量的碳化矽細粉,改善材料的潤溼性,抵抗銅液的強滲透性。其施工方法:可採用磷酸鹽結合劑的搗打施工,或者採用加入助燒結劑的幹法振動成型施工。取得比較好的使用效果。
3、化鋅爐
工頻有芯感應爐廣泛用於電解陰極鋅片的熔鑄、熱鍍鋅、鋅合金等鋅加工行業。鋅的熔點為 419.5 ℃,正常浸鋅時,熔池溫度在 460 ℃~485 ℃左右,熔溝在 600 ℃~670 ℃左右,鋅液特別容易流動,滲透性非常強。當耐火材料爐襯受到侵蝕,產生裂紋,鋅液進入裂紋內,破壞爐體,造成熔溝口堵塞及感應體漏鋅等現象,被迫停爐搶修。
目前熔鋅爐內襯採用Al2O3 含量 85%左右,ω(SiO2)<8%,ω(Fe2O3)<0.9%的高鋁礬土質澆注料或搗打料,使用壽命可達4~8 年及以上。感應體使用的可靠性及使用壽命的長短,直接關係到爐子的正常運行,影響連續化生產。感應體的使用壽命除了與感應線圈、冷技術、絕緣技術等感應體本身的因素有關外,還與熔溝耐火材料的使用壽命密切相關。目前,大型雙溝感應體採用溼法澆注料,單溝感應體主要採用乾式搗打料和溼法澆注料。表 1 表示出兩種不定形耐火材料的施工工藝和性能特點。
表 1 乾式搗打料和溼法澆注料的比較
趙敬忠等人分別選用熔融石英、堇青石、二級鋁礬土熟料、焦寶石、燒結及電熔莫來石六種熱膨脹係數較低的原料做骨料,加入剛玉微粉強化基質並增強結合作用,以及以鋁酸鹽水泥為主的複合結合系統,添加在 400 ℃以上產生膨脹的膨脹劑、高效減水劑、抗浸潤劑等,並做了顆粒級配等試驗。結果得出:以莫來石為骨料,加入剛玉微粉,鋁酸鹽水泥為主的複合結合系統的澆注料,經 800 ℃處理後的性能:耐壓強度 60 MPa,抗折強度 9.8 MPa,顯氣孔率15.6%,燒後線變化率 +0.027%,體積密度 2.87 g/cm3,抗熱震性>50 次。在容量為 20 t 的有芯熔鋅感應爐上使用壽命達 24 個月。
4、化鋁爐
由於有芯爐的連續作業,其能耗低於無芯爐。因此一些大型企業廣泛採用有芯感應爐熔化鋁錠,廢鋁材及鋁合金等物質。鋁的熔點為 660 ℃,熔液粘度小,滲透性很強;鋁的化學活性高,高溫下起強還原劑作用,易與耐火材料發生化學反應。尤其在耐火材料 - 鋁液 - 氣相三相交界處,Al 及其合金元素,如 Mg、Si、Mn 等易滲入耐火材料中,發生氧化還原反應,導致耐火材料變質,結構疏鬆而損壞。有芯爐的爐襯材料分為爐蓋(與熔鐵爐蓋基本相同,不再重複)、爐膛、喉部和感應器熔溝四部分耐火材料。特別是熔溝的耐火材料最為關鍵,直接影響爐子的壽命。
1) 爐膛用耐火材料:一般選用性能優良的低氣孔率、高密度的高鋁磚砌築,並要減小磚縫寬度。近年來,普遍採用高鋁質澆注料,一般選用以剛玉、莫來石為主晶相的高鋁礬土質,以純鋁酸鈣水泥為結合劑的澆注料。如河南某公司開發的熔鋁爐用澆注料,採用一級高鋁礬土熟料做骨料和粉料,加入黏土做燒結劑、藍晶石為膨脹劑、以及複合結合劑的澆注料,在使用時表現中溫強度高、呈膨脹狀態,抗滲透、抗侵蝕,使用壽命達 4、5 年。
2)喉部及熔溝用耐火材料:喉部和熔溝結構複雜,主要採用不定形耐火材料,主要是以剛玉、莫來石為主晶相的高鋁質澆注料,主要化學成分為:ω(Al2O3)>85%,ω(SiO2)<10%,ω(Fe2O3)<15%;110 ℃乾燥 24 h 後耐壓強度為 66.3 MPa,850 ℃,5 h燒後耐壓強度為 56.0 MPa,而抗折強度為 14.7 MPa;800 ℃,30 min 的高溫抗折強度達 13.2 MPa;燒後線變化率為 - 0.16%;體積密度>2.6 g/cm3.其澆注料在使用過程中無反應跡象,抗衝刷、耐磨損。
對於熔鋁爐用耐火材料來說,特別要重視鋁液的滲透性,鋁液 750 ℃時的黏度為 0.104 Pa·s 與 20 ℃水的黏度(0.10 Pa·s)相當。當鋁液進入氣孔和裂紋中,就會與耐火材料發生反應,產生體積效應,破壞內襯,降低感應爐的使用壽命。為此,對熔鋁爐用高鋁礬磚和高鋁質澆注料中的抗鋁液潤溼劑進行大量研究,從某國進口的熔鋁爐用高鋁磚中分析出鋇的化合物成分;我國在熔鋁爐用高鋁質澆注料中加入反潤溼劑進行了系統研究,得出:澆注料中加入 BaSO4 質量分數為 3%時,效果較好;加入鉻剛玉和氮化硼也較好,但成本較高。將 BaSO4 或 CaF2 與 Na3AlF6 複合加入,並將澆注料基質進行均化處理,抗鋁液的滲透性能更好。