袁富明

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

株洲冶煉集團股份有限公司(以下簡稱株冶)是一家大型的鉛鋅生產企業(yè),年產鉛鋅50萬t以上,有多臺有芯感應電爐、無芯感應電爐、反射爐進行陰極鋅片的熔鑄及其合金的生產。在鋅合金熔煉設備中,工頻無芯感應電爐是最適合熔煉原理、最有利于合金生產的設備,但是其內襯坩堝很容易開裂漏鋅,限制了其推廣使用。為了滿足不斷擴大的合金市場需求,株冶聯合河南洛華粉體工程公司、河南榮耀爐料公司、北京建材研究院等單位,進行了持續(xù)多年的無芯爐內襯攻關,取得了可喜成績,成功開發(fā)出了LH-404和RG-90等無芯爐專用澆注料,將爐子的容量從1983年的750 kg增加到目前的3 t和6 t。本文對無芯感應電爐的結構、原理、常見故障進行了較深入的分析,對開發(fā)新型材料的試驗研究進行了較詳細的總結。

1 無芯感應電爐的原理、結構及特點

1.1 無芯爐的基本原理

當感應線圈通交變電流時,線圈周圍產生強大的交變磁場,坩堝內的金屬也產生感應電流,感應電流在金屬體回旋,也稱渦流,金屬因自身具有電阻而發(fā)熱熔化。

1.2 無芯爐的結構

無芯爐的基本結構為:中心為坩堝型的爐襯,外繞水冷空心銅制感應線圈,線圈外配置磁軛導磁,上設活動爐蓋,還有爐架及傾爐裝置等,具體結構見圖1。

圖1 無芯爐的結構圖

1.3 無芯爐的特點

與其他合金熔煉設備(例如反射爐、有芯電爐)相比,無芯爐具有如下特點:

1.通電線圈產生的強大電磁力引起融熔狀態(tài)的鋅液不斷攪動,使被熔煉的合金液成分均勻、夾渣少,能避免因機械攪拌而帶來的金屬污染。

2.設備周圍溫度低、煙塵少、噪音小、作業(yè)環(huán)境好。

3.熔化升溫快,生產效率高。

4.熔化可以隨時開始或停止,爐內金屬液可以傾倒干凈,適合于更換合金品種。

2 無芯爐的常見故障及產生的原因

2.1 危害性最大的故障——坩堝漏鋅

坩堝內的鋅液在重力作用下,遇到坩堝壁上的氣孔或裂紋就會滲入其中。而滲入耐火材料中的鋅液始終處于磁場中,因此,會自身產生渦流,也就是說不管鋅液滲入到爐襯的任何位置都不會凝固,直至滲穿爐襯為此。如果爐襯有貫穿坩堝內外的裂紋,則鋅液很快就會滲漏,坩堝一旦漏鋅則幾乎沒有修復的可能。

2.2 金屬攪動對坩堝的損害

在交變磁場的作用下,根據右手定則坩堝內的合金液會產生感應電流,而成為帶電的導體。又根據左手定則帶電的導體在磁場中會產生運動的力,力的方向是由四周指向中心,同時涌向中心的液體就會因擁擠而上下翻騰,也稱一力四象。這也是我們看到在坩堝內翻騰的金屬液體中間凸起、四周凹陷的原因。這種翻騰和攪拌對不同的金屬互相熔融,形成合金是有利的。但對坩堝來說,卻是一種很大的破壞力,它會促成裂紋的形成,及加強液態(tài)金屬對坩堝的滲透。攪動的力度與輸入的功率及爐內的金屬量有關,功率越大,則攪動越大。因而,在爐內金屬不多時,不宜輸入過大的功率,如果加的固體料,則輸入的功率要慢慢增加。

2.3 溫度變化對爐襯的影響

由于無芯爐的生產采用的是熔化一爐放出一爐的作業(yè)方式,因此它的坩堝就不可避免地要經歷常溫-高溫-常溫循環(huán)往復的過程。坩堝選用的耐火材料,除了要有較好的強度及密實性外,還要有較好的耐急冷急熱性能。

2.4 爐內容量對爐襯的影響

從750 kg→3 t→6 t無芯爐,坩堝的內徑從Φ 390 mm→Φ 740 mm→Φ 1 000 mm,坩堝的壁厚卻沒有增加,都是110 mm;高度從900 mm→1 350 mm→1 600 mm;坩堝底部所承受的靜壓力從0.6 kg/cm2→0.9 kg/cm2→1.2 kg/cm2;坩堝內裝的金屬由500 kg→3 t→6 t。綜合以上因素,3 t坩堝承受的破壞力是750 kg坩堝的18倍,6 t坩堝承受的破壞力又比3 t的更大,這也是水玻璃耐火混凝土坩堝在750 kg爐子能應用,在3 t、6 t無芯爐中不能用的原因。

2.5 爐襯溫度梯度的影響

由于爐襯壁厚只有110 mm,內外的溫度差將近600℃,其溫度梯度有6℃/mm,這對于未經過燒結的爐襯材料來說,在此溫度梯度的條件下作業(yè)而又要保證坩堝不開裂是相當困難的。

3 試驗研究

澆注料是超細微粉的填充技術和高溫水泥的水合硬化技術相合的新型耐火材料,上世紀90年代末在冶金、建材行業(yè)開始推廣使用。在對無芯爐的結構特點、常見故障及產生原因做了詳細的分析之后,認為澆注料的強度高、密度大、容易成形、施工方便等一系列優(yōu)點,很適用于無芯爐內襯,試驗研究的重點是要解決爐料使用過程開裂漏鋅的問題,關鍵是要增強爐料的熱震穩(wěn)定性。

3.1 實驗設計

通過改變配料組成,采用高膨脹骨料,低膨脹基質的配料方案,提高爐料的熱震穩(wěn)定性。原理是:制品經燒成后冷卻至常溫,由于骨料熱膨脹大,使骨料與基質分離,而基質并不產生裂紋,因而機械強度不受損失;當制品再次受熱時,基質中可能出現很小的張應力,而骨料周圍則有空隙存在,其膨脹不會影響基質。即使在基質中出現微裂紋,遇到第一顆骨料后它將終止。這種組合熱震穩(wěn)定性非常好,常用于陶瓷窯具的配方設計。

3.2 試驗方案

1.選擇低溫膨脹的骨料,使其能在較低溫度如650℃之前產生膨脹效應。

2.選擇膨脹系數低的粉料作為基質,使其在升溫過程中能夠與骨料產生間隙。

3.放大臨界顆粒尺寸,合理顆粒搭配,使顆粒達到緊密堆積效果,增強顆粒的骨架作用,減小燒后的體積收縮。

4 試驗結果

4.1 配料組成

最大顆粒粒徑8 mm,骨料由8～5 mm,1～5 mm,0.088～1 mm的板狀剛玉、特級焦寶石、低溫膨脹劑組成;基質由碳化硅、鋁-65水泥、氧化鋁微粉、硅灰等組成。

4.2 熱膨脹實驗

實驗溫度20～1 000℃,如圖2、圖3所示。

圖2 熱膨脹率及線膨脹系圖

圖3 熱膨脹率及線膨脹系圖

圖2是經常溫養(yǎng)護3 d的試體,直接進行熱膨脹試驗,可以看出550℃左右有明顯的突然膨脹現象,這一過程到850℃左右結束,這就是所加的低溫膨脹劑作用。這一過程需要嚴格控制,控制不好會造成結構疏松、強度大幅下降,嚴重的產生裂紋,造成結構損壞?？刂坪线m就會達到實驗設計目的,在顆粒周邊產生空隙,用來消除基質由于急冷急熱產生的熱應力。

圖3是經1 000℃燒后,進行的熱膨脹試驗結果?？梢钥闯?經燒過的試體,熱膨脹率隨溫度的升高均勻上升,550℃左右的突然膨脹現象已經消除,這說明低溫膨脹劑的效果只是在首次升溫時出現,膨脹劑的作用是不可逆的。這對實際施工及使用具有指導意義。第一:當養(yǎng)護完畢烘爐時,升溫速度一定要嚴格控制,升到500℃以后需要非常緩慢進行。建議用戶當升溫到500℃時進行保溫,500～850℃升溫過程緩慢,防止急劇升溫造成襯里損壞;第二:烘爐終止溫度要大于850℃,且在850℃要有保溫過程;第三:考慮到襯里烘烤過程中有0.5%的線膨脹,施工時應在適當部位預留膨脹縫。

從圖3可以看出,在正常熔煉使用時,由于溫度的波動,急冷急熱過程中,襯里熱膨脹現象是勻速升高或降低的,熱沖擊所造成的對耐火襯里內部的機械應力沖擊相對較緩慢,由此,抗熱震效果也應該較好。

4.3 熱震穩(wěn)定性試驗

采用2.5 cm×2.5 cm×15 cm試體和4 cm× 4 cm×16 cm試體,加膨脹劑配料和不加膨脹劑的對比試驗。650℃水冷熱循環(huán)相同次數,測量熱震前抗折強度P0和熱震后的抗折強度Pn,并計算其抗折強度殘余保持率K,用殘余抗折強度保持率K來評價材料的熱震穩(wěn)定性能。

其中P0為試樣熱震實驗前的抗折強度/MPa;Pn為試樣熱震n次后的抗折強度/MPa。

殘余強度保持率K值越大,說明該配料組成熱震穩(wěn)定性越好。

試驗結果見表1。

表1 試驗結果

4.4 綜合試驗

再取表1編號中的1號、3號,7號、9號,8號、13號進行冷態(tài)耐壓強度、抗折強度、線變化率的試驗。發(fā)現加入膨脹劑后,耐壓強度降低,抗折強度提高,線變化率增大。

綜合試驗結果見表2。

表2 綜合試驗結果

5 結束語

株冶、河南洛華粉體工程公司、河南榮耀爐料公司、北京建材研究院等單位多次通過上述針對性試驗和現場生產實驗,找到了能夠在低溫起膨脹作用的骨料和膨脹系數低的粉料作為基質,成功開發(fā)出了具有高熱震穩(wěn)定性的LH-404和RG-90無芯爐專用澆注料,滿足了不斷擴大的鋅合金生產要求。

[1] 有色冶金爐設計手冊編委會.有色冶金爐設計手冊[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.