影響感應(yīng)電爐爐齡的因素分析

1、影響感應(yīng)電爐爐齡的因素分析    摘要：本文介紹了感應(yīng)電爐的原理及特點(diǎn)，并從坩堝材料、坩堝筑爐、烘爐焙燒以及熔煉控制（操作使用）等方面分析了影響感應(yīng)電爐爐齡（坩堝壽命）的主要因素，介紹了提高感應(yīng)電爐爐齡的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 關(guān)鍵詞：感應(yīng)電爐，爐齡，坩堝，耐火材料，筑爐，烘爐燒結(jié)，燒結(jié)層，強(qiáng)度，壽命 一、前言 近年來感應(yīng)電爐的應(yīng)用發(fā)展很快，很多工廠、科研院所、學(xué)校都在使用，尤其是精密鑄造和高合金鋼鑄件的生產(chǎn)應(yīng)用更加廣泛；我公司在鋁工業(yè)陽極炭塊磷生鐵澆注中也大量采用了感應(yīng)電爐熔煉磷生鐵的技術(shù)，在取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益的同時也積累了一些感應(yīng)電爐使用 的方面的保貴經(jīng)驗(yàn)，本

2、文將結(jié)合我公司的生產(chǎn)實(shí)際分析影響感應(yīng)電爐爐齡（坩堝壽命）的主要因素，并簡要介紹提高感應(yīng)電爐爐齡的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 二、感應(yīng)電爐的原理 感應(yīng)電爐熔煉是利用交流電感應(yīng)的作用，使坩堝內(nèi)的金屬爐料本身發(fā)出熱量以進(jìn)行熔煉的一種方法。如圖一，在一個用耐火材料筑成的坩堝外面套著螺旋形的感應(yīng)器（感應(yīng)線圈），坩堝內(nèi)裝有金屬爐料，它有如插在線圈當(dāng)中的鐵芯。當(dāng)線圈上通以交流電時，由于交流電的感應(yīng)作用，在金屬爐內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，并因此產(chǎn)生電的渦流。由于金屬材料有電阻，因而當(dāng)電流通過時就會發(fā)熱，這種產(chǎn)生熱量的方法稱為感應(yīng)加熱。感應(yīng)電爐熔煉的熱量就是利用這種原理產(chǎn)生的。 三、感應(yīng)電爐的分類及其熔煉的特點(diǎn) 感應(yīng)電爐按照結(jié)構(gòu)和用

3、途可分兩大類：有芯感應(yīng)電爐和無芯感應(yīng)電爐。有芯感應(yīng)電爐的爐體中裝有用硅片制成的的鐵芯，在交流電感應(yīng)產(chǎn)生磁場時鐵芯起著加強(qiáng)導(dǎo)磁的作用，適用于熔煉有色合金和熔化鑄鐵；無芯感應(yīng)電爐的爐體中沒有鐵芯，適用于煉鋼和熔化鑄鐵。 依照交流電頻率的高低感應(yīng)電爐分為高頻（10000Hz）、中頻(5003000Hz)、工頻(50Hz)三種類型，爐子的額定容量與用電頻率之間有大致的對應(yīng)關(guān)系，容量越小則用電頻率越高。 感應(yīng)電爐熔煉有兩個比較突出的優(yōu)點(diǎn)，一是加熱速度快，爐子的熱效率高，二是氧化燒損較輕，吸收氣體較少；感應(yīng)電爐熔煉也有兩個比較突出的缺點(diǎn)，一是爐渣不能充分地發(fā)揮它在冶煉過程中的作用，二是如果坩堝的質(zhì)量有問題

4、容易發(fā)生漏電（電流穿過爐襯），甚至造成爐襯被擊穿或燒穿的事故。    四、影響感應(yīng)電爐爐齡的主要因素分析 感應(yīng)電爐的爐齡主要指坩堝（爐襯）的壽命（感應(yīng)電爐結(jié)構(gòu)見圖二）。坩堝是感應(yīng)電爐的重要組成部件，在冶煉過程中，坩堝本身承受著各種力的作用。其中包括爐料對坩堝的沖擊力，金屬液的靜壓力，傾爐時金屬液流動引起壓力變化而產(chǎn)生的應(yīng)力，電磁攪拌力以及坩堝的內(nèi)外溫差應(yīng)力，急冷急熱產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力等。此外，還要承受金屬液中碳及合金元素的還原侵蝕及金屬液的沖刷。所以，感應(yīng)電爐的坩堝處在極其惡劣的環(huán)境中工作。正因?yàn)槿绱?，要求坩堝在高溫和室溫時都必須具有一定的強(qiáng)度，以防開裂，滲

5、入金屬，甚至發(fā)生穿爐事故?？梢哉f，坩堝（爐襯）的強(qiáng)度是直接影響坩堝壽命的主要原因，而坩堝的強(qiáng)度又主要取決于坩堝的材料、筑爐、烘爐燒結(jié)工藝以及熔煉控制（操作使用）四大因素。 1、材料的影響：坩堝的高溫性能主要取決于所用耐火材料的物理、化學(xué)性能及礦物組成，由于耐火材料的物理、化學(xué)性能及礦物組成的不同，坩堝的性質(zhì)、性能和壽命有很大的差別。用于坩堝的主要耐火材料有石英砂、鎂砂、鋁礬土砂，其性能各有優(yōu)缺點(diǎn)，需根據(jù)金屬冶煉環(huán)境的需要加以選擇；依照坩堝材料的性質(zhì)，感應(yīng)電爐坩堝分為酸性、堿性、中性三種類型。酸性感應(yīng)電爐的坩堝用酸性耐火材料石英砂筑成，熔煉過程中造酸性爐渣，不能脫磷和脫硫；堿性感應(yīng)電爐的坩堝用堿

6、性耐火材料鎂砂筑成，熔煉過程中造堿性渣，能夠脫磷和脫硫；中性感應(yīng)電爐的坩堝用的耐火材料主要是鋁礬土砂。 坩堝所用耐火材料的純度和雜質(zhì)含量對坩堝爐襯的強(qiáng)度的影響很大，尤其是石英砂和鎂砂，如果純度不夠或雜質(zhì)含量超標(biāo)，不但直接降低坩堝的耐火度而且影響坩堝燒結(jié)層的質(zhì)量。坩堝所用耐火材料的粒度及粒度配比對坩堝爐襯的強(qiáng)度影響也很大，如果耐火材料的粒度以及粒度的配比不適當(dāng)，會直接影響坩堝筑爐的密實(shí)度，進(jìn)而影響到坩堝燒結(jié)的質(zhì)量；應(yīng)注意的是，爐子容量（坩堝尺寸）越大，對晶粒的要求越高。以石英砂為例：晶粒越粗大，晶格缺陷越少越好，如水晶石英砂SiO2純度高，外表潔白、透明。 感應(yīng)電爐坩堝所用主要耐火材料的物理、化

7、學(xué)性能及礦物組成，以及酸性坩堝、堿性坩堝、中性坩的材料配比分別介紹如下： 石英砂：石英砂屬酸性耐火材料，其礦物組成主要是石英、其次是長石及少量云母。石英的化學(xué)成分是二氧化硅（SiO2），比重為2.65，具有高硬度（莫氏硬度7）、高熔點(diǎn)（1713）、和熱導(dǎo)性較差的特性。石英在受熱過程中體積產(chǎn)生膨脹，這種膨脹包括溫度升高而產(chǎn)生的熱膨脹和石英因同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生的膨脹。石英在不同的溫度下有幾種同質(zhì)異晶體：石英（和）、鱗石英（、和）、方石英（和）。其中、晶型表示低溫穩(wěn)定型，而表示高溫穩(wěn)定型。自然界的石英多為石英，開始加熱時，石英隨溫度升高而均勻膨脹，在573轉(zhuǎn)變成石英，因晶型轉(zhuǎn)變而發(fā)生突然膨脹（相變體

8、膨脹0.82%）。石英在870以上和熔劑條件下會轉(zhuǎn)變成鱗石英，但轉(zhuǎn)變很慢，升高溫度雖可加快轉(zhuǎn)變，但即使在12501350亦須一小時左右才能完成，此時體積增大。鱗石英在1470以上變成方石英（體積增大4.7%）。方石英在1713以上熔化，冷卻后變成石英玻璃。石英由；鱗石英由；方石英由，這些轉(zhuǎn)變都是可逆的，但石英形成鱗石英、方石英冷卻后就不能回復(fù)成石英。 長石是鋁硅酸鹽，熔點(diǎn)（11001250）比石英低得多，硬度也比石英低，加熱過程中體積變化小，高溫時能與石英砂燒結(jié)；常見的有鉀長石、鈉長石、鈣長石，在用于坩堝的石英砂中屬于雜質(zhì)。 云母是一種含水鋁硅酸鹽，熔點(diǎn)（11451270）比石英低得多，硬度也

9、比石英低；常見的有白云母和黑云母，在用于坩堝的石英砂中屬于雜質(zhì)。 酸性坩堝對石英砂化學(xué)成分的要求是：SiO2含量9999.5%；雜質(zhì)含量Fe2O30.5%；CaO0.25%；Al2O30.2%；以及極微量的其它氧化物。酸性坩堝材料配比見表一。 表一、酸性坩堝材料配比    鎂砂：鎂砂屬堿性耐火材料，其主要成分是氧化鎂（MgO），它是由菱鎂礦（MgCO3）在高溫下煅燒再經(jīng)破碎分選而獲得。純氧化鎂的熔點(diǎn)為2800，但由于鎂砂中含有SiO2、CaO、Fe2O3等雜質(zhì)，其熔點(diǎn)約為1840，熱膨脹比石英小，沒有因相變而引起的體積突變。鎂砂的莫氏硬度為44.5，比重

10、約3.5左右。由于菱鎂礦煅燒技術(shù)較復(fù)雜，鎂砂價格是石英砂的6倍左右，成本較高。 堿性坩堝對鎂砂化學(xué)成分的要求是：MgO90%；雜質(zhì)含量SiO24%；Fe2O31%；CaO0.5%；灼堿0.5%。堿性坩堝材料配比見表二。 表二、堿性坩堝材料配比    鋁礬土砂：鋁礬土主要成分是氧化鋁，系含有雜質(zhì)的水合氧化鋁，是一種土狀礦物，其組成成分異常復(fù)雜，是多種地質(zhì)來源極不相同的含水氧化鋁礦石的總稱。鋁礬土砂由鋁礬土在高溫下煅燒再經(jīng)破碎分選而獲得，當(dāng)Al2O3含量達(dá)71.8%時，其耐火度大于1800，屬中性耐火材料。 中性坩堝對鋁礬土砂化學(xué)成分要求是：Al2O370%

11、；SiO220%；Fe2O32%；TiO21.5%；MgO+CaO+K2O+Na2O2%。中性坩堝材料配比見表三。 表三、中性坩堝材料配比    2、筑爐的影響：坩堝筑爐是確保坩堝質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，也是影響坩堝壽命的主要因素，筑爐質(zhì)量的好壞是保證坩堝烘爐燒結(jié)質(zhì)量的基礎(chǔ)。如果筑爐質(zhì)量不好，如打結(jié)坩堝爐襯時存在分層或砂的粒度分布不均勻現(xiàn)象，則會增大燒結(jié)后產(chǎn)生裂紋的幾率和產(chǎn)生偏析，從而降底坩堝的強(qiáng)度，縮短坩堝的正常使用壽命；如果坩堝筑爐質(zhì)量存在嚴(yán)重的缺陷，如爐襯打結(jié)的密實(shí)度不均勻，密度不夠或打結(jié)材料中混入了磁性雜質(zhì)等，不但無法在烘爐焙燒過程中獲得滿意的坩堝燒結(jié)層

12、，而且還有可能發(fā)生漏水和穿爐事故。所以，提高坩堝筑爐質(zhì)量是提高感應(yīng)電爐爐齡的重要手段之一。 要提高坩堝筑爐的質(zhì)量，應(yīng)注特別意控制以下要點(diǎn)：一是坩堝模外表的焊縫和過渡圓角一定要打磨光滑，同時，在坩堝模上鉆一些小孔，以利于在烘爐時排除水蒸汽，孔徑23毫米，每孔相隔225毫米，均勻分布；二是由于耐火材料要進(jìn)行磁選處理去除磁性雜質(zhì)，當(dāng)下料高度500mm時還必須使用加料斗加料，以免砂子出現(xiàn)粗細(xì)顆粒分層；三是搗筑爐料應(yīng)一錘壓一錘，搗錘力度均勻，逐層搗實(shí)；四是搗制過程必須連續(xù)操作，切忌筑筑停停，停停筑筑；五是爐襯搗筑的中途不宜換人操作，只有這樣，才能確保爐襯致密均勻；六是在打結(jié)完后坩堝模不取出，烘干和燒結(jié)時

13、起感應(yīng)加熱作用。 3、烘爐燒結(jié)的影響：烘爐燒結(jié)是決定坩堝質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是影響坩堝強(qiáng)度和使用壽命的關(guān)鍵因素。經(jīng)烘爐燒結(jié)后坩堝一般形成燒結(jié)層、過渡層及松散層的三層結(jié)構(gòu)。燒結(jié)層是工作層，它直接與金屬液、爐渣及大氣接觸，直接承受金屬液因電磁攪拌作用對坩爐的沖刷作用，承受爐渣及合金元素的高溫侵蝕和急冷急熱產(chǎn)生的應(yīng)力及金屬的靜壓力，故燒結(jié)層的強(qiáng)度和性能直接決定了坩堝的強(qiáng)度和性能，也即決定了坩堝的使用壽命。所以，烘爐燒結(jié)的主要目的就是要形成一層尖硬而耐磨的坩堝表面燒結(jié)層。 下面以酸性石英坩堝為例，進(jìn)一步分析說明烘爐燒結(jié)對坩堝質(zhì)量的影響。坩堝爐襯在原輔材料選定的前提下，燒結(jié)工藝是使?fàn)t襯獲得良好顯微組織結(jié)構(gòu)

14、以充分發(fā)揮其耐高溫性能的的關(guān)鍵工序。 石英具有較高的熔化點(diǎn)（1713）和較差的熱導(dǎo)性，如不進(jìn)行烘爐燒結(jié)就熔煉造成硼酸（或硼酐）與石英砂作用不充分，爐襯內(nèi)外溫差應(yīng)力過大，工作層處于疏松狀態(tài)，就有剝落的危險。又因石英具有如前所述的晶態(tài)轉(zhuǎn)變，所以，在烘爐燒結(jié)時必須對晶態(tài)轉(zhuǎn)變溫度進(jìn)行控制，使燒結(jié)層的石英晶態(tài)轉(zhuǎn)變進(jìn)行徹底，使它具有很好的高溫強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性。為獲得爐襯的三層（燒結(jié)層、過渡層、松散層）結(jié)構(gòu)，烘爐和燒結(jié)的原則是：低溫緩慢烘爐，高溫滿爐燒結(jié)。烘爐和燒結(jié)工藝大致分為三個階段，如圖三所示： 烘烤階段：以50/h的速度將坩堝模加熱至600，保溫3h，目的是徹底排除爐襯中的水分。 半燒結(jié)階段：以507

15、0/h升溫至900，保溫3小時。此階段是 a石英向a鱗石英轉(zhuǎn)變過程，體積變化最大，所以在900要確保恒溫3小時。之后以100/h升溫，當(dāng)溫度升至坩堝模焊縫開始熔化時，即可加爐料；加料時大塊料盡量放下層和靠近坩堝壁，小塊料填補(bǔ)空隙，并將料加滿。為使坩堝表而掛上一層完好光滑的釉面，可事先加入適量的碎玻璃。此階段必須嚴(yán)格控制升溫速度，防止坩堝產(chǎn)生裂紋。 完全燒結(jié)階段：當(dāng)溫度升1500，恒溫3小時。此階段是鱗石英向方石英轉(zhuǎn)變的過程，燒結(jié)層的厚度很大程度上取決于這一過程。高溫?zé)Y(jié)時，金屬液應(yīng)盡量地熔滿爐，使整個爐襯受熱均勻，經(jīng)燒結(jié)后得到理想的工作層；坩堝的燒結(jié)結(jié)構(gòu)是提高其使用壽命的基礎(chǔ)，如果燒

16、結(jié)層厚度不足，坩堝的使用壽命會明顯降低。 4、熔煉控制的影響：坩堝的熔煉控制（操作使用）及現(xiàn)場管理對感應(yīng)電爐爐齡也有很大影響，尤其是新坩堝前期的使用操作影響更為顯著。第一爐熔化因?yàn)闋t襯的燒結(jié)層?。◤?qiáng)度還不高），所以升溫時應(yīng)使用較小的功率，避免過強(qiáng)的電磁攪拌加大金屬液對爐襯的沖刷作用，影響燒結(jié)層（工作層）形成足夠的厚度。同時，前三爐水不能一次倒空，第一爐出水30%，第二、三爐各出水50%（此后，可自行決定出水情況），使用的前一周應(yīng)盡可能避免冷爐，否則急冷急熱造成爐襯產(chǎn)生裂紋，過早出現(xiàn)坩堝損傷而降低爐齡。建議盡量集中生產(chǎn)，減少停爐次數(shù)。一但停爐，也應(yīng)盡可能使?fàn)t內(nèi)溫度保持在600800。節(jié)假日如需停

17、爐，應(yīng)使最后一爐鐵水出凈，并快速冷卻，重新起爐時，升溫至700時保溫半小時以上，再快速升溫，以使?fàn)t襯在冷卻后產(chǎn)生的裂紋在金屬液之前彌合，防止金屬液滲入爐襯內(nèi)部。對間斷使用的電爐可參考以上方法進(jìn)行冷爐和起爐。 其次，熔煉過程中金屬液面的高度及爐渣對坩堝爐襯亦有影響，應(yīng)經(jīng)常改變?nèi)鄢貎?nèi)金屬液面的高度，但波動不能太大（±510%為宜），避免熔渣固定一點(diǎn)形成，使渣線部位爐襯的侵蝕、沖刷過快；冶煉過程中還需要勤扒渣，減少爐渣對爐襯的侵蝕。此外，加料時應(yīng)盡量避免料砸坩堝，使坩堝受到傷害，尤其是冷爐后坩爐受到?jīng)_擊時，裂紋會增大，金屬液滲入的可能性也隨之增大，從而降低了坩堝的使用壽命。 五、提高感應(yīng)電

18、爐爐齡的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 感應(yīng)電爐爐襯的使用壽命對于需要連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)的冶金、鑄造等企業(yè)來說具有重大意義。我公司是承建鋁工業(yè)建設(shè)項(xiàng)目的專業(yè)公司，從1993年國家重點(diǎn)工程廣西平果鋁一期十萬噸電解鋁項(xiàng)目起，開始大量使用感應(yīng)電爐進(jìn)行鋁電解槽陽極炭塊磷生鐵澆注。因考慮成本和效率以及澆注任務(wù)集中、量大、點(diǎn)多、面廣、流動性強(qiáng)的特點(diǎn)，主要采用了0.51t無芯中頻感應(yīng)酸性電爐。從近二十年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，爐襯壽命平均達(dá)到200爐以上，最高達(dá)到320多爐。以下簡要介紹我公司提高感應(yīng)電爐爐齡方面的一些經(jīng)驗(yàn)，供參考和交流。 提高感應(yīng)電爐的爐齡是一個系統(tǒng)工程，必須做好以下各方面的工作： 1、前期準(zhǔn)備工作：前期的準(zhǔn)備工作很重要，主要包括兩個方面。一是要根據(jù)任務(wù)的性質(zhì)，即產(chǎn)量、規(guī)模、場地以及金屬冶煉環(huán)境的要求來選擇適宜的爐型，以降低成本，提高效益；二是要對選用的設(shè)備、材料、生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行認(rèn)真清理，消除可能存在的隱患。包括電氣系統(tǒng)、水冷循環(huán)系統(tǒng)、感應(yīng)線圈、絕緣材料、耐火材料的檢查和處理。 2、制定嚴(yán)格的筑爐工藝、筑爐操作規(guī)則和烘爐燒結(jié)工藝：如上述分析，筑爐工序和烘爐燒結(jié)對爐齡有重大的影響，針對所選用的爐型必須制定具體的筑爐工藝、筑爐操作規(guī)則和烘爐燒結(jié)工藝。這里必須強(qiáng)調(diào)執(zhí)行工藝規(guī)則的嚴(yán)肅性，因?yàn)檫@是提高爐齡的基礎(chǔ)工作和不斷積累經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)改進(jìn)的重要依據(jù)。 3、使用維護(hù)：感應(yīng)電爐的爐齡雖然主要取決于耐火材料、筑爐和烘爐燒結(jié)工