中频炉的筑炉补炉炉衬烧结工艺.doc

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中频炉的筑炉、 炉衬烧结
使用操作及维修

目录
一 概念
1、 感应加热、 熔化的工作原理 ………………………………………… 5
2、 工频炉与中频炉的概念 ……………………………………………… 6
3、 工频炉与中频炉的比较 ……………………………………………… 8
二 中频炉的安装、 检测
1、 炉体安装 …………………………………………………………………11
2、 水系统安装 ………………………………………………………………11
3、 液压系统安装…………………………………………………………… 11
4、 电气安装………………………………………………………………… 11
5、 母线的布置……………………………………………………………… 12
三 中频炉炉衬的筑炉、 烘炉
1、 筑炉前的检查…………………………………………………………… 13
2、 筑炉……………………………………………………………………… 13
3、 烘炉、 炉衬烧结机理及三层结构……………………………………… 16
四 炉衬的损坏机理及预防
1、 过热……………………………………………………………………… 20
2、 裂纹……………………………………………………………………… 21
3、 剥落……………………………………………………………………… 22
4、 侵蚀……………………………………………………………………… 23
5、 炉瘤……………………………………………………………………… 25
6、 浸润……………………………………………………………………… 25
7、 其它延长炉衬使用寿命的措施………………………………………… 25
五 炉衬的修补
1、 热补法…………………………………………………………………… 27
2、 冷补法…………………………………………………………………… 28
六 中频炉的使用
1、 开炉前的准备及检查…………………………………………………… 28
2、 开机操作………………………………………………………………… 29
3、 停机操作………………………………………………………………… 29
4、 冷启动…………………………………………………………………… 30
5、 使用中的操作…………………………………………………………… 30
6、 严格禁止的操作………………………………………………………… 33
七 中频炉的日常维护和检修要点
中频炉的日常维护检修要点( 见”周期表”) …………………………… 34
八 事故处理
1、 停电……………………………………………………………………… 34
2、 漏液……………………………………………………………………… 35
3、 冷却水事故……………………………………………………………… 36
九 其它
1、 中频炉的熔化率与生产率……………………………………………… 36
2、 冷却水泵供电…………………………………………………………… 37
3、 冷却水…………………………………………………………………… 37
4、 中频炉熔化比工频炉快的主要原因…………………………………… 37
5、 中频炉比工频炉节能…………………………………………………… 38
6、 冷却水塔………………………………………………………………… 38
7、 感应圈与磁轭间的绝缘材料…………………………………………… 38
8、 关键元件的制造商( 国外) …………………………………………… 38
9、 熔化炉额定功率的配置………………………………………………… 38
10、 保温中频炉最小功率配置………………………………………………39
11、 冷却水管接头卡篐材质要求……………………………………………39
12、 磁轭的作用………………………………………………………………39
13、 无碳胶管的作用…………………………………………………………40
14、 坩埚( 炉衬) 的作用与厚度……………………………………………40
15、 感应器及坩埚的高度……………………………………………………41
16、 影响熔化单耗指标的因素………………………………………………42
17、 关于”防电蚀管”………………………………………………………44
18、 感应炉冷却水的特点及对水质的要求 ……………………………… 44

中频炉的筑炉、 炉衬烧结、 使用操作及维修
一 概述
1、 感应加热、 熔化的工作原理
( 1) 一个无芯感应炉, 主要由线圈及放入其中熔化的金属炉料所构成, 运行的基本原理是电磁感应。
感应电炉中有一个感应线圈, 当它通上交流电时即建立交变磁场。要加热的金属炉料放置于交变磁场中( 见图1) , 由于电磁感应作用, 金属炉料内产生电流, 电流经过金属炉料电阻时使金属炉料发热。可见, 感应电炉是应用电磁感应原理将电能传递给金属炉料, 而电能交换为热能的方式属于电阻加热。
Q=I2 R t(J)
式中: Q－电流经过电阻产生的热量( J)
I－电流( A)
R－金属炉料等效电阻( Ω)
t－通电时间( S)
感应炉就是利用这个热量使金属炉料发热熔化。
我们能够看出, 要进行感应加热, 必须满足两条件:
1) 用交流电;
2) 被加热物体必须是金属材料。
由于注入线圈中的电流总是滞后于电压, 熔炼时感应线圈的典型功率因数仅为0.1。因此, 就要把电容同线圈并联连接以进行功率因数的补偿, 因为电容电流总是超前于电压, 因此选择正确的电容、 线圈组合, 功率因数可达到1.0, 这就是使用补偿电容的原因( 见图2) 。

2、 工频炉与中频炉的概念
1) 工频炉
工频感应电炉是直接利用城市电网交流电( 频率为50HZ或60HZ) 工作的。小容量电炉由380V网提供, 大、 中容量电炉由6KV以上高压电网供电。
2) 中频炉
( 1) 概念
中频感应电炉采用大电流半导体( 如: IGBT、 可控硅) 构成变频器, 将电网50HZ交流电经过变频器升为200HZ～10000HZ的中频电流, 然后送至电炉的感应圈。中频电流产生的磁场具有更高的耦合效率, 能够使更多的能量送到炉内被熔化的金属中, 从而能够获得高效和快速的熔化。
中频电源的工作功能为( 见图3) :

4
交流( 50HZ) →直流→交流( 100HZ～10000HZ) →炉体线圈

6

7
1
5
3
2

图3 中频电源工作功能示意图
1－三相交流输入 3－ 滤波器 5－ 逆变器 7－感应线圈
2－全波整流 4－ 单相直流电 6－单相交流电
( 2) 常见的二种逆变电路
a、 并联电路( 电流型逆变器, 见图4)
并联型逆变器一般具有一个产生可变直流电压的整流器, 一个直流电抗器和一个全桥逆变部分, 其高频输出同炉子线圈相连, 线圈两端接有并联功率因数补偿电容。

图4 并联电路原理

1－三相交流电 3－整流器 5－滤波电抗器 7－补偿电容器 I－ 电流
2－输入端 4－单相直流电 6－逆变器 8－炉子感应圈
优点:
电流I只在补偿电容和线圈间流动, 因而效率较高。其结构严密, 控制全面, 运行可靠性高。
缺点: 低功率运行状态下其功率因数较低。
b、 串联电路( 电压型逆变器, 见图5)
串联型逆变器一般具有一个固定直流输出电压的整流器和一组较大的直流电容, 向逆变部分提供了一个低阻抗的电压源。现代串联电路使用一半桥逆变器, 电源输出连接到同功率因数补偿电容相串联的炉子线圈上。

图5 串联电路原理
1－三相交流电 3－整流器 5－滤波电容器 7－补偿电容器 I－电流
2－输入端 4－限流电抗器 6－逆变器( 串联) 8－炉子感应圈
主要优点是: ( 1) 在所有功率水平下都有很好的功率因数。( 2) 采用不控整流, 工作时整流可控硅全导通, 因此高次谐波分量小, 对电网影响小。( 3) 其启动成功率不论是冷炉还是热炉均为100％。主要缺点是电流I不但流经补偿电容器和线圈, 还流经SCR, 使SCR长期在大电流下运行, 影响寿命。
3、 中频炉与工频炉的比较
虽然中频炉和工频炉均属感应电炉, 但除了使用的电源频率不同以外, 还有许多差异:
（1） 中频炉升温快, 熔化率高
中频炉功率密度大, 每吨容量炉料的功率比工频炉大50％～200％。工频: 250KW/t, 而中频500KW/t以上( 高密度达到700～1000KW/t)
（2） 适用性和灵活性
中频炉在空炉、 满炉情况下都能100％启动, 并在很短时间内达到满功率。同时, 中频炉能够倒空铁水, 更换炉料方便, 适应多种牌号的铁水的生产。由于没有存留铁液, 调整铁水成分方便, 不受限制, 宜少批量、 多品种材质生产方式。另外, 中频炉投入熔化功率能够从5％～100％无级调节, 铁水温度控制也精确。
（3） 中频炉由电子控制, 连续可调, 能够恒定满功率输入。
（4） 相同容量的中频炉占地面积比工频炉小( 无庞大的电容空间, 中频炉补偿电容少, 能够安装在一个柜子内) , 一次投资可减少10％～15％。
（5） 中频炉内铁水搅拌力与功率密度成正比, 与频率平方根成正比, 因而容易控制。既能充分搅拌, 又不像工频炉那样激烈翻滚。由于工频炉的频率( 50HZ) 固定, 但随功率的变化而变化, 因此当功率提高时, 搅拌力提高很大, 能把浮在铁液上面的炉渣卷入铁液内, 且铁水在翻滚中不断同空气中的O2接触而氧化, 元素烧损严重( 1小时烧损1％) , 使铁液纯度下降, 影响产品质量。
中频炉实际上也是变频炉, 熔化过程频率在变化, 会自动全过程跟踪。频率变化范围: 下限为额定频率的50％, 上限为额定频率的120％。 附: 铁水驼峰计算公式
H=695×N×P÷ρ÷÷÷
式中: H－铁水驼峰高度(mm) F－频率( HZ) A0－坩埚直径( 英寸) N－线圈效率( 0.838) L－线圈高度( 英寸) W－炉料重量( 磅) P－输入功率( KW) ρ－熔化金属密度( 0.26磅/立方英寸) R－金属电阻率( 200微欧姆/cm)
(6)如果倒空铁水后加料, 则炉料干湿程度不受限制。工频炉由于不能倒空铁水熔炼, 因此熔化过程不能加湿料, 否则会产生爆炸。
(7)中频炉冶炼时间短, 从冶金角度看, 熔化金属液只存在一次过热, 而不像工频炉那样多次、 长时间过热, 铁水内在质量好。
(8)中频炉电效率比工频炉高
中频炉在批量熔化作业前期, 由于金属炉料电阻大, 磁性固态冷料启动时的线圈电效率高达95％。在温度高于居里点( 799℃) 以上时, 由于炉料间存在接触电阻, 线圈电效率可高达90％左右。当金属炉料完全熔化时, 此时线圈电效率为80％左右, 与工频炉残液熔化法时的线圈电效率相同。可见中频炉的批料熔化法在整个作业周期内平均电效率可达88％, 高于工频炉残液法熔化周期内的80％。
( 9) 中频炉在节假日不生产时能够倒空铁水, 不必像工频炉那样要做液态保温, 故能够减少保温铁水用电耗, 也不必派人值班。
(10)中频炉炉衬的寿命比工频炉低, 其原因是:
1) 经过把功率和频率的很好匹配, 中频炉有效电磁场集中在炉衬的热表层而成功地提高了熔化效率, 其炉料从外向里开始熔化, 外部炉料与其接触的炉衬会很快过热(无芯工频炉则从里向外熔化炉料), 对炉衬不利。
2) 作为熔化炉的中频炉由于熔化率高, 意味着炉衬长期处于高温铁水的浸蚀。炉料中的碳等元素在高温下会发生”坩埚反应”, 使炉衬SiO2被还原成Si, 形成炉渣, 故炉衬逐渐被浸蚀变薄。
SiO2+2C→Si+2CO↑
( 11) 中频炉电源柜可控硅、 电容器均应用水冷却, 对水质要求高, 而工频炉电器不必水冷却。
( 12) 中频炉电耗比工频炉低
由于中频炉电效率高, 熔化率高, 同样熔化相同炉料所需时间中频炉比工频炉短, 熔化过程的热损失相对比较少, 因而电耗低。
( 13) 由于中频坩埚式感应电炉的功率密度较工频坩埚式感应电炉的高, 在相同的熔化率要求下, 其炉子容量小, 相应的热损失也小。
二 中频炉的安装检测
中频炉的安装要注意如下问题:
1、 炉体安装 首先要在平的地基上安装炉架, 然后安装倾炉油缸、 炉体等。
2、 水冷系统的安装 安装前应检查系统中的各种管道、 软管以及相应的接头尺寸是否符合设计要求。开式水冷系统的进水管最好使用镀锌管, 与中频炉配套的闭式水冷系统的所有水管应选用铜管或不锈钢管, 备用水源及其它切换系统也应安装完毕。
水冷系统安装完毕要进行耐压试验( 试验水压为使用压力的1.5倍保持10min, 所有焊缝及接头均无渗漏为合格。
3、 液压系统安装 油泵站一般安装在有一定高度的基础上, 便于维修时从油箱内排油。同时, 即使发生严重漏炉事故也能保证油箱不受金属溶液的侵害( 安装油管也应做此考虑) 。
液压系统安装完毕也应做耐压试验( 1.5倍工作压力保持10min) 。然后做倾炉试验。
4、 电气系统 电气系统安装应注意如下问题:
1) 所有控制线两端均应有端子号。安装完毕后要认真检查并试验电气动作, 使所有电气及其连接装置的工作准确无误。
2) 感应器通水前, 检测感应器的绝缘电阻, 并做耐压试验。感应器应能承受2Un+1000V(但不低于 V)的绝缘耐压试验1min而无闪络和击穿现象( Un为感应器的额定电压) 。在高压试验时, 电压从1/2规定值开始, 在10S内达到最大值。
感应器中不同感应圈之间、 感应圈与地之间以及感应圈与磁轭间的电阻要满足如下要求:
额定电压在1000V以下, 用1000V兆欧表, 其绝缘电阻值不低于1MΩ; 额定电压1000V以上者, 用2500V兆欧表, 其绝缘电阻值不低于1000Ω/V。若发现绝缘电阻值低应对感应器进行干燥处理( 可借助放于炉内加热器或吹热风) , 但此时应注意防止对绝缘有害的局部过热。
3)磁轭的每一个穿芯螺栓对硅钢片及对地面应有良好的绝缘, 用1000V兆欧表测量, 其绝缘电阻值不低于0.5MΩ。
5、 母线的布置
1) 尽可能缩短母线距离, 例如补偿电容与炉体尽可能靠近;
2) 从改进冷却效果提高母线载流量角度出发, 母线宜竖放, 即母线宽的一面彼此相对( 母线平放则允许负荷将降低8％左右) ;
3) 邻近效应也会导致导体有效截面利用率的降低, 单相多条并联母线宜采用交错组合, 三相系统则以A、 B、 C、 D交替排列, 使导体电感减少。
4)不同极性的母线间的距离在绝缘强度的允许下, 要尽量靠近, 因母线的感抗随着母线间的距离增大而增大。
5) 不应用铠装或有金属包皮的工频单芯电缆传输中频电流, 可用两芯或四芯铠装或有金属包皮的电缆, 但芯线必须载往返方向电流, 同极性的芯线要对角布置( 四芯电缆) 。
6) 当母线电流大于1500A时, 在其附近300mm范围内不应有钢铁构件。

三 中频炉衬的筑炉、 烘炉
1、 筑炉前的检查
1) 检查电气、 液压、 水冷系统, 作送电、 倾炉、 通水试验。
2) 检查感应器的绝缘情况。
3) 检查报警器。
4) 选择合适的坩埚 坩埚模用δ＝6～10mm钢板卷焊而成。模体带一定锥度, 采用连续焊接( 避免通电时焊缝打火, 造成电流不稳, 甚至过流保护) 。焊缝外面应打磨光滑, 并消除氧化锈( 以免渗入炉壁结渣影响炉衬寿命) 。整个坩埚模外表面应光滑平整, 特别是侧壁与底部相连圆弧处应选择较大为宜( 一般取坩埚模内径的0.1倍为最大允许圆弧半径) 。
另外坩埚模表面应布满φ3.0mm的小孔供烘炉时排放水汽, 孔距200mm。
5) 筑炉人员应穿戴干净的工作服, 鞋子也要干净, 戴帽; 炉台周围干净无杂物, 整个筑炉过程不得有杂物( 特别是残铁) 进入炉衬内。
2、 筑炉
1) 、 铺设绝缘层、 隔热层及报警电极
a、 炉壁 自感应器至炉子中心顺序铺设
耐火水泥( 抹上δ＝8～10mm) →钢丝网( 报警电极) →耐火水泥( δ＝8～10mm) →云母板( δ＝1.5mm) →石棉板( δ＝3～4mm) →石棉布( δ＝2mm) 。
铺设时用张紧圈顶紧, 每层平整无皱折, 竖缝搭接, 横缝对接, 相邻两层的接缝错开, 不得有杂物混入。
不锈钢丝网上部与引出线连接( 第二电极) , 接入报警线路, 抹第一层耐火水泥时予留引出孔。
2) 炉底 铺设石棉板( δ＝3～4mm) 。不锈钢丝穿过石棉板后应分布于以炉子中心为圆心称为第一电极, 应与炉内金属液有良好的接触。引出线从底部穿出, 接入报警系统。
安装不锈钢丝网作第二电极的方式用于”接触式”漏炉报警装置, 在第一、 二电极间加上低压直流电。正常情况下, 炉衬材料和隔热石棉板都有很大的绝缘电阻( 硅砂打结的炉衬, 绝缘电阻在5～10KΩ左右, 电流很小, 30V直流电压时约10mA以下, 而且也较稳定) 。当金属液渗漏进炉衬中并接触第二电极时, 造成第一、 二电极短路, 此时电流突然增加, 当达到报警设定值( 在30V时约70～80μA) 报警装置发出信号并切断电源。此种接触式漏炉报警装置早期用于坩埚式感应电炉上, 由于在炉衬中安装第二电极, 给筑炉工作带来麻烦, 有时还会因为干扰电动势而引起误动作, 故使用受限制。
当前另一种报警装置为”地漏监视装置”, 不需要在炉衬材料内安装上述第二电极( 但底电极仍需要) , 直流低压电加在感应圈电源线与地之间。炉衬正常时电阻很大, 电流很小。如果发生炉衬低电阻现象( 如炉衬变薄, 金属液渗漏都会造成炉衬低电阻) , 这时电流表的读数很大, 装置的跳闸继电器动作并发生报警信号。
3) 筑炉底
a、 若有炉底打结机, 则用炉底打结机打结。手工打结用风动平锤, 分两次打结, 打实四遍以上。打结后其体积密度达到2.3Kg/cm3。在第二次加料前拆除下部张紧圈, 刮平炉底表面料层, 用平板和水平仪沿各个方向检查, 保证炉底底料水平。
b、 每次投料后, 首先用钢叉插一遍, 除去炉衬材料中的气体, 再将炉料刮平, 然后从中央开始捣固, 逐渐向外缘扩展。
c、 再次投料前, 用钢叉将捣固的炉衬划一遍, 防止炉衬分层。
d、 最后一次捣固后要保证炉底厚度比实际厚度突出50mm以上, 再刮出多余的炉料, 并用水平尺找平, 注意找好中心, 炉底以外的部分不要刮出, 否则安放坩埚钢模后处理打结好炉底较困难, 容易产生分层。
4)坩埚模的放置( 清除外表面铁锈及污物)
放中后, 四周用固定尺寸的木块固定, 测量坩埚模与铺设的石棉板间距离, 以保证炉衬侧壁尺寸均匀。各方向误差控制在±5mm之间, 保证模子对中。
5) 捣固斜坡部位
斜坡部位是关键部位之一, 因为该部位机械冲刷厉害, 侵蚀严重( 俗称”大象脚”现象) , 也是捣固最困难的地方, 是整个炉衬最薄弱的环节, 必须保证打结质量。
a、 首先用钢叉将炉底面拉毛, 划松, 以防止分层。
b、 确定没有异物掉入后, 开始加料。每加入一遍料要用钢叉叉一遍( 手工除气) , 然后再捣固。捣固时尽量贴近坩埚模, 以免损坏感应圈内壁的云母绝缘片。检查确认没有异物掉入后, 再加料, 重复上述过程。
6) 侧壁部位的捣固
捣固方法同上。但炉口应留尺寸, 因为炉衬再烧结时, 体积会膨胀。同时整体炉壁打结完后, 刮去坩埚模的多余部分。
注: 如果使用电动筑炉机, 可采用整体筑炉壁的方法:
坩埚模安放好后从四周加入筑炉材料, 一次加满。开动坩埚模内底层、 第二层振动器15～20min, 然后关掉第一层, 开第三层, 振动15～20min, 然后关掉第二、 三层, 再开第四层, 振动15～20min( 每次振击时间的确定以料面停止下降为准) 。再次振击前, 从四周补料至平炉口。
7) 筑制铁流槽
用耐火砖水玻璃石英砂和筑炉用石英砂筑制流铁槽。炉衬本体与流铁槽结合处不得有间隙和孔洞。
3、 烘炉、 炉衬烧结机理及三层结构
(1)炉衬烧结过程机理及结构
1) 机理
a、 当炉衬被加热到573℃时, 炉衬中的的β-石英快速转化成α-石英, 体积膨胀0.82％。
b、 温度继续上升到1200～1400℃经半安定方适应转化为α-鳞石英, 体积膨胀16％。
c、 当炉衬温度继续升高到1470℃, α-鳞石英转化为α-方石英, 此时炉衬完成烧结过程。
在烧结过程中, 由于晶型的转变, 硅质干振炉衬发生急剧变化, 它把捣结的炉衬变得更加致密。由于石英的慢变化过程是不可逆转的, 这就使获得烧结良好的炉衬的膨胀和收缩变得比较稳定。含有较多α-方石英的烧结层具有较长的使用寿命。
2) 炉衬的三层结构及影响
三层结构的炉衬: 烧结层、 半烧结层、 缓冲层( 松散层) 。各层初始厚度各占炉衬厚度的1/3, 界线清晰。烧结层表面光滑呈釉面状, 截面内无明显粗大裂纹, 挂渣少。
缓冲层作用: 万一铁水钻过烧结层和半烧结层时能在此停住。
a、 炉衬材料
具有高的SiO2 含量和低的Fe2O3含量的优质石英精细晶型的硅砂, 沉积岩型为最佳。
b、 具有科学的配比颗粒等级, 以达到理想的捣实密度( 2.1g/cm3以上) 。最大的粒度6～7mm。
c、 尽可能选用硼酐做粘结剂, 以缩短烘炉时间。硼酸在301℃时被分解为水和硼酐, 采用硼酐的用量为硼酸的58％左右, 且升温速度快50％。
d、 选择合适的保温层厚度, 可有效控制烧结层厚度, 调节炉衬的热损失;
过厚的保温层虽能够降低热损失, 但却明显提高了保温层与炉衬接口的温度, 其结果是降低了炉衬内的温度梯度, 使合理的分层结构受影响。
( 2) 烘炉过程的控制
新炉炉衬筑完后应尽快烘炉, 不宜长期搁置。
a、 送电烘炉前, 首先应检查炉子电气、 水冷系统、 液压系统等各个方面是否正常, 确认没有异常情况后方能进入烘炉程序。
b、 送电前, 经过炉盖观察孔设置热电偶。为防止加料时砸坏热电偶, 可采取保护措施( 将热电偶置于钢管内并焊在钢制坩埚模内壁) 。同时热电偶容易伸入底部, 此时冷却水压调整为0.05～0.08Mpa。
c、 严格按照烘炉曲线烘炉烧结, 经过调节电压严格控制中频炉的输入功率以控制升温。严格控制烘炉过程, 升温速度极为重要。只有严格控制升温速度, 使石英在几个温度区范围内, 有充分时间完成所需的晶型转变, 是获取理想烧结层的必要条件。烧结过程中, 最高电压不能超过额定电压的70％～80％。同时严格控制冷却水的流量, 在炉温升高过程中逐渐增大冷却水流量( 炉子温度达到600℃时, 水压调整为0.18～0.2Mpa。
d、 烘炉温度达到1100℃时应装入清洁无锈的生铁块( 也有的在烘炉前先将炉料加入钢坩埚内) , 逐渐提高功率至额定值。继续加料至金属液面与炉衬上端口齐平。
e、 铁液温度达到1550℃时, 降低功率保温3～4个小时后才出铁水。
f、 在1350℃保温烧结期间, 严格控制铁水搅拌, 力争炉衬静态烧结。
g、 烘炉加入的炉料选用
由于不使用起熔块, 因此大块生铁和不规则的回炉料使负荷变动增大而妨碍频率的变换( 另外并联变频电炉在处于高负荷时产生频率变换错乱; 由于存在”坩埚反应”( 在金属液中: SiO2+2C→Si+2CO↑) 而烘炉时炉衬未烧结好, 铁水易浸入与炉衬发生上述反应, 对炉衬不利。
基于上述二个原因, 烘炉时最好选用小块回炉料, 而不采用生铁( 生铁含碳量高) , 同时要填堆密实( 可在层间用铁屑填补空隙) 。当然还要轻放( 连续逐次加入) 。
h、 烘炉记录: 从开始送电至首次出铁水, 每15min记录炉内温度1次, 水压1次。
i、 新炉稳定后, 三天内每次出铁水量不超过1/3.半个月内严格控制炉温, 不得超过熔炼工艺所要求的铁水温度; 无生产任务的班次, 应把4/5的铁水保温在1350℃左右, 一个月内不得停炉( 特殊情况例外) 。
J、 烘炉完成后倾炉让铁水滞留在出铁槽上5～8min, 便于铁流槽初次烧结。

四、 炉衬的损坏机理及预防
炉衬的好坏直接影响炉衬寿命, 也与生产密切相关。中频炉炉衬损坏机理主要有过热、 裂纹、 剥落、 侵蚀、 结瘤或浸润等因素。
1、 过热
过热的原因主要有:
1)不合理的加料引起炉料搭桥;
2)捣筑时炉衬截面遗留金属物料;
3)炉温失控引起溶池超温;
具体分析如下:
a、 冷炉料堆积在溶池表面时( 特别是浇冒口料) , 易形成搭桥。如搭桥炉料仍处于固态而继续送入较大功率的电时, 则能够使溶池底部的金属液出现过热现象。
b、 当炉衬开始烧结时, 遗留在炉衬材料中的金属物件大量吸收功率并使局部过热, 炉衬被迅速熔化并被侵蚀掉) , 形成空穴。
c、 硅质干料的熔点温度为1704℃, 炉温失控在短时间内会超过该温度, 从而引起过热而烧熔(最好高温不超1540℃)。
作业: ( 周日) 不生产的班次铁水保温1300～1350℃, 浇注前送高功率迅速升温。
2、 裂纹
金属翅浸透进炉衬截面而会引起炉衬损坏。金属翅是由于炉衬出现裂纹渗进金属液所致, 裂纹有三种:
1) 横面裂纹 由于筑炉时炉衬材料分层, 或由于炉子结构上的原因使炉衬松动所致。
分层: 振动捣实时, 最小颗粒( 特别是粉状料) , 集中表面形成薄薄的粉层, 强度很低。再次加料时没有耙松, 则上层捣实后即形成分层。
筑炉过程为了防止分层, 每层加料前要把表面耙松, ( 20mm左右) 。在筑炉时每层炉料的加入厚度要根据筑炉方法和使用的筑炉工具的不同而调整( 使用电动筑炉工具时每层加料厚度以60～80mm为宜) 。大型炉子的底部和侧壁下部的炉衬材料的加入( 加料厚度大于500mm时) 要求用漏斗加入, 以防止炉衬材料掉落过程中产生颗粒偏析现象。
引起横向裂纹的另一种可能的原因是炉子冷却时靠近出铁口的炉衬被粘附挂住, 炉衬冷却而收缩时, 产生裂纹。
u 抬炉: 保温铁水过低, 造成上部铁水冷凝, 再用大功率投入时, 下部铁水( 温度快升) 将上部冷却料向上抬, 从而带动炉料横向裂纹。
u 预先砌筑出铁口时, 使它的内外轮廓与上部炉圈耐火材料的轮廓相同, 便于炉衬冷却收缩时能自由滑落, 不被挂住。
2) 垂直裂纹( 纵向裂纹)
当炉衬经受了急剧的冷却循环冲击后冷却下来时, 整个炉衬上会出现径向弥散状的较大的纵向裂纹( 即垂直裂纹) 。在以后的升温、 熔炼过程中, 熔融金属液会经过未能弥合的裂纹渗进热面, 并在截面内冻结, 形成金属翅。
减少冷热循环冲击程度, 选择合理的炉衬冷却和加热程序( 旧炉衬从预热后再加料熔化应有一个合适的升温曲线) , 炉子容量为4～15吨时, 加热速度不超150℃/h, 大于15t则不超过100℃/h。
3) 随机裂纹
由于脱模时引起炉衬材料损伤或坩埚模下部倾斜锥度不合理及存在锐角所致。
3、 剥落
剥落现象是烧结层炉衬材料突然从炉壁上破裂并掉落下来的现象。引起原因主要是筑炉或烧结不当所致, 但有时也会随冷热循环不当或机械应力的产生所致。
1) 因水蒸气引起的炉衬剥落现象往往发生在水量过多的炉衬材料中。当这种炉衬被加热过快时, 炉衬内部急剧产生水蒸汽会因无处排放而增压, 最后冲破烧结层表面引起炉衬剥落。另外线圈涂料或用浇注料做成的上部线圈养护处理及烘烤不当时, 也会因产生水蒸汽进入炉衬, 导致炉衬热面爆裂剥落。炉衬的炸裂剥落在炉子冷却系统渗漏的特殊情况下也会产生, 一般这一现象多出现在炉衬烧结阶段。由于炉衬材料含水量过多( 应控制在0.5％以下) , 烘炉时炉衬升温速度过快( 采用硼酸做结合剂时的推荐升温速度为100℃/h, 而采用硼酐做结合剂的材料推荐升温速度为150℃/h) , 烧结工艺不合理及坩埚模没有排气孔等。
另外, 干式炉衬材料( 仍有3％的水份) 的水份排除不干净会在炉衬中形成气泡。
2) 因机械损伤引起的炉衬剥落, 一般是因为加入大块料冲击炉壁所致。在炉衬烧结不久烧结层不厚的情况下, 特别易发生此种现象。
3) 因不同膨胀率所致炉衬剥落发生在炉衬热面被铁水严重浸润的场合。在交替变换的冷热循环中, 被铁水严重浸润的热面炉衬截面膨胀率大, 于是引起被铁水浸润和未被铁水浸润热面炉料交界处分离。
4) 当炉衬过于严重挤压状态时, 会产生挤压而引起的炉衬剥落, 这种现象常发生在炉底。当炉衬捣筑不平整或呈轻微中凹状态时, 炉底耐火材料的膨胀使炉底耐火材料中的压缩应力积聚, 最后导致炉衬材料的翅裂或剥落。
5) 尽管硅质干捣材料具有良好的耐热冲击的能力和裂纹弥合能力, 但急剧的温度变化仍会引起炉衬内应力的发展, 最后导致炉衬剥落, 必须避免。
▲ 熔化过程采用残液熔化方式能减轻炉衬受急剧的冷热循环损害程度, 对防止炉衬剥落有利( 三班作业制度比一、 二班要好) 。
4、 侵蚀
1) 加入的生铁炉料中的碳或合金添加剂及脱S剂中氧化铁或Zn、 Mg、 Cu等残余量元素与炉衬中的SiO2在高温下发生所谓”坩埚反应”, 使SiO2被还原成Si, 形成炉渣, 使炉衬逐渐被侵蚀、 变薄。炉衬烧结初期, 如果加入的炉料的含C量较大或含有较多的铁锈等其它有害物质, 它们易与尚未烧结的炉衬材料发生化学反应, 加快炉衬侵蚀。
酸性的硅质炉衬易受碱性的富FeO炉渣的侵蚀, 熔炼过程中的炉渣, 特别是含氧化铁的炉渣, 对炉衬的侵蚀严重。减少形成这种炉渣的来源及降低它的流动性, 是减少炉衬被侵蚀的途径。
a、 锈蚀的废钢: FeO反应生成低熔点的铁橄榄石。
b、 残留的炉渣凝聚剂( SO2 A12O2 CaO MgO K2O NaCO) 在高温下与炉衬起反应。
c、 被氧化的合金元素( MnO) 与炉衬反应生成低熔点, 对液面线侵蚀尤为严重。
d、 不洁浇冒口回炉料( SiO2 A12O3 Na2O) 与并存的FeO化合时, 形成高熔点的结瘤附于侧壁中部, 很难分离。
e、 Fe-Mn氧化物( FeO－MnO) 能在低温下与炉衬迅速反应。避免加入含Mn废钢。
f、 富MgO炉渣( MgO) 与炉衬反应形成”象脚”侵蚀现象。控制球铁浇冒口回炉料总量, 避免过热。
g、 锌( Zn) 与炉衬反应有侵蚀和浸润现象并对炉衬烧结有影响。避免加入含Zn废钢。
h、 因机械损伤引起的炉衬侵蚀主要发生在采用机械化加料作业的炉子中。由于加料时炉料总会撞击炉子炉衬的某一部位, 逐渐将该部位的炉衬磨损变薄。工频或较低频率感应炉中的强烈的铁液搅拌作用也会引起炉衬壁的侵蚀加剧, 特别在坩埚上部的金属液驼峰部位及坩埚底部侧壁部位( 俗称”象脚炉底”, 采用上下感应线圈时发生) 侵蚀更为严重。
5、 炉瘤
与炉衬材料呈惰性的金属氧化物沉淀或粘附在炉衬热面上, 使炉衬逐渐增厚形成所谓炉瘤。
在加入的炉料中如含较多残留型砂的铸件浇冒口或回炉料时会出现此种现象。严重的结瘤会使炉衬变厚, 导致炉子功率降低, 缩短寿命。
6、 浸润
1) 金属或金属氧化物渗透进炉衬热面( 烧结层) 达一定程度时, 即出现浸润现象。原因是炉料筑捣密度过低或烧结层尚未形成之前受到融溶金属液的侵蚀。
2) 炉衬受到非金属物浸润的原因是溶渣对捣筑密度较低炉衬的化学冲蚀。受到非金属浸润的炉衬截面看起来像海绵状。受浸润的炉衬寿命将缩短, 并将影响炉衬的整个化学、 力学和热态性能。
7、 其它延长炉衬使用寿命的措施
延长炉衬使用寿命, 除了上述各损坏机理中提到的以外, 还可采取下列措施:
1) 根据铁液的浇注温度和性质选用相应的炉衬材料。
2) 炉衬应被捣筑到2.3g/cm3以上的密度, 筑炉时严禁吸烟及夹带杂物进入作业现场。
3) 筑炉前, 线圈涂料及上部浇注砌块应予先烘干, 应检验线圈漏电流量是否在允许的范围以下。
4) 检查坩埚钢模尺寸的正确性, 锥形部位是否存在锐角, 必要时应予整体打磨。模在炉子中的定位是否正确。
5) 原则上筑炉后应立即开始烘烤烧结, 切忌放置长时间。
6) 炉衬尚未烧结好, 铁液尚在熔化时, 尽量避免无谓的倾动炉体, 以防损伤炉衬。烧结好的炉子最好连续运行, 以便使炉衬烧结层形成足够的厚度和机械强度。
7) 尽量及时清除炉渣特别高温过热先除一次( 时间在提升铁水温度到浇注温度之前) 。
8) 保持较高的待用金属液面, 使炉型的侵蚀均匀, 浇注前时段低温( 1300－1350℃) 保温, 缩短炉衬处于高温状态时间。
9) 炉子应尽可能三班连续作业, 避免炉衬经常经受冷热冲击。三班作业制度较一、 二班作业制度增加0～25％炉衬寿命。
10) 炉子停止使用应盖好炉盖, 减少冷却水量, 让炉衬缓慢冷却, 避免对炉衬过度的冷热冲击。
11) 炉内铁液量少时, 应避免使用高功率作业。
12) 新炉衬出铁水应少出勤加料, 而先出1～2包铁水后加料熔化, 再逐渐增加出铁水量, 不能一次出空。熔化出铁水后, 最好先使满炉铁水泡浸炉衬一个班才用。
13) 尽可能清除回炉料表面粘结的型砂等杂物, 减少锈蚀严重炉料的加入比例, ( 国外资料:锈蚀严重炉料加入比例为30％时, 炉衬寿命将降低75％) 。
14) 尽可能在许可范围内降低出炉浇注温度。每降低10℃出炉温度, 炉衬寿命可提高10％。
15) 缩短炉衬在高温下保温时间。
16) 炉料预热时, 预热温度应低于600℃, 否则将降低炉衬使用寿命。
17) 炉料中尽量避免加入A1、 Mn、 Zn、 Mg等渗入物, 因为它们会严重影响炉衬寿命。
18) 避免炉料搭棚过热, 加料要合理。
五、 炉衬的修补
1、 热补法
常见于炉口。将松动的石英砂铲除掉, 清理干净后, 将高度和直径合适的钢圈放在碗口状的坡度上填上石英砂捣实, 送低压3～4小时, 然后送高压化料。
2、 冷补法
当炉子冷却后修补。冷补包括局部修补和剥皮修补两种。
1) 局部修补: 指炉衬的任意一个部位的修补。其方法是将修补部位的氧化层铲除掉, 然后放上合适的钢埚模填上石英砂捣实后即可。烘炉时按旧炉烘炉曲线工艺执行即可。
2) 剥皮修补:主要是整个炉衬变薄达不到工艺要求的标准时采用。其方法是将炉衬里面的氧化层全部铲除剥平, 底部放石英砂捣固后再将焊好的整体炉胆放入炉腔, 然后分批放入拌好的石英砂, 分批量捣固筑紧, 完毕后按新炉烘炉曲线执行。
3) 底部修补: 在底部”象脚”部位, 将原烧结层用浇冒口划破( 不必全部铲除) , 放一钢锅( 高度视损坏程度而定) 加料捣实即可。

六、 中频炉熔炼的使用
1、 开炉前的准备和检查
1) 水表压指示是否正常, 以确定冷却水压;
2) 检查冷却水箱, 管路是否堵塞;
3) 检查可控硅管、 电容器、 滤波电抗器及水冷电缆的冷却水管接头是否腐蚀或漏水;
4) 检查进水水温是否达到要