鋅合金無芯感應(yīng)電爐的故障分析與專用澆注料的開發(fā)

袁富明

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱株冶)是一家大型的鉛鋅生產(chǎn)企業(yè),年產(chǎn)鉛鋅50萬t以上,有多臺(tái)有芯感應(yīng)電爐、無芯感應(yīng)電爐、反射爐進(jìn)行陰極鋅片的熔鑄及其合金的生產(chǎn)。在鋅合金熔煉設(shè)備中,工頻無芯感應(yīng)電爐是最適合熔煉原理、最有利于合金生產(chǎn)的設(shè)備,但是其內(nèi)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(kuò)大的合金市場(chǎng)需求,株冶聯(lián)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(jìn)行了持續(xù)多年的無芯爐內(nèi)襯攻關(guān),取得了可喜成績(jī),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(duì)無芯感應(yīng)電爐的結(jié)構(gòu)、原理、常見故障進(jìn)行了較深入的分析,對(duì)開發(fā)新型材料的試驗(yàn)研究進(jìn)行了較詳細(xì)的總結(jié)。

1 無芯感應(yīng)電爐的原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 無芯爐的基本原理

當(dāng)感應(yīng)線圈通交變電流時(shí),線圈周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場(chǎng),坩堝內(nèi)的金屬也產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)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(jié)構(gòu)

無芯爐的基本結(jié)構(gòu)為:中心為坩堝型的爐襯,外繞水冷空心銅制感應(yīng)線圈,線圈外配置磁軛導(dǎo)磁,上設(shè)活動(dòng)爐蓋,還有爐架及傾爐裝置等,具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 無芯爐的結(jié)構(gòu)圖

1.3 無芯爐的特點(diǎn)

與其他合金熔煉設(shè)備(例如反射爐、有芯電爐)相比,無芯爐具有如下特點(diǎn):

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

2.設(shè)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(chǎn)效率高。

4.熔化可以隨時(shí)開始或停止,爐內(nèi)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(chǎn)生的原因

2.1 危害性最大的故障——坩堝漏鋅

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

2.2 金屬攪動(dòng)對(duì)坩堝的損害

在交變磁場(chǎng)的作用下,根據(jù)右手定則坩堝內(nèi)的合金液會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,而成為帶電的導(dǎo)體。又根據(jù)左手定則帶電的導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的力,力的方向是由四周指向中心,同時(shí)涌向中心的液體就會(huì)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(nèi)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(duì)不同的金屬互相熔融,形成合金是有利的。但對(duì)坩堝來說,卻是一種很大的破壞力,它會(huì)促成裂紋的形成,及加強(qiáng)液態(tài)金屬對(duì)坩堝的滲透。攪動(dòng)的力度與輸入的功率及爐內(nèi)的金屬量有關(guān),功率越大,則攪動(dòng)越大。因而,在爐內(nèi)金屬不多時(shí),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(duì)爐襯的影響

由于無芯爐的生產(chǎn)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(jīng)歷常溫-高溫-常溫循環(huán)往復(fù)的過程。坩堝選用的耐火材料,除了要有較好的強(qiáng)度及密實(shí)性外,還要有較好的耐急冷急熱性能。

2.4 爐內(nèi)容量對(duì)爐襯的影響

從750 kg→3 t→6 t無芯爐,坩堝的內(nèi)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(nèi)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(yīng)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(nèi)外的溫度差將近600℃,其溫度梯度有6℃/mm,這對(duì)于未經(jīng)過燒結(jié)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(dāng)困難的。

3 試驗(yàn)研究

澆注料是超細(xì)微粉的填充技術(shù)和高溫水泥的水合硬化技術(shù)相合的新型耐火材料,上世紀(jì)90年代末在冶金、建材行業(yè)開始推廣使用。在對(duì)無芯爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、常見故障及產(chǎn)生原因做了詳細(xì)的分析之后,認(rèn)為澆注料的強(qiáng)度高、密度大、容易成形、施工方便等一系列優(yōu)點(diǎn),很適用于無芯爐內(nèi)襯,試驗(yàn)研究的重點(diǎn)是要解決爐料使用過程開裂漏鋅的問題,關(guān)鍵是要增強(qiáng)爐料的熱震穩(wěn)定性。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過改變配料組成,采用高膨脹骨料,低膨脹基質(zhì)的配料方案,提高爐料的熱震穩(wěn)定性。原理是:制品經(jīng)燒成后冷卻至常溫,由于骨料熱膨脹大,使骨料與基質(zhì)分離,而基質(zhì)并不產(chǎn)生裂紋,因而機(jī)械強(qiáng)度不受損失;當(dāng)制品再次受熱時(shí),基質(zhì)中可能出現(xiàn)很小的張應(yīng)力,而骨料周圍則有空隙存在,其膨脹不會(huì)影響基質(zhì)。即使在基質(zhì)中出現(xiàn)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(shè)計(jì)。

3.2 試驗(yàn)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(chǎn)生膨脹效應(yīng)。

2.選擇膨脹系數(shù)低的粉料作為基質(zhì),使其在升溫過程中能夠與骨料產(chǎn)生間隙。

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

4 試驗(yàn)結(jié)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(jí)焦寶石、低溫膨脹劑組成;基質(zhì)由碳化硅、鋁-65水泥、氧化鋁微粉、硅灰等組成。

4.2 熱膨脹實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(jīng)常溫養(yǎng)護(hù)3 d的試體,直接進(jìn)行熱膨脹試驗(yàn),可以看出550℃左右有明顯的突然膨脹現(xiàn)象,這一過程到850℃左右結(jié)束,這就是所加的低溫膨脹劑作用。這一過程需要嚴(yán)格控制,控制不好會(huì)造成結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度大幅下降,嚴(yán)重的產(chǎn)生裂紋,造成結(jié)構(gòu)損壞?？刂坪线m就會(huì)達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的,在顆粒周邊產(chǎn)生空隙,用來消除基質(zhì)由于急冷急熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

圖3是經(jīng)1 000℃燒后,進(jìn)行的熱膨脹試驗(yàn)結(jié)果。可以看出,經(jīng)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(xiàn)象已經(jīng)消除,這說明低溫膨脹劑的效果只是在首次升溫時(shí)出現(xiàn),膨脹劑的作用是不可逆的。這對(duì)實(shí)際施工及使用具有指導(dǎo)意義。第一:當(dāng)養(yǎng)護(hù)完畢烘爐時(shí),升溫速度一定要嚴(yán)格控制,升到500℃以后需要非常緩慢進(jìn)行。建議用戶當(dāng)升溫到500℃時(shí)進(jìn)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(shí)應(yīng)在適當(dāng)部位預(yù)留膨脹縫。

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

4.3 熱震穩(wěn)定性試驗(yàn)

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(duì)比試驗(yàn)。650℃水冷熱循環(huán)相同次數(shù),測(cè)量熱震前抗折強(qiáng)度P0和熱震后的抗折強(qiáng)度Pn,并計(jì)算其抗折強(qiáng)度殘余保持率K,用殘余抗折強(qiáng)度保持率K來評(píng)價(jià)材料的熱震穩(wěn)定性能。

其中P0為試樣熱震實(shí)驗(yàn)前的抗折強(qiáng)度/MPa;Pn為試樣熱震n次后的抗折強(qiáng)度/MPa。

殘余強(qiáng)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(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

4.4 綜合試驗(yàn)

再取表1編號(hào)中的1號(hào)、3號(hào),7號(hào)、9號(hào),8號(hào)、13號(hào)進(jìn)行冷態(tài)耐壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、線變化率的試驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)加入膨脹劑后,耐壓強(qiáng)度降低,抗折強(qiáng)度提高,線變化率增大。

綜合試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 綜合試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)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(duì)性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn),找到了能夠在低溫起膨脹作用的骨料和膨脹系數(shù)低的粉料作為基質(zhì),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(kuò)大的鋅合金生產(chǎn)要求。

[1] 有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).有色冶金爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2000.