锌合金无芯感应电炉的故障分析与专用浇注料的开发

2012-03-17袁富明

湖南有色金属 2012年6期

袁富明

(株洲冶炼集团股份有限公司,湖南株洲 412004)

株洲冶炼集团股份有限公司(以下简称株冶)是一家大型的铅锌生产企业,年产铅锌50万t以上,有多台有芯感应电炉、无芯感应电炉、反射炉进行阴极锌片的熔铸及其合金的生产。在锌合金熔炼设备中,工频无芯感应电炉是最适合熔炼原理、最有利于合金生产的设备,但是其内衬坩埚很容易开裂漏锌,限制了其推广使用。为了满足不断扩大的合金市场需求,株冶联合河南洛华粉体工程公司、河南荣耀炉料公司、北京建材研究院等单位,进行了持续多年的无芯炉内衬攻关,取得了可喜成绩,成功开发出了LH-404和RG-90等无芯炉专用浇注料,将炉子的容量从1983年的750 kg增加到目前的3 t和6 t。本文对无芯感应电炉的结构、原理、常见故障进行了较深入的分析,对开发新型材料的试验研究进行了较详细的总结。

1 无芯感应电炉的原理、结构及特点

1.1 无芯炉的基本原理

当感应线圈通交变电流时,线圈周围产生强大的交变磁场,坩埚内的金属也产生感应电流,感应电流在金属体回旋,也称涡流,金属因自身具有电阻而发热熔化。

1.2 无芯炉的结构

无芯炉的基本结构为:中心为坩埚型的炉衬,外绕水冷空心铜制感应线圈,线圈外配置磁轭导磁,上设活动炉盖,还有炉架及倾炉装置等,具体结构见图1。

图1 无芯炉的结构图

1.3 无芯炉的特点

与其他合金熔炼设备(例如反射炉、有芯电炉)相比,无芯炉具有如下特点:

1.通电线圈产生的强大电磁力引起融熔状态的锌液不断搅动,使被熔炼的合金液成分均匀、夹渣少,能避免因机械搅拌而带来的金属污染。

2.设备周围温度低、烟尘少、噪音小、作业环境好。

3.熔化升温快,生产效率高。

4.熔化可以随时开始或停止,炉内金属液可以倾倒干净,适合于更换合金品种。

2 无芯炉的常见故障及产生的原因

2.1 危害性最大的故障——坩埚漏锌

坩埚内的锌液在重力作用下,遇到坩埚壁上的气孔或裂纹就会渗入其中。而渗入耐火材料中的锌液始终处于磁场中,因此,会自身产生涡流,也就是说不管锌液渗入到炉衬的任何位置都不会凝固,直至渗穿炉衬为此。如果炉衬有贯穿坩埚内外的裂纹,则锌液很快就会渗漏,坩埚一旦漏锌则几乎没有修复的可能。

2.2 金属搅动对坩埚的损害

在交变磁场的作用下,根据右手定则坩埚内的合金液会产生感应电流,而成为带电的导体。又根据左手定则带电的导体在磁场中会产生运动的力,力的方向是由四周指向中心,同时涌向中心的液体就会因拥挤而上下翻腾,也称一力四象。这也是我们看到在坩埚内翻腾的金属液体中间凸起、四周凹陷的原因。这种翻腾和搅拌对不同的金属互相熔融,形成合金是有利的。但对坩埚来说,却是一种很大的破坏力,它会促成裂纹的形成,及加强液态金属对坩埚的渗透。搅动的力度与输入的功率及炉内的金属量有关,功率越大,则搅动越大。因而,在炉内金属不多时,不宜输入过大的功率,如果加的固体料,则输入的功率要慢慢增加。

2.3 温度变化对炉衬的影响

由于无芯炉的生产采用的是熔化一炉放出一炉的作业方式,因此它的坩埚就不可避免地要经历常温-高温-常温循环往复的过程。坩埚选用的耐火材料,除了要有较好的强度及密实性外,还要有较好的耐急冷急热性能。

2.4 炉内容量对炉衬的影响

从750 kg→3 t→6 t无芯炉,坩埚的内径从Φ 390 mm→Φ 740 mm→Φ 1 000 mm,坩埚的壁厚却没有增加,都是110 mm;高度从900 mm→1 350 mm→1 600 mm;坩埚底部所承受的静压力从0.6 kg/cm2→0.9 kg/cm2→1.2 kg/cm2;坩埚内装的金属由500 kg→3 t→6 t。综合以上因素,3 t坩埚承受的破坏力是750 kg坩埚的18倍,6 t坩埚承受的破坏力又比3 t的更大,这也是水玻璃耐火混凝土坩埚在750 kg炉子能应用,在3 t、6 t无芯炉中不能用的原因。

2.5 炉衬温度梯度的影响

由于炉衬壁厚只有110 mm,内外的温度差将近600℃,其温度梯度有6℃/mm,这对于未经过烧结的炉衬材料来说,在此温度梯度的条件下作业而又要保证坩埚不开裂是相当困难的。

3 试验研究

浇注料是超细微粉的填充技术和高温水泥的水合硬化技术相合的新型耐火材料,上世纪90年代末在冶金、建材行业开始推广使用。在对无芯炉的结构特点、常见故障及产生原因做了详细的分析之后,认为浇注料的强度高、密度大、容易成形、施工方便等一系列优点,很适用于无芯炉内衬,试验研究的重点是要解决炉料使用过程开裂漏锌的问题,关键是要增强炉料的热震稳定性。

3.1 实验设计

通过改变配料组成,采用高膨胀骨料,低膨胀基质的配料方案,提高炉料的热震稳定性。原理是:制品经烧成后冷却至常温,由于骨料热膨胀大,使骨料与基质分离,而基质并不产生裂纹,因而机械强度不受损失;当制品再次受热时,基质中可能出现很小的张应力,而骨料周围则有空隙存在,其膨胀不会影响基质。即使在基质中出现微裂纹,遇到第一颗骨料后它将终止。这种组合热震稳定性非常好,常用于陶瓷窑具的配方设计。

3.2 试验方案

1.选择低温膨胀的骨料,使其能在较低温度如650℃之前产生膨胀效应。

2.选择膨胀系数低的粉料作为基质,使其在升温过程中能够与骨料产生间隙。

3.放大临界颗粒尺寸,合理颗粒搭配,使颗粒达到紧密堆积效果,增强颗粒的骨架作用,减小烧后的体积收缩。

4 试验结果

4.1 配料组成

最大颗粒粒径8 mm,骨料由8～5 mm,1～5 mm,0.088～1 mm的板状刚玉、特级焦宝石、低温膨胀剂组成;基质由碳化硅、铝-65水泥、氧化铝微粉、硅灰等组成。

4.2 热膨胀实验

实验温度20～1 000℃,如图2、图3所示。

图2 热膨胀率及线膨胀系图

图3 热膨胀率及线膨胀系图

图2是经常温养护3 d的试体,直接进行热膨胀试验,可以看出550℃左右有明显的突然膨胀现象,这一过程到850℃左右结束,这就是所加的低温膨胀剂作用。这一过程需要严格控制,控制不好会造成结构疏松、强度大幅下降,严重的产生裂纹,造成结构损坏。控制合适就会达到实验设计目的,在颗粒周边产生空隙,用来消除基质由于急冷急热产生的热应力。

图3是经1 000℃烧后,进行的热膨胀试验结果。可以看出,经烧过的试体,热膨胀率随温度的升高均匀上升,550℃左右的突然膨胀现象已经消除,这说明低温膨胀剂的效果只是在首次升温时出现,膨胀剂的作用是不可逆的。这对实际施工及使用具有指导意义。第一:当养护完毕烘炉时,升温速度一定要严格控制,升到500℃以后需要非常缓慢进行。建议用户当升温到500℃时进行保温,500～850℃升温过程缓慢,防止急剧升温造成衬里损坏;第二:烘炉终止温度要大于850℃,且在850℃要有保温过程;第三:考虑到衬里烘烤过程中有0.5%的线膨胀,施工时应在适当部位预留膨胀缝。

从图3可以看出,在正常熔炼使用时,由于温度的波动,急冷急热过程中,衬里热膨胀现象是匀速升高或降低的,热冲击所造成的对耐火衬里内部的机械应力冲击相对较缓慢,由此,抗热震效果也应该较好。