提高酸性中频感应电炉炉衬寿命的研究

■李健

一、概述

铸造行业是典型的高耗能、高污染企业，节能减排任务十分艰巨。我公司作为鞍钢集团所属一家大型国有企业，为进一部落实国家关于节能减排、优化环境的要求，实现企业高效益、更好的发展前景，节能减排工作取得突破性进展，其中重要工作之一是采用了高效、低电耗的中频感应电炉设备生产合金铸铁磨球。

我公司生产的合金铸铁磨球，经历了开始采用冲天炉熔炼，接着采用冲天炉＋3t工频感应电炉双联熔炼，最后采用1t中频感应电炉熔炼三个阶段。采用中频感应电炉生产合金铸铁磨球时熔炼过程中合金元素氧化损耗少，能较方便地调节铁液化学成分和铁液温度，因此化学成分和铁液温度易于控制。

由于感应电炉没有能量载体的燃烧生成物，排除的烟气和粉尘少，发出的噪声也远低于冲天炉，生产现场环境及操作者的劳动强度和劳动条件都得到改善。

熔炼的低铬合金白口铸铁磨球含硅量较高，回炉料中也含有较多的硅砂，熔化时所产生的熔渣呈酸性，因此我公司决定采用酸性材料对中频感应电炉进行炉衬打结。

炉衬的使用寿命长短对能否保证电炉的正常生产有很大影响，我公司电炉炉衬使用寿命最初只有几十次，经过不断总结经验，现在已达到200次以上，通过生产实践中认识到，依据电炉打结材料的特性掌握好选料、配料、打结、烘烤烧结工艺，以及在使用电炉冶炼过程中对炉衬做好日常维护保养，对提高其使用寿命至关重要。

二、炉衬耐火材料要求

感应电炉炉衬的工况条件是十分恶劣的。在使用过程中是在一系列复杂的物理、化学变化交织的条件下进行工作，要承受熔炼过程1550~1580℃的高温作用，加料时生铁、废钢、合金料对炉衬的剧烈冲击与碰撞，熔炼时电磁搅拌引起的金属液对炉衬的强烈冲刷作用，炉渣对炉衬的化学侵蚀作用，间断作业使炉衬温度产生激冷激热变化等，从而使炉衬出现裂纹、局部浸蚀、剥落等，引起金属液穿透而导致炉衬失效。由此可见，炉衬耐火材料应具备如下性能。

（1）足够高的耐火度。感应电炉炉衬工作温度一般低于熔融金属的温度。但考虑到对炉衬寿命的要求，还得考虑熔池和熔沟部分偶然的或经常的超温，铸铁的流动性好，在铸铁感应电炉中使用耐火度和软化温度低的材料往往是不安全的，作为生产铸铁产品电炉的耐火材料，其耐火度应达到1650~1700℃，软化温度应高于1700℃。

（2）热膨胀系数小。随温度的变化，体积要比较稳定，没有剧烈的膨胀和收缩。

（3）化学稳定性好。材料的化学稳定性和炉衬的寿命有密切的关系，炉衬材料应具有在低温时不得水解分化，在高温时应不易分解和还原，在熔炼过程中应不易与炉渣形成低熔点的物质。不易与金属熔液及熔剂、熔渣产生化学反应。

（4）具有较高的力学性能。在炉内温度低时能经受住炉料的撞击，在金属处于高温熔融状态时应能承受金属液的静压力和强烈的电磁搅拌作用，在金属液的长期冲刷作用下有良好的耐磨性和耐蚀性。

（5）绝缘性能好。炉衬在高温状态下不得导电，否则会出现漏电和短路，造成安全和设备事故。

（6）材料的施工性能好。修补、烧结性能好，筑炉及维修方便。

（7）无氧化铁及低熔点矿物等有害杂质。

硅砂属于酸性炉衬材料，其价格低廉，来源广泛，在600~800℃就基本完成其膨胀变化，在此温度以上体积变化微小，热稳定性和抗铁液渗漏性能好，能适应间断作业。此外，硅砂的负荷软化温度接近于其耐火度，高温机械强度较高，因此是普遍采用的酸性炉衬打结材料。

炉衬打结用硅砂的主要技术条件：硅砂的主要成分是氧化硅，其含量越高，炉衬的耐火度越高，硅砂中含有铁的氧化物会降低炉衬的耐火度，因此我公司选择打结炉衬用的硅砂SiO2≥99%，Fe2O3≤0.45%，水分≤0.5%。

三、硅砂酸性炉衬捣制

1. 硅砂粒度配比的选择

正确选择硅砂的粒度配比，对提高炉衬的强度、致密度、抗渣性能是十分重要的。粗颗粒硅砂抗渣性好，在炉衬中起骨料作用，但在打结过程中不易捣实，致密度差。采用小颗粒硅砂、硅砂粉将填充粗颗粒之间增加其接触面，使炉衬紧密易于烧结。因此适当的硅砂颗粒配比与延长炉衬使用寿命有密切的关系。我公司选择硅砂的粒度配比如附表所示。

2. 硼酸加入量

影响硅砂酸性炉衬的工作温度和使用寿命的直接因素就是粘结剂硼酸的加入量。加多了，会使硅砂熔点降低，引起整体烧结及渗漏铁液的危险，加少了，又会使炉衬烧结的外壳不足以承受较高的机械压力。因此，适当选择硼酸的加入量是极为重要的。合金铸铁磨球的出铁温度要求达到1500℃，浇注温度要求达到1450℃，据此选择硼酸的加入量为1.2%~1.8%。对硼酸的化学成分要求是B2O3≥98%，水分≤0.5%，硼酸粒度＜5mm。

3. 炉衬的捣制

（1）炉料的制备 对打结的硅砂进行精选，采用磁选除去铁质，去除混入的杂物，根据硅砂粒度配比，将硅砂、硅砂粉、硼酸、适量的水用手工搅拌均匀，混匀的砂子用手握成团，松手后能散开。搅拌前一定要认真检查硅砂中不能混有杂物，要保证硅砂纯净。

（2）铺设绝缘层 旧炉衬拆除后，检查感应器、炉体、电气、水冷系统等，确认无异常后，在感应圈内侧铺好石棉布、石棉板等，其作用一方面是增加感应线圈与坩埚壁的绝缘，二是防止砂料在打结过程中从感应器匝间溢出。

（3）筑炉操作 ①打结炉底时，分批加入炉料，捣打炉料的工具，我们用的是沈阳风动工具厂生产的D8型捣固机，炉底材料捣到第一层感应圈高出20~30mm。②捣平炉底后放入坩埚模，要保证坩埚模水平放置在炉底耐火材料上，找准坩埚模的中心，要保证炉壁厚度均匀并与感应线圈同心。③炉壁的捣筑：每次加料在40~60mm，分层加料，用捣固机逐层打实，加料时要防止杂物混入，炉衬捣好后用起吊装置将坩埚模吊出。④炉口的打结用材料为硅砂和水玻璃混合在一起，手工锤打结实。

4. 炉衬的烘烤及烧结

应按照低温缓慢烘烤、高温满炉烧结的原则。

炉衬的烘烤、烧结与炉子的使用寿命及使用安全有极大的关系。烘炉的目的是使新炉衬脱水干燥，因此采用低功率、慢升温工艺，使炉内水蒸气全部排除。同时缓慢而均匀地升温还可防止炉衬表面产生龟裂现象。

炉衬硅砂配比

烘炉的另一目的是使硼酸融成玻璃状物质与石英形成低熔点相，并浸湿覆盖在石英表面上，开始黏结在一起，硅砂由少量相变向大量相变转化，缓慢升温到900℃使硅砂进一步相变，由900~1300℃缓慢升温目的是推进炉衬里层相变，外层烧结。再升温到使用最高温度将炉衬进一步烧结，获得足够厚的烧结层和烧结强度，完成炉衬中硅砂相变，使石英慢相变在使用条件下不可逆转，这样炉衬的热胀冷缩变化比较稳定，从而提高了炉衬的使用寿命。

5. 炉衬的维护及保养

日常熔炼作业过程中，下列存在因素对炉衬的使用寿命有直接影响。

（1）炉料 生产合金铸铁磨球的主要炉料有生铁、废钢及高碳铬铁。

如果使用的生铁、废钢锈蚀严重，则与硅质炉衬生成低熔点铁橄榄石，侵蚀炉衬。

使用的生铁中含有的钛、铝元素达到一定含量时，就会与炉衬中的氧化硅发生反应，使炉衬急剧破坏。

使用的回炉料如其表面黏附的型砂等杂物较多时，会使炉衬挂渣，熔炼时与炉衬发生物理化学反应，侵蚀炉衬，降低炉衬使用寿命。

解决措施：控制生铁、废钢表面的洁净度，锈蚀严重的生铁、废钢严禁使用; 使用滚筛设备处理回炉料，尽量去除表面黏结的型砂杂物。使用的生铁中含有的钛、铝元素达到一定含量时，严禁使用。

（2）熔炼操作工艺 大块炉料直接往炉内投掷，直接撞击炉底及炉壁，就会人为造成炉衬破损，降低炉衬寿命。

熔炼温度与高温保温时间对炉衬使用寿命的影响。熔炼温度越高，尤其是超过炉衬耐火度的高温保温时间越长，越会降低炉衬的使用寿命。这是因为在高温时铁液与炉衬、熔渣与炉衬之间产生复杂的物理化学反应，使炉衬被侵蚀。

解决措施：禁止大块炉料直接往炉内投掷，尽量避免直接撞击炉底及炉壁，加料时要往炉内轻放，要随时观察炉内情况，及时补充炉料，发生棚料时要及时排除。

炉内铁液温度达到规定要求时要及时出炉，以防金属液侵蚀炉衬。

中频感应电炉发生故障时，必须及时将炉内铁液倒出，防止刷炉、穿炉现象产生。

（3）开炉方式 生产中总结出连续生产方式的炉衬寿命超过间断生产方式，这是由于硅制炉衬氧化硅导热性不良，炉衬内部温度很不均匀，炉衬断面分布烧结层、过渡层、松散层，虽然炉衬打结得比较理想，但时断时续的开炉方式会使炉衬频繁产生膨胀、收缩现象，炉衬就会出现裂纹，其使用寿命将会缩短。

因此，尽量采用连续开炉的生产方式，两班生产停炉的间隙期间，炉口上面要盖上厚的石棉板，使炉衬缓慢冷却。

（4）炉衬的修补 炉衬在熔炼过程中受高温金属液的冲刷和侵蚀，有的部位会逐渐变薄，同时因各种原因在使用过程中炉衬会产生大于2mm的纵深裂纹、炉壁烧蚀、凹陷、剥落等，如果修补不及时，就会使炉衬破损加剧。

操作者在日常作业时要认真观察炉衬状况，按照补炉工艺要求，对炉衬及时进行修补。

四、结语

经过一段时间中频感应电炉熔炼合金铸铁磨球的生产实践，认识到硅砂是炉衬较理想的打结材料，根据硅砂的特性掌握好选料、配料、打结，并制订合理的烘烤烧结工艺，以及在生产过程中对炉衬做好日常维护保养，对提高其使用寿命至关重要。

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