无芯感应炉用耐火材料的选择与技术进步

2019-10-08徐平坤

铸造设备与工艺 2019年4期

徐平坤

（广州耐火材料厂，广东广州 510300）

感应炉是利用电磁场感应原理将电能转化为热能，使金属炉料发热熔化的设备。按结构分为有芯感应炉和无芯感应炉两大类。无芯感应炉具有高效、节能、低污染、成分易调节、气氛易控制、升温能力强、可间歇作业等优点，而在炼钢、铸造、有色金属熔炼、精密合金生产等方面广泛应用。感应炉按频率不同分为：工频感应炉（50 Hz以内）；中频感应炉（50 Hz～1 000 Hz）和高频感应炉（1 000 Hz以上）。近年来，随着大功率晶闸管变频电源的开发和可靠性提高，中频炉逐步取代工频炉，与工频炉相比，中频炉热效率和电效率高，熔炼时间短，耗电低，易实现自动化等优点。并且感应炉向大容量、高功率方向发展，对耐火材料有更高的要求。因为耐火材料内衬是决定感应炉产量，铸件质量及生产运行安全可靠性的重要因素。要获得质量好、寿命长的耐火材料内衬，首先要了解使用条件，（1）耐火材料内衬厚度较薄，内衬的温度梯度较大；（2）炉中电磁搅拌金属液，对内衬耐火材料产生机械蚀损；（3）耐火材料内衬反复急冷急热冲击。因此，选用的耐火材料必须具有：足够高的耐火度和荷重软化温度；良好的热震稳定性；不与金属及熔渣等发生化学反应；具有一定的高温机械强度；具有良好的绝缘性和隔热性；还有要好施工，填充密度高，易烧结，维修方便；耐火原料资源丰富，价格低廉等。感应炉的发展与耐火材料技术进步密切相关，大型工频坩埚式感应炉的设计，往往是从耐火材料的选择和炉衬模拟试验开始的。在任何情况下，选择炉衬耐火材料都是以炉子的利用率和经济性作为主要依据。为了电器上的紧密耦合起见，炉衬厚度在力求不影响寿命的条件下，越薄越好[1]。

1 无芯感应炉的结构及耐火材料内衬的构筑方法

1.1 内衬结构

内衬结构如表1所示，由铜管制成的线圈在内衬的外部[2，3]。传统的内衬结构是在紧靠线圈的部位铺设一层云母纸，接下来是报警电极，再铺设一层石棉板（布），其后是干式捣打炉衬。干式捣打内衬在烘烤和使用过程中逐渐形成烧结层、过渡层和未烧结层，合理的三层结构厚度是决定炉衬寿命的重要因素之一。为了满足底顶出式拆炉方式，出现了线圈绝缘胶泥，胶泥取代了云母层，给线圈增加了一层保护屏障。胶泥层一般较云母层厚，但热导率高于云母，因此称含胶泥的内衬结构为改良结构。复合炉衬结构是为适应一些金属熔炼需要，用预烧成的坩埚（炉瓦）和填充料取代捣打内衬，这种结构解决了干式料难以烧结问题，同时改善某些金属熔液或渣对内衬熔蚀严重的状况。

表1 常见的无芯感应炉内衬结构

1.2 无芯感应炉用耐火材料的种类及内衬的构筑方法

无芯感应炉用耐火材料按材质不同分类如表2.

表2 无芯感应炉用耐火材料

无芯感应炉内衬耐火材料的构筑方法主要有以下三种：

1）捣打成型耐火材料内衬：采用机械或手工捣打内衬，5 t以下的感应炉大都采用此方法构筑内衬，可以说无芯感应炉几乎都用捣打料，具体做法是：先在感应器内部和底部铺一层石棉板（或玻璃丝布），然后打结炉底，打好后放上坩埚模型（用5 mm～7 mm钢板焊接），加入混合好的捣打料，用气锤或人工捣打坩埚壁，打结完后先自然干燥，然后木材烘烤，再通电烘烤。其中的模型不必取出，在通电中起感应加热作用，在熔炼第一炉时同炉料一起熔化。也有采用浇注工艺成型，100 kg至几十吨容量的感应炉多用此方法。

2）预制坩埚或炉瓦：坩埚或炉瓦内衬的成型和烘干都是在炉外进行的。这时线圈采用绝缘胶泥保护，与放入的坩埚之间填充以抗渗的干式耐火材料，称为复合炉衬。这种结构解决了干式料在较低温度难以烧结问题，同时改善了某些金属熔液和渣对内衬熔蚀较大的状况。这种方法适用于小容量（一般200 kg以下）的感应炉。由于预制坩埚法内衬更换方便，多用于实验和冶炼特种金属。

3）砌筑炉衬：感应炉内衬采用耐火砖分层砌筑，主要用于大型感应炉。

2 感应炉用耐火材料的选择

感应炉根据熔化金属的种类，渣的性质、炉容量及操作条件等选用不同的耐火材料，如表2所示。

2.1 铸铁熔化和保温的炉衬耐火材料

感应炉可熔炼各种铸铁，如球墨铸铁、蠕墨铸铁等。过去熔化铸铁大都使用工频炉，由于中频、变频感应炉具有高效、节能等优点，近年来熔化铸铁越来越多使用中频或变频炉。

铸铁感应炉内衬一般选用石英质捣打料，硼酸为烧结剂的酸性内衬。天然石英在使用过程中由于晶型转变产生体积效应，热膨胀系数较大，抗热冲击性能差，不适于间歇操作的炉子，要求炉子操作不能倒空，连续操作较好。目前国内这类炉衬寿命在60～150炉次左右，有些能达到200炉次。值得提出的是：近年来有些地方石英质内衬使用寿命显著提高，主要是采用高纯度、大晶粒石英和不同的烧结剂。如黄万钦等人[4]用含SiO2质量分数98.8%～99.2%的结晶硅石，自制的FM烧结剂，合理的颗粒级配，严格控制成型体的体积密度＞2.16 g/cm3的捣打料。在江苏建湖县东油钢厂1.5 t中频感应炉上使用寿命达500炉次；在建湖县孙飞机械厂0.5 t中频炉上使用寿命达850～870炉次。

河南科技大学的研究人员以氧化铝微粉为主要烧结剂，硼酸为助烧剂，利用氧化铝微粉和二氧化硅在高温下生成性能好的莫来石，使材料达到烧结，避免单一硼酸作为烧结剂时产生过多液相的有害作用。研究结果是加入a-Al2O3微粉4%～5%，硼酸1%比较合适[5]。他们还研究用高活性的二氧化硅微粉代替硼酸为烧结剂，当硅微粉加入量3%～5%时，提高了材料的耐压强度和高温体积稳定性，防止炉衬生产裂纹[6]。也有的认为硼酸会产生水分，不如加入硼酐为好[7]。

金堆城钼业集团公司的2 t无芯感应炉，主要熔炼球墨铸铁、高铬、低铬铸铁，断续生产，使用石英质捣打内衬，其炉龄由510炉次提高到1 057炉次。通过实践不断摸索，总结出原料选择、干式捣打筑炉工艺和维修保护措施[8]。

筑炉耐火原料为：选择 ω（SiO2）为 99%～99.5%的石英砂；ω（H3BO3）＞98%的硼酸。石英砂的颗粒配比为：3.35 mm～2.36 mm的颗粒质量分数为10%，2.36 mm～0.85 mm的颗粒质量分数为 30%，0.85 mm～0.425 mm的颗粒质量分数为30%，小于0.053 mm的颗粒质量分数为30%；硼酸加入质量分数为1.6%～1.8%，必须混合搅拌均匀。

打结工艺为：

1）线圈打结。选用绝缘胶泥均匀涂覆于感应线圈表面，胶泥层厚8 mm～15 mm，烘干后具有良好的绝缘性能，在线圈绝缘层内铺设一层石棉板和一层玻璃丝布，铺设时手工平整压实各层材料，再用弹簧圈上下绷紧。捣固石英砂时，自上而下逐个移动弹簧圈，直至内衬打结完毕；

2）打结炉底。炉底厚280 mm，分四次填砂，必须严格控制填砂厚度不大于100 mm/次，人工打结每次30 min，绕炉子缓慢旋转换位，均匀捣打，防止密度不均。打结到要求高度时刮平，放置坩埚模。必须保证坩埚模与感应圈同心，与炉底结合紧密，调整周边间隙均匀后用木楔卡紧，避免打结衬壁时产生位移。

3）打结炉壁。炉衬厚度110 mm～120 mm，分批加料，填料厚度不大于60 mm/次，人工打结15 min，直至与感应圈上缘平齐。打结后坩埚模不取出，烘干和烧结时起感应加热作用。还有合理的烘烤烧结工艺，获得三层结构（即烧结层、过度层、松散层）内衬，并做好日常的维护工作才能取得炉衬的高寿命。

也有采用熔融石英打结料作为酸性内衬，特别是国外比较多。熔融石英具有热膨胀系数小，捣打料具有抗冲击性能好的特点。同时克服了天然石英在长期使用过程中烧结层较厚甚至烧透的现象，保留了足够的未烧结层，避免裂纹穿透，确保感应炉安全稳定地运行。这种捣打料用于50 kg～10 t感应炉内衬，使用寿命为250～450炉次，20 t炉内衬寿命达300炉次。

此外，高铝矾土质捣打料也可以作为熔铁感应炉内衬，而且抗热震性能更好。用Al2O3质量分数55%～66%的三级铝矾土熟料，就能满足铸铁感应炉内衬的要求。

2.2 铸钢、特殊钢熔化炉内衬耐火材料

目前，铸钢、特殊钢熔化多数使用500 kg以下的中频炉，其内衬耐火材料分别有石英质（偶尔使用）、氧化镁质、镁尖晶石质等干式捣打料，使用寿命在50～150炉次。镁质捣打料是以电熔镁砂为主要原料的内衬耐火材料，具有耐火度高、耐侵蚀性优、尤其对碱性溶液、熔渣非常稳定。但是它的热膨胀系数较大，烧结温度高，在使用过程中由于膨胀、收缩，内衬会产生裂纹和剥落，因此，镁质捣打料在500 kg以下的炉子使用比较合适。镁尖晶石捣打料是以镁砂为主要原料，添加适量的尖晶石制成，由于其热膨胀系数小于氧化镁质的，同时使用中的二次尖晶石化使材料产生膨胀，能抑制裂纹的产生和发展，并且尖晶石的抗渣性优良。可用于1 t左右的感应熔炼炉内衬。

目前容量1 t以上的熔化和保温炉逐渐增多，而且向多品种熔炼、高温熔炼和高功率快速熔化的方向发展，使感应炉内衬的使用条件极为苛刻。因此，大型铸钢、特殊钢熔化对感应炉内衬耐火材料的性能提出更高的要求。因此，要求铸钢、特殊钢熔化炉内衬耐火材料必须具有优良的高温性能，即耐侵蚀、接触钢水的受热面不产生裂纹、不发生渗钢液、漏钢液等问题。为了满足这些要求，普遍选择电熔白刚玉或致密刚玉，加入适量的镁砂或铝镁尖晶石，用这种刚玉---尖晶石质捣打料，在大型熔钢感应炉上推广应用。电熔刚玉具有耐火性能好，抗侵蚀能力强，与方镁石或尖晶石相比，刚玉的热膨胀系数小，热态体积稳定性好等优点，同时在使用过程中产生二次尖晶石化的体积膨胀能有效的抑制内衬龟裂的产生。因此，使用铝尖晶石捣打料内衬，内衬热面龟裂获得控制，微裂纹显著减少。这种材料在3 t～5 t感应炉上的使用寿命在200～400炉次。

2.3 铜与铜合金熔化炉内衬用耐火材料

对于一般的熔铜炉来说，石英、高铝矾土、莫来石和刚玉质材料都能满足要求[9]。由于石英质捣打料成本低，而且筑炉方便，在300 kg～700 kg炉中使用最多可达200炉次。连续使用的大型无芯感应炉上可使用莫来石质或高铝质捣打料或浇注料，连续使用寿命一般可达一年与以上。当工作温度提高，使用条件更加苛刻时，可用刚玉质内衬。近年来国外已经出现30 t以上的大型无芯感应炉，我国苏州铜材厂16 t工频熔铜炉使用刚玉质内衬材料，添加抗渗剂，与铜液中的Mn、Ni、Al等均不发生反应，不发生粘渣，使用寿命超过3年（700多炉次）。肖国庆等人研究了某进口中频感应炉用刚玉质干式捣打料烧结性，并提出与进口料物相组成及理化指标相近的配方[10]。电熔致密刚玉：3 mm～5 mm的颗粒质量分数为10%，1 mm～3 mm的颗粒质量分数为25%，小于1 mm的颗粒质量分数为32%，0.05 mm～0.1 mm的颗粒质量分数为14%，＜0.05 mm的颗粒质量分数为8%；电熔镁砂：0.1 m～0.63 mm的颗粒质量分数为5%；＜0.1 mm的颗粒质量分数为5%；烧结剂：苏州土＜0.09 mm的颗粒质量分数为0.5%，硼酸＜0.09 mm的颗粒质量分数为0，2%.该捣打料在5 t中频感应炉使用，其炉龄接近进口料的寿命。结论认为感应炉用刚玉质干式捣打料，不能单纯追求高强度，工作层应该是逐步烧结的，本捣打料的烧结剂是高温烧结剂，加入质量分数要在0.5%以下。紫铜为铜合金中渗透性较强的一种，熔点为1 083℃.熔炼时，熔体向衬体内部渗透，发生氧化并伴随体积膨胀和生成低熔点物质，发生熔蚀现象，降低内衬材料的使用寿命。在30 t的熔铜感应炉中，熔化镍铝青铜时，最高温度为1 350℃，采用临界颗粒达10 mm的莫来石捣打料，使用状况良好。

还有的采用预合成的石墨坩埚或碳化硅坩埚，其优点是可以快速更换节省烧结时间，提高感应炉的电效率，因此坩埚内的温度也高，节约能源。但与刚玉捣打料相比，成本高，坩埚内的搅拌作用降低，对炉温的均匀性不利。

2.4 铝与铝合金熔化炉内衬用耐火材料

金属铝及铝合金在高温下是很强的还原剂，虽然熔化温度不高（炉温不超过850℃），但铝液的粘度很低，对内衬耐火材料有很强的潤湿和渗透性。因此对内衬耐火材料要求有较高的抗热震性和抗铝液渗透能力。目前其炉衬耐火材料主要有：

1）浇注或湿式捣打的高铝质、莫来石质内衬，其一般施工和烘烤周期较长，要求连续工作，使用效果较好，使用寿命一般在一年以上。

2）复合内衬：即热面采用预烧成的坩埚或炉瓦，线圈采用绝缘胶泥保护，中间填充抗渗透、止漏的干式耐火材料。使用效果较好。

3）石英质、莫来石质、刚玉质等干式捣打料，是使用最广泛的铝熔化炉内衬材料，虽然使用寿命不及前两种材料，但使用稳定。例如：武志红等人用特级矾土熟料、一级铝矾土熟料、刚玉粉，粘土粉为原料，加入蓝晶石为膨胀剂、α-Al2O3微粉为基质强化剂、复合添加剂（化学组成：ω（Si）20%，ω（C）16%，ω（N）40%，ω（Al）13%，其他 11%）、硼酐等的干式捣打料，在重庆、南京、湖北等地熔铝炉上使用，最长使用寿命均超过9个月[11]。在内衬材料配料时要加入一定的不浸润添加剂。近年来，对抗铝液润湿剂方面进行较多研究，普遍认为加入质量分数3%左右的BaSO4较好，加入铬刚玉和氮化硼也较好，但成本高。采用BaSO4或CaF2和Na3AlF6质量比为4：1的复合添加剂效果更好[12]。

2.5 镍熔化炉内衬用耐火材料

某有色金属公司有数台1 t无芯中频感应炉生产水淬镍。使用中内衬耐火材料受到金属液产生的电磁搅拌作用的机械冲刷，还要受到急冷急热反复激烈的循环作用，并且镍液有极强的穿透力。经常出现炉底烧穿及线圈打火事故，使用寿命在十几炉。洛阳耐火集团公司通过镁质、镁尖晶石质、铝尖晶石质捣打料的深入细致的试验研究，得出铝尖晶石捣打料比较合适。其理化指标：ω（Al2O3）＞85%，ω（MgO）＞5%，经过 1 650℃，3 h热处理后，体积密度＞2.95 g/cm3，抗折强度＞13 MPa，耐压强度＞50 MPa，线变化率0～+0.8%.该捣打料内衬在熔镍温度1 650℃～1 700℃熔炼时间2 h～3 h，中间加碳脱氧，后出镍水淬，间歇作业的条件下，平均使用寿命169炉次，最高使用寿命达261炉次[13]。

3 感应炉的维护与修补

做好感应炉内衬的维护，并做适当修补是提高使用寿命的重要途经。感应炉内衬损坏情况大致是[14]：

1）热应力裂纹，由于内衬的厚度较薄，内侧与高温金属液接触，外侧紧贴水冷线圈，两侧温差很大，加上周期性冷热循环，导致内衬热应力开裂；

2）受金属液和熔渣的侵蚀，特别是电磁搅拌和过热引起机械侵蚀；

3）剥落，由于热应力或机械碰撞等原因，造成内衬材料以块状或片状从内衬表层掉落；

4）渗透与结渣。

3.1 感应炉维护

维护和保养工作非常重要，不但能及时发现各种隐患，避免重大事故发生，还能保证安全生产，延长使用寿命，提高铸件质量，降低生产成本。日常生产应该注意以下几点[15，16]：

1）加入炉内用来熔炼的原材料必须干净，为了防止加料过程划伤炉内衬，原材料的尺寸不能太大，不要直接撞击炉底。

2）连续熔炼时，不要出净金属液，要留10%左右保护内衬。注意防止熔炼温度过高，蚀损内衬。粘在内衬上的熔渣，要及时清理，每周测量一次炉体尺寸，发现问题及时处理。

3）定期记录有关电的参数，冷却水温度及炉体各关键部位外壳温度，随时监测炉子的使用情况。

4）每天观察水压表、水温表及水流情况和胶管的老化程度，，发现问题及时处理。

5）阶段性熔炼完毕后，炉体盖上保温盖，防止炉体冷却过快，产生深处裂纹。当炉体产生较大裂纹或蚀损严重时，剔除损坏部分的烧结层，打结修补。

3.2 感应炉修补

对局部损坏的炉衬进行修补，不但延长感应炉的使用寿命，而且还能节省大量耐火材料、保温材料和绝缘材料，减少烘炉消耗的电能，节约工时及筑炉费用[17]。如某0.5 t中频感应炉用铝尖晶石内衬，熔炼铝硅锰合金，一般使用寿命在50炉次左右。当使用40炉左右采用硅微粉结合的镁质修补料对内衬的裂缝、剥落及侵蚀严重部位进行涂抹修补，修补后利用炉子的余热进行10 min自然干燥，利用熔炼升温进行烘烤及高温处理，发现修补料与原内衬结合牢固。经过两次修补可使内衬寿命提高到 90～100 炉次[18]。

修补方法有很多种类，视内衬的损坏情况，灵活运用。大致有小修、中修、大修，小于1 mm的裂纹可以不修，1 mm以上的裂纹，特别是水平方向的裂纹必须修补，可用加入硼酸的耐火材料过筛后，用铁丝等工具填补，并在补后的表面上加水玻璃的湿态混合砂抹平。如果有小范围的侵蚀或损伤，清除炉渣和残铁后，涂以水玻璃后，再用加入水玻璃混合好的耐火材料拍打修补，或用含Al2O3的不定形耐火材料修补[19，20]。

中修有以下几种：

1）热补法：常用于炉口，将松动的原内衬除掉，清理干净后，将高度和直径合适的模具放入碗口状的斜坡上，加入散状耐火材料捣实，先送低压电3 h～4 h，再送高压电化料。

2）冷补法：炉子冷却后修补。可能有以下几种情况：

a）面积比较大的局部损毁，除掉补位的氧化层，放上合适的坩埚模，填上原内衬的材料捣实。按旧炉的烘炉曲线烘炉；

b）整个炉内衬变薄，先将内衬的氧化层铲除剥平，底部放捣打料捣固后，再放入整体炉胆，然后放入捣打料分批捣固，完毕后按新炉烘炉；

c）底部“象脚”部位的修补，将原烧结层划破（不必全部铲除），放入坩埚，加料捣实即可。

3）感应线圈的修补：清理破处，然后均匀涂覆绝缘胶泥，一般胶泥是加耐火水泥的，属水硬性物质，干的太慢，易流动变形，干的太快，无法修补，因此要掌握好水泥的初凝及终凝时间。

中修简单易行，可以反复连续进行，中修后可达新筑内衬相当的效果，大大延长使用寿命。如果中修反复无限延长下去，可能做到感应炉用耐火材料零排放，节能环保。建议感应炉采用喷补技术进行中修，效率会更好。

所谓大修，即拆除全部耐火材料，重新筑炉。