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中频炉炉衬材料的选择及影响炉衬寿命的因素


发布日期:(2018-1-30)   点击次数:144

中频炉炉衬材料的选择及影响炉衬寿命的因素

中频炉因其熔化速度快、金属液温度高、化学成分均匀等优点,在现代铸造企业中的应用非常广泛,并且逐步向大型化发展。各种铸铁、铸钢及有色合金的熔炼都可以使用。中频炉所用炉衬材料的工作条件极其严酷:其内侧盛载高温金属液,外围是水冷感应线圈,为了改善电磁耦合,还要使炉衬壁厚尽量减小,因而炉衬材料在使用过程中的温度梯度很大,每次金属液出炉后,炉壁的温度急剧下降,要承受骤冷、骤热的冲击,而且还要承受熔炼过程中因电磁搅拌不断运动的金属液的冲刷和炉渣的侵蚀,因此对炉衬材料种类的选择及使用都有严格的要求,并且在使用过程中要对影响炉衬寿命的各种因素加以分析。

中频炉炉衬材料的选择

   1)炉衬材料要具备足够的耐火度。中频炉熔炼时钢液的最高温度可达1700℃,铁液的最高温度可达1500℃以上。因此要根据所熔炼金属的材质选择能满足熔炼温度的炉衬材料。常用炉衬材料的性能见表1


    2)炉衬材料应具有良好的化学稳定性。熔渣侵蚀是耐火材料在使用过程中最常见的一种损坏形式,因此应尽量选用与熔渣化学成分相近的耐火材料,减弱其界面上的反应强度。

    3)炉衬材料应具有良好的耐急冷急热性能,可适应从高温熔炼到金属液出炉后,由于温度和压力急剧变化在炉衬壁内所产生的应力作用,确保其不开裂。耐热震性越好的炉衬使用寿命越长。

    4)炉衬材料应有一定的高温强度。熔炼过程中,炉壁要经受金属炉料的冲击力、金属液的静压力、电磁搅拌金属液运动的作用力及温差应力的作用,因此炉衬材料应具有一定的高温强度,在多种力的作用下不开裂、耐冲刷。

    5)炉衬材料的热传导性要小,电导率要低。熔炼过程中,炉壁内外的温差很大,约有1O%~15%的热量通过炉壁向外散失,为减少热损失、提高热效率,炉衬材料要有低的热传导率。电导率是电阻率的倒数。电导率越大则导电性能越强,反之越小。因此,炉衬材料要有低的电导率,不能含有磁感应物,尤其是炉衬打结过程中绝不允许有金属或电导性较强的夹杂物存在。

    6)炉衬材料应根据所熔炼的材质及要求,选用性价比高的材料。

    7)炉衬材料应适应环保要求,使用过程中不释放对人体有毒、有害及污染环境的物质,使用后的废料也不能对环境造成危害。

    中频炉所用炉衬分为炉外直接预成形和炉内打结成形。炉外成形炉衬直接安装于感应线圈内即可使用,节约人力、电力,安装快速,效率较高,但目前局限于容量较小的电炉,大中型电炉基本上以炉内打结成形炉衬为主。

影响炉衬寿命的因素分析

    21打结工艺

    炉衬打结质量的好坏直接影响使用寿命。保持砂料粒度均匀,粗细颗粒不产生偏析,加料时层与层严密结合,打结后的炉衬致密度越高,烧结后的烧结层强度就高,炉壁产生裂纹的倾向就比较小。炉衬打结时振捣不实,会导致炉衬不致密或局部疏松,当金属液压力大时,就可能产生渗漏。手工打结一层后,未将表面扒松就加料会导致分层,使用过程中炉衬会产生横向裂纹,这种裂纹是无法弥合的。烘炉和烧结过程中升温过快,炉料中的水分因急速逸出会在炉壁上形成大量微孔,这些微孔可能会导致金属液渗透和吸附炉渣。因此制定并严格遵守筑炉工艺操作规程是延长炉衬寿命的首要条件。

    22电炉容量和炉壁厚度

    中频炉容量增大,炉壁承受金属液的静压力增加。炉底与炉壁结合处的压力最大,随着静压力的增加,金属液向炉壁的微孔或微裂纹中渗透的几率也增大;同时,电磁搅拌力的增大对炉壁的冲刷作用也会增强。若为追求超装,减小炉壁厚度,特别是较大电炉,炉衬的寿命会很明显缩短。选择适合大容量电炉的炉衬材料并达到合理壁厚,可以改善其使用状况。

    23熔炼温度

    熔炼的金属液温度过高,熔渣对炉衬的侵蚀加剧;金属液流动性好,对炉衬的化学侵蚀加剧。高温出铁、低温浇注一直是操作的准则。每~种铸件都有其熔化工艺要求,要经常观察和测温以达到适合的温度,不要过于追求超温。在尽量控制过高熔炼温度的同时,也不要出现长时间高温或保温等待浇注的情况,过高的温度不但易使合金烧损,也会损伤炉壁,同时能耗也会增加。

    24熔炼材质

    刚打好的炉衬,炉壁尚未完全烧结,前几炉熔炼时应选用较洁净的金属材料,尽量避免成分复杂,含铁锈、油污较多的材料,特别是油浸废铁屑。熔点低、流动性好的材质会加剧对炉壁的渗透,熔点高的材质需要较高的温度,这些都有损炉衬的寿命,应安排在中后期熔炼比较合适。另外应注意不同金属材料的属性,如前一炉熔炼硫含量较高的铁水,后一炉熔炼高锰钢便极易造成炉壁侵蚀。成分复杂、含较多铁锈和油污、未经清理的废料、回炉料在高温、高氧下形成的氧化物之间有复杂的互熔作用,极易形成粘渣而侵蚀炉壁,使其出现疏松而熔损,带入的杂质不但加大了能耗,而且也会影响铸件质量。

    25熔炼操作

    金属炉料装料的疏密程度直接关系到炉料的熔化速度。为了快速加热和熔化,装料要力求紧密,但又要避免熔化过程中出现“架桥”现象,使下部已熔化的金属液过热,造成金属液吸气并增加合金元素的烧损,延长熔化时间,高温和剧烈的涡流严重侵蚀炉壁。当金属液面过低时,如果加入大块料而电炉又输入高功率,则底部将产生严重过热而加剧侵蚀。整个炉衬中以中下部承受的静压力最大、温度最高、冲刷最严重,熔炼的金属液达到适合的温度和质量要求之后,应停电出炉,这样不但安全而且可降低能耗,还可以保护炉衬的下半部不致因过热金属液的冲刷而损毁。应尽量缩短熔炼时间,降低钢水熔炼耗电。

    26熔渣对炉壁的侵蚀

    炉渣的酸碱度应与炉衬材料相适应。氧化镁质炉衬材料耐碱性渣侵蚀能力强;硅质的酸性炉衬材料耐酸性渣能力较强;氧化铝质中性炉衬材料高温下在不同的酸碱度中会表现出典型的两性,可以适应不同酸碱度的熔渣,但相比酸性炉料和碱性炉料稍差一些。加入炉内的金属材料会带入各种不同的氧化物,不同材质、不同炉次的炉渣成分也不尽相同。炉渣中存在的各种氧化物、碳化物、硫化物及各种形态的复合化合物,大部分都会和炉衬发生化学反应,生成不同熔点的新的化合物。反应中生成的一些低熔点氧化物,如铁橄榄石(FeO·SiO2)、锰橄榄石(MnO·SiO2)等熔点一般在1200℃左右。低熔点渣具有极好的流动性,可能会形成助熔剂的作用,对炉衬产生剧烈的化学侵蚀,从而缩短炉衬的使用寿命。反应中生成的高熔点渣,如莫来石(3A12O3·2SiO2)、镁橄榄石(2MgO·SiO2)及一些高熔点的金属元素熔点可达1800℃以上,悬浮在金属液中的高熔点渣和低熔点渣之问的互熔,使这些熔渣极易粘附在炉壁上并形成累积,造成严重的粘渣,影响电炉的功率、熔速和容量,直至炉衬寿命。出现这样的情况可以采取以下措施:

    1)通过加强对入炉料的管理,大幅度减少带有砂子、铁锈、油污的材料,以及含有各种杂质的废料和回炉料的入炉,防止中频炉炉衬侵蚀和粘渣。

    2)根据炉衬和所熔合金的材质确定加料顺序和合适的熔化工艺,尽量减少杂质与炉衬接触的机会和时问,以有效防止中频炉炉衬粘渣。

    3)采用新型辅助材料清洁金属液和炉渣中的氧化物及杂质,如以多元素复合脱氧剂代替单一元素脱氧剂。单一元素脱氧剂脱氧产物的熔点较高,在金属液中以固态质点存在,很难排出,也易粘附在炉壁上;而稀土元素作为脱氧剂虽然脱氧能力强,但其脱氧产物密度大,不易从金属液中排除,而且稀土元素还容易与硅质和氧化铝质炉衬材料中的SiO2Al203发生化学反应,侵蚀炉壁。多元素复合脱氧剂,如硅铝钡钙的脱氧能力强,脱氧后的产物是液态质点,容易上浮除去。金属液中的多种熔渣化合物及有害气体,如果不能彻底清除,不但造成炉衬粘渣,而且也会使铸件产生各种铸造缺陷。高质量的除渣剂能够将金属液表面的浮渣清除干净,但是却无法清除混熔和悬浮在金属液中的杂质和气体。钢()水清洁剂是一种复合材料,适合在球铁、灰铁、碳钢、合金钢、高锰钢、不锈钢等材质中使用,可以将金属液中的氧化物迅速还原清除,净化金属液,并明显降低其黏度,提高流动性。熔炼过程中,钢()水清洁剂能有效软化炉渣,防止不易熔解的氧化物粘附在炉壁上,提高能效,缩短熔炼时间,同时也能有效清除粘附在炉衬上的炉渣,延长炉衬使用寿命。

结语

    中频炉的使用过程是一个综合的系统工程,“三分在材料,七分在使用”。除选用适合的炉衬材料外,执行严格的筑炉烘烤操作工艺,制定科学合理的熔炼工艺,采用新型辅助材料及细致的操作、精心的维护都是延长炉衬寿命,实现节能降耗的有效途径。

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