提高酸性中頻感應電爐爐襯壽命的研究

■李健

一、概述

鑄造行業是典型的高耗能、高污染企業，節能減排任務十分艱巨。我公司作為鞍鋼集團所屬一家大型國有企業，為進一部落實國家關于節能減排、優化環境的要求，實現企業高效益、更好的發展前景，節能減排工作取得突破性進展，其中重要工作之一是采用了高效、低電耗的中頻感應電爐設備生產合金鑄鐵磨球。

我公司生產的合金鑄鐵磨球，經歷了開始采用沖天爐熔煉，接著采用沖天爐＋3t工頻感應電爐雙聯熔煉，最后采用1t中頻感應電爐熔煉三個階段。采用中頻感應電爐生產合金鑄鐵磨球時熔煉過程中合金元素氧化損耗少，能較方便地調節鐵液化學成分和鐵液溫度，因此化學成分和鐵液溫度易于控制。

由于感應電爐沒有能量載體的燃燒生成物，排除的煙氣和粉塵少，發出的噪聲也遠低于沖天爐，生產現場環境及操作者的勞動強度和勞動條件都得到改善。

熔煉的低鉻合金白口鑄鐵磨球含硅量較高，回爐料中也含有較多的硅砂，熔化時所產生的熔渣呈酸性，因此我公司決定采用酸性材料對中頻感應電爐進行爐襯打結。

爐襯的使用壽命長短對能否保證電爐的正常生產有很大影響，我公司電爐爐襯使用壽命最初只有幾十次，經過不斷總結經驗，現在已達到200次以上，通過生產實踐中認識到，依據電爐打結材料的特性掌握好選料、配料、打結、烘烤燒結工藝，以及在使用電爐冶煉過程中對爐襯做好日常維護保養，對提高其使用壽命至關重要。

二、爐襯耐火材料要求

感應電爐爐襯的工況條件是十分惡劣的。在使用過程中是在一系列復雜的物理、化學變化交織的條件下進行工作，要承受熔煉過程1550~1580℃的高溫作用，加料時生鐵、廢鋼、合金料對爐襯的劇烈沖擊與碰撞，熔煉時電磁攪拌引起的金屬液對爐襯的強烈沖刷作用，爐渣對爐襯的化學侵蝕作用，間斷作業使爐襯溫度產生激冷激熱變化等，從而使爐襯出現裂紋、局部浸蝕、剝落等，引起金屬液穿透而導致爐襯失效。由此可見，爐襯耐火材料應具備如下性能。

（1）足夠高的耐火度。感應電爐爐襯工作溫度一般低于熔融金屬的溫度。但考慮到對爐襯壽命的要求，還得考慮熔池和熔溝部分偶然的或經常的超溫，鑄鐵的流動性好，在鑄鐵感應電爐中使用耐火度和軟化溫度低的材料往往是不安全的，作為生產鑄鐵產品電爐的耐火材料，其耐火度應達到1650~1700℃，軟化溫度應高于1700℃。

（2）熱膨脹系數小。隨溫度的變化，體積要比較穩定，沒有劇烈的膨脹和收縮。

（3）化學穩定性好。材料的化學穩定性和爐襯的壽命有密切的關系，爐襯材料應具有在低溫時不得水解分化，在高溫時應不易分解和還原，在熔煉過程中應不易與爐渣形成低熔點的物質。不易與金屬熔液及熔劑、熔渣產生化學反應。

（4）具有較高的力學性能。在爐內溫度低時能經受住爐料的撞擊，在金屬處于高溫熔融狀態時應能承受金屬液的靜壓力和強烈的電磁攪拌作用，在金屬液的長期沖刷作用下有良好的耐磨性和耐蝕性。

（5）絕緣性能好。爐襯在高溫狀態下不得導電，否則會出現漏電和短路，造成安全和設備事故。

（6）材料的施工性能好。修補、燒結性能好，筑爐及維修方便。

（7）無氧化鐵及低熔點礦物等有害雜質。

硅砂屬于酸性爐襯材料，其價格低廉，來源廣泛，在600~800℃就基本完成其膨脹變化，在此溫度以上體積變化微小，熱穩定性和抗鐵液滲漏性能好，能適應間斷作業。此外，硅砂的負荷軟化溫度接近于其耐火度，高溫機械強度較高，因此是普遍采用的酸性爐襯打結材料。

爐襯打結用硅砂的主要技術條件：硅砂的主要成分是氧化硅，其含量越高，爐襯的耐火度越高，硅砂中含有鐵的氧化物會降低爐襯的耐火度，因此我公司選擇打結爐襯用的硅砂SiO2≥99%，Fe2O3≤0.45%，水分≤0.5%。

三、硅砂酸性爐襯搗制

1. 硅砂粒度配比的選擇

正確選擇硅砂的粒度配比，對提高爐襯的強度、致密度、抗渣性能是十分重要的。粗顆粒硅砂抗渣性好，在爐襯中起骨料作用，但在打結過程中不易搗實，致密度差。采用小顆粒硅砂、硅砂粉將填充粗顆粒之間增加其接觸面，使爐襯緊密易于燒結。因此適當的硅砂顆粒配比與延長爐襯使用壽命有密切的關系。我公司選擇硅砂的粒度配比如附表所示。

2. 硼酸加入量

影響硅砂酸性爐襯的工作溫度和使用壽命的直接因素就是粘結劑硼酸的加入量。加多了，會使硅砂熔點降低，引起整體燒結及滲漏鐵液的危險，加少了，又會使爐襯燒結的外殼不足以承受較高的機械壓力。因此，適當選擇硼酸的加入量是極為重要的。合金鑄鐵磨球的出鐵溫度要求達到1500℃，澆注溫度要求達到1450℃，據此選擇硼酸的加入量為1.2%~1.8%。對硼酸的化學成分要求是B2O3≥98%，水分≤0.5%，硼酸粒度＜5mm。

3. 爐襯的搗制

（1）爐料的制備 對打結的硅砂進行精選，采用磁選除去鐵質，去除混入的雜物，根據硅砂粒度配比，將硅砂、硅砂粉、硼酸、適量的水用手工攪拌均勻，混勻的砂子用手握成團，松手后能散開。攪拌前一定要認真檢查硅砂中不能混有雜物，要保證硅砂純凈。

（2）鋪設絕緣層 舊爐襯拆除后，檢查感應器、爐體、電氣、水冷系統等，確認無異常后，在感應圈內側鋪好石棉布、石棉板等，其作用一方面是增加感應線圈與坩堝壁的絕緣，二是防止砂料在打結過程中從感應器匝間溢出。

（3）筑爐操作 ①打結爐底時，分批加入爐料，搗打爐料的工具，我們用的是沈陽風動工具廠生產的D8型搗固機，爐底材料搗到第一層感應圈高出20~30mm。②搗平爐底后放入坩堝模，要保證坩堝模水平放置在爐底耐火材料上，找準坩堝模的中心，要保證爐壁厚度均勻并與感應線圈同心。③爐壁的搗筑：每次加料在40~60mm，分層加料，用搗固機逐層打實，加料時要防止雜物混入，爐襯搗好后用起吊裝置將坩堝模吊出。④爐口的打結用材料為硅砂和水玻璃混合在一起，手工錘打結實。

4. 爐襯的烘烤及燒結

應按照低溫緩慢烘烤、高溫滿爐燒結的原則。

爐襯的烘烤、燒結與爐子的使用壽命及使用安全有極大的關系。烘爐的目的是使新爐襯脫水干燥，因此采用低功率、慢升溫工藝，使爐內水蒸氣全部排除。同時緩慢而均勻地升溫還可防止爐襯表面產生龜裂現象。

爐襯硅砂配比

烘爐的另一目的是使硼酸融成玻璃狀物質與石英形成低熔點相，并浸濕覆蓋在石英表面上，開始黏結在一起，硅砂由少量相變向大量相變轉化，緩慢升溫到900℃使硅砂進一步相變，由900~1300℃緩慢升溫目的是推進爐襯里層相變，外層燒結。再升溫到使用最高溫度將爐襯進一步燒結，獲得足夠厚的燒結層和燒結強度，完成爐襯中硅砂相變，使石英慢相變在使用條件下不可逆轉，這樣爐襯的熱脹冷縮變化比較穩定，從而提高了爐襯的使用壽命。

5. 爐襯的維護及保養

日常熔煉作業過程中，下列存在因素對爐襯的使用壽命有直接影響。

（1）爐料 生產合金鑄鐵磨球的主要爐料有生鐵、廢鋼及高碳鉻鐵。

如果使用的生鐵、廢鋼銹蝕嚴重，則與硅質爐襯生成低熔點鐵橄欖石，侵蝕爐襯。

使用的生鐵中含有的鈦、鋁元素達到一定含量時，就會與爐襯中的氧化硅發生反應，使爐襯急劇破壞。

使用的回爐料如其表面黏附的型砂等雜物較多時，會使爐襯掛渣，熔煉時與爐襯發生物理化學反應，侵蝕爐襯，降低爐襯使用壽命。

解決措施：控制生鐵、廢鋼表面的潔凈度，銹蝕嚴重的生鐵、廢鋼嚴禁使用; 使用滾篩設備處理回爐料，盡量去除表面黏結的型砂雜物。使用的生鐵中含有的鈦、鋁元素達到一定含量時，嚴禁使用。

（2）熔煉操作工藝 大塊爐料直接往爐內投擲，直接撞擊爐底及爐壁，就會人為造成爐襯破損，降低爐襯壽命。

熔煉溫度與高溫保溫時間對爐襯使用壽命的影響。熔煉溫度越高，尤其是超過爐襯耐火度的高溫保溫時間越長，越會降低爐襯的使用壽命。這是因為在高溫時鐵液與爐襯、熔渣與爐襯之間產生復雜的物理化學反應，使爐襯被侵蝕。

解決措施：禁止大塊爐料直接往爐內投擲，盡量避免直接撞擊爐底及爐壁，加料時要往爐內輕放，要隨時觀察爐內情況，及時補充爐料，發生棚料時要及時排除。

爐內鐵液溫度達到規定要求時要及時出爐，以防金屬液侵蝕爐襯。

中頻感應電爐發生故障時，必須及時將爐內鐵液倒出，防止刷爐、穿爐現象產生。

（3）開爐方式 生產中總結出連續生產方式的爐襯壽命超過間斷生產方式，這是由于硅制爐襯氧化硅導熱性不良，爐襯內部溫度很不均勻，爐襯斷面分布燒結層、過渡層、松散層，雖然爐襯打結得比較理想，但時斷時續的開爐方式會使爐襯頻繁產生膨脹、收縮現象，爐襯就會出現裂紋，其使用壽命將會縮短。

因此，盡量采用連續開爐的生產方式，兩班生產停爐的間隙期間，爐口上面要蓋上厚的石棉板，使爐襯緩慢冷卻。

（4）爐襯的修補 爐襯在熔煉過程中受高溫金屬液的沖刷和侵蝕，有的部位會逐漸變薄，同時因各種原因在使用過程中爐襯會產生大于2mm的縱深裂紋、爐壁燒蝕、凹陷、剝落等，如果修補不及時，就會使爐襯破損加劇。

操作者在日常作業時要認真觀察爐襯狀況，按照補爐工藝要求，對爐襯及時進行修補。

四、結語

經過一段時間中頻感應電爐熔煉合金鑄鐵磨球的生產實踐，認識到硅砂是爐襯較理想的打結材料，根據硅砂的特性掌握好選料、配料、打結，并制訂合理的烘烤燒結工藝，以及在生產過程中對爐襯做好日常維護保養，對提高其使用壽命至關重要。

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