進口上引法熔爐耐火材料整體澆注技術的應用

劉婉容，田 軍（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

?

進口上引法熔爐耐火材料整體澆注技術的應用

劉婉容，田 軍
（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

摘 要：銅陵有色股份銅冠電工有限公司“上引法”進口無氧銅桿生產線因面臨報廢的局面，必須研究新筑爐方式，對熔化爐和保溫爐進行國產化改造，才能解決實際生產中存在的技術難題。論文主要從爐襯耐火材料的選擇，搗筑、澆筑施工、燒結進行闡述，系統總結了公司利用耐火材料整體澆注熔化爐和保溫爐的成功經驗。

關鍵詞：上引熔爐；銅感應體；耐火材料；整體澆注；燒結

1 引言

整體澆注冶金爐技術是用耐火澆注料在現場一次澆注成型爐體耐火材料的一種冶金爐砌筑方法。這種技術在國內外鋼鐵行業已被廣泛使用，許多鋼鐵行業的冶金爐都是整體或局部一次澆注成型的；國外資料上也有熔銅爐爐體用耐火材料整體澆注的報道。據相關技術資料介紹，這種技術的特點在于其結構整體性好，無磚縫、整體強度高，因而爐體壽命較長。由于這些優點，國內有色冶金行業也開始結合自己特點，在一些熔銅爐上試用這種技術［1］。

銅陵有色股份銅冠電工有限公司（簡稱公司）80年代引進奧托昆普公司年產8000t“上引法”無氧銅桿生產線，由于熔化爐和保溫爐利用爐成型磚砌切而成，需要設計和生產特殊的成型磚，但目前國外已經不再生產這種型號產品，也找不到生產銅熔化爐和保溫爐特殊的成型磚的企業，國內無法購買到相同的配件和特殊的成型磚生產廠家。 公司“上引法”無氧銅桿生產線面臨報廢的局面，因此必須研究新筑爐方式，對熔化爐和保溫爐進行國產化改造，才能解決實際生產中存在的技術難題。本文主要從爐襯耐火材料的選擇搗筑、澆筑施工、燒結進行闡述，系統總結了公司利用耐火材料整體澆注熔化爐和保溫爐的成功經驗。

2 感應體工作原理及耐火材料選擇

2.1感應體工作原理

上引連鑄系統是通過感應體不斷加熱的方式，利用金屬溶液冷卻結晶的機理，從熔融的金屬溶液中連續地制備具有一定形狀的固態金屬線材、板材等。

感應體工作原理與降壓變壓器相似，一次線圈和二次線圈都繞在同一磁導體即鐵芯上，感應體耐火材料溝槽中的環狀金屬熔溝，相當于短路的二次線圈，在感應電動勢作用下產生電流或稱渦流，渦流在具有一定電阻的熔溝金屬中的流動會產生熱量，使得金屬被加熱以至熔化［2］。

2.2耐火材料的選擇

由于感應體在上引連鑄生產中占據非常重要的地位，因此感應體爐襯耐火材料的選用、砌筑和燒結尤為重要。感應體中的耐火爐襯具有復雜的形狀結構，感應線圈、鐵芯和金屬熔溝都貫穿其中，尺寸要求精確。爐底是爐子電熱交換的中心，熔溝中熔體溫度最高，感應線圈的絕緣卻不能破壞。最薄位置，即厚度僅為50～80mm左右的熔溝內側的環狀耐火材料層，一邊承受著高溫熔體的沖刷、侵蝕，另一邊承受著強烈冷卻，工作環境十分惡劣。因此感應體爐襯的耐火材料選擇，搗筑施工、燒結等尤為重要。本文主要從爐襯耐火材料的選擇，搗筑施工、燒結進行闡述。

構成感應爐爐襯的耐火材料一般選用不定形耐火材料，熔銅感應電爐爐襯的不定形耐火材料主要有干式搗打料、半干式搗打料、耐火澆注料和耐火可塑料等，上引連鑄感應體爐襯選用干式硅質搗打料。干式搗打料的化學成分見表1，常用耐火材料的基本性質表見表2。

表1　干式搗打料的化學成分

表2　常用耐火材料的基本性質

2.3干式搗打料的主要特點

（1）易于流動，其粉料易于充填顆粒堆積間的極小孔隙，從而獲得高充填密度的致密體。

（2）有利于抵抗因膨脹或收縮產生的應力，有利于阻礙裂紋擴展和防止金屬熔體侵入。

（3）便于結構復雜的爐襯施工，包括拆爐和清理。為提高搗打致密度，避免粒度偏析，應該選擇合適的顆粒級，例如粗（20%～40%）、中（30%～30%）和細（30%～40%）。決定干式搗打料開始產生結合的溫度及起始燒結強度的關鍵，是配料中加入的熱固性結合起來劑和陶瓷燒結劑的種類和數量。

2.4硅質搗打料

硅質搗打料，通常指石英砂，屬酸性耐火材料，在高溫下具有較好的抵抗酸性熔化的性質。我國河南鐵門產的石英巖SiO2含量在95%在以上，并且含有微量的Fe2O3，即含有可以構成促進鱗石英生成的天然礦化劑。硅質搗打料配料中35%～40%的低于0.008mm的細微顆粒有利于搗實，即獲得較高的密度，同時有利于燒結過程中石英向鱗石英的轉化。

表3列出了熔銅感應爐用干式搗打料石英砂的粒度配比。

表3　石英砂配料粒度比 　%

3 耐火材料搗筑及燒結

3.1感應體的耐火材料施工方式

感應體筑爐分為直立式和側立式兩種，上引爐熔銅感應體一般采用干打直立式搗筑方式。直立式搗筑，是比較傳統的方法，搗筑時，感應體中的熔溝模直立放置，分層次填料和搗筑，熔溝模周圍的耐火材料是沿著熔溝高度方向自下而上，一層接著一層搗筑。

3.2感應體耐火材料搗筑所需設備

（1）銅實心模必須用 X-光或其他方法進行無損檢查，確定其不存在澆不到。也可以對銅實心模稱重與其理論重量比較，來判斷銅實心模內部疏松程度，防止起熔時引起斷溝。

（2）需要粘貼內腔的陶瓷纖維紙。

（3）在準備過程中必須用含氧化鋁90%的橡皮膏或用水玻璃泡過的陶瓷纖維繩密封逢隙以防止漏料。

（4）對接前用50%的水玻璃處理暴露的耐火材料面。

（5）叉搗和除氣工具。

（6）直邊鋼條，用來刮耐火材料以得到堅實的平面，也可用來施工熔溝和水套的安裝平面。

（7）垂直搗筑時需要一個架來牢固地定位熔溝模。

（8）振動設備

3.3感應體耐火材料搗筑準備工作

（1）檢查設備是否完全符合設計，保證法蘭、側板和名義板平整且和殼體配套并且沒有變形，如果需要，修復一切損壞。

（2）在殼體的內表面貼一層85mm厚的陶瓷纖維紙。

（3）檢查水套是否有彎曲或變形，檢查內部尺寸使其與線圈很好地配合,檢查水套頂部絕緣的情況，如裂開或損壞要更換,用膠帶封住冷卻水管接頭防止進入雜物。

（4）用含氧化鋁90%的泥膏或陶瓷纖維從內密封所有接縫后用水玻璃粘牢，防止干料漏出。

（5）對于感應體中的熔銅模，鉆一個最大1.5 mm的孔，用來裝置熱電偶。

3.4感應體耐火材料搗筑施工

在每次填料前，為了防止分層，都需要把上次的搗固層表面劃松。如果是多人手工搗筑應該每隔一定時間輪換一次工人站位，以求搗筑均勻。為了搗實，每層加料厚度100～120mm左右為宜。

（1）加入最多75mm的松料，用叉子和鏟子搗四遍來搗平和除氣。

（2）使用裝有合適尺寸搗頭的Bosch振動器每層最少四遍，振完后材料必須平且硬，頂面約有6mm的松料。

（3）用叉子把暴露的耐火材料表面12mm的一層插毛，這不僅是為了防止疊層而且也是為了重新分配 振搗頭周圍的大顆粒材料。

（4）重復前面的步驟直至材料頂面高出熔溝模位置12mm，往回刮材料以使熔溝模和材料平面完全接觸，定位并固定熔溝模。

（5）如果感應器裝在熱的爐體上，在搗筑到熔溝模一半的位置后，①把熱電偶頭插入模具中1.5mm的孔中， 用有球尖的錘子輕輕地把它敲入孔內，使其緊密配合。②把去掉絕緣皮的導線平鋪在材料表面并延伸到側板。一定要保證使兩導線間距在40mm以上，以保證兩線的唯一接觸點在焊頭。如果裸線在其他任何點接觸都將導致誤讀數。③在接觸側板處絕緣不要弄壞，不要讓裸線接觸側板，因為這樣也將導致誤讀數。④沿側板走線并用膠帶固定(最好使用陶瓷纖維膠帶)，導線必須在頂部喉口法蘭處引出。⑤所有電偶裝好后可繼續搗筑，頭幾層一定要注意不要弄亂導線，同時也要仔細的叉搗以使導線周圍的耐火材料達到合適的密度。

（6）繼續施工直到耐火材料頂面高出側面頂部12mm，用直邊鋼尺刮平耐火材料，并在搗筑好的材料頂面鋪一層陶瓷纖維紙，然后裝上側板，待后續工作完成后和爐體對接感應體。

3.5燒結

3.5.1感應體耐火材料燒結原理

根據搗打混合料的特點，按照不同的溫升曲線進行烘爐。上引爐熔銅感應體一般采用實心金屬熔溝模板筑爐，直接向感應體送電即可完成起熔（開始熔化）過程。感應線圈通以電流時，相當于二次回路金屬模板內則有感應電流產生，并且此感應電流足以將金屬模板加熱直至熔化，并在起熔過程中完成耐火材料的干燥、硬化和初步燒結。感應體起熔后，要進行24h的燒結，方可進行正常的熔煉過程［3］。

石英砂的燒結過程，即石英的晶型轉變過程見圖1。

天然存在的SiO2均呈β石英。573～870℃時，β石英轉化為α石英，體積稍膨脹。鱗石英在天然原料中不存在，但其屬于矛頭狀雙晶開型晶體，晶體間彼此較好的搭接在一起形成骨架，提高了軟化溫度，晶型轉變時體積變化小，希望在燒結過程中越多越好。礦化劑促進了多晶轉變，硼砂在878℃時熔化成液相，粒狀石英首先從棱角或邊緣表面被溶解，即α石英和雙方石英等溶解于液相中，液相中SiO2增加到鱗石英的溶解度時，飽和的鱗石英便從液相中析出。α石英的不斷溶解和鱗石英的不斷析出即是理想的燒結過程。

圖1　石英晶型轉變圖

從SiO2的晶型轉變過程可以看到：573℃，天然β石英開始向α石英轉化。由于只有α石英才能向鱗石英轉化，因此該轉化過程一定要進行充分。1200～1470℃，α石英向鱗石英轉化。由于該轉化屬于遲鈍型的，因此需要充分的轉化時間［4］。3.5.2 感應體燒結工藝［5］

（1）在燒結熔銅模的干振料施工的感應體的初期，應給感應體送最低的功率，通常小于30kWs。

（2）按111℃/h的速度加熱感應體的熔化模至540℃，540℃ 保溫4h。

（3）繼續以111℃/h的速度加熱感應體的熔化模至800℃，800℃保溫8h。

（4）繼續以111℃/h的速度加熱感應體的熔化模至1100℃。

（5）然后加入銅水至滿爐保溫至少8h后投入生產。

（6）如果沒有銅水，先燒結一只感應體后，使用小塊料逐漸加入至喉部，然后在燒結另一感應體。

（7）如果開始送電時溫度已達到某一溫度，則在此溫度下保溫到規定時間。

（8）燒結完成后，溫度降至1175℃加料48h，方可正常生產。見圖2。

4 小結

2010年我公司開始組織技術人員，與天津聯礦公司進行合作，同時結合銅熔鑄生產具體工藝，對銅熔化爐和保溫爐感應體起熔工藝進行了深入的探索，制定出既保證銅熔溝順利熔化也充分考慮到耐火材料高溫相變特征的感應體升溫曲線，以提高爐體整體使用壽命，同時也積累了一些筑爐、搗打料施工、銅實心模、安裝燒結時間等實際操作經驗以下幾點，供參考。

（1）搗打料施工過程中注意均勻性、一致性，每次添加量和間隔時間要基本相同。

（2）銅實心模安裝要精確，特別要與線圈、鐵芯三者成同心圓。

（3）在升溫過程中，特別是銅實心模溫度在540℃～1040℃階段內，連續監視銅實心模上中下三個測溫點，要求上部＞中部＞下部；如果達不到，可采取上部輔助加熱（木炭加助氧、加燃氣等）或者適當延長時間，燒結時間在12～16h為最佳。

參考文獻：

［1］徐國榮. 整體澆注耐火材料在熔鋁爐上的應用[J]. 華章, 2007(9):233-233.

［2］鐘衛佳, 馬可定, 吳維治, 等. 銅加工技術實用手冊[M]. 北京:冶金工業出版社出版, 2007:326-326.

［3］王旭華, 張旭兵, 章榮會. 整體澆注耐火材料在熔鋁爐上的應用[J].輕合金加工技術, 2000, 28(7):16-16.

［4］董紅芹, 蔣明學, 張效峰, 等. 高爐熱風爐用低蠕變耐火材料的開發[J]. 耐火材料, 2003, 37(5):288-290.

［5］李加珍. 中頻熔鋁爐爐襯耐火材料[J]. 鑄造技術, 2006, 27(2):196-196.

［6］肖恩奎, 李耀群. 銅及銅合金熔煉與鑄造技術[M]. 北京:冶金工業出版社出版, 2007:97-97.

Application of Refractory Integral ConcretingTechnology for the Imported Up-draw Furnace

LIU Wan-rong，TIAN Jun
（Copper Crown Electrical of Tongling Nonferrous Co., Ltd., Tongling 244000, Anhui, China）

Abstract:Up-draw imported oxygen copper rod production line of Copper Crown Electrical of Tongling Nonferrous Co., Ltd. is about to be scrapped, so we must research new method to build furnace.Localization transformationfor the smelting furnace and holding furnace can solve the technical problems existing in the actual production. This paper mainly elaborates from the aspects of the furnace liner refractory selection, ramming construction, concreting construction and sintering, and sums up the successful experience of integral concreting of smelting furnace and holding furnace by fractory intergral concreting.

Keywords:up-drawsmelting furnace；copper inductor；refractory；integral concreting；sintering

作者簡介：劉婉容（1968-），女，安徽淮北市人，高級技術主管，主要從事銅加工工藝技術研究與應用。E-mail: tccc-jsb@tlys.cn

收稿日期：2015-07-03

中圖分類號：TF806

文獻標志碼：A

文章編號：1009-3842（2016）01-0054-04