工頻無芯感應(yīng)電爐在鋅合金中的生產(chǎn)實踐

劉玉芳， 張明哲， 劉玉弟

(1.白銀有色集團股份有限公司 鉛鋅廠， 甘肅 白銀 730900； 2.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 技術(shù)中心， 江蘇 南京 210031)

1 生產(chǎn)現(xiàn)狀

鋅合金生產(chǎn)中，一般采用工頻有芯感應(yīng)電爐熔化陰極鋅原料后，通過溜槽、澆包或舀鋅裝置將母液注入工頻無芯感應(yīng)電爐，順序配料、升溫熔化、澆鑄鋅合金。本廠熔鑄車間具備年產(chǎn)4萬噸熱鍍鋅合金的生產(chǎn)能力，用來配置鋅合金液的設(shè)備采用4臺GWX- 6- 400型工頻無芯感應(yīng)電爐，該電爐適用于鋅錠及鋅合金的熔化、保溫，具有熔化能力大、產(chǎn)品質(zhì)量好、鋅回收率高、能耗低等優(yōu)點，電爐結(jié)構(gòu)具備傾轉(zhuǎn)功能，爐面可從水平面向下傾轉(zhuǎn)95°，方便不同化學(xué)成分的金屬液體更換品種、洗爐操作，在鋅合金熔鑄工藝中廣泛應(yīng)用。常見的工頻無芯感應(yīng)電爐在結(jié)構(gòu)上，集電氣、水、油和高溫金屬液于一體，爐溫控制方便易行。電爐爐襯一般采用整體澆鑄，生產(chǎn)中，爐襯壽命短容易發(fā)生漏鋅事故，漏鋅后造成線圈絕緣下降乃至破壞，電爐其他配套設(shè)施受損，對操作人員人身安全構(gòu)成很大威脅，且漏鋅后必須整體拆除坩堝重新砌筑，爐襯材料成本高，拆爐——砌筑——烘爐周期長，影響鋅合金生產(chǎn)的穩(wěn)定進行。

2 爐襯結(jié)構(gòu)分析

工頻無芯感應(yīng)電爐一般由爐殼、磁軛和緊固裝置、感應(yīng)器、坩堝、冷卻水系統(tǒng)及水冷電纜等部分組成，盛裝爐料的坩堝是由石英砂等耐火材料整體澆鑄而成，坩堝外側(cè)圍繞由一層或若干層石棉板做成的保溫層或保溫填料，保溫層外側(cè)是由云母板做成的絕緣層。作為加熱爐料熱源的感應(yīng)器緊貼著絕緣層與保溫層，與坩堝緊密組合成一個整體，承受著高溫金屬液引起的壓力和熱應(yīng)力。電爐爐襯所處的工作條件惡劣，內(nèi)表面與高溫金屬液體接觸，外表面與線圈僅隔一層厚約10 mm的隔熱石棉板，爐襯內(nèi)外溫度梯度很大，在電磁攪拌效應(yīng)的作用下，金屬液體不斷翻滾，加劇對爐襯的沖刷與爐渣的侵蝕。此外，在回爐塊狀物料及廢渣的加入時，對爐襯造成機械沖擊和碰撞振動，都影響爐襯的使用壽命。爐襯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 工頻無芯感應(yīng)電爐爐襯結(jié)構(gòu)

3 常見滲漏點及分析

電爐新砌筑后，一般自然干燥一周，之后開始烘爐和升溫，持續(xù)10～15天后投入使用。烘爐過程中，爐襯熱膨脹不均勻、升溫過快或突然降溫等，會產(chǎn)生微裂紋，微裂紋在應(yīng)力作用下逐漸發(fā)展為裂紋，導(dǎo)致投運后爐體內(nèi)金屬液滲漏。采用一定的工藝措施，控制爐膛溫度達到或接近理想溫控范圍，是爐襯使用周期長短的關(guān)鍵。

生產(chǎn)中，通過對無芯爐多次漏爐數(shù)據(jù)分析及損毀情況統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，爐襯的漏鋅部位大多發(fā)生在電爐的頸部，即側(cè)線圈上部與鐵軛間，該部位發(fā)生漏鋅事故由無芯爐的結(jié)構(gòu)生產(chǎn)特點決定，無芯爐入爐鋅液等物料的加入和放出均由爐體的頸部進行，在生產(chǎn)過程中該部位必將不斷地受到高溫合金液的沖刷以及環(huán)境冷空氣的侵擾，這種冷熱作用交互進行，不僅提高了對此處耐火材料的要求，而且在一定程度上加劇了它的損毀進程。滲漏點高度位置基本集中在加固區(qū)底部與線圈交接位置，此處一是爐內(nèi)鋅液溫差變化最大，二是坩堝在此點以下受到線圈外側(cè)作用，以上又受到加固區(qū)對它的外作用力，由于兩部分作用力大小不同，尤其是在冷熱交替的生產(chǎn)過程中不能變化一致，導(dǎo)致坩堝變形時出現(xiàn)裂紋。

4 提高爐襯壽命技術(shù)攻關(guān)

經(jīng)過與同行業(yè)交流及本廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，一般用于鋅合金配料的無芯電爐爐襯澆鑄次數(shù)為500至1 000爐次，之后基本出現(xiàn)因爐襯漏鋅損壞情況。一旦爐襯出現(xiàn)漏鋅后，只能拆爐重砌，爐襯再砌筑、烘爐、升溫持續(xù)時間長，維修費用高，且影響鋅合金生產(chǎn)的穩(wěn)定運行。

為了提高無芯電爐爐襯壽命，減少維修費用，保障生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定，解決無芯爐在使用過程中因諸多原因造成了爐襯損壞，使?fàn)t體漏鋅，感應(yīng)線圈部分燒損，導(dǎo)致無芯爐無法正常工作的瓶頸問題，對無芯爐進行了技術(shù)攻關(guān)及改進。

4.1 提高筑爐施工技術(shù)，運行中電流平衡度提高

工頻無芯感應(yīng)電爐砌筑過程中，一般采用多段鋁制模具逐步支模、澆鑄，在振動、空間狹小、支模點缺少條件等情況下，常見發(fā)生爐襯中心線與線圈不同心的問題，導(dǎo)致電爐運行中電磁振動和相電壓不平衡，對爐襯壽命影響較大。為了解決筑爐過程中爐襯偏心問題，以GWX- 400- 6工頻無芯電爐為例，筑爐過程中，用于砌筑爐襯的模具共分4個部分，總高1 700 mm，爐襯厚度僅125 mm。在1 700 mm×Φ1 310 mm/Φ1 060 mm環(huán)形空間砌筑爐襯是無法施工并保證質(zhì)量的，因此，爐襯砌筑是分段進行的，帶來的問題是電爐內(nèi)腔偏心，爐襯也因偏心問題偏薄和偏厚。電爐運行時電流不平衡，爐襯受電磁應(yīng)力、熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的程度就不一樣，易產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致漏鋅。

改進后的砌筑方法，在爐襯上部制作了專用固定架，新砌筑爐襯時，先整體固定定位、分段固定在專用支架上、再拆分，逐步砌筑，解決了電爐同心度的問題，保證了爐襯施工精度，運行中爐襯受力均勻性增加，為后續(xù)電爐的投用打好基礎(chǔ)。

4.2 配套烘爐升溫操作工藝

常見的烘爐方法分為兩個階段，第一階段在室溫至200 ℃期間采用電阻絲烤爐。第二階段使用爐體電源控制好200 ℃、400 ℃、600 ℃三個恒溫區(qū)。因電阻絲烘爐很不穩(wěn)定，電阻絲受熱后還易被拉斷，維修時需要電爐降溫后，人員進入爐內(nèi)接線，爐面保溫也無法進行，爐襯受熱極不均勻。改進后的配套烘爐升溫方法，制作了電磁感應(yīng)的專用筒體，由2～3層圓筒鋼板焊接而成，圓筒直徑按照爐膛大小定制，電爐起熔、烘爐、升溫時，僅需要將筒體的導(dǎo)磁裝置吊入爐膛內(nèi)支好(肉眼觀察與電爐同軸心且周邊等距離即可)，利用電爐本體電源(原來的電阻絲烘爐工藝時，需要另接電源)，按照一定控制速度逐漸升溫即可。專用筒體在電爐線圈通電后，產(chǎn)生電磁感應(yīng)，均勻輻射至爐襯，為烘爐提供了分布均勻的熱源，解決了升溫速度不均、爐襯受熱不均的問題，尤其是電爐控制電源可以調(diào)節(jié)不同電壓，根據(jù)耐火材料水分蒸發(fā)段、均勻膨脹段等特性，可以控制爐襯按照規(guī)定的曲線升溫，解決了爐襯烘爐開裂問題。在電爐其它零部件或系統(tǒng)故障情況下，可以隨時斷電處理，之后繼續(xù)升溫，靈活方便，經(jīng)過多次的使用，該工藝能有效控制爐膛溫度在要求范圍，爐襯壽命得到保障，烘爐升溫方法如圖2所示。

圖2 工烘爐升溫方法

4.3 改進爐體中的加固區(qū)

該類電爐線圈上部一般為磚混結(jié)構(gòu)，如圖1所示。采用異形輕質(zhì)磚為主體，其作用主要是保護坩堝上部，使其受到與線圈同等的加固作用。但實際生產(chǎn)中，因爐體回廢料、配合金時受到大塊鋅物料碰撞、爐體澆鑄過程中需要頻繁傾爐、爐體隨著熔化——配料——澆鑄過程內(nèi)部溫差反復(fù)變化，造成磚與磚之間松動出現(xiàn)裂縫，失去了對坩堝的保護作用，生產(chǎn)實踐中現(xiàn)場拆除時發(fā)現(xiàn)，已出現(xiàn)了有裂紋磚、碎磚等可以充分說明這一點，使得該處很容易被損壞失去其保護作用，從而導(dǎo)致爐體漏鋅，影響電爐壽命。技術(shù)攻關(guān)中，充分考慮了線圈上部區(qū)域輕質(zhì)保溫磚對爐襯壽命的影響，采取新型的澆注材料對其填充加固，使其成為一整體。該措施的實施使該處爐襯的強度等性能明顯加強，爐體漏鋅現(xiàn)象得到有效控制，經(jīng)過生產(chǎn)實踐，爐襯壽命實現(xiàn)了澆鑄1 900余爐次，取得較好成績。

4.4 改進保溫層結(jié)構(gòu)

在后續(xù)生產(chǎn)中，爐體出現(xiàn)漏鋅事故后，經(jīng)過對比拆除爐體后的漏鋅爐襯狀況，整體分析認為作為保溫層的石棉布，不能與云母板做成的絕緣層很好粘合，也不能與坩堝爐襯很好粘合，造成分層，經(jīng)過多次探討研究，此次爐體重砌時，取消了石棉布層，用加厚的云母層代替，將云母層由原來10 cm加厚至20 cm。這次改造極大延長了生產(chǎn)線工頻無芯感應(yīng)電爐爐襯適用壽命，使其在之后的生產(chǎn)中發(fā)生漏鋅事故時間大大延長，爐體澆鑄次數(shù)達到3 000次。

5 結(jié)論

工頻無芯感應(yīng)電爐生產(chǎn)、澆鑄鋅合金方便易操作，溫度控制自動化程度高，在鋅合金生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，經(jīng)過多年在電爐結(jié)構(gòu)、筑爐技術(shù)、烘爐措施等方面的生產(chǎn)實踐、摸索、不斷改進，解決了爐襯易發(fā)生漏鋅而報廢的瓶頸問題。同時，結(jié)合生產(chǎn)特征，配套了相應(yīng)的精細化操作管理措施，電爐澆鑄突破3 000爐次，為行業(yè)無芯電爐的使用提供了生產(chǎn)經(jīng)驗。