隨著社會(huì)發(fā)展和人們生活水平的提高,鋁和鋁合金的用量呈明顯增加的趨勢(shì)。感應(yīng)爐作為鋁和鋁合金的主要熔煉設(shè)備,越來越受到人們的重視,所用耐火材料已成為鑄造作業(yè)者非常關(guān)心的技術(shù)問題之一。?
1 ?感應(yīng)熔鋁爐的工作特點(diǎn)
1.1 工頻有芯感應(yīng)爐
有芯感應(yīng)爐的熱源來自位于爐體下部的溝槽式感應(yīng)器,鋁液在熔溝內(nèi)被感應(yīng)加熱,再通過循環(huán)或單向流動(dòng)與爐膛內(nèi)的鋁液熱交換。大噸位有芯感應(yīng)熔鋁爐采用了美國(guó)阿杰克斯(Ajax)公司研制的噴流型感應(yīng)器。這種感應(yīng)器不僅大大減小了熔溝內(nèi)金屬液與爐膛內(nèi)金屬液的溫差,也可防止化學(xué)反應(yīng)生成物在熔溝壁上的聚積,在一定程度上改變了熔溝堵塞情況,但是由于電動(dòng)力加大,鋁液流動(dòng)速度提高,以及熔溝形狀的復(fù)雜化,增加了內(nèi)襯耐火材料的磨損和結(jié)構(gòu)應(yīng)力;熔溝壁的減薄和水冷套的設(shè)置也增加了耐火材料承受的熱應(yīng)力。
有芯感應(yīng)爐的低能耗在于其連續(xù)性的作業(yè)方式,這無疑使熔溝耐火材料與熔液發(fā)生反應(yīng)的時(shí)間和機(jī)會(huì)增加,同時(shí)堵溝的可能性始終存在。?
1.2 無芯感應(yīng)爐
? ? 常用的無芯感應(yīng)爐分為工頻和中頻兩種,從目前的發(fā)展趨勢(shì)看,中頻爐更有前景。兩者的共同點(diǎn)在于可根據(jù)需要采用間斷或連續(xù)運(yùn)行方式爐子由于不斷重復(fù)“加料-熔化-出爐”的作業(yè)過程,爐襯承受很大的熱應(yīng)力。工頻爐爐內(nèi)金屬液比中頻爐爐內(nèi)的翻騰更厲害,即爐襯受到的沖刷較嚴(yán)重,而中頻爐的比功率大(是工頻爐的兩倍)、功率密度高、熔化速度快,冷熱交替更快。由于匝間電壓高(約為工頻爐的2～4倍),通過裂縫滲入爐襯的金屬液過熱,造成線圈損壞的可能性比較大。
2 ?熔鋁爐耐火材料應(yīng)滿足的要求
爐襯耐火材料,不論是用于有芯感應(yīng)爐,還是無芯感應(yīng)爐,都應(yīng)滿足以下要求：
(1)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性
金屬鋁及鋁合金不僅化學(xué)活性高,而且其熔液的流動(dòng)性極好。鋁熔液在750℃時(shí)的粘度僅為0.104Pa·s,與20℃時(shí)水的粘度(0.1Pa·s)相當(dāng)接近,這就是其易向爐襯內(nèi)部滲透和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要原因。在鋁液同耐火材料相接觸的溫度下,鋁起強(qiáng)還原劑作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、等氧化物要被鋁還原。鋁液同爐襯耐火材料之間的反應(yīng)不僅使產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響,而且使?fàn)t襯表面結(jié)瘤、鼓包和沉淀雜物,受鋁液浸漬部分和原磚的界面有出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn),停爐時(shí)還會(huì)引起剝落。所以,同鋁液接觸的爐襯材料,必須具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。
(2)有良好的抗沖刷性
為了使?fàn)t子有較高的電效率,一般爐壁材料都設(shè)計(jì)得很薄,但爐子運(yùn)行過程中,由于電磁力的作用,爐內(nèi)金屬液不停地翻騰和攪拌,對(duì)爐襯不斷地沖刷和磨損。對(duì)有芯感應(yīng)爐,由于采用了噴流型熔溝,熔溝耐火材料受到的沖刷和磨損更為嚴(yán)重。所以,要求所用耐火材料必須具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和硬度。
?(3)有較高的致密度和體積穩(wěn)定性
作為熔煉爐用耐火材料,在材質(zhì)一定的情況下,都希望獲得較高的致密度和體積穩(wěn)定性。體密的高低,反應(yīng)了成型體內(nèi)部氣孔含量多少,特別是燒結(jié)程度的好壞。材料的體積穩(wěn)定性愈高,燒結(jié)和使用過程產(chǎn)生裂紋的可能性愈小,所產(chǎn)生裂紋的寬度愈小,抗?jié)B透能力愈強(qiáng)。
(4)不易產(chǎn)生爐瘤
爐瘤會(huì)使?fàn)t子容量顯著降低,而且金屬瘤本身致密、堅(jiān)韌,不易清除,所以要盡量減少由于熔融物表面或內(nèi)部存在的雜質(zhì)(例如Al2O3)而形成爐瘤的可能性。
(5)不易被金屬液潤(rùn)濕和滲透
耐火材料是脆性材料,在加熱和冷卻過程中不可避免地要產(chǎn)生裂紋。但決定其壽命的關(guān)鍵因素之一是裂紋的大小和裂紋擴(kuò)展的速度。而裂紋擴(kuò)展與金屬液對(duì)所接觸材料的潤(rùn)濕和滲透能力大小有關(guān)。潤(rùn)濕能力愈差愈有利。
(6)耐急冷急熱性能好
這一點(diǎn)對(duì)無芯感應(yīng)爐特別重要,因?yàn)闊o芯爐作業(yè)方式為“加料—熔化—出爐”過程的不斷循環(huán),爐襯材料反復(fù)受到熱沖擊。若耐火材料熱震穩(wěn)定性不佳,則極易產(chǎn)生裂紋和裂紋擴(kuò)展,金屬液會(huì)在短期內(nèi)滲透到線圈處,導(dǎo)致整臺(tái)爐襯報(bào)廢。
3 ?感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料的研制
3.1 有芯感應(yīng)爐用高強(qiáng)耐火澆注料
有芯感應(yīng)熔鋁爐的爐襯材料分為爐蓋、爐膛、喉部和感應(yīng)器熔溝耐火材料四部分。喉部,特別是熔溝耐火材料是最關(guān)鍵的材料,直接影響爐子的壽命和運(yùn)行成本。
(1)爐蓋耐火材料
爐蓋的主要作用是減少爐子的熱損失,防止加料及熔化過程中金屬液的飛濺。這就要求爐蓋材料保溫性能好,重量輕和抗侵蝕性強(qiáng)?；诖四壳按蠖疾捎弥亓枯p、導(dǎo)熱系數(shù)小的硅酸鋁耐火纖維作襯里,由于工作溫度通常低于800℃,因而多采用耐熱鋼鉚釘和耐熱鋼網(wǎng)將其固定在爐蓋殼體上。這種爐蓋不僅保溫隔熱而且輕巧,關(guān)閉和打開十分方便。
(2)爐膛耐火材料
爐膛耐火材料在使用過程中所受到的物理化學(xué)作用,雖不如熔溝耐火材料那樣苛刻,但其化學(xué)特性也應(yīng)對(duì)鋁液呈惰性,有較高的強(qiáng)度和密度。
所以,應(yīng)采用性能優(yōu)良的低氣孔、高密度高鋁磚砌筑。砌磚過程應(yīng)特別注意減小磚縫的寬度,并用泥漿打飽。
(3)喉部及熔溝耐火材料
喉部和熔溝結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不宜用磚砌筑,主要采用不定形耐火材料。
我們就顆粒級(jí)配、結(jié)合劑用量、水泥分散促進(jìn)劑用量等,作了大量的試驗(yàn)室研究工作,研究出了一種特別適合有芯感應(yīng)爐感應(yīng)器使用的高性能澆注料。該澆注料采用高鋁質(zhì)耐火材料,以剛玉、莫來石為主晶相,其理化性能指標(biāo):主要化學(xué)成分為（%)Al2O3＞85，SiO2＜10，F(xiàn)e2O3＜1.5;燒后耐壓強(qiáng)度110℃,24h66.3MPa,850℃，5h 56.0MPa；燒后抗折強(qiáng)度850℃,5h 14.7MPa;高溫抗折強(qiáng)度800℃,30min 13.2MPa;燒后線變化率-0.16%；體積密度≥2.6g/cm-3；侵蝕試驗(yàn)后無反應(yīng)跡象。這種澆注料在使用過程中抗沖刷、耐磨損。
3.2 無芯感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料
無芯感應(yīng)爐由于其靈活的作業(yè)方式,特別是靜態(tài)變頻技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,發(fā)展極為迅速。然而,隨著爐子功率和容量的增大,熔化鋁質(zhì)量的提高,對(duì)所用耐火材料的要求更加苛刻。作為無芯感應(yīng)爐用耐火材料,應(yīng)具有十分優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性和抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。顯然,有芯感應(yīng)爐使用的澆注料用作無芯爐爐襯是不適宜的。
干式成型耐火材料是一種幾乎不含水分和任何液態(tài)加入物,經(jīng)短時(shí)間振動(dòng)或搗打成型即可快速升溫、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一種特殊的熱凝結(jié)性耐火材料,加熱時(shí)燒結(jié)劑產(chǎn)生作用使得工作層有極高的強(qiáng)度,而非工作層仍保持未燒結(jié)的散狀結(jié)構(gòu)。在使用過程中,當(dāng)熱面工作層開裂時(shí),尚未燒結(jié)的襯墊層可吸收局部集中的熱應(yīng)力,防止裂紋的延伸,保證爐子安全使用。
