化铝炉用耐火材料

2014-03-26
    随着社会发展和人们生活水平的提高,铝和铝合金的用量呈明显的增加趋势。感应炉作为铝和铝合金的主要熔炼设备品种,越来越受到人们的重视,因而,感应熔铝炉用耐火材料已成为铸造作业者非常关心的技术问题之一。
    在此,就本所多年来在这方面所作的研究工作作如下叙述:
    1、感应熔铝炉用耐火材料应具备的特点
    1.1 工频有芯感应炉的工作特点
    有心感应炉的热源来自位于炉体下部的沟槽式感应器,铝液在熔沟内被感应加热,再通过循环或单向流动与炉膛内的铝液热交换。大吨位有心感应熔铝炉采用了美国阿杰克斯(Ajax)公司研制的喷流型感应器。这种感应器不仅大大减小了熔沟内金属液与炉膛内金属液的温差,也可防止化学反应生成物在熔沟壁上的聚积,在一定程度上改变了熔沟堵塞情况,但是由于电动力加大,铝液流动速度提高,以及熔沟形状的复杂化,增加了内衬耐火材料的磨损和结构应力;熔沟壁的减薄和水冷套的设置,增加了耐火材料承受的热应力。
    有心感应炉的低能耗在于其连续性的作业方式,这无疑使熔沟耐火材料与熔液发生反应的时间和机会增加,同时堵沟的可能性始终存在。
    1.2 无心感应炉的工作特点
    常用的无心感应炉分为工频和中频两种,从目前的发展趋势看,中频炉更有前景。两者的共同点在于可根据需要采用间断或连续运行方式,炉子由于不断重复“加料-熔化-出炉”的作业过程,炉衬承受很大的热应力。工频炉炉内金属液比中频炉炉内的翻腾更厉害,即炉衬受到的冲刷较严重,而中频炉的比功率大(是工频炉的两倍)、功率密度高、熔化速度快,冷热交替更快。由于匝间电压高(约为工频炉的2~4倍),通过裂缝渗入炉衬的金属液过热、并造成线圈损坏的可能性比较大。
    1.3 耐火材料应满足的要求
    炉衬耐火材料,不论是用于有心感应炉,还是无心感应炉,都应满足以下要求。
    (1)有良好的化学稳定性
    金属铝及铝合金不仅化学活性高,而且其熔液的流动性极好。铝熔液在750℃时的粘度仅为1.04厘泊,与20℃时水的粘度(1.0厘泊)相当接近,这就是其易向炉衬内部渗透和发生化学反应的主要原因。在铝液同耐火材料相接触的温度下,铝起强还原剂作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、FeO等氧化物要被铝还原。铝液同炉衬耐火材料之间的反应不仅使产品的质量受到影响,而且使炉衬表面结瘤、鼓包和沉淀杂物,受铝液浸渍部分和原砖的界面有出现裂纹的危险,停炉时还会引起剥落。所以,同铝液接触的炉衬材料,必须具有很高的化学稳定性和尽可能少的浸渍量。
    (2)有良好的抗冲刷性
    一般为了使炉子有较高的电效率,炉壁材料都设计的很薄,但炉子运行过程中,由于电磁力的作用,炉内金属液不停地翻腾和搅拌,对炉衬不断地冲刷和磨损。对有心感应炉,由于采用了喷流型熔沟,熔沟耐火材料受到的冲刷和磨损更为严重。所以,要求所用耐火材料必须具有很高的机械强度和硬度。
    (3)有较高的致密度和体积稳定性
    作为熔炼炉用耐火材料,在材质一定的情况下,都希望获得较高的致密度和体积稳定性。体密的高低,反应了成型体内部气孔含量多少,特别是烧结程度的好坏。材料的体积稳定性愈高,烧结和使用过程产生裂纹的可能性愈小,所产生裂纹的宽度愈小,抗渗透能力愈强。
    (4)不易产生炉瘤
    极少可能由于熔融物表面或内部存在的杂质(例如Al2O3)而形成炉瘤。因为炉瘤会使炉子容量显著降低,而且金属瘤本身致密、坚韧,除掉是非常困难的。
    (5)不易被金属液润湿和渗透
    众所周知,耐火材料是脆性材料,在加热和冷却过程中不可避免地要产生裂纹。但决定其寿命的关键因素之一是裂纹的大小和裂纹扩展的速度。而裂纹扩展与金属液对所接触材料的润湿和渗透能力大小有关。润湿能力愈差,愈有利。
    (6)耐急冷急热性能好
    这一点对无心感应炉特别重要。因为无心炉作业方式为“加料—熔化—出炉”过程的不断循环,炉衬材料反复受到热冲击。若耐火材料热震稳定性不佳,则极易产生裂纹和裂纹扩展,金属液会在短期内渗透到线圈处,导致整台炉衬报废。
     2、感应熔炼炉用耐火材料
    虽然有心感应炉与无心感应炉的工作温度相近,但由于结构上的差异,运行方式的不同,适用的耐火材料不尽相同。我所从八十年代初至今,在开发研制熔铝炉用耐火材料方面作了大量的研究工作,成功研制了特别适合有心炉使用的高强浇注料,无心炉使用的干式成型材料。
    2.1 有心感应炉用高强耐火浇注料
    有心感应熔铝炉的炉衬材料分为炉盖、炉膛、喉部和感应器熔沟耐火材料四部分。喉部,特别是熔沟耐火材料是最关键的材料,直接影响炉子的寿命和运行成本。
    (1)炉盖耐火材料
    炉盖的主要作用是减少炉子的热损失,防止加料及熔化过程中金属液的飞溅。这就要求炉盖材料保温性能好,重量轻和抗侵蚀性强。基于此,目前大都采用重量轻,导热系数小的硅酸铝耐火纤维作衬里,由于工作温度通常低于800℃,因而多采用耐热钢铆钉和耐热钢网将其固定在炉盖壳体上。这种炉盖不仅保温绝热而且轻巧,因而关闭和打开十分方便。
    (2)炉膛耐火材料
    炉膛耐火材料在使用过程中所受到的物理化学作用,虽不如熔沟耐火材料那样苛刻,但其化学特性也应对铝液呈惰性,有较高的强度和密度。所以,应采用性能优良的低气孔、高密度高铝砖砌筑。砌砖过程应特别注意减小砖缝的宽度,并用泥浆打饱。
    (3)喉部及熔沟耐火材料
    喉部和熔沟结构复杂,不宜用砖砌筑,主要采用不定形耐火材料。我们在认真分析了熔沟耐火材料受力状况后,根据国内的实际情况,就颗粒级配,结合剂用量,水泥分散促进剂用量等,作了大量的试验室研究工作,研究出了一种特别适合有心感应炉感应器使用的高性能浇注料。该浇注料采用高铝质耐火材料,以刚玉、莫来石为主晶相,其理化性能指标见表1。
 
  
    分析表1数据,可以看出,这种浇注料常温和高温强度均很高,特别是850℃烧后强度相对110℃烘干强度而言,降低幅度较小,所以,这种浇注料在使用过程中抗冲刷、耐磨损。
    侵蚀试验表明,这种材料不易被铝液浸润,无反应迹象。
    2.2 无心感应熔铝炉用耐火材料
    无心感应炉由于其灵活的作业方式,特别是静态变频技术的发展和进步,发展极为迅速。然而,随着炉子功率和容量的增大,熔化铝质量的提高,对所用耐火材料的要求更加苛刻。
    作为无心感应炉用耐火材料,应具有十分优良的热震稳定性和抵抗裂纹扩展的能力。显然,有心感应炉使用的浇注料用作无心炉炉衬是不适宜的。根据国内外无心炉炉衬的实际使用情况,我们把主攻方向定在干式成型耐火材料上。
    干式成型耐火材料是一种几乎不含水分和任何液态加入物,经短时间振动或捣打成型即可快速升温、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一种特殊的热凝结性耐火材料,加热时烧结剂产生作用使得工作层有极高的强度,而非工作层仍保持未烧结的散状结构。在使用过程中,当热面工作层开裂时,尚未烧结的衬垫层可吸收局部集中的热应力,防止裂纹的延伸,保证炉子安全使用。
    自1989年起,我们在调查研究的基础上,就原材料选择、颗粒级配、结合剂选用等作了大量试验工作。经过对多组配方的综合对比试验,最终研制出了含有特殊低温烧结剂的新型中性干式成型炉衬材料,其理化性能见表2。
 
    3、实际使用情况
    有心感应炉熔沟耐火材料,1984年开始投入使用,先后用于昆明民族铝制品厂的5吨炉,兰州铝制品厂和青海铝制品厂的5吨炉。最长寿命达8个月,正常使用寿命维持在半年以上。实践证明,这种湿法浇注料施工工艺简单,各项性能优良,使用寿命长,是大型有心感应熔铝炉用之可靠的炉衬材料。
    无心感应熔铝炉用干式成型耐火材料,1992年开始实际使用。该料采用手持式振动器或装配有专用捣打头的风镐分层捣打。整个施工周期大大短于湿法浇注料。从92年至今先后有数众多厂家采用该耐火材料筑炉。
    无论是工频无心感应炉,还是中频无心感应炉,采用高性能干式成型材料筑炉后,炉衬的最长使用寿命达到了八个月。
    4、总结
    我所研制的有心感应熔铝炉和无心感应熔铝炉用耐火材料,立足国内资源,以低廉的售价(仅为进口材料的1/4~1/5)和优良的性能(耐火材料正常使用寿命可达5-6个月,注:冶炼特殊合金除外)而受到众多用户的信赖和采用。我们仍在不断努力,使配方材料的性能进一步提高,力争取得到更佳的使用效果。