铸铁感应电炉硅质炉衬的使用寿命分析.doc

铸铁感应电炉硅质炉衬的使用寿命分析炉衬寿命评估方法和影响炉衬使用寿命的因素XMEI 颜文非 殷经星 （西安机电研究所 710075）摘要：对在铸造车间感应电炉中广泛应用的硅质（俗称石英砂）炉衬材料的使用寿命从下述各方面进行了分析讨论：炉衬寿命的评估方法，影响炉衬使用寿命的因素，硅质炉衬的损坏机理分析，提高硅质炉衬使用寿命的对策。受篇幅所限，本文将分成（一）、（二）两部分阐述。本篇（一）着重阐述炉衬寿命的评估方法，影响炉衬使用寿命的因素。下期（二）将从硅质炉的隼坏机理分析出发，着重叙述提高硅质炉衬使用寿命的对策。关键词：铸铁，感应电炉，硅质炉衬，石英砂，使用寿命；硅砂（又称石英砂）属酸性炉衬材料。由于硅砂在自然界的资源丰富，价格低廉，它在600800完成其膨胀变化后的体积变化相当小，热稳定性和抗熔液渗漏性能较好，其荷重软化温度接近它的耐火度，高温机械强度较高，适用于间歇熔炼作业等优点。因此，以它为基材的硅质干振料是目前感应电炉在铸铁、铸铜、甚至铸钢等熔炼作业中被最广泛应用的一种炉衬材料。但是由于使用条件的不同，其使用效果相差甚异；其使用寿命有高达400炉次以上的，也有仅几十炉次的。因此长久以来，感应电炉硅质炉衬的使用寿命始终是铸造车间讨论的课题。本文对硅质炉衬在铸铁感应电炉上的使用寿命进行综合分析，以期在提高炉衬使用寿命，降低作业成本方面对读者有所裨益。一炉衬寿命评估方法谈到炉衬的使用寿命，就涉及到炉衬使用寿命的评估方法。目前铸造行业中比较常用的炉衬寿命评估方法有如下三种： 炉衬的使用炉次数 吨铁炉衬平均消耗量 炉衬通铁量1， 炉衬使用炉次数用炉衬使用炉次数作为评价炉衬使用寿命长短的方法是目前铸造车间中使用最普遍的一种炉衬评估方法。它比较直观，可以直接用作车间内的成本考核指标。但是由于它与炉子的作业制度（班次）、电炉的容量/功率大小及熔化铁液性质（浇注温度）等因素有关。因此，应该在相同或相似的作业条件下进行对照评估，得出的结果才会比较客观和合理，具有可比性。表1汇总了目前我国铸造车间中比较典型的统计资料，供评估参考。表1电炉容量（t）电炉功率(kW)作业班次（班）熔炼品种平均使用寿命（炉次）10 t工频电炉30002灰铁3005 t工频电炉18002灰铁2503 t工频电炉8002灰铁25015 t中频电炉10001球铁1205 t中频电炉40002灰铁2401 t中频电炉10002球铁1302 吨铁炉衬平均消耗量这种按照熔化每吨铁液折合的炉衬平均消耗量的评估方法在钢铁、耐材行业中使用广泛，在铸造行业中也逐步被认可为一种比较科学的评估方法。它尤其适用于电炉的作业成本比较和编制采购预算计划等。图1是资料（1）提供的炉衬吨铁耐材消耗量，它受到二个因素的影响：(1) 熔液性质 (2) 电炉容量。图 13炉衬的通铁吨位的经验评估公式该炉衬寿命评估结果是在炉衬使用寿命周期内可预期达到的熔化铁液总吨位。适用于电炉的作业成本比较、生产计划和采购预算计划的编制辅助。该公式（2）的评估结果受二个因素影响：(1) 电炉的作业制度 (2) 电炉的容量， 详见下式（1）。N = K (GL2)1/3 -（公式1）式中： N 熔化铁液总吨位 (t)GL 炉子容量 (kg)K 常数； 每天冷料熔化一次， K = 1.3 1.8每周冷料熔化一次， K = 2.8 4.6 （每天作业 67 小时）每周冷料熔化一次， K = 6.0 9.0 （每天作业 18 小时以上）图2是回归出公式（1）的统计数据图表（2）。a) 每周冷料熔化一次条件下 b) 每天冷料熔化一次条件下图2熔化总吨数与电炉容量之间的关系应该指出，在使用条件相似的情况下，上述三种炉衬评估方式的结果是接近的，其区别是评估结果的表达不一。例如，将表1所列的条件按照公式（1）计算的结果可见图2上的标志点。可见其回归点与图2基本吻合。二二影响炉衬使用寿命的因素综述影响炉衬使用寿命的因素主要有：1. 电炉作业条件2. 炉衬的筑炉和烘炉工艺3. 炉衬材料的合理选择，现详细分析如下。1 电炉作业条件对炉衬使用寿命产生影响的因素有（1）坩埚反应（2）炉渣反应（3）被熔铁液在高温下停留时间（4）电炉的作业制度。（1）坩埚反应对炉衬使用寿命影响在高温状态下，硅质炉衬和被熔化铁液将发生所谓的坩埚反应，即炉衬中的SiO2被铁液中的C所还原，如下式所示： SiO2 + 2C Si + 2CO由下图3 - 氧化硅沸腾分解相平衡图可以看出: 铁液中的C含量愈高，Si含量愈低，则与铁液反应的氧化硅沸腾分解开始温度TK愈低。这意味着炉衬的蚀损将加剧。通常，球墨铸铁的C含量较灰铸铁高，Si含量较灰铸铁低，而球铁的浇注温度又比灰铸铁高；因此，采用硅质炉衬的球铁熔炼炉的炉龄较灰铸铁低得多。这从上面图1可以得到证实。（2）炉渣反应对炉衬使用寿命影响熔炼过程中的炉渣成分及其对炉衬使用寿命的影响取决于主要炉渣生成源。其影响如下表2。由表2可知，严格控制炉渣生成源的加入是提高炉衬使用寿命的有效途径之一。图3 氧化硅沸腾分解相平衡图表2炉渣生成源主要化学成分与硅质炉衬的反应侵蚀程度对策锈蚀的废钢FeO反应形成低熔点的铁橄榄石加入洁净废钢残留的炉渣凝聚剂SiO2, Al2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O在高温下与炉衬起反应炉渣凝聚剂应及时取出被氧化的合金元素MnO与炉衬反应形成低熔点物。对液面线炉衬侵蚀尤其严重在熔炼后期加入，并推入液面下不洁浇冒口回炉料SiO2, Al2O3, Na2O与并存的FeO化合时，形成高熔点的结瘤粘附于侧壁中部，很难分离（结瘤）加入清洁的回炉料Fe-Mn氧化物FeO-MnO能在低温下与炉衬迅速反应避免加入含Mn废钢料富MgO炉渣MgO与炉衬反应，形成“象脚”侵蚀现象控制球铁浇冒口回炉料总量，避免过热锌Zn与炉衬起反应有侵蚀和浸润并对炉衬烧结有影响尽量避免加入含锌的废钢料（3）被熔铁液在高温下停留时间长短对炉衬使用寿命影响被熔铁液在高温下停留时间愈长, 炉衬的使用寿命愈短。资料（1）提及，以3吨感应电炉容量熔炼含碳量3.5% 的灰铸铁为例： 每炉次在1500高温下作业20分钟时，正常状况下的炉龄为400炉次。 每炉次在1550高温下作业20分钟时，正常状况下的炉龄将降低为240炉次，降低率为60%。因此，有的铸造车间将电炉的配置功率加大，尽量在浇注作业前的短时间内完成升温作业，此举有效地延长 了炉衬使用寿命。（4）电炉的作业制度不同的电炉作业制度下，炉衬使用寿命依次为：炉龄（三班作业） 炉龄（二班作业） 炉龄（单班作业）其定量概念的评估，可从图2（熔化总吨数与电炉容量之间的关系）中清楚地看出，不同的电炉作业制对炉衬 使用寿命的影响相当大。2 筑炉和烘炉烧结工艺对炉衬使用寿命的影响选择正确的筑炉工艺和合理的烘炉烧结工艺能够确保在炉衬烧结后获得合理的三层结构，即烧结层、半烧结层和缓冲层。合理的三层结构中各层的初始厚度大致比例各占1/3炉衬厚度。这是炉衬具有较高使用寿命和保证安全生产必不可少的条件。制订正确的筑炉工艺需注意如下几点：（1）选择优质袋装硅质干振料，可以确保： 获得具有高的SiO2含量和较低的Fe2O3含量的含优质石英晶型的硅砂； 具有科学的颗粒级配，有利于炉衬达到理想的捣结密度（通常要求在2.1 g/cm3以上）；大部分袋装料采用硼酐做胶结剂，可以缩短烘烤时间；通常的袋装料内硅质砂的含水率低于0.5%。（2）选择合适的保温层厚度，可以有效地控制烧结层厚度，调节炉衬的热损失。图4为保温层厚度对于散热和炉衬分层结构形成的影响。从图4可以分析出，过厚的保温层固然可以降低散热损失，但是却明显地提高了保温层与炉衬接口的温度，其结果是降低了炉衬内的温度梯度，使炉衬合理的分层结构趋于消失。因此，选择合适的保温层厚度对于获得较长的炉衬寿命将是非常重要的。但是实际上，这点往往被忽视。（3）根据熔化温度选择合理的硼酸（或硼酐）加入量，见图5所示，或征求硅质干振料供货商的建议。采用硼酐（无水硼酸）作为胶结剂的优点是减少烘炉时硼酸内结晶水的析出，缩短烘炉时间，避免大量水汽对感应器绝缘及炉衬耐火度的影响。从公式2可知，硼酸在301时被分解为水和硼酐，由此式可以计算出，采用硼酐时的用量为使用硼酸的58%左右。表3为对于采用硼酐或硼酸作胶结剂的炉衬所推荐的炉衬烘烤速率。可见，前者的升温速率较后者快50%左右。171 3012H3BO3 2H2O + 2HBO2 3H2O + B2O3 -（公式2）表3胶结剂炉容 / 升温速率硼酐作胶结剂的炉衬硼酸作胶结剂的炉衬1 3 t炉180（/h）120（/h）4 5 t炉15010016 35 t炉10060图4 a) 4 t炉不同保温层厚度时的炉衬散热 b) 30 t炉不同保温层厚度对分层结构的影响图5 硼酸 / 硼酐加入量与熔化温度之间的关系4）选择合适的筑炉器材，严格按照规范的筑炉捣结作业程序进行。常用的筑炉方法和器材有如下几种：l 手工捣筑法筑炉（1）；l 电动振动机筑炉法（2），见图6。l 电动筑炉机筑炉法（3），见图7。l 气动振动器筑炉法（4），见图8。l 气动锤击机筑炉法（5），见图9。可以根据每个铸造车间的不同条件，选用不同的筑炉器材。上述5种筑炉方法和器材的使用效果的基本分析见下表4。表4比较项目手工捣结筑炉法 (1)电动振动机筑炉法 (2)电动筑炉机筑炉法(3)气动振动器筑炉法 (4)气动锤击机筑炉法(5)筑炉时间 (hr)5024151512筑炉人员(人)64222筑炉质量炉衬使用寿命受人为因素影响较大受人为因素影响较稳定稳定稳定筑炉机械价格-1424综合性价比-注：本表以10吨感应电炉的资料做比较。上表4中的电动筑炉机筑炉法（3）、气动振动器筑炉法（4）和气动锤击机筑炉法（5）是整体炉衬筑炉法。采用这种筑炉方法无需控制每层加料层的厚度，炉衬材料可以一次加满，然后整体振动捣实。其中气动锤击机筑炉法所采用的二或三锤头气动锤击机和炉底气动振动器是我所于2000年开发成功的一种先进的整体筑炉器材。它在筑炉质量、筑炉时间、人力节约等指标上均优于其它筑炉方法。该型式的筑炉器材问世后，深受用户欢迎。现在已经作为附件向几乎我所的每个感应电炉新用户提供。合理的烘炉烧结工艺和正确的筑炉工艺，是获得较长炉衬好似用寿命的二个相辅相成的因素。硅质干振料炉衬在烘炉和烧结过程中存在着石英的晶型转变，添加了胶结剂的硅质干振料炉衬的主要晶型转变有：当炉衬被加热到573时，炉衬中的-石英快速转化为-石英，体积膨胀0.82%。温度继续升高，-石英在1200 1400经半安定方适应转化为-鳞石英，体积膨胀16%。当炉衬温度继续升高到1470时，-鳞石英转化为-方石英，此时，炉衬完成了烧结过程。在烧结升温过程中由于晶型的转变，硅质干振料炉衬体积发生急剧的变化，它使捣结的炉衬变得更加致密。由于石英的慢变化过程是不可逆的，这就使获得的烧结良好的炉衬的膨胀和收缩变得比较稳定。含有较多-方石英的烧结层通常具有较长的使用寿命。因此，在烘炉和烧结过程中，严格控制升温速度，以使石英在上述的几个温度范围内有充分的时间完成所需的晶型转变，是保证获得理想的烧结层的必要条件。基于上述烧结机理，制订烘炉工艺时需要注意要点是： （1） 烘烤速度与炉子容量大小及胶结剂类型有关； （2） 保温温度和保温时间； （3） 烧结温度一般高于炉子使用温度50 , 烧结时间约为1.5 2小时。图10和图11分别是冷炉料和热炉料的炉衬烘烤烧结参考曲线，用户也可以按照炉衬料供货商提供的炉衬烘烤工艺进行。图10冷炉料炉衬烘烤烧结参考曲线 图11热炉料炉衬烘烤烧结参考曲线三硅质炉衬损坏机理分析3, 4硅质炉衬通常会由于如下几种原因过早损坏而被提前拆除: 过热、裂纹、剥落、侵蚀、结瘤或浸润。1. 过热引起过热的原因有： 不合理的加料程序引起炉料搭桥所致； 捣筑时炉衬截面内遗留有金属所致； 炉温失控引起熔池超温所致。如上篇所述，中频铸铁感应熔化炉及保温炉往往在作业中采用浇注前短时间升温到浇注温度出铁，而其余时间内让铁液在较低温度下保温的作业方法，这可减少高温铁液对炉衬的侵蚀，延长炉衬使用寿命，降低电耗，不失为一种合理的作业方法。但是，先进的配置高功率密度的中频感应电炉的升温能力是相当大的，可高达10/min。而硅质干振料的熔点温度为1704，比正常的浇注温度高出不多。因此，在炉料搭桥或炉温失控时，很容易在短时间内将金属液升温到甚至超过该温度，从而引起炉衬过热而熔融。因此，熔炼中的温度控制是十分必要的。近几年来，我所开发的CBMM熔化管理软件计算机管理软件，可根据加入炉料重量及设定的浇注温度而自动控制功率输入总量，则完全能防止上述情况的出现，并达到节能目的。该软件已经有十余套在我国的铸造车间得到应用，深得用户欢迎。2. 裂纹金属翅渗透进炉衬截面会引起炉衬损坏。金属翅是由于炉衬出现裂纹渗进金属液所致。炉衬裂纹主要有三种主要有横向裂纹、纵向裂纹（垂直裂纹）、随机裂纹。 炉衬裂纹产生的原因及其对策：横向裂纹 - 原因之一是由于筑炉时炉衬材料分层或由于炉子结构上的原因使炉衬背衬松动所致；（对策：严格控制每层加料厚度小于125毫米，3吨以上的电炉应采用漏斗加料，以防止分层）。原因之二是炉子冷却时靠近出铁嘴的炉衬被粘附挂住，当炉衬因冷却而收缩时该处便产生横向裂纹。（对策：在砌筑出铁嘴时，使它的内外轮廓与上部炉圈耐材的轮廓相同，便于炉衬冷却收缩时能沿着二种材料的分界面自由滑移，不被挂住。这一点以往常被忽视，应加以关注。）。纵向裂纹 - 由于炉衬不合理的急剧的冷热循环冲击所致.无心感应电炉采用干振料捣筑并经烧结的炉衬在冷态下重新起熔时，需经加热使炉衬材料膨胀以弥合在炉衬冷却期间产生的裂纹。裂纹的弥合必须在炉料熔化前完成，以免熔化金属液渗进裂纹。合适的裂纹弥合所需时间取决于炉子容量的大小。（对策：选择合理的炉衬冷却/加热速率，以减小对炉衬的冷热循环冲击程度。关于炉料加热速率，对于炉子容量为4至15吨时，建议加热速率不超过150 /hr；炉子容量大于15吨时，建议加热速率不超过100/hr，下表5为推荐数值。）。硅质干振料的冷态炉衬起熔时加热速率及保温时间炉容量（kg, 铁）加热到低于熔点120所需时间 (hr.)保温时间 (hr.) 1500011.012.03.0随机裂纹 - 因脱模时引起炉衬材料损伤所致或坩埚模下部倾斜锥度不合理及存在锐角所致。（对策：适当加大坩埚模下部倾斜锥度）。3 剥落剥落现象是烧结层炉衬材料突然从炉壁上破裂并掉落下来的现象，引起剥落的原因有：l 因水蒸气引起；（此现象往往发生在含水率 0.5%的炉衬材料中。当这种炉衬被烧结时升温速度过快或坩埚模未设排气孔等因素诱发，炉衬内部急剧产生蒸汽会因无处排放而增压，最后冲破烧结层表面引起炉衬剥落。此外，线圈涂料或用浇注料做成的上部炉圈养护处理及烘烤不周时，也会因产生的水蒸汽进入炉衬，导致炉衬热面爆裂剥落。炉衬的爆裂剥落在炉子冷却系统渗漏的特殊情况下也会出现。通常，这一现象多出现在炉衬烧结阶段。对策：控制炉衬材料的含水率在0.5%以下，烧结时的升温速度不宜太快。）l 因机械损伤引起；（通常是由于加入的大块状炉料冲击炉壁所致。在新炉衬烧结不久烧结层不厚的情况下，尤其容易发生此种损坏。对策：建议炉衬烧结后应至少连续运行若干天，以使烧结层形成一定的厚度。）l 不同的膨胀所致；（常发生在炉衬被铁液严重浸润后，被浸润的热面炉衬与正常炉衬受热后的不同膨胀所致。）l 因耐火材料经受严重挤压所致；（常发生在炉底捣筑不平或呈轻微中凹状态，炉衬受热膨胀时导致炉底耐材应力积聚，引发剥落。）l 因急剧的温度变化引起；（急剧的温度变化超过硅质干捣料的良好的耐冲击和裂纹弥合能力。）4. 侵蚀炉衬受侵蚀，变簿的主要原因是由于下列的化学和机械上的因素：l 因金属液或炉渣的化学侵蚀所致；（如上篇阐述的坩埚反应和炉渣反应等原因引起。减少形成这种炉渣形成的来源和降低它的流动性是减小炉衬被侵蚀的途径）。l 因机械损伤或激烈的铁液搅拌作用所致。（如加料作业时的机械损伤以及由于低频或高功率密度引起电炉内强烈的电磁搅拌作用等。后者的侵蚀多集中在金属液的驼峰部位以及俗称“象鼻脚炉底”的坩埚底部侧壁部位。）5. 炉瘤与炉衬材料呈惰性的金属氧化物沉积或粘附在炉衬热面上使炉衬逐渐增厚便形成所谓炉瘤，引起炉瘤使炉衬变厚的主要原因是：l 在加入炉料中含有夹带较多残留型砂的铸件浇冒口或回炉铁，因金属氧化物沉积或粘附在热面炉衬上所致。严重的结瘤使炉衬变厚，导致炉子功率降低，缩短了炉衬寿命。6. 浸润引起炉衬浸润的原因有：l 由于炉衬捣筑密度过低或炉衬热面（烧结层）尚未形成时即暴露在熔融金属液 之前的金属浸润；l 由于炉衬捣筑密度过低或受到化学侵蚀所致的非金属物浸润，受到非金属物浸润的炉衬截面看起来像海绵状。受到浸润的炉衬寿命将缩短，并将影响炉衬的整个化学、机械和热态性能。 图 12 (照片1)根据正确的筑炉规程筑炉并采用合理的烧结工艺烧结后的炉衬截面应该如图12（照片1）所示：烧结层、半烧结层及松散层分界清晰，每层各约占1/3炉衬厚度。烧结层表面光滑呈釉面，截面内无明显粗大裂纹，挂渣少。如上篇所述，炉衬烧结层的厚度除了受到炉衬材料内胶结剂加入量及烧结温度高低的影响外，还与炉衬外层的保温层（石棉板等）的厚度有关系。因此，选择合理的炉衬材料规格（牌号）、确定合适的炉衬烧结温度及配置合适的保温层厚度，对于形成合理的烧结层厚度和炉衬结构具有重要的意义。而合理的烧结层厚度和炉衬结构是避免出现上述的炉衬损坏原因的重要因素。四提高硅质炉衬使用寿命的对策1. 应根据铁液的浇注温度和性质选用相应规格的以袋装形式供货的预混硅质干振料作为炉衬材料。如上篇所述，袋装预混硅质干振料内的胶结剂加入量是根据熔化温度确定的，通常供应商标以一定的牌号。用户应征求供应商意见选购相应规格，以保证使用效果。2. 严格按照炉衬材料供应商提供的筑炉规范和烧结工艺进行作业。3. 筑炉前，线圈涂料及上部炉顶圈砌块应预先烘干。4. 检查坩埚模尺寸的正确性及下部锥形部位是否存在锐角。坩埚模上要钻有一定间隔的3毫米左右直径的排气孔。坩埚模定位要正确。5 筑炉后，原则上应立即开始烘烤和烧结，以免长时间放置时炉衬吸潮。6. 炉衬第一次烧结时，加入的炉料应该是含碳量较低、清洁、干燥、无锈蚀，块度合适。刚烧结后的炉子最好连续运行若干天，以使炉衬烧结层形成足够的厚度和强度。7. 加入炉料时，应避免大块度炉料撞击炉壁，导致炉衬损伤。加入浇冒口、回炉铁时，要尽量将残存的型砂除清。作业时，尽量保持较高的待用金属液面，使炉壁的侵蚀均匀。非浇注阶段尽量使铁液在较低的温度下（如：13001350 ）保温，浇注前用大功率迅速提温，缩短炉衬处于高温状态的时间。有资料介绍：每降低10 的出炉温度，炉衬寿命可以增加10%。9. 作业时，要采取措施尽量减少炉渣的形成。形成的炉渣要设法提高它的熔点或降低它的温度，并及时扒除。合理的扒渣时间之一是在提升温度前。尽可能实行三班连续作业，以免炉衬经常承受冷热冲击。电炉从冷态重新起炉时，应控制电炉的升温速率，如表1推荐。炉子停用时，应盖好炉盖，减少冷却水量，让炉