感应熔炼电炉等静压成型碱性炉衬耐火材料的研究

1、感应熔炼电炉等静压成型碱性炉衬耐火材料的研究冯胜山 李天清 曹金宏（湖北省机电研究设计院 武汉430070）摘要：本文介绍了感应熔炼电炉成型炉衬的国内外概况和对耐火材料的质量要求，研究了镁砂质碱性炉衬耐火材料的骨料粒度分布、骨料与细粉（基质）的、氧化铝微粉、结合剂、缓凝剂、加水量以及烧结剂对耐火材料体积密度、强度及烧结点等性能的影响。结果表明：骨料粒度呈正态分布，骨料与细粉（基质）的比例为70:30，结合剂1加入量为3%，结合剂2加入量不超过2%，Al2O3微粉加入量为4%，加水量宜取78%时，成型炉衬材料的致密度和强度最高；添加0.2%的缓凝剂1可将镁砂质炉衬材料的可成型时间延长3倍以上，并

2、使试样的后期强度大幅提高；本研究采用的缓凝剂同时具有烧结剂作用，烧结剂1和烧结剂2均可降低镁砂质炉衬材料的烧结点，但烧结剂2的效果更显著。关键词：感应电炉；炉衬；等静压成型；镁砂The Study on Alkalescence Refractory Material of Isostatic Press Moulding Liner Used in Induction Smelting FurnaceFeng Shengshan Li Tianqing Cao Jinhong (Hubei Research & Design Institute of Mechanical &

3、 Electronic Engineering Wuhan 430070)Abstract The general situation of induction smelting furnace mould liner at home and abroad, quality demands about refractory material of mould liner are introduced in this paper. The effects of granularity distributing of alkalescence refractory bone material of

4、 magnesium sand, the inverse proportion of bone material and power, alumina power, adhesive, retarder, the content of water and sinter on bulk density, intensity and sinter temperature are investigated. Key words induction smelting furnace liner isostatic press moulding magnesium sand 1 感应熔炼电炉成型炉衬的国

5、内外概况感应熔炼电炉炉衬是感应炉的重要组成部分。它除了用于盛装钢液进行冶炼之外，还起着绝热和绝缘作用。炉衬按制作方法分类，可分为炉外成型预制炉衬、炉内捣筑整体式炉衬和炉内砌筑式炉衬三种。迄今为止，国内冶金和铸造工业用于熔炼黑色金属的各种感应电炉（高频炉、中频炉、工频炉）的耐火炉衬仍习惯采用石英砂、镁砂等传统酸性和碱性粉粒状耐火材料配以一定量的硼酸或水玻璃等粘结剂，靠人工利用捣固机等简单器械在炉体内依金属胎模（一般为一次性使用）捣筑而成，筑炉时间长达28小时，熔炼前还需进行8小时以上的自然干燥和烘炉，以便充分排除炉衬内的水分并使炉衬获得较高强度。这种炉内捣筑整体式炉衬的缺点是：工人劳动强度大，作

6、业环境恶劣，工作效率低，对工人的技术水平要求高，能源消耗量大，炉衬紧实密度不均，强度低，对高温金属液和熔渣的抗侵蚀能力弱，合金元素收得率低，炉衬绝热保温性差，使用寿命短（如熔炼不锈钢时镁砂碱性炉衬仅能连续使用2065炉次），导致熔炼成本高1。新型等静压成型炉衬是采用耐火度高、绝缘性好、粒度级配合理的多种耐火材料为主要原材料，外加优质高温粘结剂及特殊烧结剂等，采用干式冷等静压设备压制成型，并经内表面助烧结型涂层处理和适当热处理而制成的空心开口实底圆柱状耐火制品。这种炉外成型预制炉衬使用前仅需将其吊进炉腔并用普通炉衬混合散料将炉衬与感应线圈之间的间隙填实即可，其强度和紧实密度高且均匀，壁薄，绝热保

7、温性能好，高温物理化学性能稳定，对高温金属液和熔渣的抗侵蚀能力强，可避免炉内捣筑整体式炉衬的前述缺点，不仅使用方便，工人劳动效率高（炉衬更换时间只需3060min），而且使用时可不用烘炉，另外金属液杂质含量少，合金元素收得率高，炉衬使用寿命长（如熔炼不锈钢时可连续使用135炉次1；炉龄约为炉内捣筑整体式镁砂质炉衬的3倍 2），可广泛用于熔炼各种金属及合金，特别适用于熔炼各种合金钢和合金铸铁。英国FOSECO公司于1981年最早开发用于熔炼黑色金属的感应电炉成型炉衬。德国COKG公司和英国RPC公司于1980年代中期也相继生产出这类成型炉衬。国外均普遍采用干式冷等静压压缩成型工艺及设备，耐火材料

8、一般为铝镁尖晶石质（Al2O3-MgO基复合材料）和碳化硅质。RPC公司还开发出以具有良好的抗剥落性、高温抗裂性和绝热性的陶瓷纤维为耐火基料的成型炉衬等耐火制品。西方工业发达国家的铸造企业已普遍采用专业生产的商品化系列成型炉衬，并已发展到将各种高温金属液的转运包、工艺处理包、浇注包等的内衬成型化、商品化、系列化。迄今国内只有沈阳等地的两家公司开展了成型炉衬的研制与开发工作，并已投入中试生产，均采用普通的逐层填料-逐层压实工艺，常温抗压强度不高，紧实密度不均匀，烧结性不好，高温抗裂性不高，导致炉衬寿命不稳定。据我们试用分析，其原因主要是炉衬的原材料组成、粒度及配比不理想，成型工艺和炉衬结构设计不

9、合理，热处理工艺也有待改进。为了充分满足广大铸造企业的生产需要，有必要进一步研制开发性能更优的成型炉衬。2   感应熔炼电炉成型炉衬对耐火材料的质量要求成型炉衬按耐火材料化学性质分类，可分为碱性炉衬、酸性炉衬和中性炉衬三种。其中碱性炉衬采用MgO、CaO和BeO等碱性氧化物耐火材料制作。碱性炉衬可用于冶炼各种碳钢和合金钢，是应用最广泛的炉衬。 感应熔炼电炉成型炉衬对耐火材料的质量要求如下： 2.1 耐火度：炉衬制品应具有高的耐火度，避免在成型炉衬材质内部过早出现液相，使成型炉衬熔损，降低成型炉衬的最高允许工作温度。一般而言，炼钢用成型炉衬的耐火度应1700，熔炼铸

10、铁应1500。  2.2 高温化学稳定性：用于制作成型炉衬的耐火材料必须具备优良的高温化学稳定性，主要是抗炉渣的化学侵蚀能力和抗钢液的化学侵蚀能力。成型炉衬材料的碱度水平和炉渣组成的碱度差越大，成型炉衬就越容易被侵蚀。钢液中的元素如C、Al、Ti、B、Re等在高温作用下均会与成型炉衬材料发生相互反应，使成型炉衬遭到侵蚀。 2.3 热震稳定性：成型炉衬在使用过程中，周期性地经受加热和冷却的作用，随之而产生体积膨胀和收缩。这时成型炉衬内部相应地产生抗压应力。在应力的反复作用下会导致产生裂纹。裂纹发展下去将使成型炉衬破坏。影响成型炉衬制品热震稳定性的因素有成型炉衬砂料的配比、成型压力、耐火

11、材料的膨胀系数等。为了延长成型炉衬的寿命，要求成型炉衬制品具有良好的热震稳定性。 2.4 高温强度：冶炼过程中成型炉衬本身承受着各种力的作用，其中包括：炉料对成型炉衬的冲击力，钢液的静压力，电磁搅拌运动时的作用力以及成型炉衬内外温差应力，急冷急热变化产生的内部应力等。由于这些力的作用，要求成型炉衬在高温和室温时必须具有一定的强度，以防止开裂。成型炉衬的高温强度与耐火材料的种类、成型压力、烧结工艺、砂料粒度配比等因素有关。因此，必须从各方面采取措施来增加成型炉衬的高温强度，以保证成型炉衬的正常使用。 2.5 绝缘性能：由于钢液与感应圈之间保持一定的电压差（通常为几十伏到数百伏），因此成型炉衬材料

12、须有一定的绝缘性能，以免被击穿。但是成型炉衬材料的绝缘电阻又不能太大，否则会影响炉子的电效率。因为磁力线通过成型炉衬壁时将有一部分磁能损失，成型炉衬壁的电阻越小，磁力线通过时损失越小。因此，在保证绝缘的前提下成型炉衬材料的比电阻率应尽量小一些，使它既保证绝缘性又满足提高电效率的要求。常用成型炉衬材料的比电阻率随温度升高而下降。成型炉衬材料的纯度对绝缘性和比电阻率的影响最明显。其中铁磁性物质如Fe3O4、Fe2O3等能明显地降低绝缘性和比电阻率。其他能形成低熔点化合物的成分也起着相同的作用。为了确保成型炉衬在高温下安全工作，对绝缘性能的要求应放在首位，电效率可以通过调整成型炉衬壁的厚度来达到预期

13、的效果。因此，在实际选择成型炉衬材料时，要求其纯度尽可能高一些，以保证高温下成型炉衬具有良好的绝缘性能。 2.6 绝热性能：冶炼过程中成型炉衬内外之间的温差很大，最大可达14001600。大约有1015%的热量是由成型炉衬壁向外散失的。减少这部分热损失可以提高电效率。因此要求成型炉衬材料的绝热性能好，即成型炉衬材料的导热系数应当低。2.7 环保特性：成型炉衬材料在高温作用下，会产生挥发。挥发物应不污染环境，对人体健康无害。2.8 成本：成型炉衬材料作为易耗材料，必须既符合质量要求又具有较低成本。3 感应熔炼电炉碱性成型炉衬耐火材料的实验方法本研究以成本低、来源广、绝缘性能好的烧结镁砂（MgO9

14、6%）为主要原料，采用MgO- Al2O3-SiO2-H2O复合体系作为结合剂，添加-Al2O3微粉使其在使用过程中与MgO反应形成尖晶石，利用形成尖晶石过程中微膨胀产生的微裂纹提高成型炉衬的抗热震性能，抑制龟裂纹的产生和扩展，同时尖晶石的形成有利于提高成型炉衬的抗渣性。本实验主要研究碱性耐火材料粒度分布、氧化铝微粉、结合剂、缓凝剂、加水量以及烧结剂对耐火材料体积密度、强度及烧结点等性能的影响。2.1 试样制备先将配好的镁砂骨料（分5-3mm、3-1mm、1-0.088mm三种）加入混碾机中混碾 2 min，然后加入细粉继续混碾3 min，再加水混碾5min。将混合好的泥料在SAC型锤击式制样

15、机上制作试样，锤击次数为5次。抗折试样为长条形标准试样，其尺寸为22×22×150mm；抗压试样为圆柱形标准试样，尺寸为（50±1）×（50±1）mm。脱模后的试样在空气中自然养护2天，再测试其体积密度和常温强度，另外继续在110烘烤24h后测试其烘干强度。耐火材料烧结点和高温线收缩率的试样为圆柱形，其尺寸为（11±0.5）×（20±0.5）mm 。2.2 性能检测试样的抗折强度和耐压强度在SWY型液压强度试验机上进行测试，并根据试样断面尺寸通过计算进行修正。体积密度D的计算公式为：DM/V，M试样质量，V试样体积

16、。耐火材料烧结点和高温线收缩率的测试在SCN802型造型材料高温性能试验仪进行。4 实验结果与讨论4.1粒度分布对耐火材料性能的影响成型炉衬材料的骨料粒度分布、骨料与细粉（基质）的比例对成型炉衬的使用性能均具有极其重要的影响。合理的粒度分布有利于提高成型炉衬的热震稳定性、抗渣和抗钢液的化学侵蚀能力等性能。表1为不同骨料粒度分布特征的配比。图1所示为不同骨料粒度分布对试样体积密度及抗折强度的影响。粗单峰分布试样的体积密度最小，正态分布试样的体积密度最大，同时正态分布试样的常温抗折强度也最高。相对常温强度而言，所有试样110烘烤后的抗折强度均有所提高。除了细单峰分布试样的抗折强度较低外，其它四种分

17、布试样的抗折强度基本相当。因此，从对成型炉衬材料高致密度和高强度的要求来看，可以认为正态分布是5种骨料粒度分布中分布最优的。表1 不同镁砂骨料粒度分布特征及粒度组成序号分布特征粒度分布（%）5-3mm3-1mm1-0.088mm1粗单峰4015152平均2323243双峰2814284正态1540155细单峰151540注：另加0.088mm镁砂粉、Al2O3微粉、复合结合剂、分散剂、缓凝剂和水各若干。 图1 骨料粒度分布对体积密度和抗折强度的影响以呈正态分布的第4组为骨料粒度分布的基础，改变骨料与细粉（基质）的比例，研究了骨料与基质质量比对体积密度和抗折强度的影响。试样配方见表2，实验结果见

18、图2。表1 不同镁砂骨料与细粉(基质)的比例及粒度分布序号骨料:基质5-0.088mm镁砂0.088mm镁砂粉 氧化铝微粉复合结合剂粉 675:25751825770:30702145865:35652725960:40603325注：另加分散剂、缓凝剂、水各若干。图2表明：骨料与基质质量比对试样体积密度和抗折强度的影响规律基本一致，当骨料与基质质量比为70：30时，试样的体积密度最大，抗折强度最高；过高或过低的比例都不利于提高试样的体积密度和常温抗折强度；过高的细粉比例还会使试样成型所需的加水量增加。上述结果表明：较优骨料粒度分布为正态分布，较优骨料与基质质量比为70:30。 图2 对体积密

19、度和抗折强度的影响4.2 结合剂对材料性能的影响本研究采用MgO- Al2O3-SiO2-H2O复合体系作为结合剂，其中0.088mm的镁砂粉是主要结合剂, 粉状结合剂1和粉状结合剂2为辅助结合剂。根据粒度分布优化的结果，以正态分布的粒度组成为基础，进一步研究了两种辅助结合剂及其加入量对试样性能的影响。当某一辅助结合剂加入量增加或减少时，镁砂粉相应地等量减少或增加。图3给出不同结合剂1加入量时试样的体积密度和抗折强度的变化规律。随着结合剂1含量的增加，试样的体积密度逐渐增大，但超过3%以后，又逐渐降低；当结合剂1加入量超过2%后，常温抗折强度和110烘后抗折强度大幅增加。这是因为在整个粒度组成

20、中，结合剂1的粒度最细，它可以填充更小的孔隙，所以随着结合剂1加入量的增加，试样的气孔率降低，其体积密度自然逐渐增大；但当结合剂1加入量为3%时，试样达到最紧密填充，体积密度达到最大；若继续增加结合剂1含量，试样的气孔率反而增加，必然导致体积密度减小。结合剂1对抗折强度的影响主要取决于试样中形成的凝胶数量和气孔率，当结合剂1含量小于3%时，由于形成的凝胶数量有限，还不能对试样的强度产生显著的影响，当结合剂1含量达到3%时，试样中形成的凝胶足以大幅提高其强度，当结合剂1含量大于3%后，虽然凝胶的形成数量在增加，但是由于气孔率也在增加，因此试样的抗折强度并未随着结合剂1含量的继续增加而增加，甚至降

21、低。图3 结合剂1加入量对体积密度和抗折强度的影响图4为结合剂2加入量对试样体积密度和抗折强度的影响。随着结合剂2含量的增加，试样的体积密度先增加后减小，常温抗折强度变化不大，但是110烘后强度则显著降低。这表明对于镁质材料而言，结合剂2的加入会降低其烘干强度；此外结合剂2加入量过高会降低镁质材料的耐火度，因此在镁质材料中结合剂2的加入量不宜过高，应不超过2%。 图4 结合剂2加入量对体积密度和抗折强度的影响4.3 Al2O3微粉对材料性能的影响图5给出Al2O3微粉加入量对试样体积密度和抗折强度的影响。Al2O3微粉对体积密度的影响规律与结合剂1对体积密度的影响规律相同。由于Al2O3微粉本

22、身没有水合作用，本身对试样强度的变化不起作用，但是会影响试样的气孔率，间接地影响试样的强度，因此抗折强度的变化规律与体积密度的变化规律相同。Al2O3微粉加入量取4%为宜。图5 Al2O3微粉对体积密度和抗折强度的影响4.4 缓凝剂的选择由于镁质材料在较高的气温下水化速度较快，可成型时间较短，常常出现成型过程还未完成，但泥料已经固化，并因此影响其各项性能。所以必须调整镁质材料的固化速度，使其固化时间大于成型过程所需时间。在本实验中，研究了缓凝剂1和缓凝剂2的加入量对固化速度和强度的影响，其中对材料固化速度的衡量是通过目测以及材料水化后不同时间内强度的变化来实现的。图6给出了在气温为30，相对湿

23、度为78%的条件下，成型后试样在空气中养护不同时间耐压强度的变化规律。图6表明：未添加缓凝剂1的试样初期强度发展很快，在30min内就达到0.3MPa，在此后的120min内变化不大，之后强度再次增大；而添加0.2%缓凝剂1的试样在120min发展缓慢，120min时的强度才达到未添加缓凝剂1试样在30min内达到的强度，之后强度大幅增加并超过未添加缓凝剂1试样的强度。试样的强度变化与镁质材料水化后的固化速度密切相关，固化速度越快则强度的发展速度也越快。添加0.2%的缓凝剂1可以显著降低镁质材料水化后的固化速度，未添加缓凝剂1的试样在30min后耐压强度试验表明：试样内部已经凝固，即未添加缓凝

24、剂1的配料的可成型时间小于30min。而添加0.2%缓凝剂1的试样在90min后表面才开始固化，经过再次混合后还能再次成型，到120min后试样内部已经开始固化，即添加0.2%缓凝剂1可以将镁质材料的可成型时间延长到90120min之间。表3给出未添加和添加缓凝剂1后试样体积密度和抗折强度数据。数据表明：添加缓凝剂1使体积密度有所增大，自然养护2天后和110烘后强度均有大幅提高。 图6 缓凝剂1对试样耐压强度的影响（空气中养护）表3 缓凝剂1对体积密度和抗折强度的影响缓凝剂1含量(%)体积密度(g·cm-3)抗折强度（MPa）自然养护48h110×24h加热02.64 1.

25、201.240.22.68 1.702.20图7给出缓凝剂1和缓凝剂2在密封养护条件下对强度发展速度的影响。图7表明：在密封养护条件下，在前60min内添加缓凝剂1和缓凝剂2的试样的强度发展得比未添加的试样的强度发展还要快，但是60min后未添加缓凝剂1和缓凝剂2的试样的强度发展得比其它试样的强度要快；添加缓凝剂1的试样的强度在300min后才开始再次增加，并有超过未添加缓凝剂1和缓凝剂2试样强度的趋势；添加缓凝剂2的试样的强度在7小时后不但没有提高的趋势，甚至还有所降低，此外添加1%的缓凝剂2使其成型所必须的加水量由7.5%提高到9%，因此缓凝剂2不适合作为镁质材料的缓凝剂。图7 不同缓凝剂

26、含量对耐压强度的影响4.5 加水量对试样强度的影响图8给出不同加水量条件下试样耐压强度的发展变化规律。当加水量为6%时，试样的耐压强度在4h内均较低，当加水量为7%时，试样在14h内的耐压强度都最高，当加水量为8%时，试样在1h后还没有产生强度，但1h后试样的耐压强度呈直线增加，并在4h后超过7%加水量试样的强度。这表明加水量过低时试样的强度较低，同时固化速度也较快，本实验中所需加水量为78%。 图8 加水量对耐压强度的影响4.6 烧结剂对烧结点的影响本研究采用的缓凝剂同时也具有烧结剂作用。图9给出了烧结剂1和烧结剂2含量对试样烧结点的影响。在测试耐火材料烧结点和高温线收缩率时，将试样加热到1640后让其随炉冷却，再继续记录其线收缩结果。从图中可以看出，未添加烧结剂的试样在1640时才观察到收缩，添加0.4%烧结剂1的试样在1500后即观察到收缩，在1640时收缩率超过8% ，添加0