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铸造用耐火材料技术的革新

发布日期:2019-8-3 浏览次数:98

    铸造用耐火材料技术的革新

     联合矿产分析无芯感应电炉熔炼、有芯感应电炉的熔炼保温、冲天炉熔炼及浇注转运包等领域耐火材料的安装、烧结、日常操作条件等因素,探讨了上述领域铸造行业用耐火材料技术的发展,在耐火材料产品、施工工艺、修补工艺、操作要求等方面的重要改进。对黑色金属和有色金属铸造工业不同方面都有涉及。并对由于耐火材料问题而引起铸件缺陷、设备停机等一些常见现象分析其根本原因和可能的解决方法。目标是帮助铸造行业用户达到耐火材料的最佳使用寿命,改善工人的操作环境,提高使用安全性。

  1.无芯感应电炉用耐火材料的革新

  1.1无芯感应电炉耐火材料的选择依据

  选择无芯炉耐火材料系统需要全面考虑操作特点。耐火材料的表现和材料的组成有关,同时也和操作条件有直接的关系。为特定熔化条件选择合适的炉衬材料是一个复杂的过程。主要因素如下:

  添加成分和熔化的金属熔化金属的种类、添加成分和炉料是选择耐火材料的最重要的因素。如熔化含碳金属时,碳含量的微小变化就会对耐火材料带来大的影响。炉料的组成也值得关注,炉料带入的氧化物会很快和炉衬耐火材料反应。例如:

  FeO与MnO将会与耐火材料中的SiO2发生以下反应:

  2FeO + SiO2 è 2FeOSiO2 铁橄榄石 熔点 1204℃

  2MnO + SiO2 è 2MnOSiO2 锰橄榄石 熔点 1176℃

  FeO与MnO将会与耐火材料中的Al2O3发生以下反应:

  2FeO + Al2O3 è FeO Al2O3 铁尖晶石 熔点 1593℃

  2MnO + Al2O3 è MnO Al2O3 锰尖晶石 熔点 1565℃

  上述反应都会带来对耐火材料的异常侵蚀。

  据化学组成为耐火材料分类。

  材料 石英砂 锆砂 耐火粘土 莫来石 氧化铝 氧化铬 尖晶石 氧化镁

  性能 酸性 中性 碱性

  在铁的熔炼过程中,渣的酸碱性决定基本耐火材料的选择。酸性的耐火材料应用在酸性的操作环境。通常,碱性渣会和酸性耐火材料反应形成低熔点的混合物,导致剧烈的侵蚀。碱性的耐火材料应用在碱性的操作环境。酸性渣遇到碱性耐火材料同样会导致炉衬的侵蚀。中性耐火材料和酸性、碱性的操作环境均有很强的相容性。

  化学容合性对于大多数有色金属熔化的重要性要小些,不亲和性能变得非常重要。

  气体保护系统的气氛决定耐火材料的表现。例如,石英砂和锆砂在真空环境下会还原分解。相反,氧化镁基和形成尖晶石的耐火材料由于自由能低,在真空条件下不能被还原。

  定需要的耐火材料的固定膨胀量。通常,氧化镁材料用在2吨以下的中小型炉子上,大容积中频感应电炉使用氧化铝基或氧化铝尖晶石基材料作为炉衬材料。石英砂炉衬用在大炉子上来解决热裂问题。

  状态直接影响耐火材料的选择。在选择材料之前必须充分估计这一条件。在整炉熔化条件下,耐火材料必须能承受反复的冷热冲击。

  更换炉衬时,炉衬的施工、烧结时

  间非常重要。

  选择耐火材料是都经过试验和失败的痛苦。不同条件下耐火材料的表现有很大差别。全面分析失败的经验将帮助选择后面的耐火材料。例如,你使用氧化铝炉衬发现金属渗入,可以变为体积更稳定的形成尖晶石结合相的氧化铝炉衬,这样可以减少裂纹,纠正金属渗入的问题。同样,你使用形成尖晶石结合相的氧化铝炉衬而感到侵蚀问题,选择含有氧化铬的耐火材料会增加整体的耐火度,减少侵蚀。

  最关键的因素还是熔化吨金属的耐火材料成本。所以,要按耐火材料的成本而不是单价来估价耐火材料。耐火材料的成本来自:

  ◆ 耐火材料的价格

  ◆ 耐火材料的施工、烧结费用

  ◆ 耐火材料的维护费用

  ◆ 通常氧化铝、氧化镁、锆砂的价格要高于莫来石、耐火粘土和石英砂,高价会从好的表现得到补偿。

  1.2 无芯感应电炉用耐火材料的革新

  

  ◆ 减少低温粘结剂。由于铝的熔炼温度较低,为了降低耐火材料的烧结温度,使其在铝的熔炼温度能够充分烧结,主要采用一些低温粘结剂,通过在耐火材料中生成玻璃相来促进烧结,炉衬的抗冲刷性能降低,抗热冲击性能也很差。目前先进的方法是采用超微粉技术和活性高温材料,在低温通过微粉表面活性技术促进材料的烧结,而不影响材料的高温使用性能。联矿专门用于无芯炉铝合金熔炼的氧化铝基干振料采用这一技术,如DV520A在480℃即可以很好的烧结,而其最高使用温度可达1595℃。

  ◆ 防粘渣添加剂。很多铝合金熔炼无芯炉炉衬存在粘渣的问题,炉衬中渗透金属液的现象也很普遍。联矿通过在材料中添加专利成分得抗粘剂,有效的改善了铝合金熔炼炉衬的粘渣问题。联矿也通过在材料中加入如碳化硅,氧化锆等与铝液润湿小的材料,进一步改善材料的抗粘渣和抗渗透能力。如联矿产品MINRO为一氧化锆基涂料,涂抹于耐火炉衬的表面可有效防止炉衬的粘渣。

  ◆ 耐火材料的温度梯度设计。无芯炉用干振料的一个基本设计要点是保证烧结后在炉衬的热面有很好的烧结层,中间有过渡层,背面为松散的安全层,防止金属液的渗透。如何能够保证炉衬在使用初期和使用后期都能有一定的松散层和过渡层,这就对材料的设计提出更高的要求。采用温度梯度烧结助剂,设计不同温度条件材料内部的反应动力,都是目前联矿材料的设计理念。

  ◆ 改进的冷起熔工艺。无芯感应电炉在冷炉重起时,推荐利用外加烧嘴先将炉衬升温到980℃,根据炉子大小保温1

  变以往产品单一的缺点,针对不同的铜合金设计出不同成分的干振料。

  ◆ 对于Cu温度较高,对材料的侵蚀加剧,并且容易粘渣的使用条件,设计出高碳化硅含量的电容刚玉基干振料产品。如联矿的DV227A含有26%的碳化硅含量,用在韩国Poongsan Metal 15MT和19MT Cu,使用寿命达到230次以上。

  ◆ 对于Cu熔刚玉基含氧化镁生成尖晶石的干振料产品。如联矿产品DV252A,即可作为熔化高温铜合金的有芯炉感应体材料,也可作为无芯炉的炉衬材料。

  ◆对于紫铜和黄铜熔炼条件,推荐用含有抗粘剂碳化硅的材料。联矿在此使用条件下开发了系列产品,以适应用户的不同要求。如刚玉基DV351A,矾土基DV751A, 石英砂基DV432Cu等。

  ◆ 较高的碳化硅加入量减少渣子的粘接性

  ◆ 用氧化锆基涂料作为日常消耗材料

  ◆ 有熔融金属时炉壁挂渣的清理

  ◆ 增加热传导率减小炉衬冷却时的热应力。

  ◆ 冷起熔时用烧嘴加热到1090°C,保温使炉衬产生可逆膨胀

  ◆ 加入抗热震添加剂帮助产生膨胀.

  >  改进粒度分布,低尘,易于紧实 采用多级粒度分布,并利用超微粉技术,以使材料最接近理想堆积密度,并且提高了材料的流动性,使材料更容易紧实。联矿通过10多级不同粒度材料按一定比例配制,最大限度保证每一批产品性能的稳定。

  图1 耐火材料配料粒度最紧密堆积示意图

  ◆ 在石英砂干振料中电熔石英砂的使用。电容石英砂是选用高纯度石英作为原料,通过电熔方法生产而成的无定形二氧化硅SiO2除杂,筛分,生产块状,颗粒和粉状的产品。这种石英产品有极低的热导率和极好的热稳定性。产品特点:

  ◇几近零的热膨胀率

  ◇ 优秀的热稳定性

  ◇ 纯度高

  ◇ 化学性质稳定

  ◇ 专用机械控制生产,粒度分布稳定

  ◇ 外观:无色透明块状,颗粒或白色粉末

  使用电熔石英砂作为石英砂干振料的原料,可改善材料的抗热冲击能力和抗侵蚀能力。在经常停炉的熔炼环境下,石英砂炉衬在温度变化条件下膨胀收缩会出现裂纹,造成裂纹钻铁,致使炉衬寿命缩短,并且存在安全隐患。加入电熔石英砂后,材料的膨胀系数大大降低,温度变化过程材料体积稳定性增加,裂纹倾向减小,延长炉衬的使用寿命,减少安全隐患。联矿产品DV461S和DV462S均加入了电熔石英砂,可单独作为炉衬材料,也可与普通石英砂材料配合,用在炉墙的上部,解决上部炉衬钻铁的问题。

  改进烧结是为了使耐火材料形成最优良的烧结面,需要认真的控制升温过程及针对不同耐火材料基体的变化在特定的温度下保温过程。当考虑到近来无芯感应电炉功率及频率的变化,炉衬的烧结过程中在炉内的温度不一致成为一个问题,下图显示了一台高功率、中频感应电炉在烧结过程中的不同部分的不同温度分布。为在烧结过程中在整个炉内得到统一的温度,适当减小电炉的投入功率及延长保温的时间是非常重要的,通过以上操作,可以减小炉内中部,底部与顶部之间的巨大温差。当炉内的加料开始熔化时,将失去对炉内温度的监测。

  图 2 无芯感应电炉炉体各部位温度对比

  此时,认真的控制炉子的投入功率变得非常重要,如果投入大功率,会造成对炉衬材料的快速渗透。当炉内熔化的金属越来越多时,需要逐步的提高功率来熔化炉内剩余的固体料。当炉子上部的固体料开始下降时,需要立刻补充投料。对熔化初期炉子投入功率的控制将有利于在烧结面形成之前减少金属对耐火材料的浸润。

  无芯感应炉炉衬烧结的另一个变化是延长保温时间来均衡整个炉衬的温度,特别是在熔化开始前。对于高功率的中频炉来说,炉子中部,顶部及底部的温差在烧结过程中是非常明显的。这就非常必要均衡炉衬侧墙与底部之间的温差,因为这些部位将来会接触熔融金属,是工作部分。均衡炉衬顶部的温度也很重要,升高该部位的温度,使耐火材料释放其永久膨胀,形成强度。如果顶部温度达不到,顶部材料将在日后的使用过程中出现不可控制的膨胀。

  在烧结的过程中,与炉衬冷启动过程一样,推荐将除尘设备关闭或将至最小来减小炉衬上部的热损失。

  ◆ 改进加料顺序

  ◇ 底部加入回炉料,然后根据各种材料对炉衬的侵蚀程度决定加料顺序,依次加入回炉料,生铁和废钢。

  ◇ 对于增碳、镁和金属氧化物的添加剂的加入在炉内已形成1/3铁水后进行。

  ◇ 两种不同粒度材料的同时加入可减少棚料的几率。

  下图是Si与C在不同条件下的反应,铁水中的碳会不断从炉衬中夺取Si以达到反应平衡。确定在各熔化阶段铁水中的碳含量处于尽可能的最低水平是决定加料顺序的一个主要因素,另一个主要因素是加料中对炉衬来说有害金属氧化物的含量,如氧化锰、氧化铁含量。

   无芯感应电炉化钢用耐火材料是完全干燥的干式振动料,通过科学的粒度配比,使安装非常方便,很容易得到高密度的炉衬;先进的粘结剂系统设计,使炉衬具有具有理想的烧结层,半烧结层,同时保持一定的松散层,提高炉衬的安全性;烧结时间短,可以使炉衬很快投入使用。

  熔化钢干式振动料主要有以下几种:

  ◆ 电熔刚玉基干振料;

  ◆ 电熔刚玉基加入氧化镁,经烧结形成尖晶石干振料;

  ◆ 电熔刚玉加入预成型尖晶石的干振料;

  ◆ 尖晶石基干振料;

  ◆ 氧化镁基干振料。

  目前主要的发展方向为:

  ◆ 加入梯度粘结剂是炉衬材料形成较厚的陶瓷烧结层

  ◆ 设计时选用不同的骨料,提高材料的抗侵蚀性能。

  ◆ 提高材料纯度,减少氧化硅含量提高抗化学侵蚀能力

  ◆ 改进的冷起熔工艺

  空感应熔炼炉用炉衬结构的形式主要有:

  ◆ 两层定型砖炉衬系统

  ◆ 不定形干振料炉衬系统

  ◆ 干振料作为背衬,定型砖作工作衬的炉衬系统

  ◆ 干振料作为背衬,预成型氧化铝基坩埚作工作衬的炉衬系统

  ◆ 干振料作为背衬,预成型石墨或SiC基坩埚作工作衬的炉衬系统

  联矿专门针对真空感应熔炼的环境开发了熔炼不同合金的不定形干振料炉衬系统,其特点为:

  ◆ 合理的粒度配比,可以达到理想的堆积密度。

  ◆ 优良的体积稳定性。

  ◆ 铝镁或镁铝尖晶石工作衬,抗侵蚀,冲刷性能良好。

  ◆ 使用中温粘结剂,正常操作温度下存在松散层,确保设备的安全性。

  聚

  ◆ 线圈浆料表面的黑色沉积物,通常是和腿色的线圈浆料一起的蓝/绿混合物。黑色物质为一氧化碳分离出的碳;蓝/绿混合物为由SO2+H2O和铜反应产生的硫酸铜。

  ◆上述沉积会穿透传统的背衬材料如陶瓷布、陶瓷纸,云母纸可有效防治碳、硫向线圈浆料的渗透,保护线圈。

  ◆ 云母可以部分挡住潮气。

  

  尽管我们现在有针对性的设计各种耐火材料,但是否能够正确施工以确保炉底及炉墙达到最佳密度是非常重要的。世界范围内,人们对耐火材料施工安装技术的要求日趋增长。这包括要求缩短施工周期、减少劳动强度,但要确保施工的密度。过去到现在,使用的电振动捣固器一直是被普遍接受的施工方法。然而,随着无芯感应电炉容量的增大,炉墙处耐火材料的施工难度增加。专用炉墙施工的内部振动器既节省了时间、节约了劳力同时还保证了炉衬的密度。

  我们为较大的无芯感应电炉填加干振料的施工专门设计了新振动器其他振动器不同的是,联矿的电动振动系统的振动原理不是气压振动,消除了由于气压的波动造成炉衬紧实程度不够的缺陷。它不需要使用其他除气手段就可以使耐火材料炉衬达到理想的密度。使用联矿电动振动系统可以一次性将炉衬材料加满,而不需要控制加料厚度。然后,用联矿电动振动系统低频档振动除气。除气一段时间后,可以手动或自动将振动系统调到高频振动档,紧实炉衬。下图为联矿电动振动系统的振动器、振动器支架和电脑控制箱。

  图4 联矿电动振动筑炉系统

  实践证明,联矿电动振动系统施工的石英砂和非石英砂无芯感应电炉炉衬都可以达到同样的稳定的炉衬寿命。它可以大量地减少炉衬的施工时间。它唯一的限制条件是小炉子振动架固定不方便。

  联矿电动振动系统为在无芯感应电炉上施工干振料炉衬带来巨大的进步。我们正在将这种振动系统应用到有芯感应电炉的感应器耐火材料及炉体耐火材料的施工上。初步证明非常成功。内部模具振动给无芯感应电炉干振料炉衬施工带来了方便。事实证明,内部模具振动也是稳定安全的炉衬施工方法。

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