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铸造用电炉炉衬寿命评估方法及影响炉衬使用寿命的因素

 

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600~800℃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。

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。(表中数据仅代表03年之前的数据)

2、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1 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)。

图2是回归出公式(1)的统计数据图表

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。

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的影响

电炉作业条件对炉衬使用寿命的影响因素有(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。

图3  氧化硅沸腾分解相平衡图

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。

表2

(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。

02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。

制定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2.1g/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。

图4

(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。

表3

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:手工捣筑法筑炉;电动振动机筑炉法。电动筑炉机筑炉法。气动振动器筑炉法。气动锤击机筑炉法。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

上表4中的电动筑炉机筑炉法、气动振动器筑炉法和气动锤击机筑炉法是整体炉衬筑炉法。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西安机电研究所于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。合理的烘炉烧结工艺和正确的筑炉工艺,是获得较长炉衬使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β-石英快速转化为α-石英,体积膨胀0.82%。温度继续升高,α-石英在1200~1400℃经半安定方适应转化为α-鳞石英,体积膨胀16%。当炉衬温度继续升高到1470℃时,α-鳞石英转化为α-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α-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,制定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。