工頻有芯感應(yīng)電爐安全使用技術(shù)實踐

王全仁，霍曉棟，張曉敏，田玉仙

(山西春雷銅材有限責任公司，山西 翼城 043513)

銅及銅合金熔煉生產(chǎn)中，工頻有芯感應(yīng)電爐由于具有熱效率高、加熱速度快、金屬燒損少、較強自攪拌能力，能保證熔煉金屬的溫度、成分均勻一致，且操作方便、安全、勞動條件好等優(yōu)點，被廣泛使用。

我公司以生產(chǎn)紫銅、黃銅、青銅板、帶材為主，現(xiàn)有1.5～5t各類型熔銅爐10余臺。實際生產(chǎn)中，熔爐的壽命長短、故障率高低是影響生產(chǎn)進度、合同履約、成本費用、產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。熔爐漏銅、斷溝、水套漏水三大故障影響爐子的使用壽命或造成爐子的損壞報廢。在多年的生產(chǎn)實踐中，我們針對熔爐經(jīng)常出現(xiàn)的三種故障，進行了分析研究，采取了行之有效的措施，取得了良好的效果?，F(xiàn)將我們安全使用熔爐的方法予以介紹，供同行借鑒。

1 防止漏爐，筑爐是關(guān)鍵

熔爐漏銅，即熔體金屬從熔爐中漏出造成熔爐報廢的現(xiàn)象。其最大原因是筑爐質(zhì)量和開爐時燒結(jié)不好以及使用中的操作不當所造成，但主要與筑爐質(zhì)量有直接關(guān)系，防止漏爐關(guān)鍵在筑爐，熔爐的筑搗主要需做好以下工作。

1.1 耐火材料的選擇

根據(jù)所生產(chǎn)合金的特性，選擇適宜的耐火材料。主要考慮耐火材料的化學(xué)性能、耐火度、膨脹系數(shù)等。

爐襯耐火材料的要求：耐火度高，能滿足生產(chǎn)合金的熔煉溫度要求；體積穩(wěn)定，耐急冷急熱性好；抵抗爐渣侵蝕的性能好；有足夠的燒結(jié)強度，能抵抗機械沖擊；具有較小的膨脹系數(shù)，耐火材料在被加熱和冷卻過程中體積變化要小，以避免由于耐火材料體積變化而造成爐襯壽命的降低；導(dǎo)熱率要盡可能的小。

1.2 筑爐方法

熔爐的筑爐方法有多種，如搗注法、砌筑法等。感應(yīng)體搗筑質(zhì)量是防止漏爐、影響熔爐壽命最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通常采用耐火散料干式搗筑法。

1.2.1 搗打步驟

筑爐前認真檢查爐體的絕緣情況，確保爐體絕緣狀況良好。將爐殼內(nèi)壁的鐵銹清除干凈，在爐殼內(nèi)壁及底部鋪一層10mm厚的石棉板(5mm的鋪兩層)。

第一次搗打料加入量為100～130mm，以后每次加入量為 80～100mm；用振搗器搗打時，分行按排密實搗打，下一排壓住上一排1/3～1/4位置，搗打時縱橫交替搗打，即第一遍縱向搗打，第二遍要橫向搗打，每層料搗打6遍；每遍打完后用平錘平一遍，劃溝的方法會使上下層間銜接不好，因此用扁釬子扎松，然后加料(圖1)。

a)縱向 b)橫向

1.2.2 熔溝與水冷套的安裝

常規(guī)的安裝方法有兩種，一種是連續(xù)搗打法，將搗打料搗打至需要安裝熔溝或水冷套的位置時，直接將熔溝或水冷套放入，然后接著搗打；另一種是挖砂法，將耐火散料搗打到安裝位置以上，按照熔溝或水套的形狀挖溝，將熔溝或水冷套裝上去。

以上兩種方法容易造成熔溝、水套底部與周圍的砂子搗打不實，我公司采用的安裝方法：安裝熔溝時將搗打料搗打至安裝水套的圓孔底部以上100mm，從熔溝底部算起約高出150mm；將熔溝以上多余的搗打料挖去(安裝水套的圓孔底部往下，挖掉熔溝厚度加熔溝與水冷套間的距離)并刮平(圖2)；測量熔溝位置，安放熔溝并固定好；用鋼釬人工將搗打料的平面扎松；繼續(xù)加入搗打料搗打至安裝水套的圓孔中間位置(高出安裝水套的圓孔底部150mm以上)；再次將高出的搗打料挖去，挖到安裝水套的圓孔底部以上5～10mm處(即略高出水套安裝位置)，刮平(圖3)；安裝水冷套(水冷套兩端靠近爐體部位用云母紙纏繞包裹，進行絕緣處理)，調(diào)整好距離予以固定，塞好縫隙；水冷套安裝后再次將搗打料扎松，然后繼續(xù)加料搗打。

a)耐火材料搗打位置 b)熔溝安裝位置

a)耐火材料搗打位置 b)水套安裝位置

1.2.3 注意事項

(1)熔爐開始熔化后或使用時間不長，出現(xiàn)爐膛底部耐火材料起層的問題，嚴重影響熔爐的使用壽命。出現(xiàn)這個問題的原因主要是：熔溝在開始熔化時金屬受熱的膨漲力較大，而耐火材料燒結(jié)初期強度很低，熱膨脹應(yīng)力使爐膛底部的耐火材料在強度很低的情況下，受壓產(chǎn)生滑移變形、分層鼓起而形成。為減小熔溝在開始熔化時的熱漲應(yīng)力，解決爐底起層問題，采取在熔溝的上部側(cè)面貼一塊3mm厚的三合板的方法，取得了良好效果(圖4)；

圖4

(2)搗打熔溝與水冷套間的位置時，振搗器進不去的地方，需人工用專用工具進行搗打；

(3)爐膛底部的搗打料，要高出爐膛底部(熔溝上平面)150mm，打好后再刮平；

(4)砌筑爐膛盡量做到平整、磚縫要小。

2 防止斷溝，停開爐是關(guān)鍵

斷溝，即熔溝斷裂造成熔爐死爐報廢的現(xiàn)象。雙熔溝時一個熔溝斷開，會造成熔爐功率嚴重降低；單熔溝爐時熔溝斷開會直接使熔爐死爐報廢。

工頻有芯感應(yīng)爐采用感應(yīng)加熱，熔溝斷裂使感應(yīng)器處于斷路狀態(tài)，熔爐失去加熱能力。生產(chǎn)過程中熔溝斷裂大多發(fā)生在開爐階段，開爐分為新爐開爐和舊爐開爐兩種。

2.1 新爐開爐

開爐就是使熔溝樣板熔化，給熔爐以所需的起熔體，同時使搗筑的爐底耐火材料得到燒結(jié)。開爐時的致命故障就是斷溝，一旦斷溝就會使熔爐報廢。新爐開爐斷溝主要有兩方面原因，應(yīng)加強對其的控制。

一是熔溝質(zhì)量。熔溝在鑄造制作過程中，不可避免的存在氣孔、縮孔、微裂紋、疏松等缺陷。多數(shù)開爐斷溝與熔溝質(zhì)量有關(guān)，所以熔溝質(zhì)量是確保開爐成功的關(guān)鍵。

通常銅及銅合金熔爐的熔溝用紫銅熔溝，生產(chǎn)黃銅用的熔溝含銅量也都在85%以上，這樣有利于熔爐的燒結(jié)，但同時也易出現(xiàn)開爐斷溝現(xiàn)象。在長期的實踐中，我們在制作黃銅熔溝時，一般將熔溝的銅含量降到較低水平。低鋅黃銅或紫銅制作的熔溝，在鑄造時容易吸氣，熔溝質(zhì)量不易保證；而高鋅黃銅熔溝，除氣效果好，不會產(chǎn)生大的氣孔，避免了斷溝危險，比高銅含量的熔溝更安全。當然銅含量低，熔化溫度就低，不利于對爐子的燒結(jié)，為使爐子燒結(jié)充分，采用熔溝開始熔化后加入紫銅料將銅含量提高的方法，利用保溫時間達到對爐子的燒結(jié)效果;

二是開爐工藝。開爐工藝不當，會直接導(dǎo)致斷溝故障的發(fā)生，因此，一定要制定科學(xué)合理的開爐工藝。

制定開爐工藝的原則。熔煉不同的銅合金，筑爐用的耐火材料就不同，要按照耐火材料的燒結(jié)升溫曲線來制定開爐的升溫工藝，從低電壓開始送起，逐級送電。各種爐子的送電工藝都不同。開始階段是為了烘烤爐子的耐火材料，徹底排除耐火材料中的水分和有害氣體；隨后逐步提高電壓，使熔溝溫度緩慢上升，直到開始熔化，在熔溝開始熔化的同時使耐火材料得到充分燒結(jié)。

2.1.1 開爐的準備工作

(1)送電前檢查電氣設(shè)備及絕緣情況，檢查熔爐設(shè)備、供電和供水系統(tǒng)，保證全部正常完好，分級試送電，確無問題方可送電升溫；

(2)準備好符合要求的木炭(干燥、塊狀)；準備好開爐后的引化料(窄長條)，以備爐子開始熔化后的補充、降溫，防止噴火；

(3)制定科學(xué)合理的熔爐升溫工藝。

2.1.2 開爐操作程序

(1)送電前先將水冷套及線圈的冷卻水打開，開始不要開的太大，隨著電壓的升高逐步給到正常水壓(通常保持在0.15MPa左右)；

(2)送電沖檢，在按開爐工藝送電前，先送工作電壓1～3min，以檢查熔爐的各部位絕緣是否良好；

(3)按升溫工藝送電升溫，新爐升溫的第一個階段主要是筑爐材料的烘烤，除去水分及有害氣體，采用低電壓長時間送電；

(4)升溫的第一個階段完成后，將木炭裝進筐內(nèi)，放入爐膛，進行爐膛烘烤和保溫；

(5)第二個階段隨著熔溝溫度的升高，筑爐材料發(fā)生化學(xué)變化，使筑爐材料燒結(jié)，此時應(yīng)將木炭覆蓋在熔溝上進行保溫(由于熔溝溫度較低，無法引燃木炭，須將木炭先點燃)；

(6)熔溝開始熔化階段，隨著電壓升高，熔溝逐步開始發(fā)紅、發(fā)亮、局部開始熔化。這個階段是熔爐開始熔化的關(guān)鍵階段，密切觀察電流及熔溝的變化情況。熔溝開始熔化后，應(yīng)及時用準備好的窄條料(但不能太多)投進熔化處，避免熔溝竄火，使熔溝保持熔化狀態(tài)，并逐步使其全部熔化。開始熔化階段如果出現(xiàn)無電流現(xiàn)象，應(yīng)立即傾動爐體(約20°)，并反復(fù)傾動至電流恢復(fù)正常；如果出現(xiàn)竄火現(xiàn)象，可暫時將電壓降低一個檔位；

(7)熔溝全部開始熔化后，要用準備好的邊條料將熔體引滿爐膛，并逐步加料至第一次保溫所需銅液位置(有熔池的爐型加滿熔池，無熔池的爐型加料深度為100～120mm)。此階段如果熔溝的含銅量較低，要將銅水的含銅量提高；

(8)進入第一次保溫階段，通常需保溫8～12h，此階段要特別注意控制銅水溫度，不能太高或太低，防止竄火或凝固；

(9)第一次保溫完成后，再次投料使銅水液位達到正?；~位置(爐型不同，液位的深度也不同，通常為正常生產(chǎn)的基銅量)。進入第二次保溫，應(yīng)保溫24h；

(10)隨著保溫過程的完成，熔爐燒結(jié)也基本完成，即可進行生產(chǎn)。由于爐子仍需進一步燒結(jié)，生產(chǎn)初期不可滿負荷生產(chǎn)，應(yīng)采用低電壓、低功率生產(chǎn)，24～48h后可正常生產(chǎn)。

2.1.3 開爐工藝的注意事項

根據(jù)爐型、耐火材料和熔溝材質(zhì)的不同，制定符合要求的開爐工藝。開爐時應(yīng)注意以下幾點：

(1)送電后在新爐內(nèi)掛木炭筐，烘烤爐膛，也可用柴油或其他方法烘烤。舊爐送電后加木炭并點燃，直接加在爐膛內(nèi)；

(2)觀察電流變化情況。開爐過程中如果電流針擺動或下降，表明將有斷熔溝的現(xiàn)象發(fā)生，迅速傾動爐體約20°即可，直至電流指針正常。熔溝剛化開始應(yīng)用邊條料緩慢加入，防止銅水竄出，如發(fā)生此現(xiàn)象應(yīng)及時將電壓退回前一級；

(3)熔爐開始熔化后進行保溫以使耐火材料得到充分燒結(jié)，保溫結(jié)束后，開始生產(chǎn)的最初爐次不能用大電壓和加大塊料，防止砸壞爐底。

2.1.4 射流型熔溝的開爐

射流型熔溝由于功率大、金屬液自攪拌能力強，有利于化學(xué)成分與溫度的均勻性而被廣泛采用。但是射流型熔溝的熔爐在開爐時易產(chǎn)生金屬液的噴射，造成斷溝，應(yīng)特別注意以下幾方面：

(1)控制好爐子的升溫溫度，特別是把握好開始熔化溫度；

(2)提前準備好作為開爐時沖化熔溝的銅水，溫度應(yīng)略高，不宜過低；

(3)烘烤好爐膛和熔池。爐膛的烘干必須烘烤到爐壁沒有氣體排出方可；熔池溫度應(yīng)略高，至少達到500℃以上；

(4)控制好沖化熔溝銅水的加入時機，不易過早和過晚；

(5)控制好加入的銅水量，加入的銅水不易高出熔池，達到熔池2/3的高度為好；

(6)開爐用的木炭必須是煅燒好的木炭，不能用濕木炭。

2.2 舊爐的停爐與開爐

實際生產(chǎn)中，由于生產(chǎn)的不均衡性，熔銅爐需要經(jīng)常進行保溫，長時間的保溫，能耗浪費嚴重，成本增加。且停爐重開，斷溝的機率高，經(jīng)常會造成熔爐斷溝報廢，增加了修爐費用。為此，掌握熔銅爐的停開技術(shù)，是保證熔銅爐安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。

2.2.1 斷溝原因分析

舊爐在開始熔化過程中出現(xiàn)斷溝，通常認為和新爐一樣，主要是熔溝和開爐工藝的問題。我們認為，舊爐開爐出現(xiàn)斷溝和新爐不同，主要問題不在開爐工藝而在熔溝質(zhì)量，而熔溝質(zhì)量主要在停爐。

開爐時的斷溝，主要是由于停爐時熔體的收縮應(yīng)力使熔溝產(chǎn)生的裂紋和疏松所致。熔爐停爐時，熔溝由液體向固體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變處于液固之間時，強度最低，塑性最差。由于上部熔體受到室溫的冷卻降溫快而產(chǎn)生向上的拉應(yīng)力，下部熔體受到水套冷卻水的冷卻產(chǎn)生向下的拉應(yīng)力；熔溝靠近水套方向的在水套冷卻作用下收縮快，外部被耐火材料包裹的冷卻慢，由此產(chǎn)生方向不同的收縮應(yīng)力；主要是向上、向下、向內(nèi)的應(yīng)力作用，使熔溝拉應(yīng)力最集中的地方產(chǎn)生微裂紋及疏松。開爐時的開始熔化階段，熔溝密度、強度最差的地方電阻最大，先熔。此時，爐膛內(nèi)基銅面積大、散熱多，溫度低；下部在冷卻作用下，溫度也較低，熔溝在不同溫度的應(yīng)力作用下在斷裂區(qū)被拉斷。

紫銅類熔溝由于凝固溫度范圍小，停爐時會直接斷溝。要保證熔溝停爐時的安全，必須滿足兩個條件：一是熔溝以自下而上的順序凝固；二是為保證熔溝順序凝固而需要爐內(nèi)基銅量產(chǎn)生的靜壓力和上部熔體具有足夠的溫度，能給予熔溝收縮時相應(yīng)的補充(圖5)。

a)單相爐 b)三相爐

2.2.2 安全停爐措施

根據(jù)以上分析，停爐操作是保證安全開爐的關(guān)鍵，多數(shù)開爐失敗是因為停爐操作不當而造成，科學(xué)、合理、規(guī)范的停爐操作技術(shù)是安全開爐的重要保證。每次熔鑄生產(chǎn)任務(wù)完成后，停爐時應(yīng)注意以下幾方面：

(1)控制好熔爐內(nèi)的基銅量。由于爐型不同，爐內(nèi)的基銅量也不同，有熔池的爐子基銅量不應(yīng)高于熔池上平面；無熔池的爐子基銅量應(yīng)控制在120～150mm以內(nèi)；

(2)觀察或測量爐內(nèi)熔體的深度，測量時用鐵棍插入爐膛內(nèi)熔池邊部(不能插入熔溝或熔池內(nèi))，測量的基銅深度不符合要求時，基銅量超過標準時應(yīng)倒出多余的量，低于標準時應(yīng)加料，直至達到標準要求；

(3)爐內(nèi)爐渣必須撈干凈；

(4)用干燥的塊狀木炭將爐內(nèi)溶體覆蓋，厚度要求100～150mm，蓋好爐蓋；

(5)斷電停爐。斷電停爐有兩種方法，一是開爐送電工藝，倒序逐步降檔、降壓、降溫，最終停電，凝固停爐；二是采用升高爐溫，直接停電，使其按自下而上的順序凝固停爐，該方法更安全可靠；

(6)斷電后仍需保持水冷套的冷卻，不能關(guān)閉，直至熔體冷卻至室溫方可關(guān)閉水閥及所有水、電源，停爐工序完成。

2.2.3 開爐

舊爐開爐同新爐開爐基本相同，只是無需送第一級電壓，開爐后也不必保溫可直接開始生產(chǎn)。

3 防止水套漏水，控制水壓是關(guān)鍵

水套漏水，即熔爐的冷卻水套出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，也是熔爐生產(chǎn)過程中常見的故障之一，雖未直接使熔爐報廢，但嚴重影響熔爐的使用壽命。

水套漏水主要有3種形式：1)水套焊縫、砂眼漏水；2)線圈安裝不牢運行過程中松動，絕緣不好與水套摩擦，造成短路打火，使水套擊穿漏水；3)使用過程中，水套上部在高溫侵蝕作用下漏水。前兩種漏水問題，可以通過在水套使用前的打壓檢查和安裝線圈時做好固定得到解決。而第三種漏水原因較為復(fù)雜，長時間得不到解決，經(jīng)常發(fā)生新修的爐子運行很短時間就出現(xiàn)水套漏水問題，重新修爐后此問題仍然出現(xiàn)。

分析第三種引起水套漏水的原因，我們認為主要是，在水套內(nèi)冷卻水壓力低，進水流量不足的情況下，由于鑄造時爐體傾動，水套部分區(qū)域高于出水位置(圖6)，造成水套內(nèi)冷卻水不飽滿，出現(xiàn)部分區(qū)域缺水，此時水套在高溫狀態(tài)下，受到反復(fù)的冷熱刺激，使水套鋼板受到侵蝕，產(chǎn)生裂紋而使水套漏水。漏出的水沖擊軟化了耐火材料，最終影響了熔爐壽命。

圖6 水套位置變化

根據(jù)原因分析，保證水套不漏水的關(guān)鍵在控制水套的水壓、水量。水套的水壓、水量足夠就不會出現(xiàn)缺水區(qū)域，即可杜絕水套漏水事故發(fā)生。具體做法是：

(1)保證水套的進水壓力控制在0.15～0.2MPa；

(2)加大總進水水管的直徑，確保流量充足；

(3)在水套出水口增加控制裝置，控制出水壓力，以保證水套內(nèi)的冷卻水飽滿有壓力，杜絕水套缺水干燒現(xiàn)象的發(fā)生。

4 操作規(guī)范

生產(chǎn)過程中熔爐的三大故障漏爐、斷溝、水套漏水均與生產(chǎn)操作有關(guān)。規(guī)范操作才能杜絕事故發(fā)生，提高熔爐使用壽命。重點應(yīng)注意以下幾點：

(1)黃銅新爐開爐后提高銅含量保溫，對耐火材料進行高溫燒結(jié)；

(2)生產(chǎn)中不能用大塊料砸爐，不能投濕料，防止放炮損傷爐子；

(3)做到分批投料，防止突然停電造成的斷溝事故；

(4)停電時應(yīng)及時將未化完的料扒出，并覆蓋木炭，做好密封覆蓋；來電后要根據(jù)停電時間長短及爐內(nèi)熔體溫度，制訂送電工藝；

(5)生產(chǎn)紫銅及低鋅黃銅時必須安裝測溫裝置，正確控制爐溫，防止過燒造成的斷溝。通常爐子熔溝底部與爐膛內(nèi)的溫差較大，最高溫差可達200～300℃。熔煉溫度過高造成熔溝壁耐火材料侵蝕熔化(爐膛內(nèi)出現(xiàn)瀝青狀物質(zhì))，熔化物在上浮過程中堵塞熔溝，造成斷溝死爐；

(6)規(guī)范轉(zhuǎn)爐操作。紫銅爐轉(zhuǎn)爐時銅水少，溫度低，轉(zhuǎn)爐時間長造成轉(zhuǎn)爐后基銅少，溫度低，在此情況下加料，操作不當即會出現(xiàn)斷溝。一般回爐后應(yīng)先送小電，提高基銅溫度(使基銅溫度從半凝固狀態(tài)恢復(fù)到液態(tài))后再加料。先加少量的料，熔化后再分批加料；

(7)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)斷溝后，有些爐型(雙熔溝、單相并聯(lián))可通過提高熔體溫度使斷溝接通，迅速傾動爐體也有效果。

5 結(jié)論

總結(jié)多年來安全使用熔爐的經(jīng)驗，筑好爐、開好爐是防止漏爐的關(guān)鍵；制定合理的開爐工藝、停爐工藝是防止開爐斷溝的關(guān)鍵；保持水壓是保證水套不漏水的關(guān)鍵；精心操作、規(guī)范操作是延長熔爐使用壽命的重要保證。以上做法多年來在黃銅爐、紫銅爐生產(chǎn)實踐中應(yīng)用，效果良好。