合金冶煉中頻爐爐齡影響要素分析

陶力農(nóng)

（浙江杭鋼紫鼎工貿(mào)有限公司 杭州）

隨著中頻控制技術(shù)的成熟，中頻無芯感應(yīng)電爐（簡稱中頻爐）熔煉以其特有的方便、環(huán)保、工藝和設(shè)備簡單等優(yōu)勢，在鑄造行業(yè)廣泛應(yīng)用。目前在控制技術(shù)上已不存在問題，但中頻爐的使用爐齡（爐襯壽命）不夠理想，則是中頻冶煉過程中普遍存在的一個問題。

一、中頻爐簡介

1.中頻爐工作原理

中頻爐是將常用的低壓工頻（50 Hz）交流電轉(zhuǎn)變成頻率達200～10 000 Hz的交流電，配合相應(yīng)的冶煉設(shè)備進行金屬冶煉的一套電冶煉系統(tǒng)。主要原理為通過一套控制系統(tǒng)將三相工頻交流電整流成直流電流，通過逆變成為可控可調(diào)節(jié)的中頻交流電流。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，中頻電流的磁場在金屬材料產(chǎn)生渦流，釋放出大量的熱量直至將金屬熔化，完成電能到熱能的轉(zhuǎn)換，這就是中頻冶煉系統(tǒng)的工作原理。

中頻爐廣泛用于有色金屬的熔煉，主要用在熔煉鋼、合金鋼、特種鋼、鑄鐵等黑色金屬材料以及不銹鋼等有色金屬材料的熔煉，也可用于銅、鋁等有色金屬的熔煉和升溫、保溫。

2.系統(tǒng)構(gòu)成

中頻系統(tǒng)主要由中頻爐（爐體）、中頻電控系統(tǒng)、水冷卻系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成。爐體主要由爐殼、感應(yīng)圈、爐襯3個主要部分組成，爐殼用非磁性材料制成、感應(yīng)線圈由矩形空心紫銅管繞制成螺旋狀簡體，管內(nèi)熔煉時通冷卻水。爐襯壽命代表著技術(shù)裝備、工藝操作、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)效率、乃至生產(chǎn)成本的高低。

二、中頻爐爐齡的影響要素分析

中頻爐在冶煉過程中出現(xiàn)的主要問題有縱橫向裂紋、爐面襯層剝落、磨損等，爐襯容易裂紋導(dǎo)致多處崩裂造成局部區(qū)域過薄而報廢。同時金屬液由爐嘴與爐襯之間的裂縫流進爐襯，對爐襯使用壽命造成影響。

1.筑爐工藝不規(guī)范

當(dāng)前爐體的筑砌主要以個人經(jīng)驗為主，僅將相關(guān)的筑爐材料進行簡單的配比和燒結(jié)即完成。在此過程中，存在筑爐前對相關(guān)材料的質(zhì)量把控、材料檢測、材料性能等缺少定量規(guī)范。在筑爐過程中，爐襯材料的配比、粒度級配、打結(jié)料攪拌在處于人工操作狀態(tài)，沒有嚴(yán)格的計量支撐和檢測。爐體筑好后，在燒結(jié)過程中，燒結(jié)方法隨意性大，燒結(jié)溫度控制沒有量化標(biāo)準(zhǔn)。由此可看出筑爐工藝不明確，缺少量化指標(biāo)，很容易造成筑造的爐體先天不足。

針對該項問題，依據(jù)爐的大小和冶煉的鋼種以及設(shè)備控制系統(tǒng)的性能，對筑爐材料的粒度級配和臨界顆粒提出明確要求，常用＜2 t的爐子臨界顆粒直徑采用5 mm，同時明確了烘烤曲線。

2.爐襯打結(jié)質(zhì)量不高

（1）顆粒配比不規(guī)范。目前爐襯打結(jié)時，只是將購進的鎂砂簡單進行級配再加入一定比例的硼酸就打結(jié)爐襯，且配料過程中進行人工攪拌操作，使得爐襯不可避免形成空隙,這直接影響爐襯的燒結(jié)層。當(dāng)空隙的大小及數(shù)量達到一定程度就無法阻止鋼液的滲透,最終導(dǎo)致漏爐事件發(fā)生,因此合理的砂粒配比至關(guān)重要。

在實際操作中，根據(jù)爐底、爐壁的工作情況分別進行調(diào)整,底部由于高溫時間長,要求爐底強度高,因此粗砂的比例要大,而爐壁中粗砂的比例要相對偏小。

（2）燒結(jié)和烘烤過程。烘爐的主要目的是獲得較為理想的燒結(jié)層，燒結(jié)層的好與壞直接影響到爐襯的使用壽命，因此烘爐是延長爐齡的重要環(huán)節(jié)。紫鼎在用的打爐方式仍然為比較原始的濕法打爐，水分的存在使得燒結(jié)過程存在眾多不確定因素。

（3）存在的主要問題。烘爐手段缺乏，主要表現(xiàn)在爐體筑好后因水分含量高無法通電烘烤，必須通過自然燃燒木材將水分蒸發(fā)一部分。這個過程中因無法控制燃燒的溫度，使得爐體各個部位的水分含量不同，在通電烘烤前，留下了燒結(jié)不均的隱患。

烘烤溫度過程缺少定量控制，燒結(jié)結(jié)溫度不同燒結(jié)層的厚度也不同，由于燒結(jié)層不足爐體使用壽命則明顯降低。爐襯的烘烤與燒結(jié)一般分為3個階段，即烘烤、半燒結(jié)和完全燒結(jié)階段。每個階段的溫度、升溫速度和保溫時間都不相同，為防止在此產(chǎn)生裂紋，需要有嚴(yán)格的量化指標(biāo)進行控制。

3.煉鋼操作工藝不規(guī)范

（1）爐料裝入過程零亂。入爐料多為廢鋼鐵或生鐵塊，爐料的體積和單重相差很大，在裝料過程中搭配不合理，致使?fàn)t溫波動大，不穩(wěn)定，為防止因裝料過多或過少引起爐溫波動，需要在廢鋼場地堆放和裝料制度上進行明確規(guī)定。

（2）日常維護操作，首先，在熔煉過程中因爐壁殘留比較嚴(yán)重，工人在出鋼后用外力強制敲打使得燒結(jié)層受到瞬時撞擊而產(chǎn)生裂紋。其次在爐子使用上隨意性比較大，在煉鋼結(jié)束冷爐過程中，為追求方便，直接裝填入爐料降溫，使得爐體短時間內(nèi)熱脹冷縮引起裂紋。

三、延長中頻爐爐齡的措施

1.重視筑爐材料

主要體現(xiàn)在幾個方面，一是材料選擇，同樣選擇鎂砂，高質(zhì)量的鎂砂的顆粒度均勻、雜質(zhì)少，性能穩(wěn)定，筑爐前爐料要經(jīng)過人工檢查,保證其干凈清潔。二是顆粒配比要合理均勻，在攪拌過程中避免人工的攪拌，提高顆粒配比均勻程度。目前比較合理的配比有，爐襯用鎂砂配比3～8 mm占比50%～60%，0.5～3 mm占比10%～15%，0.5 mm以下占比35%。通過幾個試驗獲得的對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)對比

2.完善筑爐工藝

在優(yōu)質(zhì)的筑爐材料前提下，筑爐工藝中必須將筑爐的流程程序化、標(biāo)準(zhǔn)化，每一步都列出具體的方法和檢測指標(biāo)。主要包括爐料配比、搗料、爐底打結(jié)、爐壁打結(jié)、爐嘴打結(jié)以及燒結(jié)過程。

燒結(jié)過程嚴(yán)格按照既定燒結(jié)程序開展，例如烘烤階段，分別以100℃/h的速度將利用坩堝模加熱至500℃，再以50℃/h將爐溫升值600℃保溫2 h。目的是低功率時排除爐襯中的水分，同時在為了防止石英砂相變過程膨脹過快引起裂紋。半燒結(jié)階段，以70℃/h升溫至900℃保溫2 h。出鐵完全燒結(jié)階段，100℃/h升溫至1500℃出鐵。高溫?zé)Y(jié)是提高爐膛壽命的基礎(chǔ)，燒結(jié)溫度和燒結(jié)層厚度不夠,爐膛壽命明顯降低。燒結(jié)曲線見圖1。

圖1 燒結(jié)曲線

3.規(guī)范崗位操作制度

爐子在使用過程中，操作工藝對爐襯壽命的影響也非常重要，操作不當(dāng)將嚴(yán)重影響爐襯的使用壽命，尤其是新爐燒結(jié)層較薄時的操作更為重要。

（1）新爐第一次出鋼時，應(yīng)留有一半的鋼水即進行第二次加料冶煉，以此避免新爐爐襯燒結(jié)層厚度不夠的情況下聚冷產(chǎn)生裂紋。

（2）新爐應(yīng)連續(xù)熔化，且嚴(yán)禁重力敲打爐壁結(jié)垢層，加料時嚴(yán)禁將重物拋進爐膛。

（3）冶煉結(jié)束停爐時，應(yīng)空爐冷卻，嚴(yán)禁圖方便加入爐料，避免爐襯因快速冷卻產(chǎn)生裂紋，同時應(yīng)加爐蓋保溫。

（4）不同冶煉條件下爐齡的變化見表2。

表2 不同冶煉條件下爐齡的變化

四、結(jié)語

爐襯耐火材料品質(zhì)的提高是爐襯壽命的關(guān)鍵，材料選擇要和實際的生產(chǎn)需要和生產(chǎn)工藝相結(jié)合，煉合金鋼時需要比較高的熔煉溫度，所以選擇較高燒結(jié)溫度的爐襯材料，但是該類材料存在容易開裂的劣點。在冶煉煉鋼脫氧劑時熔煉溫度要求不高，不能盲目追求高燒結(jié)溫度的爐襯材料，這是需要引起重視的地方。另外，爐襯的修筑和維護必須標(biāo)準(zhǔn)化，要提高爐襯的壽命在重視筑爐和燒結(jié)的同時，必須規(guī)范操作和加強日常維護。