工頻爐爐襯破壞及預(yù)防研究

■王秀金，孫淑霞，趙春芝

工頻爐爐襯破壞及預(yù)防研究

■王秀金，孫淑霞，趙春芝

鋁合金熔煉爐襯的破壞形式與爐襯材料的化學(xué)成分、爐襯修筑和維護及鋁合金液熔煉工藝等有密切關(guān)系。數(shù)十年來，人們對鋁合金熔液、耐火材料及其之間的高溫性質(zhì)、反應(yīng)機理，以及爐襯烘爐工藝等做了大量的研究。結(jié)合我公司多年的實踐生產(chǎn)總結(jié)，詳細探討鋁合金液對工頻無芯感應(yīng)保溫爐爐襯材料的破壞形式、機理及其預(yù)防措施。

我公司熔煉鋁硅合金使用的是工頻無芯感應(yīng)保溫爐（以下簡稱工頻爐）。從生產(chǎn)實踐及研究來看，鋁合金熔煉爐襯在使用壽命周期中，其破壞形式歸納起來大致分為侵蝕、機械沖擊和磨損、熱震等幾類。

1. 侵蝕破壞

鋁合金熔煉爐襯的侵蝕破壞，主要是一種灰褐色剛玉質(zhì)礦物（俗稱剛玉瘤）的生成反應(yīng)，其主要成分為Al2O3、MgO·Al2O3、Al及少量Si等。此類侵蝕反應(yīng)，按發(fā)生的部位分為表面反應(yīng)和滲入反應(yīng)。

（1）表面反應(yīng)是積附在爐襯材料表面的反應(yīng)。 熔池中高溫鋁合金液，特別是熔煉Al-Mg、Al-Zn及Al-Si等合金，以及含有Mg、Zn、Si等成分的鋁合金時，合金元素與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，在鋁液表面會生成一種高氣孔膨松物質(zhì)（見圖1）。

由于爐襯材料中氣孔和微小裂紋的存在，液面以下的鋁液會在毛細管作用下沿爐墻向膨松物內(nèi)部滲透，再經(jīng)氧化形成剛玉礦物質(zhì)——鎂鋁尖晶石氧化物。這一過程持續(xù)進行，剛玉礦物質(zhì)不斷成長，且極易黏附在爐壁上。當(dāng)生成的剛玉礦物持續(xù)地積附在爐壁上，越積越厚，進而減小爐體的熔化空間，這就是我們俗稱的“掛渣”或“結(jié)瘤”現(xiàn)象（見圖2）。剛玉瘤的形成過程如圖3所示。

當(dāng)降溫（加料或停爐）→升溫熔化→高溫熔煉→保溫等生產(chǎn)操作頻繁進行時，爐襯就會受到交變溫度場的作用，爐襯內(nèi)部勢必產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力，又因膨脹系數(shù)的差異，積附在爐壁上的“結(jié)瘤”會引起耐火材料膨脹裂紋，并不斷向爐襯內(nèi)部擴展，使?fàn)t襯裂紋加?。ㄒ妶D4）；并且當(dāng)爐體熔化空間受到影響時，就必須將緊密附著在爐襯上的“結(jié)瘤”鏟除，在鏟除“結(jié)瘤”過程中，爐襯會在高機械沖擊下而受損，進而影響爐襯的使用壽命。

圖1

圖2

圖3

圖4

（2）滲入反應(yīng)是指滲入爐襯的鋁合金液與耐火材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。高溫合金液沿著爐襯材料中的氣孔和微小裂紋滲入到爐襯內(nèi)部，其中的Al、Mg等元素會與爐襯耐火材料中的Fe2O3、Cr2O3等雜質(zhì)及游離SiO2發(fā)生以下氧化還原反應(yīng)，最終生成剛玉礦物質(zhì)——鎂鋁尖晶石氧化物，對爐襯造成侵蝕破壞。

還原出的硅元素會降低鋁液黏性，使得鋁液更容易滲入到爐襯中，促進剛玉礦物質(zhì)的生成反應(yīng)，隨著反應(yīng)逐漸向爐襯內(nèi)部蔓延，并與耐火材料緊密結(jié)合造成爐襯體積膨脹，進而造成爐襯產(chǎn)生更多的細微裂縫，如此循環(huán)反應(yīng)，進一步加劇侵蝕過程，最終造成爐襯的崩毀或鋁液泄漏的意外事故。

2. 機械沖擊和磨損

爐襯機械沖擊和磨損的形式主要有加料損傷、沖擊損傷等。

（1）加料損傷是加料時爐襯受到來自爐料的靜、動載荷的沖擊沖刷損害。在初次裝料時，通常在爐襯底部裝入適當(dāng)數(shù)量的塊狀廢料，然后兌入鋁合金液，此時爐襯要受到爐料及自重靜載荷的作用，在加入塊狀廢料或兌入鋁合金液時，所產(chǎn)生的動載荷就會與靜載荷疊加并施加在爐襯上，造成對爐襯的沖擊沖刷與機械磨損。特別是加入尖、片狀廢料時對爐襯的劃鏟損傷更大。

（2）沖擊損傷主要來自鏟除爐壁上的“結(jié)瘤”時，鏟除機具對爐襯的沖擊損傷。試驗證明，鏟除機具對爐襯的沖擊力是加料沖擊力的10倍以上，對爐襯的損傷更大。大家知道，工頻爐是采用工業(yè)頻率電源進行感應(yīng)加熱金屬液，并實現(xiàn)均勻攪拌功能，不斷的“沸騰”也加劇了鋁合金液的氧化反應(yīng)，加速了爐壁上的“結(jié)瘤”形成，所以工頻爐爐襯上的“結(jié)瘤”幾乎每個班次就要鏟除一次。因此，鏟除機具對爐襯的沖擊損傷是非常大的。

3. 熱震破壞

熱震損傷是指熱應(yīng)力對爐襯的破壞，是由于使用不當(dāng)造成的。金屬液出爐后如不繼續(xù)使用，則爐溫就會下降， 在降溫過程中爐襯不僅有“熱脹冷縮”，還伴有石英的晶型逆轉(zhuǎn)變， 兩者共同作用的結(jié)果使?fàn)t襯燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋、翹起、剝落等損傷（見圖5）， 當(dāng)重新起用時被損傷的燒結(jié)層可能局部損毀，致使?fàn)t襯壽命大幅下降。再就是，在爐溫下降過程中，爐襯表面會形成大量的微細裂紋，這些裂紋并不太深，當(dāng)爐襯緩慢升溫到足夠溫度時，這些微細裂紋就會自己彌合，對爐襯不會造成多大損壞。但如果冷爐啟動升溫過快，微細裂紋來不及彌合就有合金液侵入，會加劇侵蝕反應(yīng)，對爐襯造成極大的損壞。因此，應(yīng)盡量避免熔煉爐的間斷操作。如果企業(yè)產(chǎn)量低，采用晝開夜停生產(chǎn)，可在末次出爐留1/3金屬液夜間低功率保溫，第二天加料繼續(xù)生產(chǎn)，這樣運行要比頭天停爐、第二天重熔還要省電，更重要的是可大大降低對爐襯的損害，取得更佳的綜合經(jīng)濟效益。

4. 預(yù)防措施

（1）正確選擇爐襯耐火材料 了解鋁合金熔化料的種類及成分，并據(jù)此選擇合適的爐襯耐火材料，對提高爐襯使用壽命尤為重要。特別是隨著鋁合金材料的發(fā)展，對合金性能、資源和成本控制的需要，合金的熔煉工藝要求更加苛刻，例如：為提高生產(chǎn)效益及降低能耗成本，耐火爐襯要能適應(yīng)更高的熔煉溫度、更低的熱損耗，以減小爐襯厚度，增加熔池容量；為適應(yīng)更多品種及更加繁雜、苛刻的鋁合金生產(chǎn)工藝，耐火爐襯要能適應(yīng)更多種類合金、不同種類和化學(xué)性質(zhì)的助熔劑，以及更加繁雜的熔煉、凈化處理工藝的侵蝕反應(yīng)；為使用更多的廢鋁作為原料，耐火爐襯要能適應(yīng)攜帶了更多化學(xué)物質(zhì)廢鋁原料的侵蝕反應(yīng)。在這方面，很多技術(shù)人員進行了有益的探索，不同形態(tài)的爐襯新材料被研究并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。例如：在耐火材料中加入與鋁合金液不易浸潤的不粘鋁劑材料；在熔煉過程中不產(chǎn)生游離SiO2的耐火材料；具有更好抗化學(xué)侵蝕能力的高純莫來石基耐火材料等。這些新材料的應(yīng)用，改善了傳統(tǒng)爐襯材料存在的不足，取得了非常顯著的效果。

圖5

（2）保證爐襯施工與烘爐質(zhì)量 筑爐施工與烘爐的質(zhì)量是影響爐襯使用壽命的重要因素之一。包括砌筑接縫控制、澆注料加水量及攪拌時間的控制、振搗效果及振實密度的控制、澆注料裹挾氣體的排除控制、烘爐溫度及時間的控制等，這些都應(yīng)嚴格按照施工工藝執(zhí)行。根據(jù)我公司實踐生產(chǎn)總結(jié)，重點要做好以下幾點的控制。

第一，筑爐準備：①模具（板）準備。模具（板）應(yīng)有足夠的強度和剛度，焊縫要清理干凈并打磨平整；模具（板）拐角處必須設(shè)計足夠的過渡圓弧，圓整平滑，允許設(shè)計2°～3°的起模斜度（見圖6）。②爐體準備。爐體無破損；爐體、爐嘴內(nèi)無雜物。

因為不同材質(zhì)受熱膨脹不同，所以會引起爐襯裂紋，另外可燃物燃燒、氣體膨脹等也會引起爐襯裂紋。

第二，筑爐施工：①虛鋪除氣。每次加料虛鋪厚度不超100mm，以（80±10）mm為宜。然后用除氣叉邊除氣邊將耐火澆注料的厚度搞均勻，如此操作至少4遍，以降低爐襯耐火澆注料的氣孔率并減小氣孔孔徑，這樣會大大降低合金熔液對耐火澆注料的滲入。②搗實。將圓形搗頭安裝在BOSCH振搗器上，從鋪筑面的中心開始以螺旋線的軌跡向外振搗。圓形搗痕重疊面積不小于圓形搗頭的1/5，每鋪筑層振搗2～4遍。③層間銜接。在鋪筑上一層之前，先用除氣叉將已經(jīng)搗實的鋪筑層表面劃松，劃松深度為10mm，這樣做是為了防止分層，同時也能將振搗過程中分離到表面的大顆粒料重新分配。然后加入新一層澆注料，重復(fù)除氣、搗實操作，直至鋪筑到要求的厚度。注意：爐墻鋪筑高度要高出正常熔煉液面30～50mm。

第三，爐嘴施工：爐嘴施工要在爐襯施工前完成，這樣可以產(chǎn)生一個垂直方向的耐火材料接口，從而減少爐嘴下面水平裂紋金屬液滲漏的機會，也能保證爐墻一個連續(xù)的垂直耐火材料滑動面。

第四，爐襯的預(yù)熱與燒結(jié)：①一般情況下，爐襯鋪筑完成就應(yīng)當(dāng)進行燒結(jié)。如果不能馬上燒結(jié)，應(yīng)在模具（板）的底部用煤氣焰或加熱板進行干燥，以防爐襯材料吸潮。②爐襯的燒結(jié)過程尤其注意升溫速度的控制，圖7為爐襯預(yù)熱-燒結(jié)溫度曲線。

（3）嚴格控制熔煉溫度 生產(chǎn)實踐證明，爐襯的壽命受到使用過程中生產(chǎn)操作的影響很大。長時間超高溫運行會大大降低爐襯的使用壽命，因為提高鋁液溫度勢必會降低鋁合金液的黏度，加快鋁合金液向爐襯內(nèi)部滲透，并且長時間超高溫運行會增加氧化還原反應(yīng)及鎂鋁尖晶石氧化物的生成強度，加重鋁液對耐火材料的侵蝕。研究也表明，剛玉瘤生長速度與溫度有很大關(guān)系，會隨著溫度的提高而加速生成，如圖8所示。

另外，當(dāng)熔煉鋁合金的操作溫度過高時，為改善耐火材料性能，在耐火澆注料中所添加的不粘鋁劑會隨之分解，從而降低或喪失抵抗鋁液侵蝕的效能。

（4）優(yōu)化加料工藝，降低加料過程對爐襯的損壞 初次裝料，向爐底裝入適當(dāng)數(shù)量的塊狀廢料時，要使?fàn)t體傾轉(zhuǎn)一定的角度，用料斗將塊狀廢料加入爐內(nèi)，要注意落下高度的控制，避免塊狀廢料對爐襯的正面沖擊，特別是加入尖、片狀廢料時更應(yīng)防止劃破爐襯。兌入合金鋁液時，合金液流要與爐壁相切順流到塊狀廢料上，避免對爐襯的正面沖刷。

圖6　模具（板）

圖7　爐襯預(yù)熱-燒結(jié)溫度曲線

圖8　剛玉瘤生長速度與溫度的關(guān)系

（5）要研究并掌握清除剛玉瘤的工具和技巧 鋁合金熔煉過程中，爐壁“掛渣”是不可避免的，但選擇科學(xué)的清除工具和技巧，卻可以大大降低清除“結(jié)瘤”時對爐襯的機械沖擊破壞。我公司的操作要點是：①及時清除。隨著熔池內(nèi)鋁合金液面下降，要及時清除爐壁上的“掛渣”，不要等到“掛渣”成長為“結(jié)瘤”后再進行集中清除，一旦形成剛玉化礦物且向爐襯內(nèi)部延展，就很難清除，并且會加速耐火材料的破損。②“濕潤”狀態(tài)下清除。即爐壁上的“掛渣”暴露出來后隨時清除，不要等到冷卻凝固后再費力清除，那樣清除時的沖擊力對爐襯破壞更大。③鏟除時要沿爐襯的軸向用力。④鏟除操作時，要按“小、少、碎”的原則進行鏟除。⑤研究旋銑工具代替扁鏟工具，最大限度地降低對爐襯的沖擊破壞。

（6）應(yīng)合理選擇助熔劑和清渣劑，減輕對耐火材料基質(zhì)的破壞 助熔劑和清渣劑所含的鹽類成分極易溶解在鋁合金液中。試驗表明，含鹽和不含鹽的鋁液對耐火材料的侵蝕情況是不同的。相同條件下，含鹽鋁液對耐火材料的侵蝕更為嚴重。如果不可避免使用含鹽助熔劑或清渣劑，應(yīng)做到勤扒渣，以降低其對爐襯的侵蝕。

5. 結(jié)語

爐襯的損壞可分為正常損壞和異常損壞，異常損壞是造成爐襯壽命降低的關(guān)鍵。要提高爐襯壽命，一是要避免異常損壞，二是要改善或減緩正常損壞。要避免異常損壞，只有通過科學(xué)選擇耐火材料，改善筑爐工藝，以及優(yōu)化烘爐工藝等措施防止?fàn)t襯先天缺陷的形成。通過科學(xué)合理的使用和維護，可以改善或減緩爐襯的正常損壞。我公司通過深入研究和實踐總結(jié)，采取了一系列措施，工頻爐爐襯使用壽命由最初的2000爐次提高到了8000爐次以上，取得了非常顯著的效果。

王秀金，孫淑霞， 趙春芝，山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?。