中頻爐爐襯壽命的影響因素分析及改進實踐

肖連華，黃 明，曹瑞榮

（唐山鋼鐵集團 重機裝備有限公司，河北 唐山063036）

中頻爐常用頻率為150～2 500 Hz，具有對電網(wǎng)干擾小，對環(huán)境影響小，合金元素燒損少，設(shè)備投資少，溫度控制方便等優(yōu)點，在我國鑄造業(yè)應(yīng)用已非常普遍。但是中頻爐襯壽命對經(jīng)濟效益、安全性等都至關(guān)重要，促使我們研究改進提高中頻感應(yīng)爐爐襯壽命，切實做到保證安全與生產(chǎn)順行等方面發(fā)揮作用。

1 存在問題及原因分析

影響爐襯壽命的主要因素包括：鋼鐵料的質(zhì)量與尺寸、爐襯打結(jié)燒結(jié)質(zhì)量、冶煉操作及爐渣化學侵蝕、耐火材料質(zhì)量等級等。

我廠原中頻爐爐襯壽命一般為60～80 爐次，且?guī)缀醵际且蚵t拆爐，影響生產(chǎn)節(jié)奏并易造成安全隱患。

1.1 使用鍍鋅板廢料易造成爐襯燒穿

鋅的熔點為420 ℃，沸點為906 ℃，在鐵液中的鋅呈蒸氣狀態(tài)，鋅蒸氣在高壓的作用下，將有部分鋅向爐襯的孔洞中移動，在420 ℃左右的溫度區(qū)域，以ZnO 或金屬鋅的狀態(tài)凝固并逐漸堆積，最終致使爐襯燒穿而造成過早損壞。

1.2 酸性爐襯料的特性影響爐襯使用壽命

酸性爐襯料因SiO2本身性質(zhì)轉(zhuǎn)變，當573 ℃時β-石英向α-石英的轉(zhuǎn)變，發(fā)生相變，體積膨脹率約為0.82%；當870 ℃以上時α-石英向α-鱗石英的轉(zhuǎn)變速度很慢，體積膨脹率為16%；當1 470 ℃時α-鱗石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?方石英，體積增大4.7%，導致在轉(zhuǎn)變過程中體積膨脹，爐襯裂紋并致使線圈損壞，影響爐襯使用壽命[1]。

1.3 鋼鐵料質(zhì)量對爐襯的影響

嚴重銹蝕和黏砂返回爐料澆道等加入會產(chǎn)生過量的熔渣，易造成爐料搭棚；鋼鐵料中FeO 與酸性耐材接觸后易于生成熔點為1 205 ℃的鐵橄欖石（Fe2SiO4），鐵橄欖石還能進一步與 SiO2或 FeO 作用，生成熔點為1 130 ℃的共晶組分侵蝕爐襯材料；為回收合金元素，大量使用尺寸與重量超出要求的廢軋輥等廢鑄件冶煉，爐料致密度較差，影響熔化效率，冶煉時間長，爐襯侵蝕嚴重。

1.4 冶煉操作對爐襯的影響

1.4.1 熱烘爐升溫速度過快

致使爐襯燒結(jié)層因巨大相變應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋和疏松；爐襯燒結(jié)過程中，在反復的熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂紋擴展到整體，使金屬液滲透到感應(yīng)線圈，導致重大漏爐事故，造成爐襯報廢。

1.4.2 冷凝金屬起熔

中頻爐反復驟熱驟冷，導致爐襯因熱疲勞開裂，最終導致穿爐等事故。

1.4.3 熔煉過程中熔渣的影響

熔渣的散熱速度高于金屬液的傳熱速度時，熔渣表面結(jié)殼，渣殼下部空間形成密閉環(huán)境，熔煉產(chǎn)生的氣體不能及時釋放，達到一定壓力氣體會頂開渣殼造成金屬液、熔渣噴爆事故。

1.4.4 加料的影響

一次加料過多，爐料卡死、架空；爐料結(jié)構(gòu)不合理，上部料塊小熔點高，下部料塊大熔點低；爐料熔化后，爐料帶入的游離氣體受熱迅速膨脹釋放，造成金屬液與熔渣飛濺，將上部爐料粘結(jié)在一起導致爐料架橋；爐料架橋后，下部熔池溫度則不斷升高，在爐內(nèi)形成高溫、高壓氣氛，金屬液對爐襯耐火材料侵蝕嚴重，甚至導致爐體局部金屬液泄漏，使其冷卻水進入金屬熔池引起大爆炸。

1.4.5 冶煉溫度控制方面

長期高溫控制對爐襯侵蝕嚴重。

1.5 爐襯打結(jié)質(zhì)量差

中頻爐爐襯打結(jié)的緊實度或燒結(jié)質(zhì)量差，熔爐過程中有鋼液滲入爐襯的裂隙，滲入的鋼液在感應(yīng)加熱的作用下，在裂隙中繼續(xù)深入，直到接觸線圈、引起短路，甚至造成重大的安全事故。

1.6 感應(yīng)圈漏水對爐襯的影響

中頻爐金屬液的電磁攪拌沖刷爐襯材料、 導致熔蝕加劇，爐襯的某些部位被嚴重侵蝕而失效，金屬液會在該處穿爐并黏在感應(yīng)圈上，造成兩層感應(yīng)圈之間短路、燒穿，線圈內(nèi)的冷卻水進入爐中導致鋼水爆炸，造成爐襯報廢。

2 改進措施

2.1 對爐襯耐火材料的性能、粒度級配必須符合要求（見表1）

粒度要求：粒度 5～8 mm 硅砂 20%；2～3 mm 硅砂25%；0.5～1 mm 硅砂 30%；硅石粉 25%。

表1 酸性爐襯料技術(shù)要求

硅砂的石英相變膨脹能彌補燒結(jié)過程中的體積收縮，從而提高燒結(jié)層的致密度,降低爐襯燒結(jié)層中的孔隙率。一般使用硼酸作為黏結(jié)劑，主要作用是降低燒結(jié)溫度，改善燒結(jié)條件，提高燒結(jié)質(zhì)量，降低體積變化裂紋傾向[2]。

2.2 改進打結(jié)和燒結(jié)工藝

（1）爐底采用薄層加料，逐層打結(jié)工藝。隨著爐膛直徑的變化，每次加料高度約40～70 mm[3]。搗固叉要能從上層插到下層。打完爐底層后，安裝好爐胎，做到安放平衡、端正。

（2）打結(jié)爐襯時，先繞著爐胎外緣均勻打?qū)?，然后，再逐次向外打結(jié)。打完一層后，用搗固叉輕輕撥松打結(jié)層表面然后再加入下一層打結(jié)料。

（3）打結(jié)爐領(lǐng)與爐嘴時，往打結(jié)料內(nèi)添加黏土-水玻璃，加入量為20%，作為黏結(jié)劑。

（4）燒結(jié)時要求做到：低溫緩慢烘烤，高溫滿爐燒結(jié)（具體烘爐燒結(jié)工藝如圖1 所示）。往爐內(nèi)加入5%左右的碎玻璃，以使爐襯燒結(jié)成釉質(zhì)表面。燒結(jié)層厚度約占爐襯厚度的35%～40%，與燒結(jié)層相接的是半燒結(jié)層，厚度大體上與燒結(jié)層相同。

圖1 20 t 中頻感應(yīng)電爐燒結(jié)升溫及保溫曲線圖

2.3 原材料質(zhì)量改進

明確要求各種原材料的化學成分； 廢鋼和回爐料都必須干燥、無泥沙、無油污；裝爐材料的最大尺寸不能大于內(nèi)腔尺寸的1/2；禁止加入混有Zn 和Mg等金屬的爐料, 以免產(chǎn)生金屬液外溢的危險。

2.4 工藝方面

2.4.1 適當造渣

裝料時在爐底鋪裝少量造渣材料，收集與清除金屬液中的雜質(zhì)，保護金屬液不被氧化和免受氣體侵入。采用酸性爐襯，可在爐底鋪加少量碎玻璃，有避免爐渣侵蝕爐襯和保護鋼液的作用； 采用堿性爐襯，用小塊石灰石，石灰石受熱分解釋放CO2，上浮過程中還有吸附鋼液中的氣體和非金屬夾雜物的作用。

2.4.2 禁止過度升溫操作

燒結(jié)層薄，應(yīng)盡量避免大功率送電，產(chǎn)生過激的電磁攪拌，使爐襯損傷，通常前48 h 內(nèi)不超過額定功率的60%～70%。對于鐵液在1 300 ℃以下、對于鋼液在1 500 ℃以下溫度實施保溫，調(diào)整成分合適后在出爐前10 min 升溫。

2.4.3 改進爐胎設(shè)計

從提高爐襯的使用壽命來說，應(yīng)適當增加爐襯的厚度。但是隨著爐襯壁厚度的增加，電阻值增大，無功損失增高，電效率下降。因此，爐襯壁的厚度應(yīng)限制在一定范圍，必須選定合理的壁厚，既保證高的電效率又確保了爐襯的使用壽命（改進后爐胎尺寸如圖 2 所示）。

圖2 20 t 爐胎尺寸圖（單位：mm）

2.5 安全使用爐料技術(shù)

禁止使用潮濕、密封及管狀爐料潮濕的爐料；薄鋼板和鐵屑料應(yīng)加在潔凈鐵液之中，以防止被電磁力拉向爐壁而造成熔渣卷入，使其熔化變得更加困難；禁止一次性大量向爐內(nèi)加入金屬爐料，以防產(chǎn)生鐵液凝固、 爐料搭棚和氣體爆炸等事故； 生產(chǎn)過程中，不允許一次性裝料過滿甚至超出爐口；減少加料時料斗和金屬料對爐襯的沖擊，停爐時對爐襯保溫，防止溫度下降造成爐襯開裂[4]。

2.6 日常維護與檢查

定期使用量具對內(nèi)襯尺寸進行檢查，修補缺陷[5]。定期檢測爐體溫度、循環(huán)水量、預(yù)防因過量加料而引起的金屬液鉆入爐襯事故發(fā)生。修補方法如圖3所示。

圖3 爐襯修補方法

3 改進效果評價

（1）以上措施綜合實施后，20 t 中頻爐爐襯壽命由原來的60～80 爐次提高到100 爐次以上，不但滿足安全與生產(chǎn)需求，而且噸產(chǎn)品冶煉成本降低了120 元。

（2）拓寬了中頻爐使用技術(shù)，為同行提供安全、高效的中頻爐使用經(jīng)驗。

（3）其他影響中頻爐爐襯的因素有待繼續(xù)研究分析并制定相應(yīng)措施。