球墨鑄鐵用中頻爐爐襯使用壽命的影響因素

李海順，徐 超

(1.黃石新興管業(yè)有限公司，湖北 黃石 435005；2.湖北理工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

0 引言

中頻感應(yīng)電爐(以下簡(jiǎn)稱中頻爐)的工作頻率為50～2 000 Hz，由于其熔煉污染物排放量較少，具有綠色節(jié)能的特點(diǎn)，在球墨鑄造廠中的應(yīng)用越來越普遍[1-4]。熔煉是生產(chǎn)球墨鑄鐵過程中的關(guān)鍵工序，主要用于排除夾雜氣體，并均化合金成分及溫度。經(jīng)過球化和孕育處理后得到的球狀石墨能夠有效提高鑄鐵的機(jī)械性能，尤其是提高塑性和韌性，獲得比碳鋼還高的強(qiáng)度[5-7]。

作為熔煉工序的主體設(shè)備，中頻爐的使用壽命非常重要。中頻爐爐襯的高溫性能主要取決于所用耐火材料的物理、化學(xué)性能及礦物組成[8]。在原輔料選定的前提下，筑爐及烘爐工藝是使?fàn)t襯獲得良好顯微組織結(jié)構(gòu)以充分發(fā)揮耐高溫性能的關(guān)鍵工序。爐襯燒結(jié)的致密化程度與耐火材料的化學(xué)組成、顆粒配比、燒結(jié)工藝和燒結(jié)溫度等因素有關(guān)[9-10]。

雖然爐襯用耐火材料直接決定了其使用壽命，但是中頻爐是在一系列苛刻的物理、化學(xué)作用下工作的，爐襯的工作環(huán)境也會(huì)影響其使用壽命。因此，本文以黃石新興管業(yè)有限公司熔煉工序的中頻爐為分析對(duì)象，探討工作環(huán)境對(duì)其爐襯使用壽命的影響，提出提高爐襯使用壽命的建議，以期為球墨鑄鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展提供理論支持。

1 球墨鑄鐵用中頻爐的工作環(huán)境

熔煉工序的主要工藝技術(shù)為：利用中頻爐熔煉高爐鐵水中的廢鋼，降低C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；熔煉、消納、離心澆注工序產(chǎn)生的廢管和渣鐵；通過噴鎂和加硅鐵調(diào)控Mg和Si的成分。

圖1 熔煉工序的生產(chǎn)工藝流程

中頻爐的爐襯要承受熔煉過程中的高溫作用、加廢鋼等爐料時(shí)產(chǎn)生的沖擊、爐渣的化學(xué)侵蝕，以及間斷生產(chǎn)時(shí)急冷急熱的熱震沖擊等。若中頻爐在使用中因爐襯裂紋、局部侵蝕或局部剝落等因素造成損壞，甚至引起“穿爐”，將直接影響整個(gè)生產(chǎn)過程。

2 中頻爐爐襯的使用現(xiàn)狀

對(duì)熔煉工序1～7號(hào)中頻爐的使用情況進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)其使用天數(shù)并分析原因。熔煉工序1～7號(hào)中頻爐的使用情況統(tǒng)計(jì)如圖2所示，具體工作情況及分析如下。①2017.5—2018.6期間，爐襯整體使用時(shí)間較短，為20～50 d，主要原因?yàn)闋t襯砂的生產(chǎn)商不固定，存在多次更換爐襯砂生產(chǎn)商的情況。②2018.7—2019.11期間，使用某品牌爐襯砂，爐襯使用時(shí)間穩(wěn)定在50 d左右，甚至達(dá)到70 d，通過修補(bǔ)料工藝，使用時(shí)間高達(dá)120 d。③2019.12—2020.3 期間，1～3號(hào)爐的使用時(shí)間迅速減少，降到30～40 d，且發(fā)現(xiàn)渣中CaO和MgO含量較高。④2020.3—2020.11期間，爐體整體壽命較高，達(dá)到正常水平。⑤2020.12—2021.5期間，爐體壽命迅速降低，主要原因是使用了廢鋼作為硅鋼原料，爐膛底部粘渣嚴(yán)重。⑥2021.6—2022.3期間，爐體壽命恢復(fù)正常，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，1～5號(hào)爐的目標(biāo)使用時(shí)間為80 d，6～7號(hào)爐的目標(biāo)使用時(shí)間為60 d。

(a) 1號(hào)爐 (b) 2號(hào)爐 (c) 3號(hào)爐 (d) 4號(hào)爐

(e) 5號(hào)爐 (f) 6號(hào)爐 (g) 7號(hào)爐

基于對(duì)1～7號(hào)爐的使用情況統(tǒng)計(jì)與分析，發(fā)現(xiàn)影響中頻爐爐襯壽命的因素主要有如下5個(gè)方面：①爐襯砂的種類直接影響中頻爐爐襯的使用壽命，選擇合適的爐襯砂至關(guān)重要；②爐襯砂的搗打成型工藝對(duì)其性能影響顯著；③渣中CaO和MgO組分直接影響著爐襯的使用壽命，尤其是1～3號(hào)爐；④廢鋼的種類影響著爐襯的使用壽命，硅鋼中含有一定的Al元素，會(huì)迅速降低使用壽命；⑤工藝操作也影響著爐襯使用壽命，例如鐵水線的位置、加熱功率等。

3 中頻爐爐襯使用壽命的影響因素

熔體(鐵水)與耐火材料之間的高溫物理、化學(xué)作用是使中頻爐爐襯損毀的主要原因。爐襯使用的是搗打耐火材料，耐火材料之間的結(jié)合強(qiáng)度不高，在沖刷作用下容易剝落，使?fàn)t襯越來越薄，直至喪失使用功能，故爐襯的損毀主要發(fā)生在耐火材料剝落過程中。因此，以下從機(jī)械沖刷、化學(xué)侵蝕和熱穩(wěn)定性3個(gè)角度分析中頻爐爐襯使用壽命的影響因素。

1)化學(xué)侵蝕

球墨鑄鐵在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的渣的主要成分為MgO，CaO和SiO2，而耐火材料為硅質(zhì)材料，兩者在接觸界面處極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)化合物，溶蝕損毀耐火材料的工作面。因此，當(dāng)渣中的MgO和CaO含量過高時(shí)，爐襯的使用壽命會(huì)迅速降低。另外，廢鋼中的雜質(zhì)元素也會(huì)和耐火材料發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致爐襯損毀。若廢鋼中含有一定量的Al元素，Al與耐火材料中的SiO2發(fā)生反應(yīng)，形成高粘度的熔渣，會(huì)不斷侵蝕爐襯，降低爐襯使用壽命。

2)高溫?zé)崃鞯臎_刷作用

當(dāng)感應(yīng)圈接通交流電源時(shí)，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)切割中頻爐中的金屬爐料，并在爐料中產(chǎn)生感應(yīng)電路，同時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流——“渦流”。爐料就是靠“渦流”加熱和熔化的。在冶煉過程中，熔化了的金屬液在中頻爐的中心部分向上隆起，上下翻騰，因張力與重力方向相反，故在其頂部形成駝峰(“駝峰”現(xiàn)象)。駝峰高度(h)的計(jì)算公式為：

(1)

式(1)中，P為電磁感應(yīng)圈上的功率；d為金屬熔液的直徑；H為感應(yīng)爐內(nèi)金屬熔液的高度；G為爐內(nèi)金屬的總重量；ρ為爐內(nèi)金屬電阻率；f為感應(yīng)線圈頻率。

由式(1)可知，提高鐵水液面高度，或增加爐體直徑，有利于降低駝峰高度，減小機(jī)械沖刷力，同時(shí)還能控制爐襯機(jī)械沖刷的位置，實(shí)現(xiàn)爐襯的可控?fù)p毀；其次，控制加熱功率也可以降低駝峰高度，減少機(jī)械沖刷力。

鐵水流動(dòng)會(huì)在爐襯表面形成沖刷，進(jìn)而影響其表面結(jié)構(gòu)，形成腐蝕，所以鐵水的流動(dòng)性也是影響爐襯使用壽命的重要因素。鐵水溫度越高，流動(dòng)性越好，形成的機(jī)械沖刷力越大，對(duì)爐襯的腐蝕越嚴(yán)重。同時(shí)，鐵水中C和Si的含量越高，鐵水的流動(dòng)性越好，機(jī)械沖刷力更大。

3)機(jī)械沖擊和磨損

裝料時(shí)形成的撞擊會(huì)導(dǎo)致爐襯損毀，包括加廢鋼和兌鋼水對(duì)爐襯的沖擊與沖刷、鋼水與爐氣流動(dòng)對(duì)爐襯的沖刷磨損、清理爐口結(jié)渣的機(jī)械損壞等均會(huì)造成爐襯受損。

4)急冷急熱的熱震作用

爐襯經(jīng)常在1 600 ℃以上的高溫環(huán)境中工作，受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力。在兌入鐵水、停吹、出鋼以及裝料時(shí)，由于爐內(nèi)溫度急冷急熱變化很大，必將產(chǎn)生溫差應(yīng)力及其他一些外力，造成爐襯磚受損。另外，冶煉過程的終點(diǎn)前溫度很高，出鋼后溫度急降，裝完料后溫度又急升，這一特點(diǎn)會(huì)使?fàn)t襯表面出現(xiàn)裂縫，從而加快爐襯的破損速度。

4 提升球墨鑄鐵用中頻爐爐襯使用壽命的建議

1)選擇合適的爐襯砂直接決定著爐襯的使用壽命。

2)嚴(yán)格控制渣中MgO和CaO的含量。MgO和CaO含量較高會(huì)顯著降低爐襯的使用壽命。

3)嚴(yán)格控制廢鋼中Al元素的含量，防止Al與爐襯發(fā)生反應(yīng)生成低溫熔體。

4)控制鐵水中Si和C的含量，降低鐵水的流動(dòng)性。

5)嚴(yán)格控制加熱功率和液面高度，嚴(yán)禁低液面高功率加熱。冷料開始熔化時(shí)，應(yīng)先低功率送電約10 min，然后逐漸升高功率至額定功率的20%～30%約15 min，以使?fàn)t襯冷卻時(shí)在坩堝壁四周出現(xiàn)的細(xì)小裂紋愈合，最后再將功率調(diào)至額定輸出值。

6)嚴(yán)禁直接往爐底部投擲大塊廢鋼。在加廢鋼時(shí)，中頻爐底部加小料塊使之緊密，中部加大料塊，縫隙間填小料塊，上部爐料可適當(dāng)稀松。

5 結(jié)論

球墨鑄鐵用中頻爐爐襯的工作環(huán)境是決定其使用壽命的關(guān)鍵因素，爐襯的損毀因素主要有化學(xué)侵蝕、高溫?zé)崃鞯臎_刷作用、機(jī)械破壞和急冷急熱的熱震作用。為了提升爐襯的使用壽命，需要嚴(yán)格控制渣中MgO和CaO的含量，合理控制加熱功率，嚴(yán)格控制廢鋼中Al元素的含量，降低鐵水的流動(dòng)性。通過改善中頻爐爐襯的工作環(huán)境，可以顯著提高球墨鑄鐵用中頻爐爐襯的使用壽命。