中频电炉熔铜炉炉衬

1、概况
    随着有色金属及船舶行业大型化的不断需要，对铸件的质量和单件尺寸重量的要求不断提高，传统的小型工频炉已无法满足要求，油炉因环境及铜合金主成分控制难而趋于淘汰。近年来国际上已出现了吨位50T~30T以上的大吨位无心中频/工频熔铜炉，其主要用于船用、航空和航天特大型铸件的浇涛，对于提高产品质量有重大的意义，国内这几年也引进了一部分无心熔铜炉，如苏州铜材厂引进的二手设备16T无心熔铜炉，属国内现有铜无心熔炼炉中的炉子。洛阳铜材厂，宁波兴业集团也相继引进了新一代的中频熔炼炉。为了赶超国际先进水平，促进我国感应电炉和船舶工业的发展，研制生产国内的中频无心感应熔铜炉——30吨熔铜炉。
    由于炉体尺寸的大幅度增加，对于炉衬耐火材料的技术和使用性能提出了新的要求，传统的炉衬耐火材料已不能适应这种要求。必须开展适应于大吨位炼铜炉使用的炉衬材料的研究工作。
2、炉耐火材料的毁损机理
    炉衬耐火材料的毁损主要是熔融金属、金属氧化物、熔渣的浸透和温度应力的作用造成的。
无心感应炉的炉衬较薄，所以衬体中存在着很大的温度梯度，极易导致炉衬开裂和剥落。当熔融金属、氧化物或熔渣沿着衬体的裂纹或气孔渗透到纵深内部时，则发生以下三种情况：
1）熔融金属发生氧化、还原或生成低熔点物质，致使衬体遭到侵蚀或产生龟裂、剥落。
2）熔融金属和耐火材料发生氧化反应，并伴随着体积膨胀，造成衬体膨胀而塌落。
3）强碱性的熔融金属或熔渣，流动性很好，对衬体的冲刷侵蚀较为严重。
紫铜为铜合金中渗透性较强的一种，其熔点为1083℃。熔炼时，熔融金属向衬体内部渗透，发生氧化并伴随着体积膨胀。当铜氧化为Cu2O时，体积增大0.64倍，氧化成CuO时，体积增大0.75倍。由于铜的氧化，造成炉衬材料的体积变化，致使衬体材料的组织结构产生龟裂，甚至发生剥落。此外，在一定的温度条件下，铜的氧化物能够与耐火材料衬体中的某些氧化物发生反应而生成液相，例如，氧化铜与SiO2的液相点为1060℃，与MgO的液相点为1135℃，与      AI2O3的液相点为840℃。由于低熔点物的生成，破坏了衬体材料的组织结构，并发生熔蚀现象，降低了材料的使用寿命。由于炉内金属铜液，温度高达1250℃以上，粘度与水近似，故其流动性和渗透性都很强，极易渗透到衬体中，经过反复的冷热体积变化，使衬体产生破裂，特别是在温度发生突变时，易造成衬体崩塌。
3、中频或工频无心感应熔铜炉用耐火材料应具有以下特点：
1）应具有优良的物理和化学稳定性，不易与熔融金属发生化学反应。
2）不粘渣（或少粘渣），便于清理，保持炉衬的完整。
3）具有很高的强度，由于无心炉溶金属时，产生很强的搅拌力，熔液对炉衬有很强的冲刷，因此，只有材料致密、高强度，才能耐冲刷，安全长久运行。
4）具有良好的热震稳定性，以满足因炉体不断倾倒熔液，而发生的冷热变化。
目前，国外大吨位无心炉普遍采用中性氧化物作炉衬。虽然石英砂价廉，国内资源丰富，但其易粘铜渣，热稳定性差，安全可靠性差。
4、30吨中频熔铜炉炉衬耐火材料研制
4．1、主材料选择
主材料是耐火制品的主体，是配方材料的特性基础。
目前，国外大吨位无心感应炉普遍采用中性氧化物作炉衬。而国内在用的耐火材料分为两大类：一类为酸性石英砂材料，一类为氧化铝为主成分的中性材料。根据我们的研究结果：中性氧化物为主体的炉衬材料是大吨位熔铜炉最合适的材料。
4．2、石英砂材料和中性氧化铝炉衬耐火材料的使用对比
1）石英砂炉衬材料
石英砂炉衬材料，在熔炼铜及铜合金（尤其是含有AL、Ni、Mn、Fe等金属的铜合金）时，由于SiO2属酸性氧化物，而Cu2O、NiO、MnO2均属于碱性氧化物，在熔炼过程中会发生如下反应：
SiO2 + Cu2O →SiO2·Cu2O
NixO2 + SiO2 →NixO2 ·SiO2
MnO2 + SiO2 →MnO2 ·SiO2
上述反应会使铜合金的成分不易控制，进而影响铸件质量，对功率较大的大吨位无心炉的影响尤为明显。同时，反应生成的产物会粘附在炉衬表面，使炉膛尺寸越变越小，熔化率大大降低。以大连船用推进器厂的1.5t熔铜炉为例，使用石英砂作炉衬，每次使用十多炉次，就出现严重粘渣，炉膛尺寸就减小10~20%，熔化时间延长1个多小时。
2）ZDL202中性氧化铝炉衬材料
采用ZDL202干式成型中性氧化铝炉料材料时，由于主成分是中性氧化物，并添加有特殊抗渗剂，与铜液中的Mn、Ni、Al等均为发生反映，而且特别抗铜的浸蚀，故不发生粘渣现象。
该材料在苏州铜材厂16吨工频熔铜炉上使用效果很好，炉衬寿命超过三年（700多炉次），而且尺寸自始至终变化不超过5%，从而保证了炉子自始至终高效率的正常使用。
4．3、30吨中频熔铜炉炉衬材料的研制
虽然ZDL202干式成型中性氧化铝炉衬材料在小、中型熔铜炉上使用效果很好，但对30吨中频炉来说，由于其深度和直径都发生了较大变化，炉衬在使用过程中要承受的静压力和热应力大为增加，这就对炉衬的性能提出了更高的要求。
根据大吨位炉子的结构特点和使用工况，我们重点对新材料的热稳定性、高温机械强度和抗浸蚀性能进行了深入研究。
1）对热稳定性的改进
耐火材料的热稳定性与材料的膨胀性能、导热系数、颗度组成有关。针对相同化学组成的材料，选择了多种添加剂，以促进高温烧结和矿物相的转化为目的进行试验，从中优选出最适合的一种。结果表明，适宜的添加剂可使材料中的高温莫来石相增加，含量达到85%以上。从而使材料具有较低的热膨胀系数。为了适当提高导热性能，增加了高导热材料的含量。
颗粒组成和颗粒尺寸，均影响材料的热稳定性，结合炉衬的厚度，先择颗粒分别为15mm、10mm、8mm、6mm进行级配试验，并考察对热稳定性的影响，实验结果表明，将颗粒控制在8~10mm，骨料的比例控制在55~65%。
2）提高材料的强度和抗浸蚀性
对无心感应熔炼沪而言，并非炉衬材料的强度越高越好，在足以抵抗金属液冲刷的情况下，更应注重提高材料的韧性。为此，彩了复合结合剂。复合结合剂的使用，大大改善了炉衬烧结层，半烧结层和松散层的性状。烧结层中少量高粘度的玻璃相，阻挡了金属液的浸入。粉料中增大了不被铜液润湿、不与铜液反应组分的含量，进一步提高了抗浸蚀性。复合结合剂中减少了800℃以下产生结合强度成分的含量，确保了炉衬松散层自始至终存在，从而有限阻止了炉衬裂纹的延伸及金属液的渗入深度。
3）ZDL202W干式成型材料的性能
对优选出的ZDL202W干式成型材料进行了性能测试，其性能见表1。
表1  ZDL202W干式成型材料理化性能
Tab.1  physical&chemical performances of ZDL202W dry molding material

项目
 性能
 
主要化学成分/%
 AI2O3≥75
SiO2≤20
 
矿物类型和含量/%
 莫来石＞85
刚玉＞5
玻璃相＞5
 
荷重软化温度/℃
 ＞1400
 
而压强度/MPa
800℃×3h烧后
1000℃×3h烧后
1300℃×3h烧后
 
＞6.0
＞8.0
＞15.0
 
体积密度g /cm3
 ≥2.7
 
烧后变化/%
 ＜+0.37
 
使用温度/℃
 1500
5、工业运行使用
       30吨中频熔铜炉于2000年初制造完成，随后在大连船用推进器厂安装调试，十月份打结炉时，所用材料为ZDL202W。十一月初投入使用。熔化合金为镍铝青铜。熔炼温度1350℃，炉子作业方式为：加料——熔化——浇铸——停炉——等待砂型制作。经过几年的使用，炉衬状况完好。炉衬在使用过程中，不粘渣、开裂少，不与铜合金发生反应，属国内首创，达到国际同类材料的先进技术水平。随后该材料又先后在洛阳铜加工厂进口的8吨中频熔炼炉等国内数十台无心熔铜炉获得了成功使用，完全替代了进口，总之ZDL202W中性熔铜炉用耐火材料具有极高的性能价格比，良好的耐久使用寿命，该炉衬材料的原材料完全立足国内，有很广阔的应用前景。

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