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化鋁爐用耐火材料
發布時間：2018/1/3 10:53:40 點擊率： 來源:艾米 作者：榮盛耐材1、前言
隨著社會發展和人們生活水平的提高，鋁和鋁合金的用量呈明顯的增加趨勢。感應爐作為鋁和鋁合金的主要熔煉設備品種，越來越受到人們的重視，因而，感應熔鋁爐用耐火材料已成為鑄造作業者非常關心的技術問題之一。
在此，就本所多年來在這方面所作的研究工作作如下敘述：
2、感應熔鋁爐用耐火材料應具備的特點
2.1工頻有芯感應爐的工作特點
有心感應爐的熱源來自位于爐體下部的溝槽式感應器，鋁液在熔溝內被感應加熱，再通過循環或單向流動與爐膛內的鋁液熱交換。大噸位有心感應熔鋁爐采用了美國阿杰克斯(Ajax)公司研制的噴流型感應器。這種感應器不僅大大減小了熔溝內金屬液與爐膛內金屬液的溫差，也可防止化學反應生成物在熔溝壁上的聚積，在一定程度上改變了熔溝堵塞情況，但是由于電動力加大，鋁液流動速度提高，以及熔溝形狀的復雜化，增加了內襯耐火材料的磨損和結構應力;熔溝壁的減薄和水冷套的設置，增加了耐火材料承受的熱應力。
有心感應爐的低能耗在于其連續性的作業方式，這無疑使熔溝耐火材料與熔液發生反應的時間和機會增加，同時堵溝的可能性始終存在。
2.2無心感應爐的工作特點
常用的無心感應爐分為工頻和中頻兩種，從目前的發展趨勢看,中頻爐更有前景。兩者的共同點在于可根據需要采用間斷或連續運行方式,爐子由于不斷重復“加料-熔化-出爐”的作業過程，爐襯承受很大的熱應力。工頻爐爐內金屬液比中頻爐爐內的翻騰更厲害，即爐襯受到的沖刷較嚴重，而中頻爐的比功率大(是工頻爐的兩倍)、功率密度高、熔化速度快，冷熱交替更快。由于匝間電壓高(約為工頻爐的2～4倍)，通過裂縫滲入爐襯的金屬液過熱、并造成線圈損壞的可能性比較大。
2.3耐火材料應滿足的要求
爐襯耐火材料，不論是用于有心感應爐，還是無心感應爐，都應滿足以下要求。
(1)有良好的化學穩定性
金屬鋁及鋁合金不僅化學活性高，而且其熔液的流動性極好。鋁熔液在750℃時的粘度僅為1.04厘泊，與20℃時水的粘度(1.0厘泊)相當接近,這就是其易向爐襯內部滲透和發生化學反應的主要原因。在鋁液同耐火材料相接觸的溫度下，鋁起強還原劑作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、FeO等氧化物要被鋁還原。鋁液同爐襯耐火材料之間的反應不僅使產品的質量受到影響，而且使爐襯表面結瘤、鼓包和沉淀雜物，受鋁液浸漬部分和原磚的界面有出現裂紋的危險，停爐時還會引起剝落。所以，同鋁液接觸的爐襯材料，需要具有很高的化學穩定性和盡可能少的浸漬量。
(2)有良好的抗沖刷性
一般為了使爐子有較高的電效率，爐壁材料都設計的很薄，但爐子運行過程中，由于電磁力的作用，爐內金屬液不停地翻騰和攪拌，對爐襯不斷地沖刷和磨損。對有心感應爐，由于采用了噴流型熔溝，熔溝耐火材料受到的沖刷和磨損更為嚴重。所以，要求所用耐火材料需要具有很高的機械強度和硬度。
(3)有較高的致密度和體積穩定性
作為熔煉爐用耐火材料，在材質一定的情況下，都希望獲得較高的致密度和體積穩定性。體密的高低，反應了成型體內部氣孔含量多少，特別是燒結程度的好壞。材料的體積穩定性愈高，燒結和使用過程產生裂紋的可能性愈小，所產生裂紋的寬度愈小，抗滲透能力愈強。
(4)不易產生爐瘤
極少可能由于熔融物表面或內部存在的雜質(例如Al2O3)而形成爐瘤。因為爐瘤會使爐子容量顯著降低，而且金屬瘤本身致密、堅韌，除掉是非常困難的。
(5)不易被金屬液潤濕和滲透
眾所周知，耐火材料是脆性材料，在加熱和冷卻過程中不可避免地要產生裂紋。但決定其壽命的關鍵因素之一是裂紋的大小和裂紋擴展的速度。而裂紋擴展與金屬液對所接觸材料的潤濕和滲透能力大小有關。潤濕能力愈差，愈有利。
(6)耐急冷急熱性能好
這一點對無心感應爐特別重要。因為無心爐作業方式為“加料—熔化—出爐”過程的不斷循環，爐襯材料反復受到熱沖擊。若耐火材料熱震穩定性不佳，則極易產生裂紋和裂紋擴展，金屬液會在短期內滲透到線圈處，導致整臺爐襯報廢。
3、感應熔煉爐用耐火材料
雖然有心感應爐與無心感應爐的工作溫度相近，但由于結構上的差異，運行方式的不同，適用的耐火材料不盡相同。我所從八十年代初至今，在開發研制熔鋁爐用耐火材料方面作了大量的研究工作，成功研制了特別適合有心爐使用的高強澆注料，無心爐使用的干式成型材料。
3.1有心感應爐用高強耐火澆注料
有心感應熔鋁爐的爐襯材料分為爐蓋、爐膛、喉部和感應器熔溝耐火材料四部分。喉部，特別是熔溝耐火材料是關鍵的材料，直接影響爐子的壽命和運行成本。
(1)爐蓋耐火材料
爐蓋的主要作用是減少爐子的熱損失，防止加料及熔化過程中金屬液的飛濺。這就要求爐蓋材料保溫性能好，重量輕和抗侵蝕性強。基于此，目前大都采用重量輕，導熱系數小的硅酸鋁耐火纖維作襯里，由于工作溫度通常低于800℃，因而多采用耐熱鋼鉚釘和耐熱鋼網將其固定在爐蓋殼體上。這種爐蓋不僅保溫絕熱而且輕巧，因而關閉和打開十分方便。
(2)爐膛耐火材料
爐膛耐火材料在使用過程中所受到的物理化學作用，雖不如熔溝耐火材料那樣苛刻，但其化學特性也應對鋁液呈惰性，有較高的強度和密度。所以，應采用性能優良的低氣孔、高密度高鋁磚砌筑。砌磚過程應特別注意減小磚縫的寬度，并用泥漿打飽。
(3)喉部及熔溝耐火材料
喉部和熔溝結構復雜，不宜用磚砌筑，主要采用不定形耐火材料。我們在認真分析了熔溝耐火材料受力狀況后，根據國內的實際情況，就顆粒級配，結合劑用量，水泥分散促進劑用量等，作了大量的試驗室研究工作，研究出了一種特別適合有心感應爐感應器使用的高性能澆注料。該澆注料采用高鋁質耐火材料，以剛玉、莫來石為主晶相，其理化性能指標見表1。
分析表1數據，可以看出，這種澆注料常溫和高溫強度均很高，特別是850℃燒后強度相對110℃烘干強度而言，降低幅度較小，所以，這種澆注料在使用過程中抗沖刷、耐磨損。
侵蝕試驗表明，這種材料不易被鋁液浸潤，無反應跡象。
3.2無心感應熔鋁爐用耐火材料
無心感應爐由于其靈活的作業方式，特別是靜態變頻技術的發展和進步，發展極為迅速。然而，隨著爐子功率和容量的增大，熔化鋁質量的提高，對所用耐火材料的要求更加苛刻。
作為無心感應爐用耐火材料，應具有十分優良的熱震穩定性和抵抗裂紋擴展的能力。顯然，有心感應爐使用的澆注料用作無心爐爐襯是不適宜的。根據國內外無心爐爐襯的實際使用情況，我們把主攻方向定在干式成型耐火材料上。
干式成型耐火材料是一種幾乎不含水分和任何液態加入物，經短時間振動或搗打成型即可快速升溫、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一種特殊的熱凝結性耐火材料，加熱時燒結劑產生作用使得工作層有極高的強度，而非工作層仍保持未燒結的散狀結構。在使用過程中，當熱面工作層開裂時，尚未燒結的襯墊層可吸收局部集中的熱應力，防止裂紋的延伸，保證爐子安全使用。
自1989年起，我們在調查研究的基礎上，就原材料選擇、顆粒級配、結合劑選用等作了大量試驗工作。經過對多組配方的綜合對比試驗，終研制出了含有特殊低溫燒結劑的新型中性干式成型爐襯材料。
4、實際使用情況
有心感應爐熔溝耐火材料,1984年開始投入使用，先后用于昆明民族鋁制品廠的5噸爐，蘭州鋁制品廠和青海鋁制品廠的5噸爐。長壽命達8個月，正常使用壽命維持在半年以上。實踐證明，這種濕法澆注料施工工藝簡單，各項性能優良，使用壽命長，是大型有心感應熔鋁爐用之可靠的爐襯材料。
無心感應熔鋁爐用干式成型耐火材料，1992年開始實際使用。該料采用手持式振動器或裝配有專用搗打頭的風鎬分層搗打。整個施工周期大大短于濕法澆注料。從92年至今先后有數眾多廠家采用該耐火材料筑爐。
無論是工頻無心感應爐,還是中頻無心感應爐,采用高性能干式成型材料筑爐后,爐襯的長使用壽命達到了八個月。
5、總結
我所研制的有心感應熔鋁爐和無心感應熔鋁爐用耐火材料，立足國內資源，以低廉的售價(僅為進口材料的1/4～1/5)和優良的性能(耐火材料正常使用壽命可達5-6個月，注：冶煉特殊合金除外)而受到眾多用戶的信賴和采用。我們仍在不斷努力，使配方材料的性能進一步提高，力爭取得到更佳的使用效果。
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