耐火材料在有芯感应炉的应用及发展

耐火材料的应用非常广泛，例如民生、高温工业、航天等领域，今天介绍一下耐材在有芯感应炉的应用及发展，下面请看详细介绍。

 

有芯感应炉是有铁芯穿过感应器并用工频电源供电，利用电磁感应原理使金属炉料发热熔化的设备。有芯感应炉具有加热快、生产率高、金属烧损少、操作方便、投资少、经济效益显著等优点，广泛应用于化铁、化铜、化锌、化铝等行业，特别是对于单一品种大批量冶炼的物料具有其优越性。

有芯感应炉用耐火材料的选择非常重要，直接关系到炉子的使用效果。有芯炉用耐火材料分为：背衬耐火材料和炉衬耐火材料，背衬材料一般为陶瓷保温纸、保温砖及重质砖；而炉衬材料，在炉体，喉部和感应体等部位要按熔炼金属的种类，熔炼温度等选用不同的耐火材料。

1、有芯感应炉的结构及工作原理

有芯炉分为上下炉体，上炉体有炉盖、炉膛；下炉体为感应体，有熔沟等，炉子本身相当于一个带铁芯的变压器，感应线圈相当于变压器的一次线圈，熔沟中的金属相当于变压器的二次线圈。将工业频率的交流电引进一次线圈时，通过电磁感应，在熔沟金属中将产生很大的电流。在热对流及电磁力的作用下，熔沟内热量不断传递到熔沟上部熔炉中的金属，从而使整个熔池内的金属熔化。因只有在熔沟闭合状态下有芯感应炉才能正常运行，所以适于连续作业。

2、有芯感应炉各部位耐火材料的使用要求

有芯感应炉按部位分为炉盖、炉膛、喉部和熔沟四部分，其喉部和熔沟是关键直接影响炉子的寿命和运行成本。

2.1 炉盖

因为不与熔化的金属液接触，炉盖对耐火材料的要求相对较宽松，要具有抗高温辐射能力，保温性能好，结合强度高，不会掉落。一般由保温层和热面层复合构成，即由轻质保温材料与重质耐火材料构成。

2.2 炉膛

炉膛内衬的使用寿命主要取决于耐火材料与渣中侵蚀成分之间的反应，因此要求耐火材料在长期经受高温的金属液体作用下，化学稳定性要好，能够抵抗金属液和渣的侵蚀。炉膛内衬耐火材料要有足够的常温及高温强度，耐高温金属液的强烈冲刷及抵抗炉体承受的机械作用；还要有良好的体积稳定性，尤其是进铁口与出铁口部位，在高温或冷却后无过大膨胀或收缩。

2.3 感应器

感应器包括熔沟部位，封口料，修平料和隔离料。

熔沟：有芯炉是金属液通过熔沟感应加热，在循环流动中实现升温或保温的目的。因此要求干式振动料长期耐高温而不软化，有良好的抗冲刷及抗侵蚀性，有良好的化学稳定性和较高的强度。

封口料：要求与熔沟料材质相同或相近，且有高的耐火性能和适当的低温与高温强度。

修平料：要求具有小的临界颗粒，高的耐火性能，良好的涂抹性。

隔离料：要求有很高的耐火性能，防止对接面烧结在一起，并保证对接面不渗漏金属液。

3、有芯感应炉用耐火材料的选择

3.1化铁炉

工频有芯炉的效率和功率因数相比无芯炉高，散热少，因而经济性好。大吨位炉的铁液温度比较稳定，长时间保温对铁合金成分损失少，所以用来过热铁液，提高浇铸温度，能显著改善铸件质量，特别适合大批量连续生产。目前一些大企业都使用30 t以上的有芯工频感应炉，特别是开炉后不能任意停炉，连续运行越长越好，制约炉子运行的原因，往往是炉衬耐火材料损坏而被迫停炉，所以分析炉衬损毁原因，提高耐火材料使用寿命，是发挥设备优越性的关键。

用于化铁的有芯感应炉分为：灰铁炉和球铁炉。灰铁炉出铁温度为1420℃~1470℃，对于灰铁熔化炉而言，炉渣呈酸性；球铁炉出铁温度为1530℃，渣的化学性质随冶金过程变化而呈酸碱交替变化，炉衬要选中性耐火材料。由于出铁后温度剧变，虽留一部分铁水，但降温也在300℃~400℃，如更换感应器则降的更低，故炉膛内衬的抗热震性要好，其次是铁液和渣及球化剂对炉膛内衬的侵蚀，以及铁翻滚产生的机械冲刷和液面波动时对内衬的机械冲刷，要求内衬有一定的高温强度和抗冲刷能力。

炉膛的损毁现象主要为出铁后炉衬开裂，裂缝无固定规律且缝隙宽度较大，当纵横裂纹交汇时产生大块剥落，还有铁液渗入，加快开裂速度，尤其进铁口部位损毁严重。分析进铁口蚀损、炉壁结构剥落与蚀损、感应器结瘤堵沟等产生原因，选用合适的耐火材料：

炉盖：大都采用硅酸铝纤维作衬里。或者保温层以高铝矾土轻质砖粉及空心球颗粒为主，铝酸盐水泥结合的浇注料，辅以锚固件或锚固砖，多采用耐热钢铆钉和耐热钢网，将其固定在炉盖壳体上。

炉膛：采用电熔刚玉为骨料和粉料，纯铝酸钙水泥及SiO2、Al2O3 超微粉结合的低水泥浇注料。为了提高抗热震性，浇注料中可加入适量含铁低的SiC粉。炉内衬寿命很大程度受感应器耐火材料寿命及更换次数的影响，一般为2~3 年。

感应器：包括熔沟部位、封口料、修平料和隔离料。熔沟：普遍采用MgO＞79%的MgO-Al2O3质干式振动料或浇注料。封口料一般采用与熔沟相同材质的干式捣打料或湿式浇注料，选用Al2O3质封口料时，也可采用纯铝酸钙水泥或磷酸做结合剂，尤其快换感应器时，采用磷酸结合剂，可防止接合面出现爆裂，提高对接速度和效率。修平料一般为Al2O3-SiO2质湿式涂抹料，临界颗粒为2 mm。隔离料普遍采用Cr2O3粉，Cr2O3比炉膛的Al2O3质料或感应器的MgO- Al2O3质料烧结温度高，在使用温度下基本不产生陶瓷烧结层，以利于感应器和炉体喉部耐火材料分离。

实践证明，低水泥刚玉质浇注料，在有芯感应工频炉炉体使用，长期在1500℃下经高温熔体的冲刷与侵蚀，炉体无开裂、剥落等现象，使用寿命达三年以上；MgO-Al2O3质干式振动料及其配套的封口料、修平料、隔离料在700 kW感应器上使用寿命在半年以上，而在其他感应器上使用寿命达1~2 年。

3.2化铜炉

有芯工频感应炉具有电效率高，加热快、金属烧损少等优点，目前世界有90% 以上的黄铜及铜合金在这种炉中熔炼。我国常用的熔铜炉容量有1.5 t、2.0 t、5.0 t，的有30 t，熔炼铜温度介于1 200℃～1350℃，熔沟达1 350℃~ 1 450℃。

铜液黏度小，密度大，具有很强的渗透性，且渗透的铜易氧化，并伴随体积膨胀，致使炉衬产生龟裂、剥落，从而降低炉衬寿命。

影响炉衬寿命的因素很多，取决于耐火材料的选择、筑炉方法、烘烤制度、熔沟维护和监测、以及熔沟形状和炉子结构等。我国熔炼铜的工频有芯感应炉，用石英砂的捣打料做内衬虽然成本低、烘烤快，但寿命短，提高石英砂的原料级别，在精心施工、保养和维护下，使用寿命一般能达到1 年；用高铝矾土加钢纤维，磷酸盐结合的捣打料或干振料，使用寿命在4~7 年。

正确的筑炉方法是保证熔铜炉开炉成功的基本前提。选用合适的捣打料，其颗粒级配合理，添加一定比例的红柱石、碳化硅是提高烧结强度的有效措施。筑炉时，采用分层递降厚度的加料方式：打结层的表面层拉毛并掏出细粉，有利于料层间的粘结。采用中心环形辐射式向外逐圈打结方法，二级密实的捣打工艺，并进行三段式烘炉启炉，有效的延长炉龄。

一般炉体内衬寿命与感应体寿命是不同步的，感应体寿命相比上炉体大大减少，按熔炼的铜合金品种采用不同材料捣打施工也是一种解决途径，如黄铜采用石英砂捣打料；青铜、紫铜采用碳化硅捣打料等，大部分企业感应器熔沟部位耐火材料选用烧结较好的以莫来石和刚玉为主晶相的高铝矾土为主，加入适量的碳化硅细粉，改善材料的润湿性，抵抗铜液的强渗透性，施工方法可采用磷酸盐结合剂的捣打施工，或者采用加入助烧结剂的干法振动成型施工，取得比较好的使用效果。

3.3化锌炉

工频有芯感应炉广泛用于电解阴极锌片的熔铸、热镀锌、锌合金等锌加工行业。锌的熔点为419.5℃，正常浸锌时熔池温度在460℃~485℃左右，熔沟在600℃~670℃左右，锌液特别容易流动，渗透性非常强，当耐火材料炉衬受到侵蚀，产生裂纹，锌液进入裂纹内破坏炉体，造成熔沟口堵塞及感应体漏锌等现象。

目前熔锌炉内衬采用Al2O3含量85%左右的高铝矾土质浇注料或捣打料，使用寿命可达4~8年及以上。感应体的使用寿命除了与感应线圈、冷技术、绝缘技术等感应体本身的因素有关外，还与熔沟耐火材料的使用寿命密切相关。目前大型双沟感应体采用湿法浇注料，单沟感应体主要采用干式捣打料和湿法浇注料，材质多选用莫来石质或高铝矾土质，使用寿命可达半年左右。

3.4化铝炉

由于有芯炉的连续作业及低能耗，一些大型企业广泛采用有芯感应炉熔化铝锭，废铝材及铝合金等物质。铝的熔点为660 ℃，熔液粘度小，渗透性很强，化学活性高，高温下起强还原剂作用，易与耐火材料发生化学反应，尤其在耐火材料-铝液-气相三相交界处，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易渗入耐火材料中，发生氧化还原反应，导致耐火材料变质，结构疏松而损坏。

有芯炉的炉衬材料分为炉盖（与熔铁炉盖基本相同）、炉膛、喉部和感应器熔沟四部分耐火材料。

炉膛近年来普遍采用以刚玉、莫来石为主晶相的高铝矾土质，以纯铝酸钙水泥为结合剂的浇注料，在外加膨胀剂等条件下使用时表现中温强度高、膨胀状态，抗渗透、抗侵蚀，使用寿命可达4~5 年。

喉部和熔沟结构复杂，主要采用不定形耐火材料，主要是以刚玉、莫来石为主晶相的高铝质浇注料，在使用过程中无反应迹象，抗冲刷、耐磨损。对于熔铝炉特别要重视铝液的渗透性，当铝液进入气孔和裂纹中，就会与耐火材料发生反应，产生体积效应，破坏内衬，降低感应炉的使用寿命。目前的铝工业不沾铝浇注料通过加入BaSO4等外加剂等可表现出良好的铝液不润湿性，加入铬刚玉和氮化硼也较好，但成本较高；将BaSO4或CaF2与Na3AlF6复合加入，并将浇注料基质进行均化处理，抗铝液的渗透性能更好。

4、有芯感应炉的维护

做好有芯感应炉的维护和监测，发现问题及时处理，特别是发现内衬损坏之处，及时修补，是保证炉子正常连续运作，提高使用寿命的重要措施。

维护与监测

在炉子正常运行时，应该加强炉衬，特别是熔沟运行状态的监测与控制。并做好日常的维护工作。在开炉过程中，应严格控制熔沟样板的铸造质量，熔沟周围打结料的致密度，水冷套冷却水流量，炉膛温度，熔沟温度和输入功率等工艺因素，以防断沟。

长期以来，熔沟事故是有芯感应炉的主要问题，若处理不当，极易造成炉体报废，生产全线停产。对于炉衬的日常维护，应该以下事项：

（1）任何时候，不得任意停水或停电；

（2）在加料过程中要特别小心，避免撞坏炉底并及时清理熔沟上部的炉渣；

（3）经常注意熔化炉和保温炉的电流变化情况；

（4）注意观察熔沟形状；

（5）尽量减少停炉和部位次数，操作不当，往往会造成熔沟断裂；

（6）定期扒除炉膛内的炉渣，并观察有无块状炉料；

（7）监测冷却水进，出口的温差；

（8）定期测量炉体及感应器表面温度，并进行综合比较分析。采取熔炼-保温-熔炼交替进行的生产方式，以防止停炉时断沟。