■李健

一、概述

鑄造行業(yè)是典型的高耗能、高污染企業(yè)，節(jié)能減排任務(wù)十分艱巨。我公司作為鞍鋼集團(tuán)所屬一家大型國有企業(yè)，為進(jìn)一部落實國家關(guān)于節(jié)能減排、優(yōu)化環(huán)境的要求，實現(xiàn)企業(yè)高效益、更好的發(fā)展前景，節(jié)能減排工作取得突破性進(jìn)展，其中重要工作之一是采用了高效、低電耗的中頻感應(yīng)電爐設(shè)備生產(chǎn)合金鑄鐵磨球。

我公司生產(chǎn)的合金鑄鐵磨球，經(jīng)歷了開始采用沖天爐熔煉，接著采用沖天爐＋3t工頻感應(yīng)電爐雙聯(lián)熔煉，最后采用1t中頻感應(yīng)電爐熔煉三個階段。采用中頻感應(yīng)電爐生產(chǎn)合金鑄鐵磨球時熔煉過程中合金元素氧化損耗少，能較方便地調(diào)節(jié)鐵液化學(xué)成分和鐵液溫度，因此化學(xué)成分和鐵液溫度易于控制。

由于感應(yīng)電爐沒有能量載體的燃燒生成物，排除的煙氣和粉塵少，發(fā)出的噪聲也遠(yuǎn)低于沖天爐，生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境及操作者的勞動強(qiáng)度和勞動條件都得到改善。

熔煉的低鉻合金白口鑄鐵磨球含硅量較高，回爐料中也含有較多的硅砂，熔化時所產(chǎn)生的熔渣呈酸性，因此我公司決定采用酸性材料對中頻感應(yīng)電爐進(jìn)行爐襯打結(jié)。

爐襯的使用壽命長短對能否保證電爐的正常生產(chǎn)有很大影響，我公司電爐爐襯使用壽命最初只有幾十次，經(jīng)過不斷總結(jié)經(jīng)驗，現(xiàn)在已達(dá)到200次以上，通過生產(chǎn)實踐中認(rèn)識到，依據(jù)電爐打結(jié)材料的特性掌握好選料、配料、打結(jié)、烘烤燒結(jié)工藝，以及在使用電爐冶煉過程中對爐襯做好日常維護(hù)保養(yǎng)，對提高其使用壽命至關(guān)重要。

二、爐襯耐火材料要求

感應(yīng)電爐爐襯的工況條件是十分惡劣的。在使用過程中是在一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)變化交織的條件下進(jìn)行工作，要承受熔煉過程1550~1580℃的高溫作用，加料時生鐵、廢鋼、合金料對爐襯的劇烈沖擊與碰撞，熔煉時電磁攪拌引起的金屬液對爐襯的強(qiáng)烈沖刷作用，爐渣對爐襯的化學(xué)侵蝕作用，間斷作業(yè)使?fàn)t襯溫度產(chǎn)生激冷激熱變化等，從而使?fàn)t襯出現(xiàn)裂紋、局部浸蝕、剝落等，引起金屬液穿透而導(dǎo)致爐襯失效。由此可見，爐襯耐火材料應(yīng)具備如下性能。

（1）足夠高的耐火度。感應(yīng)電爐爐襯工作溫度一般低于熔融金屬的溫度。但考慮到對爐襯壽命的要求，還得考慮熔池和熔溝部分偶然的或經(jīng)常的超溫，鑄鐵的流動性好，在鑄鐵感應(yīng)電爐中使用耐火度和軟化溫度低的材料往往是不安全的，作為生產(chǎn)鑄鐵產(chǎn)品電爐的耐火材料，其耐火度應(yīng)達(dá)到1650~1700℃，軟化溫度應(yīng)高于1700℃。

（2）熱膨脹系數(shù)小。隨溫度的變化，體積要比較穩(wěn)定，沒有劇烈的膨脹和收縮。

（3）化學(xué)穩(wěn)定性好。材料的化學(xué)穩(wěn)定性和爐襯的壽命有密切的關(guān)系，爐襯材料應(yīng)具有在低溫時不得水解分化，在高溫時應(yīng)不易分解和還原，在熔煉過程中應(yīng)不易與爐渣形成低熔點的物質(zhì)。不易與金屬熔液及熔劑、熔渣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。

（4）具有較高的力學(xué)性能。在爐內(nèi)溫度低時能經(jīng)受住爐料的撞擊，在金屬處于高溫熔融狀態(tài)時應(yīng)能承受金屬液的靜壓力和強(qiáng)烈的電磁攪拌作用，在金屬液的長期沖刷作用下有良好的耐磨性和耐蝕性。

（5）絕緣性能好。爐襯在高溫狀態(tài)下不得導(dǎo)電，否則會出現(xiàn)漏電和短路，造成安全和設(shè)備事故。

（6）材料的施工性能好。修補(bǔ)、燒結(jié)性能好，筑爐及維修方便。

（7）無氧化鐵及低熔點礦物等有害雜質(zhì)。

硅砂屬于酸性爐襯材料，其價格低廉，來源廣泛，在600~800℃就基本完成其膨脹變化，在此溫度以上體積變化微小，熱穩(wěn)定性和抗鐵液滲漏性能好，能適應(yīng)間斷作業(yè)。此外，硅砂的負(fù)荷軟化溫度接近于其耐火度，高溫機(jī)械強(qiáng)度較高，因此是普遍采用的酸性爐襯打結(jié)材料。

爐襯打結(jié)用硅砂的主要技術(shù)條件：硅砂的主要成分是氧化硅，其含量越高，爐襯的耐火度越高，硅砂中含有鐵的氧化物會降低爐襯的耐火度，因此我公司選擇打結(jié)爐襯用的硅砂SiO2≥99%，F(xiàn)e2O3≤0.45%，水分≤0.5%。

三、硅砂酸性爐襯搗制

1. 硅砂粒度配比的選擇

正確選擇硅砂的粒度配比，對提高爐襯的強(qiáng)度、致密度、抗渣性能是十分重要的。粗顆粒硅砂抗渣性好，在爐襯中起骨料作用，但在打結(jié)過程中不易搗實，致密度差。采用小顆粒硅砂、硅砂粉將填充粗顆粒之間增加其接觸面，使?fàn)t襯緊密易于燒結(jié)。因此適當(dāng)?shù)墓枭邦w粒配比與延長爐襯使用壽命有密切的關(guān)系。我公司選擇硅砂的粒度配比如附表所示。

2. 硼酸加入量

影響硅砂酸性爐襯的工作溫度和使用壽命的直接因素就是粘結(jié)劑硼酸的加入量。加多了，會使硅砂熔點降低，引起整體燒結(jié)及滲漏鐵液的危險，加少了，又會使?fàn)t襯燒結(jié)的外殼不足以承受較高的機(jī)械壓力。因此，適當(dāng)選擇硼酸的加入量是極為重要的。合金鑄鐵磨球的出鐵溫度要求達(dá)到1500℃，澆注溫度要求達(dá)到1450℃，據(jù)此選擇硼酸的加入量為1.2%~1.8%。對硼酸的化學(xué)成分要求是B2O3≥98%，水分≤0.5%，硼酸粒度＜5mm。

3. 爐襯的搗制

（1）爐料的制備 對打結(jié)的硅砂進(jìn)行精選，采用磁選除去鐵質(zhì)，去除混入的雜物，根據(jù)硅砂粒度配比，將硅砂、硅砂粉、硼酸、適量的水用手工攪拌均勻，混勻的砂子用手握成團(tuán)，松手后能散開。攪拌前一定要認(rèn)真檢查硅砂中不能混有雜物，要保證硅砂純凈。

（2）鋪設(shè)絕緣層 舊爐襯拆除后，檢查感應(yīng)器、爐體、電氣、水冷系統(tǒng)等，確認(rèn)無異常后，在感應(yīng)圈內(nèi)側(cè)鋪好石棉布、石棉板等，其作用一方面是增加感應(yīng)線圈與坩堝壁的絕緣，二是防止砂料在打結(jié)過程中從感應(yīng)器匝間溢出。

（3）筑爐操作 ①打結(jié)爐底時，分批加入爐料，搗打爐料的工具，我們用的是沈陽風(fēng)動工具廠生產(chǎn)的D8型搗固機(jī)，爐底材料搗到第一層感應(yīng)圈高出20~30mm。②搗平爐底后放入坩堝模，要保證坩堝模水平放置在爐底耐火材料上，找準(zhǔn)坩堝模的中心，要保證爐壁厚度均勻并與感應(yīng)線圈同心。③爐壁的搗筑：每次加料在40~60mm，分層加料，用搗固機(jī)逐層打?qū)崳恿蠒r要防止雜物混入，爐襯搗好后用起吊裝置將坩堝模吊出。④爐口的打結(jié)用材料為硅砂和水玻璃混合在一起，手工錘打結(jié)實。

4. 爐襯的烘烤及燒結(jié)

應(yīng)按照低溫緩慢烘烤、高溫滿爐燒結(jié)的原則。

爐襯的烘烤、燒結(jié)與爐子的使用壽命及使用安全有極大的關(guān)系。烘爐的目的是使新爐襯脫水干燥，因此采用低功率、慢升溫工藝，使?fàn)t內(nèi)水蒸氣全部排除。同時緩慢而均勻地升溫還可防止?fàn)t襯表面產(chǎn)生龜裂現(xiàn)象。

爐襯硅砂配比

烘爐的另一目的是使硼酸融成玻璃狀物質(zhì)與石英形成低熔點相，并浸濕覆蓋在石英表面上，開始黏結(jié)在一起，硅砂由少量相變向大量相變轉(zhuǎn)化，緩慢升溫到900℃使硅砂進(jìn)一步相變，由900~1300℃緩慢升溫目的是推進(jìn)爐襯里層相變，外層燒結(jié)。再升溫到使用最高溫度將爐襯進(jìn)一步燒結(jié)，獲得足夠厚的燒結(jié)層和燒結(jié)強(qiáng)度，完成爐襯中硅砂相變，使石英慢相變在使用條件下不可逆轉(zhuǎn)，這樣爐襯的熱脹冷縮變化比較穩(wěn)定，從而提高了爐襯的使用壽命。

5. 爐襯的維護(hù)及保養(yǎng)

日常熔煉作業(yè)過程中，下列存在因素對爐襯的使用壽命有直接影響。

（1）爐料 生產(chǎn)合金鑄鐵磨球的主要爐料有生鐵、廢鋼及高碳鉻鐵。

如果使用的生鐵、廢鋼銹蝕嚴(yán)重，則與硅質(zhì)爐襯生成低熔點鐵橄欖石，侵蝕爐襯。

使用的生鐵中含有的鈦、鋁元素達(dá)到一定含量時，就會與爐襯中的氧化硅發(fā)生反應(yīng)，使?fàn)t襯急劇破壞。

使用的回爐料如其表面黏附的型砂等雜物較多時，會使?fàn)t襯掛渣，熔煉時與爐襯發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，侵蝕爐襯，降低爐襯使用壽命。

解決措施：控制生鐵、廢鋼表面的潔凈度，銹蝕嚴(yán)重的生鐵、廢鋼嚴(yán)禁使用; 使用滾篩設(shè)備處理回爐料，盡量去除表面黏結(jié)的型砂雜物。使用的生鐵中含有的鈦、鋁元素達(dá)到一定含量時，嚴(yán)禁使用。

（2）熔煉操作工藝 大塊爐料直接往爐內(nèi)投擲，直接撞擊爐底及爐壁，就會人為造成爐襯破損，降低爐襯壽命。

熔煉溫度與高溫保溫時間對爐襯使用壽命的影響。熔煉溫度越高，尤其是超過爐襯耐火度的高溫保溫時間越長，越會降低爐襯的使用壽命。這是因為在高溫時鐵液與爐襯、熔渣與爐襯之間產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，使?fàn)t襯被侵蝕。

解決措施：禁止大塊爐料直接往爐內(nèi)投擲，盡量避免直接撞擊爐底及爐壁，加料時要往爐內(nèi)輕放，要隨時觀察爐內(nèi)情況，及時補(bǔ)充爐料，發(fā)生棚料時要及時排除。

爐內(nèi)鐵液溫度達(dá)到規(guī)定要求時要及時出爐，以防金屬液侵蝕爐襯。

中頻感應(yīng)電爐發(fā)生故障時，必須及時將爐內(nèi)鐵液倒出，防止刷爐、穿爐現(xiàn)象產(chǎn)生。

（3）開爐方式 生產(chǎn)中總結(jié)出連續(xù)生產(chǎn)方式的爐襯壽命超過間斷生產(chǎn)方式，這是由于硅制爐襯氧化硅導(dǎo)熱性不良，爐襯內(nèi)部溫度很不均勻，爐襯斷面分布燒結(jié)層、過渡層、松散層，雖然爐襯打結(jié)得比較理想，但時斷時續(xù)的開爐方式會使?fàn)t襯頻繁產(chǎn)生膨脹、收縮現(xiàn)象，爐襯就會出現(xiàn)裂紋，其使用壽命將會縮短。

因此，盡量采用連續(xù)開爐的生產(chǎn)方式，兩班生產(chǎn)停爐的間隙期間，爐口上面要蓋上厚的石棉板，使?fàn)t襯緩慢冷卻。

（4）爐襯的修補(bǔ) 爐襯在熔煉過程中受高溫金屬液的沖刷和侵蝕，有的部位會逐漸變薄，同時因各種原因在使用過程中爐襯會產(chǎn)生大于2mm的縱深裂紋、爐壁燒蝕、凹陷、剝落等，如果修補(bǔ)不及時，就會使?fàn)t襯破損加劇。

操作者在日常作業(yè)時要認(rèn)真觀察爐襯狀況，按照補(bǔ)爐工藝要求，對爐襯及時進(jìn)行修補(bǔ)。

四、結(jié)語

經(jīng)過一段時間中頻感應(yīng)電爐熔煉合金鑄鐵磨球的生產(chǎn)實踐，認(rèn)識到硅砂是爐襯較理想的打結(jié)材料，根據(jù)硅砂的特性掌握好選料、配料、打結(jié)，并制訂合理的烘烤燒結(jié)工藝，以及在生產(chǎn)過程中對爐襯做好日常維護(hù)保養(yǎng)，對提高其使用壽命至關(guān)重要。

[1] 童軍，章舟，連煒. 鑄鐵感應(yīng)電爐熔煉及應(yīng)用實例[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊(第2卷) 鑄鋼[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 中國機(jī)械工程學(xué)會鑄造專業(yè)學(xué)會.鑄造手冊(第4卷) 造型材料[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[4] 章舟，等.鑄造感應(yīng)電爐使用指導(dǎo)[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2014.