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)
中頻感應(yīng)電爐(以下簡稱中頻爐)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象,探討工作環(huán)境對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。
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、加廢鋼等爐料時產(chǎn)生的沖擊、爐渣的化學(xué)侵蝕,以及間斷生產(chǎn)時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”,將直接影響整個生產(chǎn)過程。
對熔煉工序1~7號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,使用時間高達(dá)120 d。③2019.12—2020.3 期間,1~3號爐的使用時間迅速減少,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號爐的目標(biāo)使用時間為80 d,6~7號爐的目標(biāo)使用時間為60 d。
(a) 1號爐 (b) 2號爐 (c) 3號爐 (d) 4號爐
(e) 5號爐 (f) 6號爐 (g) 7號爐
基于對1~7號爐的使用情況統(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。
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,爐襯的使用壽命會迅速降低。另外,廢鋼中的雜質(zhì)元素也會和耐火材料發(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,產(chǎn)生的交變磁場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。
鐵水流動會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,所以鐵水的流動性也是影響爐襯使用壽命的重要因素。鐵水溫度越高,流動性越好,形成的機(jī)械沖刷力越大,對爐襯的腐蝕越嚴(yán)重。同時,鐵水中C和Si的含量越高,鐵水的流動性越好,機(jī)械沖刷力更大。
3)機(jī)械沖擊和磨損
裝料時形成的撞擊會導(dǎo)致爐襯損毀,包括加廢鋼和兌鋼水對爐襯的沖擊與沖刷、鋼水與爐氣流動對爐襯的沖刷磨損、清理爐口結(jié)渣的機(jī)械損壞等均會造成爐襯受損。
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,受熱時會產(chǎn)生巨大的膨脹應(yīng)力。在兌入鐵水、停吹、出鋼以及裝料時,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)會使?fàn)t襯表面出現(xiàn)裂縫,從而加快爐襯的破損速度。
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,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,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。
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。