■王秀金,孫淑霞,趙春芝
工頻爐爐襯破壞及預(yù)防研究
■王秀金,孫淑霞,趙春芝
鋁合金熔煉爐襯的破壞形式與爐襯材料的化學(xué)成分、爐襯修筑和維護及鋁合金液熔煉工藝等有密切關(guān)系。數(shù)十年來,人們對鋁合金熔液、耐火材料及其之間的高溫性質(zhì)、反應(yīng)機理,以及爐襯烘爐工藝等做了大量的研究。結(jié)合我公司多年的實踐生產(chǎn)總結(jié),詳細探討鋁合金液對工頻無芯感應(yīng)保溫爐爐襯材料的破壞形式、機理及其預(yù)防措施。
我公司熔煉鋁硅合金使用的是工頻無芯感應(yīng)保溫爐(以下簡稱工頻爐)。從生產(chǎn)實踐及研究來看,鋁合金熔煉爐襯在使用壽命周期中,其破壞形式歸納起來大致分為侵蝕、機械沖擊和磨損、熱震等幾類。
鋁合金熔煉爐襯的侵蝕破壞,主要是一種灰褐色剛玉質(zhì)礦物(俗稱剛玉瘤)的生成反應(yīng),其主要成分為Al2O3、MgO·Al2O3、Al及少量Si等。此類侵蝕反應(yīng),按發(fā)生的部位分為表面反應(yīng)和滲入反應(yīng)。
(1)表面反應(yīng)是積附在爐襯材料表面的反應(yīng)。 熔池中高溫鋁合金液,特別是熔煉Al-Mg、Al-Zn及Al-Si等合金,以及含有Mg、Zn、Si等成分的鋁合金時,合金元素與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng),在鋁液表面會生成一種高氣孔膨松物質(zhì)(見圖1)。
由于爐襯材料中氣孔和微小裂紋的存在,液面以下的鋁液會在毛細管作用下沿爐墻向膨松物內(nèi)部滲透,再經(jīng)氧化形成剛玉礦物質(zhì)——鎂鋁尖晶石氧化物。這一過程持續(xù)進行,剛玉礦物質(zhì)不斷成長,且極易黏附在爐壁上。當(dāng)生成的剛玉礦物持續(xù)地積附在爐壁上,越積越厚,進而減小爐體的熔化空間,這就是我們俗稱的“掛渣”或“結(jié)瘤”現(xiàn)象(見圖2)。剛玉瘤的形成過程如圖3所示。
當(dāng)降溫(加料或停爐)→升溫熔化→高溫熔煉→保溫等生產(chǎn)操作頻繁進行時,爐襯就會受到交變溫度場的作用,爐襯內(nèi)部勢必產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力,又因膨脹系數(shù)的差異,積附在爐壁上的“結(jié)瘤”會引起耐火材料膨脹裂紋,并不斷向爐襯內(nèi)部擴展,使?fàn)t襯裂紋加?。ㄒ妶D4);并且當(dāng)爐體熔化空間受到影響時,就必須將緊密附著在爐襯上的“結(jié)瘤”鏟除,在鏟除“結(jié)瘤”過程中,爐襯會在高機械沖擊下而受損,進而影響爐襯的使用壽命。
圖1
圖2
圖3
圖4
(2)滲入反應(yīng)是指滲入爐襯的鋁合金液與耐火材料發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。高溫合金液沿著爐襯材料中的氣孔和微小裂紋滲入到爐襯內(nèi)部,其中的Al、Mg等元素會與爐襯耐火材料中的Fe2O3、Cr2O3等雜質(zhì)及游離SiO2發(fā)生以下氧化還原反應(yīng),最終生成剛玉礦物質(zhì)——鎂鋁尖晶石氧化物,對爐襯造成侵蝕破壞。
還原出的硅元素會降低鋁液黏性,使得鋁液更容易滲入到爐襯中,促進剛玉礦物質(zhì)的生成反應(yīng),隨著反應(yīng)逐漸向爐襯內(nèi)部蔓延,并與耐火材料緊密結(jié)合造成爐襯體積膨脹,進而造成爐襯產(chǎn)生更多的細微裂縫,如此循環(huán)反應(yīng),進一步加劇侵蝕過程,最終造成爐襯的崩毀或鋁液泄漏的意外事故。
爐襯機械沖擊和磨損的形式主要有加料損傷、沖擊損傷等。
(1)加料損傷是加料時爐襯受到來自爐料的靜、動載荷的沖擊沖刷損害。在初次裝料時,通常在爐襯底部裝入適當(dāng)數(shù)量的塊狀廢料,然后兌入鋁合金液,此時爐襯要受到爐料及自重靜載荷的作用,在加入塊狀廢料或兌入鋁合金液時,所產(chǎn)生的動載荷就會與靜載荷疊加并施加在爐襯上,造成對爐襯的沖擊沖刷與機械磨損。特別是加入尖、片狀廢料時對爐襯的劃鏟損傷更大。
(2)沖擊損傷主要來自鏟除爐壁上的“結(jié)瘤”時,鏟除機具對爐襯的沖擊損傷。試驗證明,鏟除機具對爐襯的沖擊力是加料沖擊力的10倍以上,對爐襯的損傷更大。大家知道,工頻爐是采用工業(yè)頻率電源進行感應(yīng)加熱金屬液,并實現(xiàn)均勻攪拌功能,不斷的“沸騰”也加劇了鋁合金液的氧化反應(yīng),加速了爐壁上的“結(jié)瘤”形成,所以工頻爐爐襯上的“結(jié)瘤”幾乎每個班次就要鏟除一次。因此,鏟除機具對爐襯的沖擊損傷是非常大的。
熱震損傷是指熱應(yīng)力對爐襯的破壞,是由于使用不當(dāng)造成的。金屬液出爐后如不繼續(xù)使用,則爐溫就會下降, 在降溫過程中爐襯不僅有“熱脹冷縮”,還伴有石英的晶型逆轉(zhuǎn)變, 兩者共同作用的結(jié)果使?fàn)t襯燒結(jié)層產(chǎn)生裂紋、翹起、剝落等損傷(見圖5), 當(dāng)重新起用時被損傷的燒結(jié)層可能局部損毀,致使?fàn)t襯壽命大幅下降。再就是,在爐溫下降過程中,爐襯表面會形成大量的微細裂紋,這些裂紋并不太深,當(dāng)爐襯緩慢升溫到足夠溫度時,這些微細裂紋就會自己彌合,對爐襯不會造成多大損壞。但如果冷爐啟動升溫過快,微細裂紋來不及彌合就有合金液侵入,會加劇侵蝕反應(yīng),對爐襯造成極大的損壞。因此,應(yīng)盡量避免熔煉爐的間斷操作。如果企業(yè)產(chǎn)量低,采用晝開夜停生產(chǎn),可在末次出爐留1/3金屬液夜間低功率保溫,第二天加料繼續(xù)生產(chǎn),這樣運行要比頭天停爐、第二天重熔還要省電,更重要的是可大大降低對爐襯的損害,取得更佳的綜合經(jīng)濟效益。
(1)正確選擇爐襯耐火材料 了解鋁合金熔化料的種類及成分,并據(jù)此選擇合適的爐襯耐火材料,對提高爐襯使用壽命尤為重要。特別是隨著鋁合金材料的發(fā)展,對合金性能、資源和成本控制的需要,合金的熔煉工藝要求更加苛刻,例如:為提高生產(chǎn)效益及降低能耗成本,耐火爐襯要能適應(yīng)更高的熔煉溫度、更低的熱損耗,以減小爐襯厚度,增加熔池容量;為適應(yīng)更多品種及更加繁雜、苛刻的鋁合金生產(chǎn)工藝,耐火爐襯要能適應(yīng)更多種類合金、不同種類和化學(xué)性質(zhì)的助熔劑,以及更加繁雜的熔煉、凈化處理工藝的侵蝕反應(yīng);為使用更多的廢鋁作為原料,耐火爐襯要能適應(yīng)攜帶了更多化學(xué)物質(zhì)廢鋁原料的侵蝕反應(yīng)。在這方面,很多技術(shù)人員進行了有益的探索,不同形態(tài)的爐襯新材料被研究并應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。例如:在耐火材料中加入與鋁合金液不易浸潤的不粘鋁劑材料;在熔煉過程中不產(chǎn)生游離SiO2的耐火材料;具有更好抗化學(xué)侵蝕能力的高純莫來石基耐火材料等。這些新材料的應(yīng)用,改善了傳統(tǒng)爐襯材料存在的不足,取得了非常顯著的效果。
圖5
(2)保證爐襯施工與烘爐質(zhì)量 筑爐施工與烘爐的質(zhì)量是影響爐襯使用壽命的重要因素之一。包括砌筑接縫控制、澆注料加水量及攪拌時間的控制、振搗效果及振實密度的控制、澆注料裹挾氣體的排除控制、烘爐溫度及時間的控制等,這些都應(yīng)嚴格按照施工工藝執(zhí)行。根據(jù)我公司實踐生產(chǎn)總結(jié),重點要做好以下幾點的控制。
第一,筑爐準備:①模具(板)準備。模具(板)應(yīng)有足夠的強度和剛度,焊縫要清理干凈并打磨平整;模具(板)拐角處必須設(shè)計足夠的過渡圓弧,圓整平滑,允許設(shè)計2°~3°的起模斜度(見圖6)。②爐體準備。爐體無破損;爐體、爐嘴內(nèi)無雜物。
因為不同材質(zhì)受熱膨脹不同,所以會引起爐襯裂紋,另外可燃物燃燒、氣體膨脹等也會引起爐襯裂紋。
第二,筑爐施工:①虛鋪除氣。每次加料虛鋪厚度不超100mm,以(80±10)mm為宜。然后用除氣叉邊除氣邊將耐火澆注料的厚度搞均勻,如此操作至少4遍,以降低爐襯耐火澆注料的氣孔率并減小氣孔孔徑,這樣會大大降低合金熔液對耐火澆注料的滲入。②搗實。將圓形搗頭安裝在BOSCH振搗器上,從鋪筑面的中心開始以螺旋線的軌跡向外振搗。圓形搗痕重疊面積不小于圓形搗頭的1/5,每鋪筑層振搗2~4遍。③層間銜接。在鋪筑上一層之前,先用除氣叉將已經(jīng)搗實的鋪筑層表面劃松,劃松深度為10mm,這樣做是為了防止分層,同時也能將振搗過程中分離到表面的大顆粒料重新分配。然后加入新一層澆注料,重復(fù)除氣、搗實操作,直至鋪筑到要求的厚度。注意:爐墻鋪筑高度要高出正常熔煉液面30~50mm。
第三,爐嘴施工:爐嘴施工要在爐襯施工前完成,這樣可以產(chǎn)生一個垂直方向的耐火材料接口,從而減少爐嘴下面水平裂紋金屬液滲漏的機會,也能保證爐墻一個連續(xù)的垂直耐火材料滑動面。
第四,爐襯的預(yù)熱與燒結(jié):①一般情況下,爐襯鋪筑完成就應(yīng)當(dāng)進行燒結(jié)。如果不能馬上燒結(jié),應(yīng)在模具(板)的底部用煤氣焰或加熱板進行干燥,以防爐襯材料吸潮。②爐襯的燒結(jié)過程尤其注意升溫速度的控制,圖7為爐襯預(yù)熱-燒結(jié)溫度曲線。
(3)嚴格控制熔煉溫度 生產(chǎn)實踐證明,爐襯的壽命受到使用過程中生產(chǎn)操作的影響很大。長時間超高溫運行會大大降低爐襯的使用壽命,因為提高鋁液溫度勢必會降低鋁合金液的黏度,加快鋁合金液向爐襯內(nèi)部滲透,并且長時間超高溫運行會增加氧化還原反應(yīng)及鎂鋁尖晶石氧化物的生成強度,加重鋁液對耐火材料的侵蝕。研究也表明,剛玉瘤生長速度與溫度有很大關(guān)系,會隨著溫度的提高而加速生成,如圖8所示。
另外,當(dāng)熔煉鋁合金的操作溫度過高時,為改善耐火材料性能,在耐火澆注料中所添加的不粘鋁劑會隨之分解,從而降低或喪失抵抗鋁液侵蝕的效能。
(4)優(yōu)化加料工藝,降低加料過程對爐襯的損壞 初次裝料,向爐底裝入適當(dāng)數(shù)量的塊狀廢料時,要使?fàn)t體傾轉(zhuǎn)一定的角度,用料斗將塊狀廢料加入爐內(nèi),要注意落下高度的控制,避免塊狀廢料對爐襯的正面沖擊,特別是加入尖、片狀廢料時更應(yīng)防止劃破爐襯。兌入合金鋁液時,合金液流要與爐壁相切順流到塊狀廢料上,避免對爐襯的正面沖刷。
圖6 模具(板)
圖7 爐襯預(yù)熱-燒結(jié)溫度曲線
圖8 剛玉瘤生長速度與溫度的關(guān)系
(5)要研究并掌握清除剛玉瘤的工具和技巧 鋁合金熔煉過程中,爐壁“掛渣”是不可避免的,但選擇科學(xué)的清除工具和技巧,卻可以大大降低清除“結(jié)瘤”時對爐襯的機械沖擊破壞。我公司的操作要點是:①及時清除。隨著熔池內(nèi)鋁合金液面下降,要及時清除爐壁上的“掛渣”,不要等到“掛渣”成長為“結(jié)瘤”后再進行集中清除,一旦形成剛玉化礦物且向爐襯內(nèi)部延展,就很難清除,并且會加速耐火材料的破損。②“濕潤”狀態(tài)下清除。即爐壁上的“掛渣”暴露出來后隨時清除,不要等到冷卻凝固后再費力清除,那樣清除時的沖擊力對爐襯破壞更大。③鏟除時要沿爐襯的軸向用力。④鏟除操作時,要按“小、少、碎”的原則進行鏟除。⑤研究旋銑工具代替扁鏟工具,最大限度地降低對爐襯的沖擊破壞。
(6)應(yīng)合理選擇助熔劑和清渣劑,減輕對耐火材料基質(zhì)的破壞 助熔劑和清渣劑所含的鹽類成分極易溶解在鋁合金液中。試驗表明,含鹽和不含鹽的鋁液對耐火材料的侵蝕情況是不同的。相同條件下,含鹽鋁液對耐火材料的侵蝕更為嚴重。如果不可避免使用含鹽助熔劑或清渣劑,應(yīng)做到勤扒渣,以降低其對爐襯的侵蝕。
爐襯的損壞可分為正常損壞和異常損壞,異常損壞是造成爐襯壽命降低的關(guān)鍵。要提高爐襯壽命,一是要避免異常損壞,二是要改善或減緩正常損壞。要避免異常損壞,只有通過科學(xué)選擇耐火材料,改善筑爐工藝,以及優(yōu)化烘爐工藝等措施防止?fàn)t襯先天缺陷的形成。通過科學(xué)合理的使用和維護,可以改善或減緩爐襯的正常損壞。我公司通過深入研究和實踐總結(jié),采取了一系列措施,工頻爐爐襯使用壽命由最初的2000爐次提高到了8000爐次以上,取得了非常顯著的效果。
王秀金,孫淑霞, 趙春芝,山東濱州渤?;钊煞萦邢薰?。