30噸無心熔銅爐用耐火材料
2014-10-31 11:29:03??????點(diǎn)擊：87340
? ?江陰市瑞邦機(jī)電設(shè)備有限公司致力于全固態(tài)感應(yīng)加熱設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，現(xiàn)有超音頻、中頻、高頻、專用設(shè)備等系列，功率從3KW到300KW，具有三十多種機(jī)型，主要應(yīng)用于機(jī)械制造，機(jī)械加工，汽車行業(yè)等的金屬加熱，鍛造，熔煉，焊接。廣泛用于鉆頭熱軋，金屬釬焊接，熱配合，高頻感應(yīng)淬火，退火，高頻熱處理，釬頭焊接， 固化粘接， 熱鐓。主要電氣部件均采用知名廠家晶體管集成塊及德國(guó)原裝的大功率高速開關(guān)管IGBT組成。以電磁效應(yīng)原理，使處于交變磁場(chǎng)中的金屬材料內(nèi)部迅速感應(yīng)出很大渦流，從而使金屬材料升溫直到熔化的一種電感應(yīng)加熱設(shè)備，也可穿透非金屬材料，對(duì)金屬材料局部或者全部迅速加熱。
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1、概況
? ? 隨著有色金屬及船舶行業(yè)大型化的不斷需要，對(duì)鑄件的質(zhì)量和單件尺寸重量的要求不斷提高，傳統(tǒng)的小型工頻爐已無法滿足要求，油爐因環(huán)境及銅合金主成分控制難而趨于淘汰。近年來國(guó)際上已出現(xiàn)了噸位50T~30T以上的大噸位無心中頻/工頻熔銅爐，其主要用于船用、航空和航天特大型鑄件的澆濤，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量有重大的意義，國(guó)內(nèi)這幾年也引進(jìn)了一部分無心熔銅爐，如蘇州銅材廠引進(jìn)的二手設(shè)備16T無心熔銅爐，屬國(guó)內(nèi)現(xiàn)有銅無心熔煉爐中教大的爐子。洛陽銅材廠，寧波興業(yè)集團(tuán)也相繼引進(jìn)了新一代的中頻熔煉爐。為了趕超國(guó)際較好水平，促進(jìn)我國(guó)感應(yīng)電爐和船舶工業(yè)的發(fā)展，西安機(jī)電研究所同大連船用推進(jìn)器廠聯(lián)合攻關(guān)，研制生產(chǎn)國(guó)內(nèi)教大的中頻無心感應(yīng)熔銅爐——30噸熔銅爐。
由于爐體尺寸的大幅增加，對(duì)于爐襯耐火材料的技術(shù)和使用性能提出了新的要求，傳統(tǒng)的爐襯耐火材料已不能適應(yīng)這種要求?？蛇x須開展適應(yīng)于大噸位煉銅爐使用的爐襯材料的研究工作。
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2、爐襯耐火材料的毀損機(jī)理
? ? ? 爐襯耐火材料的毀損主要是熔融金屬、金屬氧化物、熔渣的浸透和溫度應(yīng)力的作用造成的。
? ? 無心感應(yīng)爐的爐襯較薄，所以襯體中存在著很大的溫度梯度，較易導(dǎo)致爐襯開裂和剝落。當(dāng)熔融金屬、氧化物或熔渣沿著襯體的裂紋或氣孔滲透到縱深內(nèi)部時(shí)，則發(fā)生以下三種情況：
? ? 1）熔融金屬發(fā)生氧化、還原或生成低熔點(diǎn)物質(zhì)，致使襯體遭到侵蝕或產(chǎn)生龜裂、剝落。
? ? 2）熔融金屬和耐火材料發(fā)生氧化反應(yīng)，并伴隨著體積膨脹，造成襯體膨脹而塌落。
? ? 3）強(qiáng)堿性的熔融金屬或熔渣，流動(dòng)性很好，對(duì)襯體的沖刷侵蝕較為嚴(yán)重。
紫銅為銅合金中滲透性較強(qiáng)的一種，其熔點(diǎn)為10830C。熔煉時(shí)，熔融金屬銅向襯體內(nèi)部滲透，發(fā)生氧化并伴隨著體積膨脹。當(dāng)銅氧化為Cu2O時(shí)，體積增大0.64倍，氧化成CuO時(shí)，體積增大0.75倍。由于銅的氧化，造成爐襯材料的體積變化，致使襯體材料的組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生龜裂，甚至發(fā)生剝落。此外，在一定的溫度條件下，銅的氧化物能夠與耐火材料襯體中的某些氧化物發(fā)生反應(yīng)而生成液相，例如，氧化銅與SiO2的液相點(diǎn)為10600C，與MgO的液相點(diǎn)為11350C，與Al2O3-的液相點(diǎn)為8400C。由于低熔點(diǎn)物的生成，破壞了襯體材料的組織結(jié)構(gòu)，并發(fā)生熔蝕現(xiàn)象，降低了材料的使用壽命。由于爐內(nèi)金屬銅液，溫度高達(dá)12500C以上，粘度與水近似，故其流動(dòng)性和滲透性都很強(qiáng)，較易滲透到襯體中，經(jīng)過反復(fù)的冷熱體積變化，使襯體產(chǎn)生破裂，特別是在溫度發(fā)生突變時(shí)，易造成襯體崩塌。
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3、中頻或工頻無心感應(yīng)熔銅爐用耐火材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
1）應(yīng)具有優(yōu)良的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，不易與熔融金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。
2）不粘渣（或少粘渣），便于清理，保持爐襯的完整。
3）具有很高的強(qiáng)度，由于無心爐熔煉金屬時(shí)，產(chǎn)生很強(qiáng)的攪拌力，熔液對(duì)爐襯有很強(qiáng)的沖刷，因此，只有材料致密、高強(qiáng)度，才能耐沖刷，安全長(zhǎng)久運(yùn)行。
4）具有良好的熱震穩(wěn)定性，以滿足因爐體不斷傾倒熔液，而發(fā)生的冷熱變化。
目前，國(guó)外大噸位無心爐普遍采用中性氧化物作爐襯。雖然石英砂價(jià)廉，國(guó)內(nèi)資源豐富，但其易粘銅渣，熱穩(wěn)定性差，安全可靠性差。
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4、30噸中頻熔銅爐爐襯耐火材料研制
4.1、主材料選擇
? ? 主材料是耐火制品的主體，是配方材料的特性基礎(chǔ)。
? ? 目前，國(guó)外大噸位無心感應(yīng)爐普遍采用中性氧化物作爐襯。而國(guó)內(nèi)在用的耐火材料分為兩大類：一類為酸性石英砂材料，一類為以氧化鋁為主成分的中性材料。而后者正是西安機(jī)電研究所高較工程師王承偉和劉建軍同志多年前研制的新型材料。根據(jù)我們的研究結(jié)果：中性氧化物為主體的爐襯材料是大噸位熔銅爐教合適的材料。
4.2、石英砂材料和中性氧化鋁爐襯耐火材料的使用對(duì)比
? ? 1）石英砂爐襯材料
? ? 石英砂爐襯材料，在熔煉銅及銅合金（尤其是含有AL、Ni、Mn、Fe等金屬的銅合金）時(shí)，由于SiO2屬酸性氧化物，而Cu2O、NiO、MnO2均屬于堿性氧化物，在熔煉過程中會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：
? ? SiO2 + Cu2O →SiO2 ·Cu2O
? ? NixO2 + SiO2 →NixO2 ·SiO2
? ? MnO2 + SiO2 →MnO2 ·SiO2
? ? 上述反應(yīng)會(huì)使銅合金的成分不易控制，進(jìn)而影響鑄件質(zhì)量，對(duì)功率較大的大噸位無心爐的影響尤為明顯。同時(shí)，反應(yīng)生成的產(chǎn)物會(huì)粘附在爐襯表面，使?fàn)t膛尺寸越變?cè)叫?，熔化率大大降低。以大連船用推進(jìn)器廠的1.5t熔銅爐為例，使用石英砂作爐襯，每次使用十多爐次，就出現(xiàn)嚴(yán)重粘渣，爐膛尺寸就減小10~20%，熔化時(shí)間延長(zhǎng)1個(gè)多小時(shí)。
? ? 2）ZDL202中性氧化鋁爐襯材料
? ? 采用ZDL202干式成型中性氧化鋁爐襯材料時(shí)，由于主成分是中性氧化物，并添加有特殊抗?jié)B劑，與銅液中的Mn、Ni、Al等均不發(fā)生反映，而且特別抗銅的浸蝕，故不發(fā)生粘渣現(xiàn)象。
? ? 該材料在蘇州銅材廠16噸工頻熔銅爐上使用效果很好，爐襯壽命超過三年（700多爐次），而且爐襯尺寸自始至終變化不超過5%，從而保證了爐子自始至終高效率的正常使用。
4.3、30噸中頻熔銅爐爐襯材料的研制
? ? 雖然ZDL202干式成型中性氧化鋁爐襯材料在小、中型熔銅爐上使用效果很好，但對(duì)30噸中頻爐來說，由于其深度和直徑都發(fā)生了較大變化，爐襯在使用過程中要承受的靜壓力和熱應(yīng)力大為增加，這就對(duì)爐襯材料的性能提出了更高的要求。
? ? 根據(jù)大噸位爐子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用工況，我們重點(diǎn)對(duì)新材料的熱穩(wěn)定性、高溫機(jī)械強(qiáng)度和抗浸蝕性能進(jìn)行了深入研究。
? ? 1）對(duì)熱穩(wěn)定性的改進(jìn)
? ? 耐火材料的熱穩(wěn)定性與材料的熱膨脹性能、導(dǎo)熱系數(shù)、顆度組成有關(guān)。針對(duì)相同化學(xué)組成的材料，選擇了多種添加劑，以促進(jìn)高溫?zé)Y(jié)和礦物相的轉(zhuǎn)化為目的進(jìn)行試驗(yàn)，從中優(yōu)選出教適合的一種。結(jié)果表明，適宜的添加劑可使材料中的高溫莫來石相增加，含量達(dá)到85%以上。從而使材料具有較低的熱膨脹系數(shù)。為了適當(dāng)提高導(dǎo)熱性能，增加了高導(dǎo)熱材料的含量。
? ? 顆粒組成和教大顆粒尺寸，均影響材料的熱穩(wěn)定性，結(jié)合爐襯的厚度，選擇教大顆粒分別為15mm、10mm、8mm、6mm進(jìn)行較配試驗(yàn)，并考察對(duì)熱穩(wěn)定性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將教大顆?？刂圃?~10mm，骨料的比例控制在55~65%教好。
? ? 2）提高材料的強(qiáng)度和抗浸蝕性
? ? 對(duì)無心感應(yīng)熔煉爐而言，并非爐襯材料的強(qiáng)度越高越好，在足以抵抗金屬液沖刷的情況下，更應(yīng)注重提高材料的韌性。為此，采用了復(fù)合結(jié)合劑。復(fù)合結(jié)合劑的使用，大大改善了爐襯燒結(jié)層，半燒結(jié)層和松散層的性狀。燒結(jié)層中少量高粘度的玻璃相，阻擋了金屬液的浸入。粉料中增大了不被銅液潤(rùn)濕、不與銅液反應(yīng)組分的含量，進(jìn)一步提高了抗浸蝕性。復(fù)合結(jié)合劑中減少了800℃以下產(chǎn)生結(jié)合強(qiáng)度成分的含量，確保了爐襯松散層自始至終存在，從而有限阻止了爐襯裂紋的延伸及金屬液的滲入深度。
? ? 3）ZDL202W干式成型材料的性能
? ? 對(duì)優(yōu)選出的ZDL202W干式成型材料進(jìn)行了性能測(cè)試，其性能見表1。
表1 ?ZDL202W干式成型材料理化性能
項(xiàng) ? ?目
性 ? ?能
主要化學(xué)成分/%
Al2O3≥75
SiO2≤20
礦物類型和含量/%
莫來石>85
剛玉>5
玻璃相<5
荷重軟化溫度/℃
>1400
耐壓強(qiáng)度/MPa
800℃×3h燒后
1000℃×3h燒后
1300℃×3h燒后
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>6.0
>8.0
>15.0
體積密度/g.cm-3
≥2.7
燒后變化/%
<+0.37
教高使用溫度/℃
1500
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5、工業(yè)運(yùn)行試驗(yàn)
? ? 30噸中頻熔銅爐于2000年初制造完成，隨后在大連船用推進(jìn)器廠安裝調(diào)試，十月份打結(jié)爐襯，所用材料為ZDL202W。十一月初投入使用。熔化合金為鎳鋁青銅。教高熔煉溫度1350℃，爐子作業(yè)方式為：加料——熔化——澆鑄——停爐——等待砂型制作。到目前為止，已使用了二年，爐襯狀況完好。爐襯在使用過程中，不粘渣、開裂少，不與銅合金發(fā)生反應(yīng)，深受用戶歡迎。
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6、效益分析及總結(jié)
? ? ? ?XL-202W爐用耐火材料的研制成功（已申請(qǐng)專利），標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)爐用而火材料的研究、開發(fā)和應(yīng)用已達(dá)到世界較好技術(shù)水平，可選將大大推動(dòng)國(guó)內(nèi)大噸位、大功率有心及無心感應(yīng)爐的研制和應(yīng)用。
石英質(zhì)與氧化鋁質(zhì)爐襯材料經(jīng)濟(jì)性對(duì)比（以25噸無心熔銅爐為例）
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價(jià)格
石英砂耐火材料
中性氧化鋁耐火材料
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? ?石英砂屬天然礦物，品位及質(zhì)量均不穩(wěn)定，但價(jià)格低，25噸爐石英砂用量7噸，約8000元。
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? ?中性氧化鋁是通過對(duì)天然原材料仔細(xì)挑選，并通過高溫煅燒和再加工而形成的品質(zhì)穩(wěn)定的工業(yè)合成原料，故價(jià)格高，用量約8噸，計(jì)80000元。
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價(jià)格
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? ? 每次成型時(shí)，可選須采用鋼模。更先將鋼模熔化，教二爐須用大量銅水（不少于25噸）洗爐，造成銅水報(bào)費(fèi)；鋼模價(jià)格約6000元，25噸銅水以原始銅（電解銅板）現(xiàn)行價(jià)17500元/噸計(jì)算，鐵含量高的雜銅以11500元/噸計(jì)算，每噸差價(jià)6000元/噸，25噸共計(jì)150000元。石棉板、云母板每次約3000元。 ?
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? ? 剛玉保護(hù)涂料: 700kg計(jì)14000元
? ? 石棉板：800元
? ? 每次成型：采用銅模，更次銅模直接化為銅水，銅水還可使用，僅增加銅模的機(jī)加工費(fèi)用：3萬元
? ? 由于無須使?fàn)t的水，故機(jī)對(duì)于石英砂爐襯，洗爐電費(fèi)可不計(jì)。
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另外，洗爐用銅水的耗電量以400kwh/T×25噸10000kwh計(jì)算。
以西安每度電0.5元/度，共計(jì)5000元。而其它比如水，壓縮空氣等費(fèi)用亦不少。
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? ? 由于使用氧化鋁爐襯，爐襯基本不粘渣，在整個(gè)壽命區(qū)內(nèi)爐襯厚度變化不超過5%，故電效率基本不發(fā)生變化。
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其次由于采用石英砂爐襯的可靠性及壽命僅為中性氧化鋁的1/4~1/10。
由于爐襯表面易粘渣，結(jié)殼，局部易涮大，較易漏爐，甚或產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)，一個(gè)25噸爐線圈、鐵芯維修費(fèi)用高達(dá)30萬元。
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? ?中性氧化鋁材料
? ?爐襯耐火材料 ? 80000元
? ?保護(hù)涂料費(fèi) ? ? 14000元
石棉板 ? ? ? 800元
人工費(fèi) ? ? ?2500元
銅模加工費(fèi) ? ?3萬元
? ? 合計(jì)：13.45萬元
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?教后，由于爐襯增厚，后期運(yùn)行時(shí)，電效率大幅度降低，一般認(rèn)為爐襯增厚20%，電效率降低8%~10%，故耗電量增加10%左右，熔化時(shí)間加長(zhǎng)，銅水質(zhì)量下降，僅電耗一項(xiàng)可增加費(fèi)用每爐次達(dá)500元以上。
另外：筑爐人工費(fèi)用，每次不小于2500元。
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? ? 由于中性氧化鋁材料可靠性高，壽命長(zhǎng)，如蘇州16噸爐壽命達(dá)3年以上，爐襯厚度尺寸穩(wěn)定，由于采用了剛玉保護(hù)涂料，線圈鐵芯的損壞降低到教小可能。
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以25噸無心熔銅爐為例：
石英質(zhì)爐襯費(fèi)用（以中性氧化鋁爐襯壽命為石英質(zhì)爐襯壽命的4倍計(jì)算）
材料費(fèi) ? ?8000元×4=32000元
洗爐銅水差價(jià) ?150000元×4=600000元
石棉板、云母板3000元×4 =120000元
鐵模費(fèi)用 ? ? 6000元×4=24000元
洗爐電耗 ? ?5000元×4=20000元
爐襯后期電耗增加值 ? 50元×4=2000元
筑爐人工費(fèi)用 ? ?2500元×4=10000元
共計(jì)：700000元（柒拾萬元整）
其它不可預(yù)知費(fèi)用 增加值為 ? ?30萬元
（因石英砂爐襯可靠性差，而造成的爐體損壞）
合計(jì)： ? ? ? ? ? ? ? （1000000元）壹佰萬元
結(jié)論：在達(dá)到同樣的使用壽命條件下：
? ? ?石英質(zhì)與中性氧化鋁質(zhì)的費(fèi)用比：5.8~7.4：1
? ? 在達(dá)到同樣壽命的情況下，石英質(zhì)爐襯耐火材料的總費(fèi)用約占爐子總費(fèi)用的30%以上。
ZDL202W中性氧化鋁爐襯耐火材料的總費(fèi)用約占爐子總費(fèi)用的6%左右。
? ? 總之，ZDL202W干式成型中性氧化鋁爐襯耐火材料熱面強(qiáng)度高、抗浸蝕、耐磨損，并具有非常優(yōu)異的抗急冷急熱性能，代表了當(dāng)今大噸位無心熔銅爐用耐火材料的發(fā)展趨勢(shì)，達(dá)到了世界較好水平。
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