1、前言

隨著社會發(fā)展和人們生活水平的提高，鋁和鋁合金的用量呈明顯的增加趨勢。感應(yīng)爐作為鋁和鋁合金的主要熔煉設(shè)備品種，越來越受到人們的重視，因而，感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料已成為鑄造作業(yè)者非常關(guān)心的技術(shù)問題之一。

在此，就本所多年來在這方面所作的研究工作作如下敘述：

2、感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料應(yīng)具備的特點

2.1工頻有芯感應(yīng)爐的工作特點

有心感應(yīng)爐的熱源來自位于爐體下部的溝槽式感應(yīng)器，鋁液在熔溝內(nèi)被感應(yīng)加熱，再通過循環(huán)或單向流動與爐膛內(nèi)的鋁液熱交換。大噸位有心感應(yīng)熔鋁爐采用了美國阿杰克斯(Ajax)公司研制的噴流型感應(yīng)器。這種感應(yīng)器不僅大大減小了熔溝內(nèi)金屬液與爐膛內(nèi)金屬液的溫差，也可防止化學(xué)反應(yīng)生成物在熔溝壁上的聚積，在一定程度上改變了熔溝堵塞情況，但是由于電動力加大，鋁液流動速度提高，以及熔溝形狀的復(fù)雜化，增加了內(nèi)襯耐火材料的磨損和結(jié)構(gòu)應(yīng)力;熔溝壁的減薄和水冷套的設(shè)置，增加了耐火材料承受的熱應(yīng)力。

有心感應(yīng)爐的低能耗在于其連續(xù)性的作業(yè)方式，這無疑使熔溝耐火材料與熔液發(fā)生反應(yīng)的時間和機會增加，同時堵溝的可能性始終存在。

2.2無心感應(yīng)爐的工作特點

常用的無心感應(yīng)爐分為工頻和中頻兩種，從目前的發(fā)展趨勢看,中頻爐更有前景。兩者的共同點在于可根據(jù)需要采用間斷或連續(xù)運行方式,爐子由于不斷重復(fù)“加料-熔化-出爐”的作業(yè)過程，爐襯承受很大的熱應(yīng)力。工頻爐爐內(nèi)金屬液比中頻爐爐內(nèi)的翻騰更厲害，即爐襯受到的沖刷較嚴(yán)重，而中頻爐的比功率大(是工頻爐的兩倍)、功率密度高、熔化速度快，冷熱交替更快。由于匝間電壓高(約為工頻爐的2～4倍)，通過裂縫滲入爐襯的金屬液過熱、并造成線圈損壞的可能性比較大。

2.3耐火材料應(yīng)滿足的要求

爐襯耐火材料，不論是用于有心感應(yīng)爐，還是無心感應(yīng)爐，都應(yīng)滿足以下要求。

(1)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性

金屬鋁及鋁合金不僅化學(xué)活性高，而且其熔液的流動性極好。鋁熔液在750℃時的粘度僅為1.04厘泊，與20℃時水的粘度(1.0厘泊)相當(dāng)接近,這就是其易向爐襯內(nèi)部滲透和發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的主要原因。在鋁液同耐火材料相接觸的溫度下，鋁起強還原劑作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、FeO等氧化物要被鋁還原。鋁液同爐襯耐火材料之間的反應(yīng)不僅使產(chǎn)品的質(zhì)量受到影響，而且使?fàn)t襯表面結(jié)瘤、鼓包和沉淀雜物，受鋁液浸漬部分和原磚的界面有出現(xiàn)裂紋的危險，停爐時還會引起剝落。所以，同鋁液接觸的爐襯材料，需要具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和盡可能少的浸漬量。

(2)有良好的抗沖刷性

一般為了使?fàn)t子有較高的電效率，爐壁材料都設(shè)計的很薄，但爐子運行過程中，由于電磁力的作用，爐內(nèi)金屬液不停地翻騰和攪拌，對爐襯不斷地沖刷和磨損。對有心感應(yīng)爐，由于采用了噴流型熔溝，熔溝耐火材料受到的沖刷和磨損更為嚴(yán)重。所以，要求所用耐火材料需要具有很高的機械強度和硬度。

(3)有較高的致密度和體積穩(wěn)定性

作為熔煉爐用耐火材料，在材質(zhì)一定的情況下，都希望獲得較高的致密度和體積穩(wěn)定性。體密的高低，反應(yīng)了成型體內(nèi)部氣孔含量多少，特別是燒結(jié)程度的好壞。材料的體積穩(wěn)定性愈高，燒結(jié)和使用過程產(chǎn)生裂紋的可能性愈小，所產(chǎn)生裂紋的寬度愈小，抗?jié)B透能力愈強。

(4)不易產(chǎn)生爐瘤

極少可能由于熔融物表面或內(nèi)部存在的雜質(zhì)(例如Al2O3)而形成爐瘤。因為爐瘤會使?fàn)t子容量顯著降低，而且金屬瘤本身致密、堅韌，除掉是非常困難的。

(5)不易被金屬液潤濕和滲透

眾所周知，耐火材料是脆性材料，在加熱和冷卻過程中不可避免地要產(chǎn)生裂紋。但決定其壽命的關(guān)鍵因素之一是裂紋的大小和裂紋擴展的速度。而裂紋擴展與金屬液對所接觸材料的潤濕和滲透能力大小有關(guān)。潤濕能力愈差，愈有利。

(6)耐急冷急熱性能好

這一點對無心感應(yīng)爐特別重要。因為無心爐作業(yè)方式為“加料—熔化—出爐”過程的不斷循環(huán)，爐襯材料反復(fù)受到熱沖擊。若耐火材料熱震穩(wěn)定性不佳，則極易產(chǎn)生裂紋和裂紋擴展，金屬液會在短期內(nèi)滲透到線圈處，導(dǎo)致整臺爐襯報廢。

3、感應(yīng)熔煉爐用耐火材料

雖然有心感應(yīng)爐與無心感應(yīng)爐的工作溫度相近，但由于結(jié)構(gòu)上的差異，運行方式的不同，適用的耐火材料不盡相同。我所從八十年代初至今，在開發(fā)研制熔鋁爐用耐火材料方面作了大量的研究工作，成功研制了特別適合有心爐使用的高強澆注料，無心爐使用的干式成型材料。

3.1有心感應(yīng)爐用高強耐火澆注料

有心感應(yīng)熔鋁爐的爐襯材料分為爐蓋、爐膛、喉部和感應(yīng)器熔溝耐火材料四部分。喉部，特別是熔溝耐火材料是關(guān)鍵的材料，直接影響爐子的壽命和運行成本。

(1)爐蓋耐火材料

爐蓋的主要作用是減少爐子的熱損失，防止加料及熔化過程中金屬液的飛濺。這就要求爐蓋材料保溫性能好，重量輕和抗侵蝕性強。基于此，目前大都采用重量輕，導(dǎo)熱系數(shù)小的硅酸鋁耐火纖維作襯里，由于工作溫度通常低于800℃，因而多采用耐熱鋼鉚釘和耐熱鋼網(wǎng)將其固定在爐蓋殼體上。這種爐蓋不僅保溫絕熱而且輕巧，因而關(guān)閉和打開十分方便。

(2)爐膛耐火材料

爐膛耐火材料在使用過程中所受到的物理化學(xué)作用，雖不如熔溝耐火材料那樣苛刻，但其化學(xué)特性也應(yīng)對鋁液呈惰性，有較高的強度和密度。所以，應(yīng)采用性能優(yōu)良的低氣孔、高密度高鋁磚砌筑。砌磚過程應(yīng)特別注意減小磚縫的寬度，并用泥漿打飽。

(3)喉部及熔溝耐火材料

喉部和熔溝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不宜用磚砌筑，主要采用不定形耐火材料。我們在認(rèn)真分析了熔溝耐火材料受力狀況后，根據(jù)國內(nèi)的實際情況，就顆粒級配，結(jié)合劑用量，水泥分散促進(jìn)劑用量等，作了大量的試驗室研究工作，研究出了一種特別適合有心感應(yīng)爐感應(yīng)器使用的高性能澆注料。該澆注料采用高鋁質(zhì)耐火材料，以剛玉、莫來石為主晶相，其理化性能指標(biāo)見表1。

分析表1數(shù)據(jù)，可以看出，這種澆注料常溫和高溫強度均很高，特別是850℃燒后強度相對110℃烘干強度而言，降低幅度較小，所以，這種澆注料在使用過程中抗沖刷、耐磨損。

侵蝕試驗表明，這種材料不易被鋁液浸潤，無反應(yīng)跡象。

3.2無心感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料

無心感應(yīng)爐由于其靈活的作業(yè)方式，特別是靜態(tài)變頻技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，發(fā)展極為迅速。然而，隨著爐子功率和容量的增大，熔化鋁質(zhì)量的提高，對所用耐火材料的要求更加苛刻。

作為無心感應(yīng)爐用耐火材料，應(yīng)具有十分優(yōu)良的熱震穩(wěn)定性和抵抗裂紋擴展的能力。顯然，有心感應(yīng)爐使用的澆注料用作無心爐爐襯是不適宜的。根據(jù)國內(nèi)外無心爐爐襯的實際使用情況，我們把主攻方向定在干式成型耐火材料上。

干式成型耐火材料是一種幾乎不含水分和任何液態(tài)加入物，經(jīng)短時間振動或搗打成型即可快速升溫、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一種特殊的熱凝結(jié)性耐火材料，加熱時燒結(jié)劑產(chǎn)生作用使得工作層有極高的強度，而非工作層仍保持未燒結(jié)的散狀結(jié)構(gòu)。在使用過程中，當(dāng)熱面工作層開裂時，尚未燒結(jié)的襯墊層可吸收局部集中的熱應(yīng)力，防止裂紋的延伸，保證爐子安全使用。

自1989年起，我們在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，就原材料選擇、顆粒級配、結(jié)合劑選用等作了大量試驗工作。經(jīng)過對多組配方的綜合對比試驗，終研制出了含有特殊低溫?zé)�結(jié)劑的新型中性干式成型爐襯材料。

4、實際使用情況

有心感應(yīng)爐熔溝耐火材料,1984年開始投入使用，先后用于昆明民族鋁制品廠的5噸爐，蘭州鋁制品廠和青海鋁制品廠的5噸爐。長壽命達(dá)8個月，正常使用壽命維持在半年以上。實踐證明，這種濕法澆注料施工工藝簡單，各項性能優(yōu)良，使用壽命長，是大型有心感應(yīng)熔鋁爐用之可靠的爐襯材料。

無心感應(yīng)熔鋁爐用干式成型耐火材料，1992年開始實際使用。該料采用手持式振動器或裝配有專用搗打頭的風(fēng)鎬分層搗打。整個施工周期大大短于濕法澆注料。從92年至今先后有數(shù)眾多廠家采用該耐火材料筑爐。

無論是工頻無心感應(yīng)爐,還是中頻無心感應(yīng)爐,采用高性能干式成型材料筑爐后,爐襯的長使用壽命達(dá)到了八個月。

5、總結(jié)

我所研制的有心感應(yīng)熔鋁爐和無心感應(yīng)熔鋁爐用耐火材料，立足國內(nèi)資源，以低廉的售價(僅為進(jìn)口材料的1/4～1/5)和優(yōu)良的性能(耐火材料正常使用壽命可達(dá)5-6個月，注：冶煉特殊合金除外)而受到眾多用戶的信賴和采用。我們?nèi)栽诓粩嗯�力，使配方材料的性能進(jìn)一步提高，力爭取得到更佳的使用效果。

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