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耐火材料行业动态

无芯感应电炉炉衬失效的形式及原因分析

耐火材料作为感应炉的结构材料及元部件材料,单位消耗在很大程度上与经营管理状况有关系。吨钢产量所消耗的耐火材料的质量称耐火材料综合消耗指标,它是衡量一个国家的工业水平,尤其是耐火材料质量的重要指标。
一般来说,质量好的耐火材料在炉窑上使用的效果好,寿命长,但使用条件不能忽视,如同一种耐火材料在同一热工设备上使用,由于使用条件改变,往往使用结果差别很大。因此,为充分满足国内金属熔炼生产需要,有必要进一步研究炉衬的失效形式,分析炉衬的使用条件及寿命的影响因素,探讨提高炉衬使用寿命的有效措施。
无心感应电炉炉衬通常采用不定型耐火材料整体施工,炉衬结构是在紧靠线圈的一侧涂抹一层有一定锥度的线圈浆料,接下来是报警网,在报瞥网内再铺—层云母纸,最后是干式捣打工作炉衬。
过 热
过热是指炉衬使用在过高的熔化温度下,足以熔合或熔化耐火材料的结合剂,分不清炉衬的颗粒形状。
过热的现象:耐火材料呈现玻璃状,一般发生在炉体下部。炉衬过热时,炉衬的粒形和颗粒的边缘通常是分不清楚的。炉衬一旦过热,将经不起热冲击,再起熔也不会成功,过热后的耐火材料。
过热会导致过热区域耐火材料严重侵蚀,炉衬烧结层产生不均匀的玻璃体,抗热冲击(热冲击是温度变化或者温度梯度对炉衬产生的应力。当应力超过耐火材料的强度时,将使炉衬产生裂纹或者使原有裂纹扩张)的性能降低,没有足够的可逆膨胀,产生的裂纹无法弥合。表1是对现场渣样进行的能谱定量分析结果的实例。
渣样中含28.68%SiO2,18.78%P2O5,84%K2O,28.79%CaO,其中P2O5来自脱氧剂,SiO2、K2O、CaO不能找到明确的来源,但是根据电化学原理,几乎所有的电解质的化学电位差在温度升高时,都有大的变化趋势,因此在温度升高时,SiO2、P2O5、K2O、CaO等氧化物的电解质与Al2O3,之间的电位差因温度的升高都有变大的趋势,因而反应也会加剧。
在CaO-Al2O3-SiO2三元相存在低于1200℃的共熔点,共熔点处CaO:Al2O3:SiO2摩尔比为28:8:65,而渣中CaO:Al2O3:SiO2的摩尔比为56:7:60,满足形成低共熔点的条件,所以高温下,会加速该反应的进行,导致炉衬高温侵蚀严重,寿命显著缩短。另外,渣中高含量的磷与炉衬有与上述相似的反应机理,加速炉衬的侵蚀。因高温加剧了耐火材料的高温熔蚀,外界引入的P2O5,CaO和SiO2,在高温下加速了耐火材料的高温侵蚀。
过热产生的原因:
(1)炉料架桥:一次性加料过多,上部炉料堆放过紧,炉料卡死、架空;炉料结构不合理,上部料块小、熔点高,下部料块大,熔点低;炉壁不平滑,不利于炉料顺行;炉料架桥后,与下部金属熔池温度脱离而不能有效的传热和熔化,停滞在低温区;下部熔池温度则不断升高。
(2)耐火材料中含有金属(螺钉、焊渣等),因局部感应发热致使耐火材料局部过热。
(3)金属渗透或裂纹渗透。
(4)熔炼金属温度过高,缺少温度控制。
(5)原材料中的Al2O3、Fe2O3等杂质会显著降低炉衬材料的耐火度,也会在正常操作温度下使炉衬表现为过热现象。
(6)与操作有关的原因:造成快速的温度变化、冷热循环;不正确的加热程序、过早进水等;火焰的冲击;间断性高功率;过长时间的低液面保温。
(7)与材料有关原因:材料的晶型转变速度;炉衬烧结的情况;炉衬松散层的厚度等。
穿 炉
穿炉现象表现为:大量金属渗透在耐火材料裂纹中,如图4所示。
穿炉会导致:在穿炉周围的金属渗透;炉衬的寿命明显降低;早期的接地报警;潜在的金属液钻到线圈的风险;干振料的整体烧结,没有松散层;炉衬表现为持续不断的从炉口膨胀;穿炉部位的氧化会造成局部耐火材料的侵蚀等。
形成穿炉的原因主要为冷热循环形成的裂纹,包括水平裂纹、垂直裂纹及任意方向的裂纹。水平裂纹的形成原因主要是:①分层:不正确的筑炉方法,造成炉衬没有形成致密的炉衬打结层;②炉衬依附:经常出现在出液口与工作炉衬的结合部,可通过改变炉嘴的施工方法解决。垂直裂纹由冷热冲击引起,主要由不正确的冷却工艺和再起熔工艺引起。任意方向的裂纹一般由机械碰撞或脱模引起。
炉衬剥落
炉衬剥落是耐火材料以块状或片状从烧结的炉墙上脱落的一种现象。
炉衬剥落产生原因有:
(1)不恰当的筑炉或烧结致使炉衬未形成良好的烧结层引起炉衬剥落。
(2)水蒸气:炉衬烧结时速度太快,耐火材料中的水分来不及排出。在高温下H2O分解为H2和O2,根据理想气态方程:PV=nRT,可知气体的温度迅速上升,气体的压力和体积乘积将迅速扩大,体积迅速膨胀,压力迅速增大的气体将导致未烧结好的炉衬出现剥落。
(3)机械剥落:加料对炉衬尤其是炉底形成的反复冲击是引起机械剥落的最主要原因。
(4)膨胀剥落:金属液侵蚀炉衬后造成被金属侵蚀的部位的热膨胀率与未被侵蚀部位的热膨胀率不一致,使得在两者的界面处容易产生不规则应力而造成炉衬脱落。
(5)挤压剥落:常发生在炉底,由于加料对炉底的冲击及金属液的自重对炉底长期的压力引起。
(6)热剥落:温度快速变化,短时间内波动太快太大,造成耐火材料内应力大,产生崩裂,剥落而损毁。
侵 蚀
侵蚀现象表现为炉衬变薄,坩埚直径变大。侵蚀产生的原因有机械侵蚀和化学侵蚀。
(一)机械侵蚀
机械侵蚀由以下原因引起:
(1)炉料碰撞、摩擦。
(2)电磁揽拌,在与金属液接触的炉衬区域,金属液在电磁揽拌作用下不断地对炉衬进行冲刷。
(二)化学侵蚀
1)熔融金属反应
镁制炉衬对Fe、Mn、Ni的承受能力良好,而对C、Si的承受能力较弱,在高温下金属液中[C]、[Si]的活性增强,与炉衬表面的MgO发生界面反应,使炉衬受损。采用硅质炉衬溶炼时,SiO2与金属液中的[C]发生以下反应:SiO2(s)+2[C]→[Si]+2CO(g)。对于球铁熔炼该反应的平衡温度为1467℃,灰铁为1540℃,可锻铸铁为1580℃。当熔化温度超过平衡温度时,炉衬中的SiO2被[O]还原,炉衬变薄。
2)渣侵蚀
由于炉料中存在铁锈、回炉料不干净及金属液高温下被氧化等因素,产生大量的含FeO的炉渣。在熔炼过程中,熔渣由于受到电磁搅拌作用,其黏度明显降低,在与炉衬表面接触时渗入炉衬孔隙间。在高温下,熔渣中的FeO与炉衬中的SiO2、Al2O3或MgO等产生渣化反应,生成低熔点物(如FeO·SiO2的熔点仅1170℃),在高温金属液搅拌作用下极易熔化并很快离开反应区,进入液中。炉衬材料的碱度与炉渣的碱度差越大,炉衬就越容易被侵蚀。
渗 漏
渗漏现象表现为金属渗透在炉衬中。引起渗漏的原因有:
(1)筑炉密度太低;
(2)烧结层未形成之前金属已经熔融;
(3)化学反应。
结 渣
结渣现象变现为炉墙变厚,不光滑。结渣的原因为金属氧化物、含渣子和砂的回料等在炉墙上引起附着。结渣对炉衬的影响表现为:①结渣是漂浮在金属液上的不熔氧化物、硫化物或磷化物粘在金属液流速低、热损失的炉衬部位;②降低炉子容量;③降低炉子的熔化效率;④使隐藏在渣中的金属容易过热;⑤和炉衬耐火材料发生反应;⑥清渣时对炉衬易造成机械损伤;⑦改变挂渣部位炉衬的热力学状态。
石英砂炉衬结渣,回炉料中含石英砂(粘在铸铁表面的废型砂)较多,这些沙子会沉在炉底、粘在炉壁上使炉衬增厚,严重时使炉底形成V字形,炉子容积变小。石英砂炉衬系酸性炉衬,酸性渣遇到酸性炉衬粘附,尤其在渣线位置固定,出铁温度较低的情况下,渣线位置结渣严重,影响加料和炉子容量。


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