化铝炉用耐火材料
- 发布人：管理员
- 发布时间：2011-12-22
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1、前言
随着社会发展和人们生活水平的提高，铝和铝合金的用量呈明显的增加趋势。感应炉作为铝和铝合金的主要熔炼设备品种，越来越受到人们的重视，因而，感应熔铝炉用耐火材料已成为铸造作业者非常关心的技术问题之一。
在此，就本所多年来在这方面所作的研究工作作如下叙述：
2、感应熔铝炉用耐火材料应具备的特点
2.1工频有芯感应炉的工作特点
有心感应炉的热源来自位于炉体下部的沟槽式感应器，铝液在熔沟内被感应加热，再通过循环或单向流动与炉膛内的铝液热交换。大吨位有心感应熔铝炉采用了美国阿杰克斯(Ajax)公司研制的喷流型感应器。这种感应器不仅大大减小了熔沟内金属液与炉膛内金属液的温差，也可防止化学反应生成物在熔沟壁上的聚积，在一定程度上改变了熔沟堵塞情况，但是由于电动力加大，铝液流动速度提高，以及熔沟形状的复杂化，增加了内衬耐火材料的磨损和结构应力；熔沟壁的减薄和水冷套的设置，增加了耐火材料承受的热应力。
有心感应炉的低能耗在于其连续性的作业方式，这无疑使熔沟耐火材料与熔液发生反应的时间和机会增加，同时堵沟的可能性始终存在。
2.2无心感应炉的工作特点
常用的无心感应炉分为工频和中频两种，从目前的发展趋势看,中频炉更有前景。两者的共同点在于可根据需要采用间断或连续运行方式,炉子由于不断重复“加料-熔化-出炉”的作业过程，炉衬承受很大的热应力。工频炉炉内金属液比中频炉炉内的翻腾更厉害，即炉衬受到的冲刷较严重，而中频炉的比功率大(是工频炉的两倍)、功率密度高、熔化速度快，冷热交替更快。由于匝间电压高(约为工频炉的2～4倍)，通过裂缝渗入炉衬的金属液过热、并造成线圈损坏的可能性比较大。
2.3耐火材料应满足的要求
炉衬耐火材料，不论是用于有心感应炉，还是无心感应炉，都应满足以下要求。
(1)有良好的化学稳定性
金属铝及铝合金不仅化学活性高，而且其熔液的流动性极好。铝熔液在750℃时的粘度仅为1.04厘泊，与20℃时水的粘度(1.0厘泊)相当接近,这就是其易向炉衬内部渗透和发生化学反应的主要原因。在铝液同耐火材料相接触的温度下，铝起强还原剂作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、FeO等氧化物要被铝还原。铝液同炉衬耐火材料之间的反应不仅使产品的质量受到影响，而且使炉衬表面结瘤、鼓包和沉淀杂物，受铝液浸渍部分和原砖的界面有出现裂纹的危险，停炉时还会引起剥落。所以，同铝液接触的炉衬材料，必须具有很高的化学稳定性和尽可能少的浸渍量。
(2)有良好的抗冲刷性
一般为了使炉子有较高的电效率，炉壁材料都设计的很薄，但炉子运行过程中，由于电磁力的作用，炉内金属液不停地翻腾和搅拌，对炉衬不断地冲刷和磨损。对有心感应炉，由于采用了喷流型熔沟，熔沟耐火材料受到的冲刷和磨损更为严重。所以，要求所用耐火材料必须具有很高的机械强度和硬度。
(3)有较高的致密度和体积稳定性
作为熔炼炉用耐火材料，在材质一定的情况下，都希望获得较高的致密度和体积稳定性。体密的高低，反应了成型体内部气孔含量多少，特别是烧结程度的好坏。材料的体积稳定性愈高，烧结和使用过程产生裂纹的可能性愈小，所产生裂纹的宽度愈小，抗渗透能力愈强。
(4)不易产生炉瘤
极少可能由于熔融物表面或内部存在的杂质(例如Al2O3)而形成炉瘤。因为炉瘤会使炉子容量显著降低，而且金属瘤本身致密、坚韧，除掉是非常困难的。
(5)不易被金属液润湿和渗透
众所周知，耐火材料是脆性材料，在加热和冷却过程中不可避免地要产生裂纹。但决定其寿命的关键因素之一是裂纹的大小和裂纹扩展的速度。而裂纹扩展与金属液对所接触材料的润湿和渗透能力大小有关。润湿能力愈差，愈有利。
(6)耐急冷急热性能好
这一点对无心感应炉特别重要。因为无心炉作业方式为“加料-熔化-出炉”过程的不断循环，炉衬材料反复受到热冲击。若耐火材料热震稳定性不佳，则极易产生裂纹和裂纹扩展，金属液会在短期内渗透到线圈处，导致整台炉衬报废。
3、感应熔炼炉用耐火材料
虽然有心感应炉与无心感应炉的工作温度相近，但由于结构上的差异，运行方式的不同，适用的耐火材料不尽相同。我所从八十年代初至今，在开发研制熔铝炉用耐火材料方面作了大量的研究工作，成功研制了特别适合有心炉使用的高强浇注料，无心炉使用的干式成型材料。
3.1有心感应炉用高强耐火浇注料
有心感应熔铝炉的炉衬材料分为炉盖、炉膛、喉部和感应器熔沟耐火材料四部分。喉部，特别是熔沟耐火材料是最关键的材料，直接影响炉子的寿命和运行成本。
(1)炉盖耐火材料
炉盖的主要作用是减少炉子的热损失，防止加料及熔化过程中金属液的飞溅。这就要求炉盖材料保温性能好，重量轻和抗侵蚀性强。基于此，目前大都采用重量轻，导热系数小的硅酸铝耐火纤维作衬里，由于工作温度通常低于800℃，因而多采用耐热钢铆钉和耐热钢网将其固定在炉盖壳体上。这种炉盖不仅保温绝热而且轻巧，因而关闭和打开十分方便。
(2)炉膛耐火材料
炉膛耐火材料在使用过程中所受到的物理化学作用，虽不如熔沟耐火材料那样苛刻，但其化学特性也应对铝液呈惰性，有较高的强度和密度。所以，应采用性能优良的低气孔、高密度高铝砖砌筑。砌砖过程应特别注意减小砖缝的宽度，并用泥浆打饱。
(3)喉部及熔沟耐火材料
喉部和熔沟结构复杂，不宜用砖砌筑，主要采用不定形耐火材料。我们在认真分析了熔沟耐火材料受力状况后，根据国内的实际情况，就颗粒级配，结合剂用量，水泥分散促进剂用量等，作了大量的试验室研究工作，研究出了一种特别适合有心感应炉感应器使用的高性能浇注料。该浇注料采用高铝质耐火材料，以刚玉、莫来石为主晶相，其理化性能指标见表1。
分析表1数据，可以看出，这种浇注料常温和高温强度均很高，特别是850℃烧后强度相对110℃烘干强度而言，降低幅度较小，所以，这种浇注料在使用过程中抗冲刷、耐磨损。
侵蚀试验表明，这种材料不易被铝液浸润，无反应迹象。
3.2无心感应熔铝炉用耐火材料
无心感应炉由于其灵活的作业方式，特别是静态变频技术的发展和进步，发展极为迅速。然而，随着炉子功率和容量的增大，熔化铝质量的提高，对所用耐火材料的要求更加苛刻。
作为无心感应炉用耐火材料，应具有十分优良的热震稳定性和抵抗裂纹扩展的能力。显然，有心感应炉使用的浇注料用作无心炉炉衬是不适宜的。根据国内外无心炉炉衬的实际使用情况，我们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种几乎不含水分和任何液态加入物，经短时间振动或捣打成型即可快速升温、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一种特殊的热凝结性耐火材料，加热时烧结剂产生作用使得工作层有极高的强度，而非工作层仍保持未烧结的散状结构。在使用过程中，当热面工作层开裂时，尚未烧结的衬垫层可吸收局部集中的热应力，防止裂纹的延伸，保证炉子安全使用。
自1989年起，我们在调查研究的基础上，就原材料选择、颗粒级配、结合剂选用等作了大量试验工作。经过对多组配方的综合对比试验，最终研制出了含有特殊低温烧结剂的新型中性干式成型炉衬材料。
4、实际使用情况
有心感应炉熔沟耐火材料,1984年开始投入使用，先后用于昆明民族铝制品厂的5吨炉，兰州铝制品厂和青海铝制品厂的5吨炉。最长寿命达8个月，正常使用寿命维持在半年以上。实践证明，这种湿法浇注料施工工艺简单，各项性能优良，使用寿命长，是大型有心感应熔铝炉用之可靠的炉衬材料。
无心感应熔铝炉用干式成型耐火材料，1992年开始实际使用。该料采用手持式振动器或装配有专用捣打头的风镐分层捣打。整个施工周期大大短于湿法浇注料。从92年至今先后有数众多厂家采用该耐火材料筑炉。
无论是工频无心感应炉,还是中频无心感应炉,采用高性能干式成型材料筑炉后,炉衬的最长使用寿命达到了八个月。
5、总结
我所研制的有心感应熔铝炉和无心感应熔铝炉用耐火材料，立足国内资源，以低廉的售价(仅为进口材料的1/4～1/5)和优良的性能(耐火材料正常使用寿命可达5-6个月，注：冶炼特殊合金除外)而受到众多用户的信赖和采用。我们仍在不断努力，使配方材料的性能进一步提高，力争取得到更佳的使用效果。
随着社会发展和人们生活水平的提高，铝和铝合金的用量呈明显的增加趋势。感应炉作为铝和铝合金的主要熔炼设备品种，越来越受到人们的重视，因而，感应熔铝炉用耐火材料已成为铸造作业者非常关心的技术问题之一。
在此，就本所多年来在这方面所作的研究工作作如下叙述：
2、感应熔铝炉用耐火材料应具备的特点
2.1工频有芯感应炉的工作特点
有心感应炉的热源来自位于炉体下部的沟槽式感应器，铝液在熔沟内被感应加热，再通过循环或单向流动与炉膛内的铝液热交换。大吨位有心感应熔铝炉采用了美国阿杰克斯(Ajax)公司研制的喷流型感应器。这种感应器不仅大大减小了熔沟内金属液与炉膛内金属液的温差，也可防止化学反应生成物在熔沟壁上的聚积，在一定程度上改变了熔沟堵塞情况，但是由于电动力加大，铝液流动速度提高，以及熔沟形状的复杂化，增加了内衬耐火材料的磨损和结构应力；熔沟壁的减薄和水冷套的设置，增加了耐火材料承受的热应力。
有心感应炉的低能耗在于其连续性的作业方式，这无疑使熔沟耐火材料与熔液发生反应的时间和机会增加，同时堵沟的可能性始终存在。
2.2无心感应炉的工作特点
常用的无心感应炉分为工频和中频两种，从目前的发展趋势看,中频炉更有前景。两者的共同点在于可根据需要采用间断或连续运行方式,炉子由于不断重复“加料-熔化-出炉”的作业过程，炉衬承受很大的热应力。工频炉炉内金属液比中频炉炉内的翻腾更厉害，即炉衬受到的冲刷较严重，而中频炉的比功率大(是工频炉的两倍)、功率密度高、熔化速度快，冷热交替更快。由于匝间电压高(约为工频炉的2～4倍)，通过裂缝渗入炉衬的金属液过热、并造成线圈损坏的可能性比较大。
2.3耐火材料应满足的要求
炉衬耐火材料，不论是用于有心感应炉，还是无心感应炉，都应满足以下要求。
(1)有良好的化学稳定性
金属铝及铝合金不仅化学活性高，而且其熔液的流动性极好。铝熔液在750℃时的粘度仅为1.04厘泊，与20℃时水的粘度(1.0厘泊)相当接近,这就是其易向炉衬内部渗透和发生化学反应的主要原因。在铝液同耐火材料相接触的温度下，铝起强还原剂作用。耐火材料中的SiO2、TiO2、FeO等氧化物要被铝还原。铝液同炉衬耐火材料之间的反应不仅使产品的质量受到影响，而且使炉衬表面结瘤、鼓包和沉淀杂物，受铝液浸渍部分和原砖的界面有出现裂纹的危险，停炉时还会引起剥落。所以，同铝液接触的炉衬材料，必须具有很高的化学稳定性和尽可能少的浸渍量。
(2)有良好的抗冲刷性
一般为了使炉子有较高的电效率，炉壁材料都设计的很薄，但炉子运行过程中，由于电磁力的作用，炉内金属液不停地翻腾和搅拌，对炉衬不断地冲刷和磨损。对有心感应炉，由于采用了喷流型熔沟，熔沟耐火材料受到的冲刷和磨损更为严重。所以，要求所用耐火材料必须具有很高的机械强度和硬度。
(3)有较高的致密度和体积稳定性
作为熔炼炉用耐火材料，在材质一定的情况下，都希望获得较高的致密度和体积稳定性。体密的高低，反应了成型体内部气孔含量多少，特别是烧结程度的好坏。材料的体积稳定性愈高，烧结和使用过程产生裂纹的可能性愈小，所产生裂纹的宽度愈小，抗渗透能力愈强。
(4)不易产生炉瘤
极少可能由于熔融物表面或内部存在的杂质(例如Al2O3)而形成炉瘤。因为炉瘤会使炉子容量显著降低，而且金属瘤本身致密、坚韧，除掉是非常困难的。
(5)不易被金属液润湿和渗透
众所周知，耐火材料是脆性材料，在加热和冷却过程中不可避免地要产生裂纹。但决定其寿命的关键因素之一是裂纹的大小和裂纹扩展的速度。而裂纹扩展与金属液对所接触材料的润湿和渗透能力大小有关。润湿能力愈差，愈有利。
(6)耐急冷急热性能好
这一点对无心感应炉特别重要。因为无心炉作业方式为“加料-熔化-出炉”过程的不断循环，炉衬材料反复受到热冲击。若耐火材料热震稳定性不佳，则极易产生裂纹和裂纹扩展，金属液会在短期内渗透到线圈处，导致整台炉衬报废。
3、感应熔炼炉用耐火材料
虽然有心感应炉与无心感应炉的工作温度相近，但由于结构上的差异，运行方式的不同，适用的耐火材料不尽相同。我所从八十年代初至今，在开发研制熔铝炉用耐火材料方面作了大量的研究工作，成功研制了特别适合有心炉使用的高强浇注料，无心炉使用的干式成型材料。
3.1有心感应炉用高强耐火浇注料
有心感应熔铝炉的炉衬材料分为炉盖、炉膛、喉部和感应器熔沟耐火材料四部分。喉部，特别是熔沟耐火材料是最关键的材料，直接影响炉子的寿命和运行成本。
(1)炉盖耐火材料
炉盖的主要作用是减少炉子的热损失，防止加料及熔化过程中金属液的飞溅。这就要求炉盖材料保温性能好，重量轻和抗侵蚀性强。基于此，目前大都采用重量轻，导热系数小的硅酸铝耐火纤维作衬里，由于工作温度通常低于800℃，因而多采用耐热钢铆钉和耐热钢网将其固定在炉盖壳体上。这种炉盖不仅保温绝热而且轻巧，因而关闭和打开十分方便。
(2)炉膛耐火材料
炉膛耐火材料在使用过程中所受到的物理化学作用，虽不如熔沟耐火材料那样苛刻，但其化学特性也应对铝液呈惰性，有较高的强度和密度。所以，应采用性能优良的低气孔、高密度高铝砖砌筑。砌砖过程应特别注意减小砖缝的宽度，并用泥浆打饱。
(3)喉部及熔沟耐火材料
喉部和熔沟结构复杂，不宜用砖砌筑，主要采用不定形耐火材料。我们在认真分析了熔沟耐火材料受力状况后，根据国内的实际情况，就颗粒级配，结合剂用量，水泥分散促进剂用量等，作了大量的试验室研究工作，研究出了一种特别适合有心感应炉感应器使用的高性能浇注料。该浇注料采用高铝质耐火材料，以刚玉、莫来石为主晶相，其理化性能指标见表1。
分析表1数据，可以看出，这种浇注料常温和高温强度均很高，特别是850℃烧后强度相对110℃烘干强度而言，降低幅度较小，所以，这种浇注料在使用过程中抗冲刷、耐磨损。
侵蚀试验表明，这种材料不易被铝液浸润，无反应迹象。
3.2无心感应熔铝炉用耐火材料
无心感应炉由于其灵活的作业方式，特别是静态变频技术的发展和进步，发展极为迅速。然而，随着炉子功率和容量的增大，熔化铝质量的提高，对所用耐火材料的要求更加苛刻。
作为无心感应炉用耐火材料，应具有十分优良的热震稳定性和抵抗裂纹扩展的能力。显然，有心感应炉使用的浇注料用作无心炉炉衬是不适宜的。根据国内外无心炉炉衬的实际使用情况，我们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种几乎不含水分和任何液态加入物，经短时间振动或捣打成型即可快速升温、烘烤的新型不定形耐火材料。它是一种特殊的热凝结性耐火材料，加热时烧结剂产生作用使得工作层有极高的强度，而非工作层仍保持未烧结的散状结构。在使用过程中，当热面工作层开裂时，尚未烧结的衬垫层可吸收局部集中的热应力，防止裂纹的延伸，保证炉子安全使用。
自1989年起，我们在调查研究的基础上，就原材料选择、颗粒级配、结合剂选用等作了大量试验工作。经过对多组配方的综合对比试验，最终研制出了含有特殊低温烧结剂的新型中性干式成型炉衬材料。
4、实际使用情况
有心感应炉熔沟耐火材料,1984年开始投入使用，先后用于昆明民族铝制品厂的5吨炉，兰州铝制品厂和青海铝制品厂的5吨炉。最长寿命达8个月，正常使用寿命维持在半年以上。实践证明，这种湿法浇注料施工工艺简单，各项性能优良，使用寿命长，是大型有心感应熔铝炉用之可靠的炉衬材料。
无心感应熔铝炉用干式成型耐火材料，1992年开始实际使用。该料采用手持式振动器或装配有专用捣打头的风镐分层捣打。整个施工周期大大短于湿法浇注料。从92年至今先后有数众多厂家采用该耐火材料筑炉。
无论是工频无心感应炉,还是中频无心感应炉,采用高性能干式成型材料筑炉后,炉衬的最长使用寿命达到了八个月。
5、总结
我所研制的有心感应熔铝炉和无心感应熔铝炉用耐火材料，立足国内资源，以低廉的售价(仅为进口材料的1/4～1/5)和优良的性能(耐火材料正常使用寿命可达5-6个月，注：冶炼特殊合金除外)而受到众多用户的信赖和采用。我们仍在不断努力，使配方材料的性能进一步提高，力争取得到更佳的使用效果。
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