進(jìn)口上引法熔爐耐火材料整體澆注技術(shù)的應(yīng)用

劉婉容，田 軍（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

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進(jìn)口上引法熔爐耐火材料整體澆注技術(shù)的應(yīng)用

劉婉容，田 軍
（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

摘 要：銅陵有色股份銅冠電工有限公司“上引法”進(jìn)口無(wú)氧銅桿生產(chǎn)線(xiàn)因面臨報(bào)廢的局面，必須研究新筑爐方式，對(duì)熔化爐和保溫爐進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，才能解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題。論文主要從爐襯耐火材料的選擇，搗筑、澆筑施工、燒結(jié)進(jìn)行闡述，系統(tǒng)總結(jié)了公司利用耐火材料整體澆注熔化爐和保溫爐的成功經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：上引熔爐；銅感應(yīng)體；耐火材料；整體澆注；燒結(jié)

1 引言

整體澆注冶金爐技術(shù)是用耐火澆注料在現(xiàn)場(chǎng)一次澆注成型爐體耐火材料的一種冶金爐砌筑方法。這種技術(shù)在國(guó)內(nèi)外鋼鐵行業(yè)已被廣泛使用，許多鋼鐵行業(yè)的冶金爐都是整體或局部一次澆注成型的；國(guó)外資料上也有熔銅爐爐體用耐火材料整體澆注的報(bào)道。據(jù)相關(guān)技術(shù)資料介紹，這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)整體性好，無(wú)磚縫、整體強(qiáng)度高，因而爐體壽命較長(zhǎng)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)有色冶金行業(yè)也開(kāi)始結(jié)合自己特點(diǎn)，在一些熔銅爐上試用這種技術(shù)［1］。

銅陵有色股份銅冠電工有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)公司）80年代引進(jìn)奧托昆普公司年產(chǎn)8000t“上引法”無(wú)氧銅桿生產(chǎn)線(xiàn)，由于熔化爐和保溫爐利用爐成型磚砌切而成，需要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)特殊的成型磚，但目前國(guó)外已經(jīng)不再生產(chǎn)這種型號(hào)產(chǎn)品，也找不到生產(chǎn)銅熔化爐和保溫爐特殊的成型磚的企業(yè)，國(guó)內(nèi)無(wú)法購(gòu)買(mǎi)到相同的配件和特殊的成型磚生產(chǎn)廠(chǎng)家。 公司“上引法”無(wú)氧銅桿生產(chǎn)線(xiàn)面臨報(bào)廢的局面，因此必須研究新筑爐方式，對(duì)熔化爐和保溫爐進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化改造，才能解決實(shí)際生產(chǎn)中存在的技術(shù)難題。本文主要從爐襯耐火材料的選擇搗筑、澆筑施工、燒結(jié)進(jìn)行闡述，系統(tǒng)總結(jié)了公司利用耐火材料整體澆注熔化爐和保溫爐的成功經(jīng)驗(yàn)。

2 感應(yīng)體工作原理及耐火材料選擇

2.1感應(yīng)體工作原理

上引連鑄系統(tǒng)是通過(guò)感應(yīng)體不斷加熱的方式，利用金屬溶液冷卻結(jié)晶的機(jī)理，從熔融的金屬溶液中連續(xù)地制備具有一定形狀的固態(tài)金屬線(xiàn)材、板材等。

感應(yīng)體工作原理與降壓變壓器相似，一次線(xiàn)圈和二次線(xiàn)圈都繞在同一磁導(dǎo)體即鐵芯上，感應(yīng)體耐火材料溝槽中的環(huán)狀金屬熔溝，相當(dāng)于短路的二次線(xiàn)圈，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)作用下產(chǎn)生電流或稱(chēng)渦流，渦流在具有一定電阻的熔溝金屬中的流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生熱量，使得金屬被加熱以至熔化［2］。

2.2耐火材料的選擇

由于感應(yīng)體在上引連鑄生產(chǎn)中占據(jù)非常重要的地位，因此感應(yīng)體爐襯耐火材料的選用、砌筑和燒結(jié)尤為重要。感應(yīng)體中的耐火爐襯具有復(fù)雜的形狀結(jié)構(gòu)，感應(yīng)線(xiàn)圈、鐵芯和金屬熔溝都貫穿其中，尺寸要求精確。爐底是爐子電熱交換的中心，熔溝中熔體溫度最高，感應(yīng)線(xiàn)圈的絕緣卻不能破壞。最薄位置，即厚度僅為50～80mm左右的熔溝內(nèi)側(cè)的環(huán)狀耐火材料層，一邊承受著高溫熔體的沖刷、侵蝕，另一邊承受著強(qiáng)烈冷卻，工作環(huán)境十分惡劣。因此感應(yīng)體爐襯的耐火材料選擇，搗筑施工、燒結(jié)等尤為重要。本文主要從爐襯耐火材料的選擇，搗筑施工、燒結(jié)進(jìn)行闡述。

構(gòu)成感應(yīng)爐爐襯的耐火材料一般選用不定形耐火材料，熔銅感應(yīng)電爐爐襯的不定形耐火材料主要有干式搗打料、半干式搗打料、耐火澆注料和耐火可塑料等，上引連鑄感應(yīng)體爐襯選用干式硅質(zhì)搗打料。干式搗打料的化學(xué)成分見(jiàn)表1，常用耐火材料的基本性質(zhì)表見(jiàn)表2。

表1　干式搗打料的化學(xué)成分

表2　常用耐火材料的基本性質(zhì)

2.3干式搗打料的主要特點(diǎn)

（1）易于流動(dòng)，其粉料易于充填顆粒堆積間的極小孔隙，從而獲得高充填密度的致密體。

（2）有利于抵抗因膨脹或收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，有利于阻礙裂紋擴(kuò)展和防止金屬熔體侵入。

（3）便于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的爐襯施工，包括拆爐和清理。為提高搗打致密度，避免粒度偏析，應(yīng)該選擇合適的顆粒級(jí)，例如粗（20%～40%）、中（30%～30%）和細(xì)（30%～40%）。決定干式搗打料開(kāi)始產(chǎn)生結(jié)合的溫度及起始燒結(jié)強(qiáng)度的關(guān)鍵，是配料中加入的熱固性結(jié)合起來(lái)劑和陶瓷燒結(jié)劑的種類(lèi)和數(shù)量。

2.4硅質(zhì)搗打料

硅質(zhì)搗打料，通常指石英砂，屬酸性耐火材料，在高溫下具有較好的抵抗酸性熔化的性質(zhì)。我國(guó)河南鐵門(mén)產(chǎn)的石英巖SiO2含量在95%在以上，并且含有微量的Fe2O3，即含有可以構(gòu)成促進(jìn)鱗石英生成的天然礦化劑。硅質(zhì)搗打料配料中35%～40%的低于0.008mm的細(xì)微顆粒有利于搗實(shí)，即獲得較高的密度，同時(shí)有利于燒結(jié)過(guò)程中石英向鱗石英的轉(zhuǎn)化。

表3列出了熔銅感應(yīng)爐用干式搗打料石英砂的粒度配比。

表3　石英砂配料粒度比 　%

3 耐火材料搗筑及燒結(jié)

3.1感應(yīng)體的耐火材料施工方式

感應(yīng)體筑爐分為直立式和側(cè)立式兩種，上引爐熔銅感應(yīng)體一般采用干打直立式搗筑方式。直立式搗筑，是比較傳統(tǒng)的方法，搗筑時(shí)，感應(yīng)體中的熔溝模直立放置，分層次填料和搗筑，熔溝模周?chē)哪突鸩牧鲜茄刂蹨细叨确较蜃韵露希粚咏又粚訐v筑。

3.2感應(yīng)體耐火材料搗筑所需設(shè)備

（1）銅實(shí)心模必須用 X-光或其他方法進(jìn)行無(wú)損檢查，確定其不存在澆不到。也可以對(duì)銅實(shí)心模稱(chēng)重與其理論重量比較，來(lái)判斷銅實(shí)心模內(nèi)部疏松程度，防止起熔時(shí)引起斷溝。

（2）需要粘貼內(nèi)腔的陶瓷纖維紙。

（3）在準(zhǔn)備過(guò)程中必須用含氧化鋁90%的橡皮膏或用水玻璃泡過(guò)的陶瓷纖維繩密封逢隙以防止漏料。

（4）對(duì)接前用50%的水玻璃處理暴露的耐火材料面。

（5）叉搗和除氣工具。

（6）直邊鋼條，用來(lái)刮耐火材料以得到堅(jiān)實(shí)的平面，也可用來(lái)施工熔溝和水套的安裝平面。

（7）垂直搗筑時(shí)需要一個(gè)架來(lái)牢固地定位熔溝模。

（8）振動(dòng)設(shè)備

3.3感應(yīng)體耐火材料搗筑準(zhǔn)備工作

（1）檢查設(shè)備是否完全符合設(shè)計(jì)，保證法蘭、側(cè)板和名義板平整且和殼體配套并且沒(méi)有變形，如果需要，修復(fù)一切損壞。

（2）在殼體的內(nèi)表面貼一層85mm厚的陶瓷纖維紙。

（3）檢查水套是否有彎曲或變形，檢查內(nèi)部尺寸使其與線(xiàn)圈很好地配合,檢查水套頂部絕緣的情況，如裂開(kāi)或損壞要更換,用膠帶封住冷卻水管接頭防止進(jìn)入雜物。

（4）用含氧化鋁90%的泥膏或陶瓷纖維從內(nèi)密封所有接縫后用水玻璃粘牢，防止干料漏出。

（5）對(duì)于感應(yīng)體中的熔銅模，鉆一個(gè)最大1.5 mm的孔，用來(lái)裝置熱電偶。

3.4感應(yīng)體耐火材料搗筑施工

在每次填料前，為了防止分層，都需要把上次的搗固層表面劃松。如果是多人手工搗筑應(yīng)該每隔一定時(shí)間輪換一次工人站位，以求搗筑均勻。為了搗實(shí)，每層加料厚度100～120mm左右為宜。

（1）加入最多75mm的松料，用叉子和鏟子搗四遍來(lái)?yè)v平和除氣。

（2）使用裝有合適尺寸搗頭的Bosch振動(dòng)器每層最少四遍，振完后材料必須平且硬，頂面約有6mm的松料。

（3）用叉子把暴露的耐火材料表面12mm的一層插毛，這不僅是為了防止疊層而且也是為了重新分配 振搗頭周?chē)拇箢w粒材料。

（4）重復(fù)前面的步驟直至材料頂面高出熔溝模位置12mm，往回刮材料以使熔溝模和材料平面完全接觸，定位并固定熔溝模。

（5）如果感應(yīng)器裝在熱的爐體上，在搗筑到熔溝模一半的位置后，①把熱電偶頭插入模具中1.5mm的孔中， 用有球尖的錘子輕輕地把它敲入孔內(nèi)，使其緊密配合。②把去掉絕緣皮的導(dǎo)線(xiàn)平鋪在材料表面并延伸到側(cè)板。一定要保證使兩導(dǎo)線(xiàn)間距在40mm以上，以保證兩線(xiàn)的唯一接觸點(diǎn)在焊頭。如果裸線(xiàn)在其他任何點(diǎn)接觸都將導(dǎo)致誤讀數(shù)。③在接觸側(cè)板處絕緣不要弄壞，不要讓裸線(xiàn)接觸側(cè)板，因?yàn)檫@樣也將導(dǎo)致誤讀數(shù)。④沿側(cè)板走線(xiàn)并用膠帶固定(最好使用陶瓷纖維膠帶)，導(dǎo)線(xiàn)必須在頂部喉口法蘭處引出。⑤所有電偶裝好后可繼續(xù)搗筑，頭幾層一定要注意不要弄亂導(dǎo)線(xiàn)，同時(shí)也要仔細(xì)的叉搗以使導(dǎo)線(xiàn)周?chē)哪突鸩牧线_(dá)到合適的密度。

（6）繼續(xù)施工直到耐火材料頂面高出側(cè)面頂部12mm，用直邊鋼尺刮平耐火材料，并在搗筑好的材料頂面鋪一層陶瓷纖維紙，然后裝上側(cè)板，待后續(xù)工作完成后和爐體對(duì)接感應(yīng)體。

3.5燒結(jié)

3.5.1感應(yīng)體耐火材料燒結(jié)原理

根據(jù)搗打混合料的特點(diǎn)，按照不同的溫升曲線(xiàn)進(jìn)行烘爐。上引爐熔銅感應(yīng)體一般采用實(shí)心金屬熔溝模板筑爐，直接向感應(yīng)體送電即可完成起熔（開(kāi)始熔化）過(guò)程。感應(yīng)線(xiàn)圈通以電流時(shí)，相當(dāng)于二次回路金屬模板內(nèi)則有感應(yīng)電流產(chǎn)生，并且此感應(yīng)電流足以將金屬模板加熱直至熔化，并在起熔過(guò)程中完成耐火材料的干燥、硬化和初步燒結(jié)。感應(yīng)體起熔后，要進(jìn)行24h的燒結(jié)，方可進(jìn)行正常的熔煉過(guò)程［3］。

石英砂的燒結(jié)過(guò)程，即石英的晶型轉(zhuǎn)變過(guò)程見(jiàn)圖1。

天然存在的SiO2均呈β石英。573～870℃時(shí)，β石英轉(zhuǎn)化為α石英，體積稍膨脹。鱗石英在天然原料中不存在，但其屬于矛頭狀雙晶開(kāi)型晶體，晶體間彼此較好的搭接在一起形成骨架，提高了軟化溫度，晶型轉(zhuǎn)變時(shí)體積變化小，希望在燒結(jié)過(guò)程中越多越好。礦化劑促進(jìn)了多晶轉(zhuǎn)變，硼砂在878℃時(shí)熔化成液相，粒狀石英首先從棱角或邊緣表面被溶解，即α石英和雙方石英等溶解于液相中，液相中SiO2增加到鱗石英的溶解度時(shí)，飽和的鱗石英便從液相中析出。α石英的不斷溶解和鱗石英的不斷析出即是理想的燒結(jié)過(guò)程。

圖1　石英晶型轉(zhuǎn)變圖

從SiO2的晶型轉(zhuǎn)變過(guò)程可以看到：573℃，天然β石英開(kāi)始向α石英轉(zhuǎn)化。由于只有α石英才能向鱗石英轉(zhuǎn)化，因此該轉(zhuǎn)化過(guò)程一定要進(jìn)行充分。1200～1470℃，α石英向鱗石英轉(zhuǎn)化。由于該轉(zhuǎn)化屬于遲鈍型的，因此需要充分的轉(zhuǎn)化時(shí)間［4］。3.5.2 感應(yīng)體燒結(jié)工藝［5］

（1）在燒結(jié)熔銅模的干振料施工的感應(yīng)體的初期，應(yīng)給感應(yīng)體送最低的功率，通常小于30kWs。

（2）按111℃/h的速度加熱感應(yīng)體的熔化模至540℃，540℃ 保溫4h。

（3）繼續(xù)以111℃/h的速度加熱感應(yīng)體的熔化模至800℃，800℃保溫8h。

（4）繼續(xù)以111℃/h的速度加熱感應(yīng)體的熔化模至1100℃。

（5）然后加入銅水至滿(mǎn)爐保溫至少8h后投入生產(chǎn)。

（6）如果沒(méi)有銅水，先燒結(jié)一只感應(yīng)體后，使用小塊料逐漸加入至喉部，然后在燒結(jié)另一感應(yīng)體。

（7）如果開(kāi)始送電時(shí)溫度已達(dá)到某一溫度，則在此溫度下保溫到規(guī)定時(shí)間。

（8）燒結(jié)完成后，溫度降至1175℃加料48h，方可正常生產(chǎn)。見(jiàn)圖2。

4 小結(jié)

2010年我公司開(kāi)始組織技術(shù)人員，與天津聯(lián)礦公司進(jìn)行合作，同時(shí)結(jié)合銅熔鑄生產(chǎn)具體工藝，對(duì)銅熔化爐和保溫爐感應(yīng)體起熔工藝進(jìn)行了深入的探索，制定出既保證銅熔溝順利熔化也充分考慮到耐火材料高溫相變特征的感應(yīng)體升溫曲線(xiàn)，以提高爐體整體使用壽命，同時(shí)也積累了一些筑爐、搗打料施工、銅實(shí)心模、安裝燒結(jié)時(shí)間等實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)以下幾點(diǎn)，供參考。

（1）搗打料施工過(guò)程中注意均勻性、一致性，每次添加量和間隔時(shí)間要基本相同。

（2）銅實(shí)心模安裝要精確，特別要與線(xiàn)圈、鐵芯三者成同心圓。

（3）在升溫過(guò)程中，特別是銅實(shí)心模溫度在540℃～1040℃階段內(nèi)，連續(xù)監(jiān)視銅實(shí)心模上中下三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，要求上部＞中部＞下部；如果達(dá)不到，可采取上部輔助加熱（木炭加助氧、加燃?xì)獾龋┗蛘哌m當(dāng)延長(zhǎng)時(shí)間，燒結(jié)時(shí)間在12～16h為最佳。

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Application of Refractory Integral ConcretingTechnology for the Imported Up-draw Furnace

LIU Wan-rong，TIAN Jun
（Copper Crown Electrical of Tongling Nonferrous Co., Ltd., Tongling 244000, Anhui, China）

Abstract:Up-draw imported oxygen copper rod production line of Copper Crown Electrical of Tongling Nonferrous Co., Ltd. is about to be scrapped, so we must research new method to build furnace.Localization transformationfor the smelting furnace and holding furnace can solve the technical problems existing in the actual production. This paper mainly elaborates from the aspects of the furnace liner refractory selection, ramming construction, concreting construction and sintering, and sums up the successful experience of integral concreting of smelting furnace and holding furnace by fractory intergral concreting.

Keywords:up-drawsmelting furnace；copper inductor；refractory；integral concreting；sintering

作者簡(jiǎn)介：劉婉容（1968-），女，安徽淮北市人，高級(jí)技術(shù)主管，主要從事銅加工工藝技術(shù)研究與應(yīng)用。E-mail: tccc-jsb@tlys.cn

收稿日期：2015-07-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TF806

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-3842（2016）01-0054-04