耐火材料的應(yīng)用非常廣泛，例如民生、高溫工業(yè)、航天等領(lǐng)域，今天介紹一下耐材在有芯感應(yīng)爐的應(yīng)用及發(fā)展，下面請(qǐng)看詳細(xì)介紹。
有芯感應(yīng)爐是有鐵芯穿過感應(yīng)器并用工頻電源供電，利用電磁感應(yīng)原理使金屬爐料發(fā)熱熔化的設(shè)備。有芯感應(yīng)爐具有加熱快、生產(chǎn)率高、金屬燒損少、操作方便、投資少、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化鐵、化銅、化鋅、化鋁等行業(yè)，特別是對(duì)于單一品種大批量冶煉的物料具有其優(yōu)越性。
有芯感應(yīng)爐用耐火材料的選擇非常重要，直接關(guān)系到爐子的使用效果。有芯爐用耐火材料分為：背襯耐火材料和爐襯耐火材料，背襯材料一般為陶瓷保溫紙、保溫磚及重質(zhì)磚；而爐襯材料，在爐體，喉部和感應(yīng)體等部位要按熔煉金屬的種類，熔煉溫度等選用不同的耐火材料。
1、有芯感應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)及工作原理
有芯爐分為上下爐體，上爐體有爐蓋、爐膛；下爐體為感應(yīng)體，有熔溝等，爐子本身相當(dāng)于一個(gè)帶鐵芯的變壓器，感應(yīng)線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈，熔溝中的金屬相當(dāng)于變壓器的二次線圈。將工業(yè)頻率的交流電引進(jìn)一次線圈時(shí)，通過電磁感應(yīng)，在熔溝金屬中將產(chǎn)生很大的電流。在熱對(duì)流及電磁力的作用下，熔溝內(nèi)熱量不斷傳遞到熔溝上部熔爐中的金屬，從而使整個(gè)熔池內(nèi)的金屬熔化。因只有在熔溝閉合狀態(tài)下有芯感應(yīng)爐才能正常運(yùn)行，所以適于連續(xù)作業(yè)。
2、有芯感應(yīng)爐各部位耐火材料的使用要求
有芯感應(yīng)爐按部位分為爐蓋、爐膛、喉部和熔溝四部分，其喉部和熔溝是關(guān)鍵直接影響爐子的壽命和運(yùn)行成本。
2.1 爐蓋
因?yàn)椴慌c熔化的金屬液接觸，爐蓋對(duì)耐火材料的要求相對(duì)較寬松，要具有抗高溫輻射能力，保溫性能好，結(jié)合強(qiáng)度高，不會(huì)掉落。一般由保溫層和熱面層復(fù)合構(gòu)成，即由輕質(zhì)保溫材料與重質(zhì)耐火材料構(gòu)成。
2.2 爐膛
爐膛內(nèi)襯的使用壽命主要取決于耐火材料與渣中侵蝕成分之間的反應(yīng)，因此要求耐火材料在長期經(jīng)受高溫的金屬液體作用下，化學(xué)穩(wěn)定性要好，能夠抵抗金屬液和渣的侵蝕。爐膛內(nèi)襯耐火材料要有足夠的常溫及高溫強(qiáng)度，耐高溫金屬液的強(qiáng)烈沖刷及抵抗?fàn)t體承受的機(jī)械作用；還要有良好的體積穩(wěn)定性，尤其是進(jìn)鐵口與出鐵口部位，在高溫或冷卻后無過大膨脹或收縮。
2.3 感應(yīng)器
感應(yīng)器包括熔溝部位，封口料，修平料和隔離料。
熔溝：有芯爐是金屬液通過熔溝感應(yīng)加熱，在循環(huán)流動(dòng)中實(shí)現(xiàn)升溫或保溫的目的。因此要求干式振動(dòng)料長期耐高溫而不軟化，有良好的抗沖刷及抗侵蝕性，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高的強(qiáng)度。
封口料：要求與熔溝料材質(zhì)相同或相近，且有高的耐火性能和適當(dāng)?shù)牡蜏嘏c高溫強(qiáng)度。
修平料：要求具有小的臨界顆粒，高的耐火性能，良好的涂抹性。
隔離料：要求有很高的耐火性能，防止對(duì)接面燒結(jié)在一起，并保證對(duì)接面不滲漏金屬液。
3、有芯感應(yīng)爐用耐火材料的選擇
3.1化鐵爐
工頻有芯爐的效率和功率因數(shù)相比無芯爐高，散熱少，因而經(jīng)濟(jì)性好。大噸位爐的鐵液溫度比較穩(wěn)定，長時(shí)間保溫對(duì)鐵合金成分損失少，所以用來過熱鐵液，提高澆鑄溫度，能顯著改善鑄件質(zhì)量，特別適合大批量連續(xù)生產(chǎn)。目前一些大企業(yè)都使用30 t以上的有芯工頻感應(yīng)爐，特別是開爐后不能任意停爐，連續(xù)運(yùn)行越長越好，制約爐子運(yùn)行的原因，往往是爐襯耐火材料損壞而被迫停爐，所以分析爐襯損毀原因，提高耐火材料使用壽命，是發(fā)揮設(shè)備優(yōu)越性的關(guān)鍵。
用于化鐵的有芯感應(yīng)爐分為：灰鐵爐和球鐵爐?；诣F爐出鐵溫度為1420℃~1470℃，對(duì)于灰鐵熔化爐而言，爐渣呈酸性；球鐵爐出鐵溫度為1530℃，渣的化學(xué)性質(zhì)隨冶金過程變化而呈酸堿交替變化，爐襯要選中性耐火材料。由于出鐵后溫度劇變，雖留一部分鐵水，但降溫也在300℃~400℃，如更換感應(yīng)器則降的更低，故爐膛內(nèi)襯的抗熱震性要好，其次是鐵液和渣及球化劑對(duì)爐膛內(nèi)襯的侵蝕，以及鐵翻滾產(chǎn)生的機(jī)械沖刷和液面波動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)襯的機(jī)械沖刷，要求內(nèi)襯有一定的高溫強(qiáng)度和抗沖刷能力。
爐膛的損毀現(xiàn)象主要為出鐵后爐襯開裂，裂縫無固定規(guī)律且縫隙寬度較大，當(dāng)縱橫裂紋交匯時(shí)產(chǎn)生大塊剝落，還有鐵液滲入，加快開裂速度，尤其進(jìn)鐵口部位損毀嚴(yán)重。分析進(jìn)鐵口蝕損、爐壁結(jié)構(gòu)剝落與蝕損、感應(yīng)器結(jié)瘤堵溝等產(chǎn)生原因，選用合適的耐火材料：
爐蓋：大都采用硅酸鋁纖維作襯里?；蛘弑貙右愿咪X礬土輕質(zhì)磚粉及空心球顆粒為主，鋁酸鹽水泥結(jié)合的澆注料，輔以錨固件或錨固磚，多采用耐熱鋼鉚釘和耐熱鋼網(wǎng)，將其固定在爐蓋殼體上。
爐膛：采用電熔剛玉為骨料和粉料，純鋁酸鈣水泥及SiO2、Al2O3 超微粉結(jié)合的低水泥澆注料。為了提高抗熱震性，澆注料中可加入適量含鐵低的SiC粉。爐內(nèi)襯壽命很大程度受感應(yīng)器耐火材料壽命及更換次數(shù)的影響，一般為2~3 年。
感應(yīng)器：包括熔溝部位、封口料、修平料和隔離料。熔溝：普遍采用MgO＞79%的MgO-Al2O3質(zhì)干式振動(dòng)料或澆注料。封口料一般采用與熔溝相同材質(zhì)的干式
搗打料或濕式澆注料，選用Al2O3質(zhì)封口料時(shí)，也可采用純鋁酸鈣水泥或磷酸做結(jié)合劑，尤其快換感應(yīng)器時(shí)，采用磷酸結(jié)合劑，可防止接合面出現(xiàn)爆裂，提高對(duì)接速度和效率。修平料一般為Al2O3-SiO2質(zhì)濕式涂抹料，臨界顆粒為2 mm。隔離料普遍采用Cr2O3粉，Cr2O3比爐膛的Al2O3質(zhì)料或感應(yīng)器的MgO- Al2O3質(zhì)料燒結(jié)溫度高，在使用溫度下基本不產(chǎn)生陶瓷燒結(jié)層，以利于感應(yīng)器和爐體喉部耐火材料分離。
實(shí)踐證明，低水泥剛玉質(zhì)澆注料，在有芯感應(yīng)工頻爐爐體使用，長期在1500℃下經(jīng)高溫熔體的沖刷與侵蝕，爐體無開裂、剝落等現(xiàn)象，使用壽命達(dá)三年以上；MgO-Al2O3質(zhì)干式振動(dòng)料及其配套的封口料、修平料、隔離料在700 kW感應(yīng)器上使用壽命在半年以上，而在其他感應(yīng)器上使用壽命達(dá)1~2 年。
3.2化銅爐
有芯工頻感應(yīng)爐具有電效率高，加熱快、金屬燒損少等優(yōu)點(diǎn)，目前世界有90% 以上的黃銅及銅合金在這種爐中熔煉。我國常用的熔銅爐容量有1.5 t、2.0 t、5.0 t，的有30 t，熔煉銅溫度介于1 200℃～1350℃，熔溝達(dá)1 350℃~ 1 450℃。
銅液黏度小，密度大，具有很強(qiáng)的滲透性，且滲透的銅易氧化，并伴隨體積膨脹，致使?fàn)t襯產(chǎn)生龜裂、剝落，從而降低爐襯壽命。
影響爐襯壽命的因素很多，取決于耐火材料的選擇、筑爐方法、烘烤制度、熔溝維護(hù)和監(jiān)測(cè)、以及熔溝形狀和爐子結(jié)構(gòu)等。我國熔煉銅的工頻有芯感應(yīng)爐，用石英砂的
搗打料做內(nèi)襯雖然成本低、烘烤快，但壽命短，提高石英砂的原料級(jí)別，在精心施工、保養(yǎng)和維護(hù)下，使用壽命一般能達(dá)到1 年；用高鋁礬土加鋼纖維，磷酸鹽結(jié)合的搗打料或干振料，使用壽命在4~7 年。
正確的筑爐方法是保證熔銅爐開爐成功的基本前提。選用合適的搗打料，其顆粒級(jí)配合理，添加一定比例的紅柱石、碳化硅是提高燒結(jié)強(qiáng)度的有效措施。筑爐時(shí)，采用分層遞降厚度的加料方式：打結(jié)層的表面層拉毛并掏出細(xì)粉，有利于料層間的粘結(jié)。采用中心環(huán)形輻射式向外逐圈打結(jié)方法，二級(jí)密實(shí)的搗打工藝，并進(jìn)行三段式烘爐啟爐，有效的延長爐齡。
一般爐體內(nèi)襯壽命與感應(yīng)體壽命是不同步的，感應(yīng)體壽命相比上爐體大大減少，按熔煉的銅合金品種采用不同材料搗打施工也是一種解決途徑，如黃銅采用石英砂搗打料；青銅、紫銅采用碳化硅搗打料等，大部分企業(yè)感應(yīng)器熔溝部位耐火材料選用燒結(jié)較好的以莫來石和剛玉為主晶相的高鋁礬土為主，加入適量的碳化硅細(xì)粉，改善材料的潤濕性，抵抗銅液的強(qiáng)滲透性，施工方法可采用磷酸鹽結(jié)合劑的搗打施工，或者采用加入助燒結(jié)劑的干法振動(dòng)成型施工，取得比較好的使用效果。
3.3化鋅爐
工頻有芯感應(yīng)爐廣泛用于電解陰極鋅片的熔鑄、熱鍍鋅、鋅合金等鋅加工行業(yè)。鋅的熔點(diǎn)為419.5℃，正常浸鋅時(shí)熔池溫度在460℃~485℃左右，熔溝在600℃~670℃左右，鋅液特別容易流動(dòng)，滲透性非常強(qiáng)，當(dāng)耐火材料爐襯受到侵蝕，產(chǎn)生裂紋，鋅液進(jìn)入裂紋內(nèi)破壞爐體，造成熔溝口堵塞及感應(yīng)體漏鋅等現(xiàn)象。
目前熔鋅爐內(nèi)襯采用Al2O3含量85%左右的高鋁礬土質(zhì)澆注料或搗打料，使用壽命可達(dá)4~8年及以上。感應(yīng)體的使用壽命除了與感應(yīng)線圈、冷技術(shù)、絕緣技術(shù)等感應(yīng)體本身的因素有關(guān)外，還與熔溝耐火材料的使用壽命密切相關(guān)。目前大型雙溝感應(yīng)體采用濕法澆注料，單溝感應(yīng)體主要采用干式搗打料和濕法澆注料，材質(zhì)多選用莫來石質(zhì)或高鋁礬土質(zhì)，使用壽命可達(dá)半年左右。
3.4化鋁爐
由于有芯爐的連續(xù)作業(yè)及低能耗，一些大型企業(yè)廣泛采用有芯感應(yīng)爐熔化鋁錠，廢鋁材及鋁合金等物質(zhì)。鋁的熔點(diǎn)為660 ℃，熔液粘度小，滲透性很強(qiáng)，化學(xué)活性高，高溫下起強(qiáng)還原劑作用，易與耐火材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，尤其在耐火材料-鋁液-氣相三相交界處，Al及其合金元素，如Mg、Si、Mn等易滲入耐火材料中，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致耐火材料變質(zhì)，結(jié)構(gòu)疏松而損壞。
有芯爐的爐襯材料分為爐蓋（與熔鐵爐蓋基本相同）、爐膛、喉部和感應(yīng)器熔溝四部分耐火材料。
爐膛近年來普遍采用以剛玉、莫來石為主晶相的高鋁礬土質(zhì)，以純鋁酸鈣水泥為結(jié)合劑的澆注料，在外加膨脹劑等條件下使用時(shí)表現(xiàn)中溫強(qiáng)度高、膨脹狀態(tài)，抗?jié)B透、抗侵蝕，使用壽命可達(dá)4~5 年。
喉部和熔溝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要采用不定形耐火材料，主要是以剛玉、莫來石為主晶相的高鋁質(zhì)澆注料，在使用過程中無反應(yīng)跡象，抗沖刷、耐磨損。對(duì)于熔鋁爐特別要重視鋁液的滲透性，當(dāng)鋁液進(jìn)入氣孔和裂紋中，就會(huì)與耐火材料發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生體積效應(yīng)，破壞內(nèi)襯，降低感應(yīng)爐的使用壽命。目前的鋁工業(yè)不沾鋁澆注料通過加入BaSO4等外加劑等可表現(xiàn)出良好的鋁液不潤濕性，加入鉻剛玉和氮化硼也較好，但成本較高；將BaSO4或CaF2與Na3AlF6復(fù)合加入，并將澆注料基質(zhì)進(jìn)行均化處理，抗鋁液的滲透性能更好。
4、有芯感應(yīng)爐的維護(hù)
做好有芯感應(yīng)爐的維護(hù)和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，特別是發(fā)現(xiàn)內(nèi)襯損壞之處，及時(shí)修補(bǔ)，是保證爐子正常連續(xù)運(yùn)作，提高使用壽命的重要措施。
維護(hù)與監(jiān)測(cè)
在爐子正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該加強(qiáng)爐襯，特別是熔溝運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制。并做好日常的維護(hù)工作。在開爐過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制熔溝樣板的鑄造質(zhì)量，熔溝周圍打結(jié)料的致密度，水冷套冷卻水流量，爐膛溫度，熔溝溫度和輸入功率等工藝因素，以防斷溝。
長期以來，熔溝事故是有芯感應(yīng)爐的主要問題，若處理不當(dāng)，極易造成爐體報(bào)廢，生產(chǎn)全線停產(chǎn)。對(duì)于爐襯的日常維護(hù)，應(yīng)該以下事項(xiàng)：
（1）任何時(shí)候，不得任意停水或停電；
（2）在加料過程中要特別小心，避免撞壞爐底并及時(shí)清理熔溝上部的爐渣；
（3）經(jīng)常注意熔化爐和保溫爐的電流變化情況；
（4）注意觀察熔溝形狀；
（5）盡量減少停爐和部位次數(shù)，操作不當(dāng)，往往會(huì)造成熔溝斷裂；
（6）定期扒除爐膛內(nèi)的爐渣，并觀察有無塊狀爐料；
（7）監(jiān)測(cè)冷卻水進(jìn)，出口的溫差；
（8）定期測(cè)量爐體及感應(yīng)器表面溫度，并進(jìn)行綜合比較分析。采取熔煉-保溫-熔煉交替進(jìn)行的生產(chǎn)方式，以防止停爐時(shí)斷溝
