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中频炉坩埚的使用寿命及其影响因素

感应炉冶炼时,坩埚质量高低和使用寿命的长短,直接和产品质量与冶炼成本有着密切的关系。改善坩埚的质量,提高使用寿命是感应冶炼的主要技术问题之一。影响坩埚使用寿命的因素是很复杂的,主要因素有如下几方面。
  • 坩埚材质的特性
坩埚材质的化学成分和物理、化学特性对坩埚的使用寿命有很大的影响。耐火材料中的杂质,在高温下能形成低熔点的化合物,从而降低了耐火材料的耐火度。随着耐火材料中杂质含量的增加,耐火度低,坩埚的使用寿命下降。为了延长坩埚的使用寿命要求耐火材料的纯度越高越好。不同材质的耐火材料由于其物理化学性质不同,他们对冶炼条件的适应能力也不同,例如抗炉渣侵蚀能力、耐急冷急热性等。因此,坩埚的使用寿命差别很大。下表列出真空感应炉和非真空感应炉用的镁质和铝镁质坩埚的使用寿命。从表中数据可以看出:镁铝尖晶石坩埚比电熔镁质坩埚的使用寿命高。其主要原因是镁铝尖晶石比镁砂的膨胀率低,耐急冷急热好。镁铝质坩埚的烧结结构优于镁质坩埚,镁质坩埚的烧结层和半烧结层在高温下均产生体积收缩。镁铝质坩埚则不同,它的烧结层产生收缩时,半烧结层产生膨胀,这样来自烧结层的裂纹不会继续在半烧结层中延伸,从而提高了坩埚的使用寿命。镁铝质坩埚中由于含有Al2O3,能和炉渣中的游离CaO和SiO2结合使炉衬受到侵蚀,因此,在选择坩埚材料时应考虑到相应的冶炼工艺。使用镁铝质坩埚时应选择低碱度炉渣,真空感应炉冶炼时采用镁铝质坩埚最适宜,200公斤真空感应炉用这种坩埚冶炼精密合金时寿命可达200炉次。和碱性坩埚相比较,石英质酸性坩埚的耐火度低,体积膨胀率大,用于炼钢时,坩埚寿命较低。但是,由于石英砂的成本低,在大型感应炉还是得到了应用。在用于熔炼铸铁的工频感应炉连续作业时(坩埚温度保持在800~1000℃),其寿命高达数百炉。因此,工频感应炉几乎全部使用石英质坩埚。
坩埚的材质与炉龄
炉子种类 坩埚的材料 最高炉龄 平均炉龄
200Kg真空感应炉 电熔镁砂 ---- 70
镁铝尖晶石 207 132
3000Kg非真空感应炉 电熔镁砂 20 10
镁铝尖晶石 47 35
5000Kg非真空感应炉 电熔镁砂 18 6
镁铝尖晶石 44 31
  • 坩埚容量
感应炉坩埚的使用寿命随其容量的增大而下降。目前炼钢用非真空感应炉的坩埚使用寿命列于下表。真空感应炉因在没有炉渣的条件下工作,在相同容量下,比非真空感应炉坩埚寿命高。但是,随容量增大,坩埚的使用寿命也下降。坩埚容量与使用寿命的关系是基于以下原因;
  1. 随着坩埚容量的增大,钢液对坩埚壁的静压强增加,一般而言,1吨中频感应炉坩埚壁所受的静压强是150公斤中频感应炉的1倍左右。10吨工频感应炉坩埚壁承受的静压强是500公斤感应炉的3.5倍左右。由此可见,坩埚容量越大,坩埚壁承受静压强也越大。因此,大型感应炉内钢液更容易向坩埚壁渗透,使坩埚很快被破坏。
2、随着感应炉容量的增大,所用电源的频率下降,坩埚容量越大,所用的电源频率就越低。钢液中的电磁搅拌力与电源的频率的平方根成反比。频率越低搅拌力就越大,坩埚壁所承受的冲击力就大。3吨感应炉坩埚壁所承受的冲刷力为150公斤感应炉的5倍多。所以,随坩埚容量增大,坩埚壁承受的冲刷力增加。
3、大型感应炉渣线部位的侵蚀比小型感应炉严重。随坩埚容量增大,自钢液表面散失的热量比例下降,炉渣温度比小容量坩埚高,炉渣流动性好,因而对炉衬的侵蚀加剧。大型感应炉多采用钢渣混出的方法出钢,要求炉渣具有良好的流动性,才能适应出钢的条件。因此,沿渣线部位侵蚀严重,这是造成坩埚使用寿命下降的又一原因。
由于以上原因,大型感应炉坩埚的使用寿命低于中小型感应炉,从提高坩埚的使用寿命来说,应适当增加坩埚壁的厚度。但是,随着坩埚壁厚度的增加,电阻值增大,无功损失增高,电效率下降。因此,坩埚壁的厚度是限制在一定范围。因此,必须选定合理的壁厚,即保证了高的电效率又确保了坩埚的使用寿命。
非真空感应炉碱性坩埚的使用寿命
坩埚容量(公斤) 坩埚材质 使用寿命次 冶炼钢种
150 电熔镁砂 30~60 精密电合金
430 电熔镁砂 30~50 不锈钢、耐热钢
900 普通镁砂 20~30 不锈钢、精密合金
3000 镁铝尖晶石 30~40 高温合金、特殊钢
5000 镁铝尖晶石 30~35 高温合金、特殊钢
三、坩埚的工作状况
连续冶炼和间歇冶炼对坩埚的使用寿命有很大的影响。在连续冶炼时,坩埚始终处于热状态,受温度剧变的影响小。间歇作业时,每冶炼一炉坩埚就从低温—高温—低温周期性的急冷急热地变化一次。这种急冷急热变化的结果就会产生裂纹,从而使坩埚寿命降低。除镁铝尖晶石型坩埚外,镁质和石英质坩埚的耐急冷急热性是很差的。其中石英砂坩埚尤其显著,在坩埚加热和冷却过程中,坩埚烧结层的线膨胀或收缩率约0.9%。也就是说每间隔冶炼1炉,坩埚的体积将产生一次膨胀和收缩。在800℃以下这种变化率最大,如果坩埚处于连续冶炼的条件下,坩埚壁的温度将不会低于800℃,这样坩埚体积的变化率是很小的,产生裂纹的时间也将推迟,坩埚的寿命得以提高。因此,为了延长坩埚的寿命,熔炼铸铁的大型工频炉停炉时,必须使坩埚温度保持在800℃以上。
四、坩埚的制作工艺
制作坩埚的各个环节的操作质量对坩埚的使用寿命有着重要的影响。认真执行操作规程对保证坩埚质量,提高使用寿命起着重要作用。现将影响坩埚使用寿命的制作工艺操作分析如下。
1、砂料粒度配比的影响。砂料的粒度配比应结合烧结工艺和使用条件选择。粗、中、细三种粒度配合不当将会降低坩埚使用寿命。下表为430公斤中频感应炉电熔镁砂坩埚因砂料配比不当对坩埚使用寿命的影响。
序号 镁砂粒度组成,% 出现裂纹炉次 坩埚使用寿命次
8~20mm 3~8mm 0.5~3mm <0.5mm
1 20 25 55 ---- 23 45
2 ---- 50 15 35 70 110
2、打结方法的影响。坩埚的打结质量好坏直接关系到烧结质量。要求打结时砂料的粒度均匀分布不产生粗细偏析,打结后的砂层致密度高。这样,烧结后产生裂纹的几率下降,有利于提高坩埚的使用寿命。打结过程最常见的缺陷有致密度低、不均匀和粗细粒度砂料分层等现象。在含水较少或干法打结时尤其明显。下表列出镁砂坩埚干法捣打10分钟后松砂层中砂料料度的偏析情况。这种粗颗粒上浮细颗粒下沉的分层现象,在砂料中可加入少量水分,同时,每次加料前先加入适量的细粉以调整结合部的粒度配比,并且还应当控制捣打时间、每批砂加入量和捣打力,以保证得到结构致密而均匀的坩埚。
干法打结时砂料的偏析情况
取样时间 砂粒粒度组成,%
3~2mm 2~0.5mm <0.5mm
打结前 27 40 33
打结后10分钟 73 20 7
3、烧结工艺的影响。坩埚的烧结过程中,从低温区的升温速度到最后的烧结温度和保温时间,都对坩埚的烧结质量有着重要的影响。低温烘烧时水蒸汽的逸出速度不能太快,以免在砂料中出现早期裂纹。水分的来源有砂料吸附的水、结晶水和添加剂分解释放出的水分,在800℃以下这些水分全部排除。所以在此区间应控制升温速度。坩埚容量越大越要降低升温速率,以避免水蒸汽急速地从砂料中逸出。不同的材质的砂料应选择相应的合适的烧结温度和保温时间,以便得到理想的烧结结构。高温烧结时坩埚的烧结结构是提高使用寿命的基础。烧结温度不够,烧结层厚度不足,会使坩埚的使用寿命明显的降低。为了获得使用寿命长的坩埚,必须预先得到理想的烧结结构。下表中的数据是对使用寿命较长的不同类型坩埚使用后的断面结构分析结果。
炉型 坩埚材质 烧结工艺 坩埚壁厚度mm 坩埚断面结构(mm) 工作条件
炉龄
工作层及烧结层 半烧结层 未烧结层
高频50Kg 制砖镁砂 高温烧结 40 15/37.5% 15/37.5% 10/25% 间歇作业,52
中频150Kg 电熔镁砂 高温烧结 60 20/33.3% 25/41.7% 15/25% 间歇作业,44
真空炉200Kg 电熔镁砂、工业氧化铝 高温烧结 60 25/41.7% 24/41.7% 10/16.6% 连续作业,175
中频430Kg 电熔镁砂 低温烧结 85 45/52.9% 30/35.3% 10/11.8% 连续作业,102
工频10t 石英砂 低温烧结 140 65/46.4% 45/32.1% 30/21.5% 连续作业,44
※分子为厚度,分母为占坩埚壁厚度的百分比。
从表中的数据可以看出,经高温烧结的坩埚,使用后的断面结构和原始结构相比差别不大,烧结层和半烧结层厚度分别占壁厚的35~40%。而低温烧结时,烧结结构随冶炼炉次增加而变化,经过使用后坩埚的烧结层约为壁厚的40~50%,半烧结层约占30~35%。
五、冶炼工艺的影响
1、冶炼温度的影响。冶炼钢液温度过热,造成炉渣温度升高,对坩埚的侵蚀加剧,使坩埚沿渣线过早的损坏。此外,高温钢液加速与坩埚之间反应,从而助长坩埚的化学侵蚀。总之,冶炼温度越高坩埚的使用寿命越低。
2、冶炼钢种的影响。冶炼熔点低、流动性好的高碳和高锰钢时,钢液对坩埚的渗透作用加剧,会降低坩埚的使用寿命。冶炼低碳高镍铬流动性差的钢种时,坩埚具有比较高的使用寿命。因此,在安排冶炼钢种时应当在坩埚的后期冶炼高碳和高锰钢种。
3、渣制度的影响。炉渣的碱度应当和坩埚材质相适应。镁质坩埚能被高CaO渣和SiO2渣侵蚀。炉渣中CaF2数量应进行控制,过量的CaF2会侵蚀碱性炉衬,使渣线区过早熔蚀。碱性渣适用于镁质坩埚,酸性渣适用于石英质坩埚,镁铝质坩埚只能使用弱碱性或中性渣。应根据坩埚材质选择合适的炉渣。真空下进行无渣冶炼时,坩埚的使用寿命大于非真空冶炼时的寿命,这就证明炉渣使坩埚使用寿命下降。
4、冶炼操作的影响。熔化期炉料产生“架桥”现象对坩埚的使用寿命的影响最大。出现“架桥”时,炉料与钢液脱离,钢液温度会过热到很高的温度,严重影响坩埚的使用寿命在处理“架桥”现象时,过重的振动锤击都会使坩埚遭到破坏。