酸性干式捣打料铸造
无芯感应炉由于具有升温能力强、可间歇作业、炉衬费用低、使用灵活方便等特点而被铸造厂广泛采用。某铸造厂现有公称容量为3t无芯感应炉一座 ,最大输入电压为850V ,额定输出功率为1000kW ,单位电耗为500kWh/t ,炉深1300mm ,直径为830mm ,主要熔炼HT200、HT300、Q T400-18等系列铸件,冶炼时加炉料顺序依次为增碳剂、废机铁、废钢、回炉料 ,冶炼时间2h左右,冶炼终点温度为1530～1550℃,调整成分用硅铁和锰铁 ,液面保温用珍珠岩,出铁过程中加入硅钙钡复合孕育剂,浇注温度控制在1320～1350℃。该厂无芯感应炉使用的是酸性干式料,由于目前基本上采用白天生产、晚上停炉的生产方式,该干式料在使用到100 炉以后,由于热震等因素的影响经常出现裂纹、剥落等现象,降低了炉子使用效率、增加了工人劳动强度,同时给生产节奏带来很大影响。为此,濮耐公司技术人员结合工厂的实际工艺情况,研制出了针对该厂的个性化干式料,以期提高感应炉的使用效率、降低工人的劳动强度。
1.炉衬损毁原因分析及相应改进措施经过一系列的现场观察和与炉前工人的交流得出,该厂感应炉炉衬在使用中主要受机械损伤和热震因素而损毁。
1.1机械损伤机械损伤主要来自加料操作，不正确的加料操作容易使炉衬产生一些损毁,或出现裂纹,或出现块状剥落,这时金属液就会渗透到耐火材料的裂纹中,最终导致报警系统发出报警信号并停止炉子的使用。改进措施:加料时,当物料质量太大、下落高度较高、物料本身棱角较大时切忌直接将其推入炉内,以免损伤炉衬或炉底，可以用一个小型行车将其慢慢放入炉内;当加一些片状物料时,应让其慢慢沿炉壁向下滑动,防止划破炉衬,特别是新打结的炉衬,由于没有得到充分的烧结,还没有足够的强度,加料时更应当谨慎。
1.2热震损伤热震损伤是指热应力对炉衬的破坏,是由于使用不当造成的。金属液出炉后如不继续使用,则炉温就会下降,在降温过程中炉衬不仅有“热胀冷缩”,还伴有石英的晶型逆转变 ,两者共同作用的结果使炉衬烧结层产生裂纹、釉面翘起、剥落等损伤,当重新启用时被损伤的烧结层可能全部损毁,致使炉衬寿命大幅下降。因此应尽量避免间断操作。改进措施:当企业产量低,采用昼开夜停(或昼停夜开)生产,可在末次出炉留1/3金属液,夜间低功率保温,第 2 天加料继续生产 ,这样运行要比头天停炉第2天重熔还要省电,更重要的是可大大延长炉衬寿命,取得更佳的综合经济效益。
2.炉衬用酸性干式料的制备
2.1主原料的选择结合该铸造厂生产时产生的渣系及其他因素 ,该干式捣打料需采用优质的天然石英作为主原料,天然石英砂的显微结构有2种[1]:①结晶型;②胶结型。作为炉衬材料的石英砂必须为结晶型 ,而且结晶尺寸越大越好。这是由于结晶粗大规整的石英处于低能量状态,它要发生晶型转变就需要较高的能量, 即较高的温度。而当温度较高时,干式料中已有较多的液相,这时所产生的体积膨胀会被液相吸收,而不会对炉衬产生伤害。一般把结晶尺寸分为3个等级:大结晶,直径D=1～2mm;中结晶D=0.2～0.5mm;小结晶D=0.01～0.08mm。综合大量试验数据,并为了获得最佳使用效果的炉衬及颗粒之间的最大堆积密度,选用结晶尺寸>2mm占95 %的高纯度优质天然石英砂,石英砂临界粒度采用3mm ,原料化学成分如表1;经过颗粒级配的优化,得出最佳颗粒级配如表2。
2.2助烧结剂加入量由于硼砂中含有大量结晶水并含有Na2O,所以不能作为助烧结剂,国内普遍采用硼酸作为助烧结剂[2]。硼酸的化学式为H3BO3 ,有光泽的鳞片状小晶体,它是由硼砂经熔融脱水、去除Na2O而制得。图1为SiO2-B2O3系统相图,由图可知,B2O3 加入量对系统出现液相的温度是非常敏感的参数,这是因为B2O3的熔点仅为450℃,且B2O3与SiO2形成的共晶物熔点只有372℃, 就是说B2O3作为石英质干式料的助烧结剂时,在372℃就会出现液相。
经过大量试验并结合该厂炉况得出硼酸加了量在1.7%较为合适。
2.3 刚玉--莫来石微粉的引入由于该厂昼开夜停的生产方式,在干式料中适当 引入刚玉-莫来石超微粉。刚玉-莫来石复相材料集中 了刚玉及莫来石两种单相材料的优点 ,具有优良的高温强度、抗蠕变性、抗热震性和较高的使用温度,同时 其内部组成里面的刚玉相在高温下还会与干式料中的石英砂反应生成莫来石, 产生一定的体积膨胀而抵消一部分线性收缩,减小因热胀冷缩及石英砂晶型逆转变产生的裂纹。
2.4搅拌混合按照配比将以上几种原材料进行混合,并确保搅拌均匀,然后包装。
3.感应炉炉衬的打结 该厂目前在打结一个新炉衬时总共需要耗时12h以上,炉前工人劳动强度大,并且影响正常生产节奏。针对这些情况,对筑炉工艺、筑炉用设备进行了改进,力求施工工艺规范化。例如,把捣固叉叉尺的长度增加到40 mm(原长度为20mm),这样一次加料就可以多加一些等。改进后的筑炉时间缩短为8h,节省了时间,又减轻了工人劳动强度。
3.1施工筑炉工艺
(1)清理炉内杂质 。首先把残衬拆掉 , 并且在线 圈上涂抹好绝缘胶泥并烘干 ,施工前先将炉内的残料 、 杂质清扫干净 。
(2)铺设绝缘层和保温层 。在炉壁上铺上一层约 2 mm厚无尘石棉布, 又铺了一层厚度约为 3 mm 的无 棉橡胶板做绝缘体 ,炉壁无棉橡胶板高度一定要高于 炉面 ,以免施工过程中掉入炉内杂质 。底部由于没有 线圈,只铺了一层无棉橡胶板作保温层,绝缘体铺设过 程中一定要紧贴炉壁或炉底 。
(3)打结炉底。倒料之前测量了一下炉底距无棉橡胶板上沿高度为1420mm ,也就是说高出炉面120 mm(炉深为1300 mm),然后倒入50 kg 干式料,工人下去铺匀并找平,此时又测一下距炉面高度为1340 mm ,也就是加料高度为 80 mm ,然后用叉齿直径为12 mm、长度为100mm、叉齿数量为6根带排气 孔的捣固叉将捣打料捣几遍 ,排除捣打料中的气体,最后用叉齿长度为40mm、直径为12mm、叉齿数量为8根的捣固叉开始捣打,6名工人分成3组分班捣打,为确保炉底每个地方都捣打致密,捣打时间为50min,然后又测量一下底部距石棉板上边沿高度为1370mm,80 mm 的捣打料最后被捣下去30mm,然后开始第2次加料,整个炉底总共分4次加料,每打完一层,在加新料前,必须将已捣实的表面扒松,防止分层,炉底捣 打后厚度为205 mm 。
(4) 打结炉壁。炉底捣打结束后,开始打结炉壁,先找平底面,刮去毛面,将做好的胎模放入炉内,要注 意和炉底同心;然后四周用木楔打紧以固定胎模,并使胎模四周距炉壁大致都为90mm,胎模一定要用厚度>4 mm的钢板制作而成,否则高温下容易变形 ;最后 开始加料,每次加料厚度50～60mm,加料一定要保持每个地方都均匀 ,打结时施工人员一定要绕炉走动,各部位要均匀 ,特别注意打结接头处,不允许出现接头处无人打的现象。捣打后厚度为40～50mm,每层捣打时间为5～8min。
（5）制作炉领。炉衬封口和炉领、炉嘴对炉衬寿命影响不大,容易修理,用干式料掺和水玻璃快速成 型 ,并制作成坡状。
3.2 炉衬烘烤干式炉衬的烘烤与烧结要达到两个目的:①排除材料中的水分;②完成石英的晶型转变且不开裂,最终获得由α-方石英形成的烧结层、过渡层和松散层3层结构炉衬,烘炉过程中胎模和里面的炉料一起熔化。具体烘烤工艺如表3 。 4.工业试验结果该炉衬采用干式料,目前已使用280 多炉,表面光滑,没有裂纹,比该厂以前正常使用的干式料炉衬寿命提高近2倍,修炉间隔时间也由以前的15天左右提高到目前的一个月时间。