30吨中频无心感应熔铜炉用耐火材料的研制与使用

随着有色金属及船舶行业大型化的不断需要，传统的小型工频炉已无法满足要求。近年来国际上已出现 了吨位50～30t 以上的大吨位无心中频／工频熔铜炉，其主要用于船舶工业的大型铸件。国内这几年也引进 了一部分无心熔铜炉‚如苏州铜材厂引进的16t 无心熔 铜炉‚洛阳铜材厂、宁波兴业集团也相继引进了新一代 的中频熔炼炉。为了赶超国际先进水平‚促进我国感应 电炉和船舶工业的发展‚我公司研制了国内*大的30t 中频无心感应熔铜炉。由于炉体尺寸的大幅度增加‚对 于炉衬耐火材料的技术和使用性能提出了新的要求‚本 文开展了适应于大吨位炼铜炉使用的炉衬材料的研究 工作。 

1 炉衬耐火材料的毁损机理

炉衬耐火材料的毁损主要是熔融金属、金属氧化 物、熔渣的浸透和由于温度应力产生裂纹造成的。当 熔融金属、氧化物或熔渣沿着衬体的裂纹或气孔渗透 到纵深内部时‚则发生以下3种情况： 

（1） 熔融金属发生氧化、还原或生成低熔点物质‚ 致使衬体遭到侵蚀或产生龟裂、剥落。 

（2） 熔融金属和耐火材料发生氧化反应‚并伴随 着体积膨胀‚造成衬体膨胀而塌落。 

（3） 强碱性的熔融金属或熔渣‚流动性好‚对衬体 的冲刷侵蚀较为严重。 

紫铜为铜合金中渗透性较强的一种‚其熔点为1083℃。熔炼时‚熔融金属向衬体内部渗透‚发生氧 化并伴随着体积膨胀。当铜氧化为Cu2O 时‚体积增 大0．64倍‚氧化成CuO 时‚体积增大0．75倍。由于 铜的氧化‚造成炉衬材料的体积变化‚致使衬体材料产 生龟裂‚甚至剥落。在一定的温度条件下‚铜的氧化物 能够与耐火材料衬体中的某些氧化物发生反应而生成 液相‚例如‚氧化铜与Si O2 的液相点为1060 ℃‚与 MgO 的液相点为 1135 ℃‚与 Al 2O3 的液相点为 840℃。由于低熔点物的生成‚发生熔蚀现象‚降低了 材料的使用寿命。由于炉内金属铜液‚温度高达 1250℃以上‚其流动性和渗透性都很强‚易渗透到衬 体中‚经过反复的冷热体积变化‚使衬体产生破裂‚特 别是在温度发生突变时‚易造成衬体崩塌。 

2 30t 中频熔铜炉炉衬耐火材料研制 

2．1主材料选择

国 外 大 吨 位  无心感应炉普遍采用中性氧化物作炉 衬。国内用的耐火材料分为两大类：一类为酸性石英 砂材料‚一类为氧化铝为主成分的中性材料。根据我 们的研究结果：中性氧化物为主体的炉衬材料是大吨 位熔铜炉*合适的材料。

2．2 ZDL202中性氧化铝炉衬材料 

 采用ZDL202干式成型中性氧化铝炉料材料时‚ 由于主成分是中性氧化物‚并添加有特殊抗渗剂‚与铜 液中的 Mn 、Ni 、Al 等均不发生反应‚而且特别抗铜的 浸蚀‚故不发生粘渣现象。该材料在苏州铜材厂16t 工频熔铜炉上使用效果很好‚炉衬寿命超过3年（700 多炉次） ‚而且尺寸变化不超过5％‚从而保证了炉子自始至终高效率的正常使用。 

2．3 30t 中频熔铜炉炉衬材料的研制

虽然ZDL202干式成型中性氧化铝炉衬材料在 小、中型熔铜炉上使用效果很好‚但对30t 中频炉来 说‚由于其深度和直径都发生了较大变化‚炉衬在使用 过程中要承受的静压力和热应力增加‚这就对炉衬的 性能提出了更高的要求。根据大吨位炉子的结构特点 和使用工况‚重点对新材料的热稳定性、高温机械强度 和抗浸蚀性能进行了研究。 

（1） 热稳定性 

耐火材料的热稳定性与材料的膨胀性能、导热系 数、粒度组成有关。针对相同化学组成的材料‚选择了 多种添加剂‚以促进高温烧结和矿物相的转化为目的 进行试验‚从中优选出*适合的一种。结果表明‚适宜 的添加剂可使材料中的高温莫来石相增加‚含量达到 85％以上。从而使材料具有较低的热膨胀系数。为了 适当提高导热性能‚增加了高导热材料的含量。 

颗粒组成和*大颗粒尺寸‚均影响材料的热稳定 性‚结合炉衬的厚度‚选择*大颗粒分别为15mm、 10mm、8mm、6mm 进行级配试验‚并考察对热稳定 性的影响‚实验结果表明‚将*大颗粒控制在8～ 10mm‚骨料的比例控制在55％～65％*好。 

（2） 强度和抗浸蚀性 

对无心感应 而言‚并非炉衬材料的强度越 高越好‚在足以抵抗金属液冲刷的情况下‚更应注重提 高材料的韧性。为此‚采用了复合结合剂‚改善炉衬烧 结层‚半烧结层和松散层的性状。烧结层中少量高粘 度的玻璃相‚阻挡了金属液的浸入。粉料中增大了不 被铜液润湿、不与铜液反应组分的含量‚进一步提高了 抗浸蚀性。复合结合剂中减少了800℃以下产生结合 强度成分的含量‚确保了炉衬松散层自始至终存在‚从 而有效阻止了炉衬裂纹的延伸及金属液的渗入深度。 

（3） ZDL202W 干式成型材料的性能 对优选出的ZDL202W 干式成型材料进行了性能测试‚其性能见表1

3  工业运行使用 

30t 中频熔铜炉于2000年初制造完成‚随后在大 连船用推进器厂安装调试‚所用材料为 ZDL202W。 熔化合金为镍铝青铜。*高熔炼温度1350℃‚炉子 作业方式为：加料-熔化-浇注-停炉-等待砂型制作。经 过几年的使用‚炉衬状况完好。炉衬在使用过程中‚不 粘渣、开裂少‚不与铜合金发生反应‚达到国际同类材 料的先进技术水平。随后该材料又先后在洛阳铜加工 厂8t 中频熔炼炉等国内数十台无心熔铜炉获得了成 功使用‚替代了进口。总之ZDL202W 中性熔铜炉用 耐火材料具有较高的性价 ‚良好的耐久使用寿命‚有 很广阔的应用前景。