有芯工频熔铜炉筑炉启炉工艺

300 kg有芯工频感应熔铜炉是众多有色金属企业熔铜设备的首选炉型之一。由于该炉子投资少、操作方便,特别是在熔炼和连续浇铸成型时金属液面与空气接触少,氧化几率小,便于控制铸坏的氧含量因而被广泛推广使用。但有芯工频感应炉在生产中是连续长期作业,每次筑炉费用大,烘炉周期长。所以对于生产企业来说,如何保证打结炉衬的强度,确保耐火材料的烧结组织，并实现一次性启炉成功，有效提高炉龄，是长期以来大家关注的课题。笔者结合多年来我厂300 kg 有芯工频感应炉的筑炉和启炉实践总结摸索出一套完整的筑启炉工艺,在此与业内人士进行交流。

一、启炉和生产中常出现的问题

在有芯工频感应熔铜炉的生产运行中，常常由于烧结或生产过程中控制不当而出现各种事故。通过分析发现造成各种事故的原因如下:

1.筑炉材料没有充分烘干,残留水分在高温下气化膨胀,使烧结层开裂;

2.石英砂捣打不密实,构筑层内有大量空隙，造成炉衬强度不足，导致炉壁开裂;

3.开炉时由于炉底和喉口部份石英砂低温烘烧不够,或升温曲线不合理，使连接部份的耐材在高温下分层造成脱落;

4.启炉后加料或通熔沟方法不当,造成熔沟周边石英砂脱落而进入熔沟;

5.部分脱落的石英砂与氧化物产生化合反应形成大比重混合相而沉积到熔沟处:

6.熔铜温度过高，超过炉衬耐火度，造成炉壁熔烧脱层。

这些现象都会使炉子出现故障而不能维持正常生产。

二、炉体基本结构和耐材选用

300 kg(75 kW)有芯工频感应炉的基本结构如图1所示,由两大部份组成,即炉子本体和感应器。

由图1可以看出，该炉为双熔沟连体式炉型，左侧为保温上引炉,右侧为熔化炉,均由独立的感应器和炉膛组成。感应器由直径为 38 mm 数为59 的线图导磁体、不锈钢水冷套、型等截面熔沟等组成。

其电控部份的主要技术参数如下:

额定容量/kg                   3000

额定功率/kW                      75

电压/V                              380

电流/A                           0-600

相数                                      3

频率/Hz                               50

铁芯容量/kVA                    500

功率因数

     补偿前                     0.5~0.7

     补偿后                    0.98-1.0

线直径/mm                           38

线圈匝数                                59

熔沟/个                                   2

熔沟断面/mm                  70x 25

额定熔化率/kg·h                  300

炉体由外铁壳、炉内衬构成。内衬由外向里分为三层:耐热绝缘板、石棉保温板、混合捣打料或高铝砖。感应器部分的耐火材料为石英砂混合捣打料，其成分配比(质量分数1%)如下:

石英                                      88.8

(50目砂占20%、100目占50%250目占20%)硼酸(H BO)           1.2

碳化硅(SiC)                                 6

保温添加剂(莫来石 +红柱石)        4

炉子的捣打料应该满足以下基本要求:

1.长期高温不软化;

2.具有良好的耐冲刷及抗侵蚀性;

3.具有良好的化学稳定性，以保证熔沟的截面功率和热效应参数相对稳定;

4.具有较高的强度，能在较大热应力和高温下不变质、不开裂。

三、筑炉实验工具和材料特性

工频感应炉的炉村强度和炉子的使用寿命通常受以下几个方面的因素影响

1.筑炉材料是否合理

2.打筑的工艺和质量;

3 .烘炉、启炉工艺。

因此，首先选择好筑炉材料和施工工具至关重要。根据本企业的具体情况,实验选用了以下施工工具:强制式搅拌机1台、混料机1台粒度测量仪1台炉衬温度和密度测量器具各1套气动动器1台气泵2台、更110mmx300mm 震动棒2个25mm尖头振动杆2支平面振实板2块(面积为1300 mm)1500 kg台称1台运料机及泥瓦工具各1套

在耐火材料方面，选用国产优等石英砂和硼酸加适量的碳化硅及添加剂。炉体上部砌筑选用高铝砖;炉壳周边选用厚度为 5 mm 的绝缘云母高质增厚石棉板、0.5 mm厚的玻璃丝布等。各种材料的主要性能如表1所示

石英砂应为含碱性杂质及金属氧化物少、颗粒早尖角形状的粒状物，并应按一定粒度比混合而成;硼酸应能在 301C脱水分解为 B0(硼酸)。这种硼酸在577C时易于液化并在耐火材料表面润滑铺展,有利于耐火材料在高温下粘接并保持原有形状[2],从而起到稳定炉衬强度的作用。

四、筑炉工艺

有芯工频感应炉筑炉方法的正确与否是成功启炉及转入正常生产的先决条件。在本实验中，采用递降厚度的加料方式，并对打结层表面拉毛，由中心环形辐射向外逐圈打结，同时进行二级密实捣打。这些措施有效地保证了筑炉质量和启炉成功。

由于筑炉材料主要是由不同粒度的干石英砂构成，所以打结炉衬的实质就是让砂子流动，减小砂粒间的空隙度。根据理论分析和实测3],一般情况下非密实配制的石英砂(含 1.8% 硼酸)的密度<1.9 g/cm,而密实的石英砂的密度可达 2.65 g/cm。因此，打筑炉衬的目的就是通过各种措施来提高石英砂炉衬的密度。

在实际作业中，首先对炉壳周边铺垫料进行固定,把玻璃丝布、云母板和石棉板按要求进行严格固定,并在下料前测划好炉体各段层的下料尺寸,做好记录;然后去除炉体和周边环境的各种异物,保证现场的干燥度和纯洁度;将配制好的石英砂在阳光下烘晒 24 h,然后按比例称重加人。

在炉壳耐热材料固定后开始打筑。打筑的第区域是感应器，也是炉子的心脏部位。在生产运行中此处铜液温度高,涡流电磁力强,炉衬受熔体自重压力大,因此为了保证感应器的稳定有效,打结时必须仔细。di一次投料虚厚度为 8 cm,投入后首先用钢叉插一遍,除去炉料中的气体;然后用震动棒从中部开始振打,逐渐向外缘扩展。用震动棒捣固时,每个位置用时 5 min,每一图用时 15~20 min;捣打完后换平面振实板振实,每层振实时间为 25-30 min。当第层经过上述三步捣打后，用钢刷拉毛表面层耐火材料,扫去上层细粉灰并收集倒入新加料中拌均，然后进人第二层加料捣打。从第二层开始，每层加料厚度为 5cm,并采用与di一层同样的方法进行捣打。在整个打结过程中,各层di一遍和第二遍震打分别由两人进行，以防各层捣打力度不一造成夹生。特别应注意的是每层平板振实时间应控制在25~30min。

感应器熔沟处捣打结束后转人喉部打结。喉口部分也是炉体的关键部位之一,因为该部位侵蚀严重,沉积物集中,机械冲刷厉害,特别是熔化炉喉口在加料时易击裂烧结面,因此打筑时也应十分认真同上述作业过程一样,打筑时也是分三个步骤进行di一步先用钢纤插一遍;第二步用震动棒振打;第三步用平面板振实。每层加料前也应将前一底层表面拉毛，以增加层间的粘接力。每层加料厚度应控制在5~6 cm。捣打时仍采用由中心向外再由外向里的捣筑方式。一层捣实后，再加第二层料,直至砖砌层位置。di一层砖砌底面是炉膛与炉底的过渡接合部位为保证耐火砖层与喉部打结料的连接强度，在炉底面喉口处喷洒一定量水玻璃后再进行筑砖。筑砖砖缝应尽量小,并将砖缝及砖缝与捣打料之间的缝隙用混合料填满夯实,再往上加第二层砖。上一层砖与下一层砖的砖缝务必错开,以增加砖层机械强度。转角处的环拱处，用刀口砖过渡，并砌筑成紧密连接的小间隙状，对所留缝隙均用混合料填充并用钢捣实。砖砌三层后到达炉体上表面位置,筑炉基本完成。在加炉体上盖面板前,在砖砌面上摸一层耐火泥土，以覆盖炉体上表面，同时起到粘固上盖体的作用。粘固的炉体铁盖面用螺丝与炉体联接并进行固定。至此，打结完成，然后进行24 h的自然风干定型。

五、烘炉启炉工艺

烘炉是炉子投产前的di一工艺过程，其主要目的是使炉衬材料脱水、烘干、烧结成型。本实验采用的烘炉工艺分三阶段进行,其工艺曲线如图 2所示。

首先在炉膛加入木材，燃烧木材进行预烘烤，目的是排除石英砂和炉体砌筑料中的水分，为后续的烧结打好基础。升温速度控制在 10C/h,时间为20 h使炉体温度达到 200C。然后进入三段式烘炉过程:

di一阶段为低温转化。开通电源送电 90 V,在木碳烘烤的同时进行电压升温，升温速度可适当增大到30C/h。在这一阶段内石英砂几乎无变化,炉村处于松散状,随温度的升高炉衬材料中残余的水蒸气易于通过空隙排出。当炉温达到 500C时电压升至120V,实现石英砂低温转化。在这一阶段(500 ~ 600C)B石英砂相变为 a 石英砂。虽然这种转变所导致的结晶内部结构变化比较小,但转变速度快,体积变化显著。同时,B,0在577C熔化,包裹石英砂,使炉村材料表面釉化。这一过程需要一定的时间(10 h),升温速度不宜太快(控制在 10C/h)以免引起炉村开裂

第二阶段为低温烧结。送电压 150 V,使温度从600C升到 850C。在此阶段 a 石英砂会逐步转化为半安定方石英砂,并zui终向 a 磷石英转化。整个过程晶体转化缓慢，因此需要中速升温，升温速度为25C/h,时间为10 h。在这一阶段后期，熔沟已经见红并逐渐熔化,此时可适当保温 5 h,以彻底化开熔沟;

第三阶段为高温转化和烧结。送电压 240~270 V使温度从 850C升到 1050。在此过程的前期,半安定方石英砂继续向 a 磷石英转化,炉衬体积会继续膨胀因而升温速度不宜太快,控制在 25C/ 左右。当温度到达 1050C时,保温4~5 h,以便炉衬逐层烧结。当炉衬烧结结束后,可转入正常生产准备期:首先,提升熔体温度至1100~1150C,而后加入一定量废直铜管，以逐提高液面高度;当炉内液面到底部以上 1/3 高度时应停止加料并进行2h 保温;在保温过程中可向两炉内适量加入玻璃釉化剂,以促进炉衬表面釉化。

六、结论

实验表明，以上熔铜炉筑炉和烧结工艺是合理的可行的。经过本工艺烧结的炉衬由三层组成:di一层为饶结层，占整体厚度的 25%;第二层为过渡层，占整体厚度的 15%，其中接近炉膛面部份已转化成 磷石英砂,少部份为 石英;第三层是未转化层，基本为原石英砂，占总厚度的 45%,起吸收前二层体积膨胀的作用。由这三层组成的炉衬,强度高、耐热层厚、结构稳定在生产中起到了有效保温和延长炉龄的作用。