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中频炉炉衬材料的选择及炉衬烧结工艺

1.炉衬耐火胶泥
耐火胶泥是一种耐热、耐绝缘的水泥。在感应线圈内壁涂摸一圈1.5-2.5cm厚度是一种保护感应线圈和提高线圈机械强度的材料。同时能使炉衬在垂直方向平滑热胀冷缩。目前国内的耐火胶泥能在1800℃温度下耐半个小时,能有效阻止漏炉。
2.炉衬(坩埚)材料的选择
中频炉坩埚有3种:碱性坩埚、酸性坩埚和中性坩埚。用于制作碱性坩埚的材料主为氧化镁;用于制作酸性坩埚的材料仅有氧化硅;用于制作中性坩埚的材料仅有氧化铝、MgOAl2O3复合氧化物、石墨等。
            感应炉坩埚要求有下列特点:
            ⑴较高的耐火度。炼钢坩埚要求在1700℃,熔炼铸铁坩埚要求1500℃~1600℃;
            ⑵稳定的物化性质。要求坩埚制品耐熔渣和钢液浸蚀;
            ⑶有良好的抗热震性及高温强度;
            ⑷有一定的绝缘性能;
            ⑸较小的导热性;
            ⑹成本低,无污染。
            常用的制造坩埚的耐火材料有镁砂,镁铝尖晶石和石英砂3种,现介绍如下:
            镁铝尖晶石是一种人工合成的耐火材料,理论成分为ω(Al2O3)=71.5%,ω(MgO)=28.5%;熔点为2135℃,耐火度约为1900℃,具有良好的抗热震性,可用作各种感应炉坩埚材料。其生产方法是将Al2O3和MgO两种原料混合后,用烧结合成或电弧、电渣法合成。石英砂是酸性耐火材料,用于制作酸性坩埚。天然石英砂精选后,可得到纯度较高的石英砂。石英砂的有害杂质是碱性氧化物。石英砂的耐火度约为1650℃,制作的坩埚工作温度为 1550℃。这种坩埚又优良的抗热震性,低于1500℃使用时寿命较长。
            制作坩埚的材料中,除了耐火材料外,还有少量添加剂。常用的是硼酸(H3BO3)。硼酸的主要作用是降低砂料的烧结温度,促进镁铝尖晶石的形成,并且改变坩埚的体积变化率。加入不同数量的硼酸可以调节坩埚的体积变化率。不同的硼酸加入量对石英砂体积变化率影响不同。作为添加剂的硼酸,粒度一般小于 0.5mm,达到工业纯即可。硼酸的加入量与坩埚的工作温度及使用条件有关,加入硼酸会使坩埚的工作温度降低。在真空感应炉熔炼时,加入坩埚中的硼酸会使金属液增硼,在熔炼超级合金时要注意这一点。
            ② 感应炉坩埚的成型
            感应炉坩埚成型前,首先要配料,主要是做粒度配比。合理的粒度配比可以获得气孔率小、烧结性好、强度高、耐急冷急热性能好的坩埚。坩埚气孔率通常在20%左右。坩埚材料的粒度配比中,粗颗粒越多,耐急冷急热性能好。制作坩埚的砂料可分为3个粒度等级,即粗粒度(2~6mm)、中等粒度(0.5~2.0mm)和细粒度(≤0.5mm)。粗粒度砂料在坩埚中起骨架作用,使坩埚具有一定的强度。中等粒度砂料填充粗粒的间隙,增加堆积密度,改善坩埚烧结性能,提高强度。细粒度砂料的作用是保证坩埚的烧结性能和质量以及烧结网络的连续性,使坩埚具有良好的致密性。小于500Kg容量的坩埚一般使用0~4mm的粒度砂料,大容量坩埚使用0~6mm粒度砂料。
            炉内打结成型法:这种方法第一步要按规定的粒度配制好砂料,并与添加剂均匀混合。如果采用湿法打结时,可加入1%~2%的水分,混合后放置1~2h再用。第二步在感应器内侧铺以石棉布。对于酸性坩埚,可多加两层。第三步是进行炉底打结。分批加入砂料后,每次用直径为12~14mm的尖头钢钎反复捣实。炉底打结加料次数为4~5次,每次打结时间至少10min。炉底的厚度一般打结到规定高度。第四步是放入坩埚型芯,即控制坩埚形状和容积的胎具。低温烧结时,型芯一般采用钢板制成。型芯放入时,应对正中心,注意钢钎头不要扎破玻璃布。打结过程中也应经常检查型芯是否正中,以免型芯歪斜使坩埚壁厚薄不均,降低使用寿命,当硬砂层达到从上面数第二感应圈位置时,转入炉口的打结操作。第五步是炉口打结。由于炉口区不易烧结,必须在砂料中增加细粉料的比例,或添加适量的黏土、水玻璃等,以得到较结实的水口。
            大容量感应炉坩埚,采用人工打结成型,质量很难保证,常采用振动成型法。这样不但改善了劳动条件,还节省了制作时间。振动成型法所用设备为振动筑炉机。它由气动振动机、炉底振动块和炉壁振动器组成。振动筑炉机以压缩空气驱动的空气马达产生的振动作为振源,可产生压强为0.3~0.5MPa,通过炉底振动块和炉壁振动器把振动力传递给砂料,以使砂料达到高的填充密度。
3.坩埚材料的选择
            ①碱性坩埚材料适用熔炼特殊钢及精密合金,合金钢。如不锈钢等。
            ②酸性坩埚材料适用于熔炼碳和低合金钢,不宜炼含有Al、Ti、B和稀土等活波元素的钢种。
4.感应炉坩埚的烧结
            烧结过程是在高温下使砂料的接触面上出现液相结合,形成连续的烧结网络,通过网络使整个砂料联成一个整体。烧结后坩埚断面从外向里应分为未烧结层、半烧结层、烧结层。烧结层要求密度大、强度高、表面裂纹少,砂粒颗粒之间全部融化,烧结网络均匀完整。烧结层的厚度约占全壁厚的20%~30%,应尽量避免烧结层的横向裂纹。半烧结层是烧结层和未烧结层之间的过渡区,在该区内,部分颗粒的接触面开始融化,烧结网络不完全。该层的作用是缓冲烧结层的应力,阻止烧结层内产生的裂纹向外延伸。半烧结层的厚度约占坩埚壁厚度的25%~35%。未烧结层是半烧结层和感应圈之间有一层完全没有烧结的原始砂料。这层砂料起着绝热的作用,当坩埚在加热和冷却时,也起着体积膨胀和收缩的作用。未烧结层的厚度约占坩埚壁厚度的30%~35%。烘炉工艺及洪炉曲线一定要按炉衬材料生产厂家的规定执行或炉衬材料提供者执行。
            坩埚制成后,使用过程中要注意维护,及时的修补和清理坩埚内壁,最大限度地提高坩埚使用寿命。