影响熔锌感应炉感应体使用寿命的因素分析.pdf

影响熔锌感应炉感应体 使用寿命的因素分析 赵敬忠李玉宏“初阳 （西安理工大学， 陕西西安 ’； “开封冶炼厂， 河南开封 ’“； 西安同欣电热设备有限公司， 陕西西安 *） 摘要介绍了目前国内熔锌有芯感应炉使用现状和损坏特点， 分析了影响感应体使用寿命的 个因素。 关键词熔锌感应炉； 感应体； 使用寿命 中图分类号,*文献标识码-文章编号 . ’ （“） ’ . ’ . 作者简介赵敬忠 （/* . ） ， 男， 山西万荣县人， 副教授 近年来， 随着国际国内市场对锌需求量 的日益增加， 我国的锌产量不断提高， 仅扩建 的和新建的电解锌项目就有十多家。在这些 项目中， 各企业全部选用有芯感应炉作为电 解阴极锌片铸锭的熔炼设备。 由于工频有芯感应炉具有热效率高、 加 热速度快、 金属烧损少、 对环境污染小、 易操 作、 劳动条件好、 电炉功率因素高、 熔炼成本 低等一系列优点， 因此被广泛应用于电解阴 极锌片的熔铸、 热镀锌、 锌合金等行业中。感 应体是有芯感应炉的发热单元， 是感应电炉 的心脏， 其性能的优劣， 使用的可靠性及使用 寿命的长短， 直接关系到电炉设备的正常运 行， 影响企业的连续化生产。 使用现状和损坏特点 目前国内的熔锌感应电炉所配备的感应 体主要有两种类型 一种是世界各国均在大 力推广的适用于大吨位炉体的大功率新型感 应体 大 截 面 喷 流 型 双 沟 感 应 体， 有 “’01、 01 和 01 三个型号， 国外已 投入使用的单台感应体功率达 01， 正 在研制 2 万 01 的超大功率感应体； 另 一种是国内目前普遍使用的适用于小吨位炉 体的功率在 * 2 01 单沟感应体， 为了与 大吨位炉体相匹配， 许多锌冶炼企业不得不 采用一台炉体配挂多台小功率感应体的感应 电炉。与单沟感应体相比， 双沟感应体不仅 热损失小、 电效率高、 容易维护， 更重要的是 通过金属的单向流动使得熔沟与炉池的温差 由 3以上减小到 3以下， 大大改善了 熔沟的使用环境， 延长了感应体的使用寿命。 通常情况下， 感应体的损坏主要表现为 炉衬漏锌， 很多情况下会造成冷却套短路， 或 壳体连通导磁发热， 使得感应体无法送到额 定功率而无法使用； 其次因冲刷或炉衬内大 量渗锌造成熔沟截面扩大或事实上扩大， 感 应体功率变大， 因与原设计的电气元件无法 匹配而报废； 另外有些耐火材料与锌或锌渣 发生物理化学反应， 生成产物沉积在局部熔 沟壁上造成熔沟截面变小， 这时送到最高电 压也无法达到额定功率。这时只要将感应体 壳体内部的炉衬耐火材料更换， 制作符合设 计要求的熔沟形状， 感应体就可以重新投入 ’ 万方数据 使用。 与国际先进水平相比， 长期以来我国锌 冶炼企业用于熔炼阴极锌片的感应电炉感应 体寿命并不理想， 两种类型的感应体使用寿 命大致在 到 “ 个月之间， 且很不稳定， 这 样就很难保证生产的正常进行， 使得广大感 应炉用户非常头痛， 以至于很多用户回过头 来寻求落后保守的熔炼设备。 影响因素分析 长期以来， 大家普遍认为感应体的使用 寿命不上去， 是炉衬的问题， 是耐火材料的质 量不过关。用湿法浇注料， 开裂是首要问题， 并且很不稳定， 热震稳定性欠佳； 用湿法捣打 料， 渗锌太严重， 炉衬的气孔率太高， 强度不 足； 用类似于铸铁或铜感应体的干式振动料， 没有找到在 以下很适合的烧结剂， 目 前使用的干振料强度低， 渗锌严重。针对感 应体的使用寿命问题， 感应炉专家 ［“］ 逐步认 识到感应体的使用寿命太短， 不仅仅是炉衬 一方面的原因， 感应体的设计制造也至关重 要， 而且还与用户的使用维护有着密切的关 系。 ’“设计制造因素 我国的感应炉设计技术始于五、 六十年 代， 其主要的设计理论和方法是全盘照搬原 苏联的， 至今没有太大的改变。按照该原 则 ［］ ， 锌的熔沟电流密度为 “* ,,， 熔 沟截面径向厚度 -’./（为熔沟的电 流透入深度， 锌为 ,,） ， 所以锌熔沟的厚 度一般为 0 ,,。这些原则使得感应体 的自然功率因素较高， 电效率也较高， 电炉制 造成本较低。但这种小截面熔沟会使金属的 流动性变差， 熔沟与炉膛内的热交换变差， 使 得熔沟内的金属温度很高， 炉衬寿命很短， 同 时感应体的功率也设计不大。 目前国内使用最多的是 1 “/23 的 单沟感应体 （其中很大一部分是不可拆的） ， 如株洲冶炼厂、 葫芦岛锌厂、 西北铅锌冶炼厂 的熔锌感应炉情况就是如此， 感应体炉衬使 用寿命短， 一般为 个月到 “ 年； 双沟感应体 如广州锌片厂的 /23 感应体， 熔沟截面 小， 电流密度大， 感应体炉衬寿命更短， 仅有 到 1 个月， 且情况很不稳定。 近年来国内的一些电炉制造商如西安同 欣电热设备有限公司已经意识到感应体设计 方面的问题， 他们借鉴了西方发达国家的经 验， 对单沟和双沟感应体都进行了重新核算 设计， 加大熔沟截面， 降低电流密度， 取得了 良好的效果。例如为四川汉源有色金属总厂 和石棉四联电解锌厂设计制造的多台 23 单沟感应体， 平均使用寿命超过 年； 为株洲 冶炼厂设计制造的 23 双沟感应体， 使用 寿命已超过 年； 为开封冶炼厂设计制造的 23 双沟感应体， 自 年 / 月份起熔 以来目前正在使用当中。 ’炉衬耐火材料的选择 感应体使用寿命的长短， 炉衬耐火材料 是关键。锌的物理化学性质和感应体熔沟内 的工作环境要求炉衬耐火材料必须具有以下 性能特点 （“） 良好的化学稳定性 感应体熔沟中的温度比炉内锌液温度高 “/以上， 温度的升高使得锌的活性大大增 加， 锌及锌的氧化物容易与耐火材料反应， 在 炉衬表面沉积引起结瘤和鼓包造成熔沟截面 减小， 也可能引起熔蚀并在电动力的作用下 冲刷造成熔沟截面扩大。因此为了保证熔沟 截面在较长的时间内保持不变， 耐火材料必 须具有优良的化学稳定性。 （） 足够高的机械强度 感应体的位置一般位于电炉的下部， 熔 沟耐火材料受到来自炉内锌液静压力； 同时 熔沟内锌液以一定速度流动， 其中双沟感应 体内锌液流速可达 “,4， 炉衬材料受到锌液 的冲刷和磨损， 因此要求炉衬材料具有足够 的耐压强度和抗弯强度。 （） 低的热膨胀系数， 高的抗热震稳定性 为了提高感应体的电效率， 熔沟至冷却 套的厚度一般在 1 0,,， 耐火材料内外 0 万方数据 层之间的温差很大， 致使各层之间存在较大 应力差， 使得微裂纹容易生成和扩展； 感应体 运行期间， 始终处于工频微幅振动状态之中， 热态振动疲劳是微裂纹生长扩展最后导致感 应体损坏的主要原因。另外含水锌片进炉后 频繁放炮引起热冲击疲劳也是导致感应体损 坏的直接原因。 （） 高的致密度， 低的金属润湿性 锌的熔点低， 且随着温度升高， 锌液的粘 度急剧降低， 由 “ 的 ’ *,- 到 *’’的 ’., -， 到 ’’时粘度急剧降低 到 ’“, -， 与水的 ’“, - 十分接近， 流动 性和渗透性急剧增加， 同时增大了锌与炉衬 材料的润湿性。锌对炉衬材料的渗透， 不仅 取决于金属液体的特性， 而且更取决于炉衬 耐火材料成型体的开气孔率以及气孔的大小 和结构。一般直径大于 ’ */ 的气孔主要 靠液体流动渗透， 而直径小于 ’*/ 的气孔 渗透推动力为毛细管力， 毛细管力的大小主 要与金属和炉衬材料的润湿性有关。由此可 见， 提高炉衬成型体的致密度， 降低气孔率， 选用与金属液体润湿性差的原材料或添加 剂， 是减少锌对炉衬材料的渗透关键。 感应体是有芯感应炉的发热单元， 熔沟 中锌液的温度必然高于炉内温度， 熔沟炉衬 耐火材料成型体或多或少总会含一定气孔 率， 因此渗透必然发生。在炉内锌液压力和 感应电动力的作用下， 锌液渗透势必得到加 强。渗入耐火材料内部气孔或裂纹中的锌 液， 虽然也受到电磁感应被加热， 但随着炉膛 温度的降低或感应体功率的降低而凝固。由 于金属锌的热膨胀系数 （ 0 “’1 . 1 “） 远大于耐火材料的热膨胀系数 （. 2 ）0 “’ 1 .1 “， 在温度出现变化时， （例如感应体 功率变化） ， 气孔中的锌发生膨胀， 撑裂气孔 产生裂纹， 当温度高时锌熔化， 向前渗透， 温 度低时又重新凝固。在其它因素 （压力、 热振 动、 电动力等） 的综合作用下， 这样循环往复， 直到某处裂纹扩展贯通漏锌， 最终导致感应 体损坏。 实际生产中， 我们经常碰到这样的情况 某台感应体在高功率下运行出现漏锌， 这时 只要将功率降下来， 漏锌马上停止。这充分 说明感应体在低功率时， 熔沟内锌液温度急 剧降低， 电动力减小， 与炉衬之间的润湿性变 小， 渗透性变差， 使得锌液不能克服环境温度 的冷却而凝固。 目前在国内， 双沟感应体全部采用湿法 浇注料， 单沟感应体主要有干式捣打料和湿 法浇注料两种， 也还有少数小吨位电炉沿用 传统的湿法捣打料， 但作用效果很不理想。 表 “ 对干式捣打料和湿法浇注料的施工工艺 和性能特点进行了比较。 表 干式捣打料和湿法浇注料的施工工艺和性能特点的比较 项目干式捣打料湿法浇注料 结合剂高温烧结剂 硼酐、 磷酸盐等常温结合剂 铝酸盐水泥 水玻璃等 施工含水量3 ’*4.4 2 4 施工特点每层 ’ 2 .’//， 分层捣打一次浇注完成 养护烘烤 无须养护烘烤， 利用金属熔沟模直接通电熔 化进行烧成 养护 2 * 天， 烘烤干燥 天， 熔沟模用木模或对金属模进 行特殊处理 结构性能 烧结层 5 过渡层 5 原始层， 止裂防漏； 但渗 透多， 侵蚀严重 整体结构， 气孔率低渗透少， 抗冲刷， 熔沟截面保持时间长； 但抗裂性差 热态更换更换方便， 周期 6 2 天， 无需备用感应体。更换方便， 周期为 “ 天， 需要备用感应体。 使用寿命 2 “’ 个月“6 2 . 个月 “使用维护 设计定型、 炉衬耐火材料技术成熟的熔 锌感应电炉安装完毕投入使用之后， 感应体 的使用寿命就主要取决于用户的使用了。许 多厂都在使用相同型号的感应电炉， 但使用 寿命不尽相同。除了感应体和炉衬的制造和 万方数据 安装误差， 以及外界环境 （如电压高低， 是否 稳定等） 外， 管理严不严格， 维护精不精心就 显得十分重要了。 有的工厂由于电网电压较高 （大部分是 晚上 “ 点后网压高） ， 有的电压高达 ， 使得电炉长期处于超负荷运行状态； 也有的 工厂为了追求产量， 有意提高功率运行； 还有 的工厂出锌温度一直偏高。这样事实上使得 熔沟的电流密度提高， 熔沟内锌液温度升高， 渗透力增强。如此长期使用， 熔沟工作环境 必然恶化， 感应体寿命势必降低。 一般来说， 锌片只要能够穿过锌液面浮 渣层， 每次的加料量应尽量小， 每次加料的量 越大， 对加料口附近的感应体炉衬造成的冲 击就越大； 电解出的锌片应适当放置一段时 间以减小含水量， 否则锌片中夹带的水会在 炉内急剧膨胀而放炮， 放炮带来的冲击力并 不亚于加料带来的冲击力。如果这两个问题 解决不好， 加料口附近的感应体炉衬就会受 到频繁的冲击而疲劳破坏， 炉衬耐火材料内 的微裂纹就会很快扩展贯通， 最终造成漏炉。 各厂的使用情况大致都是加料口附近的感应 体使用寿命相对较短。 ’结束语 如何提高感应体使用寿命， 是各熔锌感 应电炉用户最为关心的问题。在感应炉设计 和感应体熔沟炉衬耐火材料技术日益成熟以 后， 建议各熔锌感应电炉用户加强管理， 精心 维护， 感应体的使用寿命还会得到进一步的 提高。 参考文献 ［］ 肖国春， 魏 邦， 初 阳， 等有色冶炼， “ （） ’ ［“］ 西安电炉研究所， 等感应加热技术应用及其 设备设计经验北京 机械工业出版社， * （上接第 “ 页） 表 后 “ 台槽投入产出对照表 序号投入部分元序号产出部分 元 导电母线部分 ,-./ / -“0 -“电流效率增加部分 -,./ *0 . “大修部分 - / ’- 1 ““’“/ ’/ 0 *“节电部分 .’/ “. / ,’0 “--* ’延长槽寿命节约大修费用部分 ’,/ “*0 “ 转接周期延长节电 . 1 / - / ,’0 “*’ 总计““’“总计’ 注每台槽多增加的母线量；“铝价；槽寿命；每台槽多消耗大修费用；电流效率提高后多产铝量；吨铝利润； ’- 年来后 台槽总产量；电价；由槽寿命延长而减少的大修次数；*大修费用 （不更换槽壳） 。 由表 * 可看出， 投入量仅占产出的 ,*“2， 投入产出比为 -,’-。 结论 针对自焙槽而言， 加大炉膛提高电流效 率近 2； 适当加高阳极大母线的高度 （当然 这不是治本的办法） 也可降低直流电耗； 而对 于所有的电解槽来说， 增加阴极棒的数量和 导电母线的截面积是有益的， 上述改造的投 入产 出 比 为 -,’-。因 此 大 加 工 面 在 33， 小加工面在 33 是比较适宜的。 参考文献 ［］ 邱竹贤 , 铝电解 , 北京 冶金工业出版社， . - ［“］ 沈泽方 , 铝电解 有色金属工人技术理论 教材 （修订版） , 中国有色金属工业总公司职 工教育教材编审办公室， .. 万方数据