1、概況

    隨著有色金屬及船舶行業大型化的不斷需要，對鑄件的質量和單件尺寸重量的要求不斷提高，傳統的小型工頻爐已無法滿足要求，油爐因環境及銅合金主成分控制難而趨于淘汰。近年來國際上已出現了噸位50^T~30^T以上的大噸位無心中頻/工頻熔銅爐，其主要用于船用、航空和航天特大型鑄件的澆濤，對于提高產品質量有重大的意義，國內這幾年也引進了一部分無心熔銅爐，如蘇州銅材廠引進的二手設備16^T無心熔銅爐，屬國內現有銅無心熔煉爐中最大的爐子。洛陽銅材廠，寧波興業集團也相繼引進了新一代的中頻熔煉爐。為了趕超國際先進水平，促進我國感應電爐和船舶工業的發展，西安機電研究所同大連船用推進器廠聯合攻關，研制生產國內最大的中頻無心感應熔銅爐——30噸熔銅爐。

由于爐體尺寸的大幅增加，對于爐襯耐火材料的技術和使用性能提出了新的要求，傳統的爐襯耐火材料已不能適應這種要求。必須開展適應于大噸位煉銅爐使用的爐襯材料的研究工作。

2、爐襯耐火材料的毀損機理

      爐襯耐火材料的毀損主要是熔融金屬、金屬氧化物、熔渣的浸透和溫度應力的作用造成的。

    無心感應爐的爐襯較薄，所以襯體中存在著很大的溫度梯度，極易導致爐襯開裂和剝落。當熔融金屬、氧化物或熔渣沿著襯體的裂紋或氣孔滲透到縱深內部時，則發生以下三種情況：

    1）熔融金屬發生氧化、還原或生成低熔點物質，致使襯體遭到侵蝕或產生龜裂、剝落。

    2）熔融金屬和耐火材料發生氧化反應，并伴隨著體積膨脹，造成襯體膨脹而塌落。

    3）強堿性的熔融金屬或熔渣，流動性很好，對襯體的沖刷侵蝕較為嚴重。

紫銅為銅合金中滲透性較強的一種，其熔點為1083⁰C。熔煉時，熔融金屬銅向襯體內部滲透，發生氧化并伴隨著體積膨脹。當銅氧化為Cu₂O時，體積增大0.64倍，氧化成CuO時，體積增大0.75倍。由于銅的氧化，造成爐襯材料的體積變化，致使襯體材料的組織結構產生龜裂，甚至發生剝落。此外，在一定的溫度條件下，銅的氧化物能夠與耐火材料襯體中的某些氧化物發生反應而生成液相，例如，氧化銅與SiO₂的液相點為1060⁰C，與MgO的液相點為1135⁰C，與Al₂O₃-的液相點為840⁰C。由于低熔點物的生成，破壞了襯體材料的組織結構，并發生熔蝕現象，降低了材料的使用壽命。由于爐內金屬銅液，溫度高達1250⁰C以上，粘度與水近似，故其流動性和滲透性都很強，極易滲透到襯體中，經過反復的冷熱體積變化，使襯體產生破裂，特別是在溫度發生突變時，易造成襯體崩塌。

3、中頻或工頻無心感應熔銅爐用耐火材料應具有以下特點：

1）應具有優良的物理和化學穩定性，不易與熔融金屬發生化學反應。

2）不粘渣（或少粘渣），便于清理，保持爐襯的完整。

3）具有很高的強度，由于無心爐熔煉金屬時，產生很強的攪拌力，熔液對爐襯有很強的沖刷，因此，只有材料致密、高強度，才能耐沖刷，安全長久運行。

4）具有良好的熱震穩定性，以滿足因爐體不斷傾倒熔液，而發生的冷熱變化。

目前，國外大噸位無心爐普遍采用中性氧化物作爐襯。雖然石英砂價廉，國內資源豐富，但其易粘銅渣，熱穩定性差，安全可靠性差。

4、30噸中頻熔銅爐爐襯耐火材料研制

4.1、主材料選擇

    主材料是耐火制品的主體，是配方材料的特性基礎。

    目前，國外大噸位無心感應爐普遍采用中性氧化物作爐襯。而國內在用的耐火材料分為兩大類：一類為酸性石英砂材料，一類為以氧化鋁為主成分的中性材料。而后者正是西安機電研究所高級工程師王承偉和劉建軍同志多年前研制的新型材料。根據我們的研究結果：中性氧化物為主體的爐襯材料是大噸位熔銅爐最合適的材料。

4.2、石英砂材料和中性氧化鋁爐襯耐火材料的使用對比

    1）石英砂爐襯材料

    石英砂爐襯材料，在熔煉銅及銅合金（尤其是含有AL、Ni、Mn、Fe等金屬的銅合金）時，由于SiO2屬酸性氧化物，而Cu2O、NiO、MnO2均屬于堿性氧化物，在熔煉過程中會發生如下反應：

    SiO2 + Cu2O →SiO2 ·Cu2O

    NixO2 + SiO2 →NixO2 ·SiO2

    MnO2 + SiO2 →MnO2 ·SiO2

    上述反應會使銅合金的成分不易控制，進而影響鑄件質量，對功率較大的大噸位無心爐的影響尤為明顯。同時，反應生成的產物會粘附在爐襯表面，使爐膛尺寸越變越小，熔化率大大降低。以大連船用推進器廠的1.5t熔銅爐為例，使用石英砂作爐襯，每次使用十多爐次，就出現嚴重粘渣，爐膛尺寸就減小10~20%，熔化時間延長1個多小時。

    2）ZDL202中性氧化鋁爐襯材料

    采用ZDL202干式成型中性氧化鋁爐襯材料時，由于主成分是中性氧化物，并添加有特殊抗滲劑，與銅液中的Mn、Ni、Al等均不發生反映，而且特別抗銅的浸蝕，故不發生粘渣現象。

    該材料在蘇州銅材廠16噸工頻熔銅爐上使用效果很好，爐襯壽命超過三年（700多爐次），而且爐襯尺寸自始至終變化不超過5%，從而保證了爐子自始至終高效率的正常使用。

4.3、30噸中頻熔銅爐爐襯材料的研制

    雖然ZDL202干式成型中性氧化鋁爐襯材料在小、中型熔銅爐上使用效果很好，但對30噸中頻爐來說，由于其深度和直徑都發生了較大變化，爐襯在使用過程中要承受的靜壓力和熱應力大為增加，這就對爐襯材料的性能提出了更高的要求。

    根據大噸位爐子的結構特點和使用工況，我們重點對新材料的熱穩定性、高溫機械強度和抗浸蝕性能進行了深入研究。

    1）對熱穩定性的改進

    耐火材料的熱穩定性與材料的熱膨脹性能、導熱系數、顆度組成有關。針對相同化學組成的材料，選擇了多種添加劑，以促進高溫燒結和礦物相的轉化為目的進行試驗，從中優選出最適合的一種。結果表明，適宜的添加劑可使材料中的高溫莫來石相增加，含量達到85%以上。從而使材料具有較低的熱膨脹系數。為了適當提高導熱性能，增加了高導熱材料的含量。

    顆粒組成和最大顆粒尺寸，均影響材料的熱穩定性，結合爐襯的厚度，選擇最大顆粒分別為15mm、10mm、8mm、6mm進行級配試驗，并考察對熱穩定性的影響，實驗結果表明，將最大顆?？刂圃?/span>8~10mm，骨料的比例控制在55~65%最好。

    2）提高材料的強度和抗浸蝕性

    對無心感應熔煉爐而言，并非爐襯材料的強度越高越好，在足以抵抗金屬液沖刷的情況下，更應注重提高材料的韌性。為此，采用了復合結合劑。復合結合劑的使用，大大改善了爐襯燒結層，半燒結層和松散層的性狀。燒結層中少量高粘度的玻璃相，阻擋了金屬液的浸入。粉料中增大了不被銅液潤濕、不與銅液反應組分的含量，進一步提高了抗浸蝕性。復合結合劑中減少了800℃以下產生結合強度成分的含量，確保了爐襯松散層自始至終存在，從而有限阻止了爐襯裂紋的延伸及金屬液的滲入深度。

    3）ZDL202W干式成型材料的性能

    對優選出的ZDL202W干式成型材料進行了性能測試，其性能見表1。

表1  ZDL202W干式成型材料理化性能

5、工業運行試驗

    30噸中頻熔銅爐于2000年初制造完成，隨后在大連船用推進器廠安裝調試，十月份打結爐襯，所用材料為ZDL202W。十一月初投入使用。熔化合金為鎳鋁青銅。最高熔煉溫度1350℃，爐子作業方式為：加料——熔化——澆鑄——停爐——等待砂型制作。到目前為止，已使用了二年，爐襯狀況完好。爐襯在使用過程中，不粘渣、開裂少，不與銅合金發生反應，深受用戶歡迎。

6、效益分析及總結

       XL-202W爐用耐火材料的研制成功（已申請國家zhuanli），標志著國產爐用而火材料的研究、開發和應用已達到世界先進技術水平，必將大大推動國內大噸位、大功率有心及無心感應爐的研制和應用。

石英質與氧化鋁質爐襯材料經濟性對比（以25噸無心熔銅爐為例）

以25噸無心熔銅爐為例：

石英質爐襯費用（以中性氧化鋁爐襯壽命為石英質爐襯壽命的4倍計算）

材料費    8000元×4=32000元

洗爐銅水差價  150000元×4=600000元

石棉板、云母板3000元×4 =120000元

鐵模費用     6000元×4=24000元

洗爐電耗    5000元×4=20000元

爐襯后期電耗增加值   50元×4=2000元

筑爐人工費用    2500元×4=10000元

共計：700000元（柒拾萬元整）

其它不可預知費用 增加值為    30萬元

（因石英砂爐襯可靠性差，而造成的爐體損壞）

合計：               （1000000元）壹佰萬元

結論：在達到同樣的使用壽命條件下：

     石英質與中性氧化鋁質的費用比：5.8~7.4：1

    在達到同樣壽命的情況下，石英質爐襯耐火材料的總費用約占爐子總費用的30%以上。

ZDL202W中性氧化鋁爐襯耐火材料的總費用約占爐子總費用的6%左右。

    總之，ZDL202W干式成型中性氧化鋁爐襯耐火材料熱面強度高、抗浸蝕、耐磨損，并具有非常優異的抗急冷急熱性能，代表了當今大噸位無心熔銅爐用耐火材料的發展趨勢，達到了世界先進水平。