淺談水平連鑄感應(yīng)電爐熔溝斷裂

1、第39卷第2期有色金屬加工Vo l 139No 122010年4月NON FERROU S M ET ALS PRO C ESS I N GAp ril 2010淺談水平連鑄感應(yīng)電爐熔溝斷裂周俊芳, 王云龍(浙江海亮股份有限公司浙江諸暨311814摘要:有芯熔溝式感應(yīng)爐因具有加熱速度快, , 。水平連鑄TP2管坯一般采用有芯熔溝式感應(yīng)加熱, 當(dāng)熔溝斷裂時(shí), 最終造成死爐事故, 出現(xiàn)死爐后就會(huì)使?fàn)t體報(bào)廢, 、停爐啟動(dòng)升溫、正常澆鑄過程行探討, , , 提高爐體使用壽命。關(guān)鍵詞:水平連鑄; 停爐啟熔; 凝固順序中圖分類號(hào):TG291文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1671-6795(2010 02-00

2、22-04 收稿日期:2009-02-19由于有芯熔溝式感應(yīng)爐因具有加熱速度快, 熱效率高、金屬燒損少、質(zhì)量好、投資低等一系列優(yōu)點(diǎn), 被廣泛用于熔煉銅及銅合金。我廠水平連鑄采用有芯感應(yīng)電爐進(jìn)行熔化, 其工作原理相當(dāng)于短路狀態(tài)下工作的變壓器, 通電線圈相當(dāng)于變壓器的一次線圈, 其熔溝(感應(yīng)體 相當(dāng)于變壓器的二次線圈。當(dāng)一次線圈通電后, 熔溝內(nèi)的金屬由于產(chǎn)生感應(yīng)電流而被熔化。當(dāng)熱量傳到爐膛時(shí), 又使其爐膛內(nèi)金屬的溫度不斷上升, 使金屬熔化。然而長期以來, 熔溝斷裂事故一直是該種電爐生產(chǎn)的主要問題, 若處理不當(dāng)極易造成死爐, 使?fàn)t體報(bào)廢, 生產(chǎn)線全線停產(chǎn), 進(jìn)而給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文在生產(chǎn)工

3、藝實(shí)踐的基礎(chǔ)上對(duì)水平連鑄使用的有芯感應(yīng)電爐熔溝斷溝機(jī)理進(jìn)行了分析, 提出了預(yù)防與控制斷溝的措施, 以期最大限度地防止設(shè)備事故的發(fā)生。1熔溝熱斷裂的原因分析有芯熔溝式感應(yīng)爐采用感應(yīng)加熱, 其熔溝(感應(yīng)體 相當(dāng)于變壓器的二次線圈。當(dāng)一次線圈通電后, 熔溝內(nèi)的金屬由于產(chǎn)生感應(yīng)電流而被加熱。熔溝一旦斷裂, 感應(yīng)器便處于斷路狀態(tài), 此時(shí)二次電流為零, 銅液在電爐內(nèi)不再循環(huán), 爐子就失去了熔煉能力?？梢哉f熔溝是有芯感應(yīng)銅爐的要害。生產(chǎn)過程中我們發(fā)現(xiàn)熔溝在新爐子啟動(dòng)升溫、停爐啟動(dòng)升溫、正常澆鑄過程中如控制不當(dāng)熔溝都會(huì)出現(xiàn)出現(xiàn)熔溝斷裂事故。1. 1開爐時(shí)斷溝在新爐開爐過程中, 若預(yù)先放置的熔溝是鑄造件, 難免

4、存在有夾渣、氣孔、裂紋、晶間裂紋等鑄造缺陷, 這些缺陷分布在晶界上。由于夾渣和氣孔難于被晶體潤濕, 留有細(xì)小的微孔, 另外當(dāng)熔溝溫度逐漸升高時(shí), 搗打料中的水汽會(huì)被吸出, 銅熔溝基體就不連續(xù), 在高溫烘烤過程中熔溝處于高應(yīng)力和低溫度狀態(tài)。熔溝內(nèi)晶界此時(shí)將產(chǎn)生滑動(dòng)和擴(kuò)散, 當(dāng)滑動(dòng)擴(kuò)散到有鑄造缺陷部位就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中。在高溫的作用下, 晶粒邊界快速移動(dòng)。再加上微孔和氣體作用必定導(dǎo)致晶間裂紋或穿晶裂紋而萌生裂紋形核。原子的排列與兩顆晶粒內(nèi)部比較是歪曲、并逐漸變化的。由于高溫將位錯(cuò)的釘扎降低, 晶粒邊界處金屬的強(qiáng)度會(huì)顯著降低。由于金屬往復(fù)運(yùn)動(dòng)加速熱運(yùn)動(dòng), 擴(kuò)大了裂口, 最終導(dǎo)致宏觀裂紋出現(xiàn), 雖然銅受

5、熱體積膨脹, 但往往膨脹部分的體積無法填充上述缺陷形成的裂紋。當(dāng)新開爐時(shí)只要出現(xiàn)熔溝溫度過低、上下部溫差過大、輸入功率過大等任何一種情況下, 都會(huì)產(chǎn)生熔溝斷裂。另外在筑爐過程中, 熔溝與水套距離最近周圍搗打料搗打不緊密, 水冷套冷卻水流量大, 爐膛溫度低, 第2期有色金屬加工 熔溝升溫等工藝因素控制不當(dāng), 都可能造成斷溝。新爐搗打時(shí)采用的是新熔溝, 在升溫烘爐時(shí), 熔溝的頂部與爐膛的底部連接(AB 弧、AD 弧 , 通過熱交換, 散熱面積大, 散熱速度快, 升溫較慢。而熔溝的下半圓部分全部被搗打料包裹(BC 弧CD 弧 , 石英砂熱交換能力差, 且該部分橫斷面小, 電流密度大, 因此總是該部位

6、先熔化, 熔化的銅液逐漸向上方移動(dòng), 隨著時(shí)間延長。熔溝存在夾渣、氣孔、縮孔等缺陷如果進(jìn)入銅液內(nèi)部時(shí), 不會(huì)存在熔溝斷裂, 當(dāng)在熔化過程出現(xiàn)長時(shí)間斷電或者水壓異常變動(dòng)時(shí), , 下部已經(jīng)處于液態(tài)的金屬收縮, , 界斷裂; , 邊界顯得比本身強(qiáng)度大得多, 雖不能沿晶界斷裂, 但它可以因直接穿過晶粒本身而斷裂。裂口使熔溝多處截面的電阻不同, 在電阻大的地方, 產(chǎn)生的熱量就多, 這時(shí)使用鉗形電流表出現(xiàn)劇烈擺動(dòng)。當(dāng)熔溝一旦出現(xiàn)宏觀斷裂, 二次繞組便處于斷路狀態(tài)而無法工作。溫度隨之下降, 熔溝內(nèi)將出現(xiàn)膨脹不均勻產(chǎn)生的應(yīng)力, 加大了裂紋寬度, 造成死爐。1. 2停爐后重新啟動(dòng)斷熔溝水平連鑄熔溝式感應(yīng)電爐的特

7、點(diǎn)是適合于連續(xù)生產(chǎn), 尤其是新的電爐內(nèi)部石英砂沒有燒結(jié)完成前, 停爐后再次啟動(dòng)時(shí)爐體不僅要經(jīng)歷兩次熱脹冷縮, 還增加了停爐及以后開爐時(shí)斷溝的危險(xiǎn)性。所以爐體在投入使用后除非特殊情況, 其他時(shí)間嚴(yán)禁停爐。停爐后重新啟動(dòng)熔溝斷裂的可能性很大, 因此必須對(duì)停爐后重新啟動(dòng)斷熔溝給予關(guān)注。1. 2. 1冷凝收縮斷裂停爐后爐內(nèi)通常有一層厚度為200mm 的金屬與兩條熔溝相連, 金屬液凝固時(shí), 在上部金屬與下部熔溝之間由于冷卻補(bǔ)縮不充分而形成大面積中間縮孔(見圖2 如果這時(shí)脫氧不徹底, 在熔溝處有大量氣泡, 下層冷凝收縮時(shí)會(huì)在A 、B 、C 三個(gè)區(qū)域由于拉應(yīng)力作用產(chǎn)生斷裂, 筆者對(duì)發(fā)生停爐啟熔斷裂熔溝進(jìn)行觀

8、察, 發(fā)現(xiàn)所有斷裂位置均在這3個(gè)區(qū)域, 因此可以認(rèn)為這三個(gè)區(qū)域是當(dāng)重新啟熔時(shí)斷裂高發(fā)區(qū)。在生產(chǎn)過程應(yīng)對(duì)這3個(gè)斷裂高發(fā)區(qū)域給予重視。1. 2. 2低溫轉(zhuǎn)高溫?cái)嗔言谏a(chǎn)中發(fā)現(xiàn), 停爐后重新啟動(dòng)后紫銅熔溝在150V -180V 極易發(fā)生斷裂。由于固液面附近凝固收縮產(chǎn)生的中間縮孔, 為氣孔的形成和長大提供了有利條件, 因而促進(jìn)了氣孔在支晶間及晶體邊界的形成和長大。沿晶體分布的氣孔相連為一薄弱的晶界結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)。由于平衡氫分壓及沿晶分布類雜質(zhì)等的存在, 就有利于沿晶裂口的擴(kuò)展。氫從固溶體中析出并偏聚, 含氫的銅在300600區(qū)間, 在拉應(yīng)力作用下,氫又從溶體中析出, 并在不致密(晶界 聚集, 在處于高壓狀態(tài)

9、時(shí)使銅開裂。則晶界有稍多氣孔的熔溝在高溫和拉應(yīng)力的作用下, 。再, , 。特別(沿晶成串氣孔部分 尤其明顯, 導(dǎo), 裂口速度加快, 而使紫銅熔溝在低溫階段轉(zhuǎn)入高溫階段就斷裂。1. 3正常使用時(shí)發(fā)生熔溝斷裂熔溝斷裂事故較多發(fā)生在停爐重新啟熔過程, 但筆者曾經(jīng)見到過前一套鑄造模具正常使用, 更換模具以后升溫時(shí)出現(xiàn)熔溝斷裂情況, 這種情況雖然很少見, 但筆者認(rèn)為應(yīng)該對(duì)這種情況成因進(jìn)行必要的探討。出現(xiàn)這種情況下熔溝斷裂無外乎以下4種情況造成的。1. 3. 1全壓高溫加熱模具更換完成后, 進(jìn)入加料升溫階段, 操作時(shí)為了加快熔化速度常常將熔化爐電壓升高, 而水平連鑄電爐的熱電偶放置在保溫爐內(nèi), 熔化爐與保

10、溫爐通過保溫爐熔溝相連, 金屬液體流動(dòng)緩慢, 這樣熱電偶讀出的溫度具有強(qiáng)烈的滯后, 熔化爐已經(jīng)達(dá)到1200, 熱電偶溫度還是1120, 當(dāng)溫度超過1300后會(huì)造成石英砂上浮, 在熔溝內(nèi)部膠結(jié)析出形成熔瘤, 使熔溝截面積變小。正常情況熔瘤在電場(chǎng)力的推動(dòng)下會(huì)上升到銅液表面, 如果此時(shí)操作人員發(fā)現(xiàn)熔化爐溫度過高而采用停止為熔化爐熔溝供電的方法進(jìn)行降溫, 隨著熔化電流降為0, 熔溝內(nèi)銅液不再流動(dòng), 溫度隨之下降, 熔瘤就凝固留在熔溝通道內(nèi), 在圖1AD 段內(nèi)堵塞熔溝, 輕者會(huì)降低熔化電流, 重者整個(gè)熔溝斷裂。1. 3. 2加料不當(dāng)拉斷熔溝如果加入料過大, 使靠近熔溝附近熔體出現(xiàn)大的溫降而凝固, 熔溝上

11、下溫差過大, 造成斷溝。這時(shí)如果貿(mào)然采用全壓升溫, 熔溝頂部散熱大, 溫度較之熔32 溝內(nèi)部低, 同時(shí)頂部與大氣接觸, 表面被氧化, 故形成熔點(diǎn)較高的薄殼。由于熔溝出現(xiàn)凝固情況, 改變了銅液在熔溝內(nèi)的流動(dòng)方向, 一旦熔溝頂部局部熔化, 熔溝內(nèi)部金屬在受熱膨脹形成的壓力以及熔溝中氣體在高溫下形成的壓力作用下, 加之輸入功率過高產(chǎn)生的電磁壓力, 金屬液就會(huì)從熔化部位沖破薄殼噴出, 造成斷溝。1. 3. 3感應(yīng)爐的鐵芯是用硅鋼片疊制而成, 在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生磁動(dòng)態(tài)振動(dòng)。振動(dòng)大小主要取決于磁感應(yīng)強(qiáng)度, 因此就與一次感應(yīng)線圈的電流, 電壓有直接關(guān)系。預(yù)埋在硅砂里的紫銅熔溝產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力, 如果爐體搗打料在熔溝

12、附近搗打不緊密, 打結(jié)料干燥不徹底, 都會(huì)使熔溝周圍產(chǎn)生一些空隙, 在鐵芯交替動(dòng)應(yīng)力情況下會(huì)產(chǎn)生共振, 將熔溝附近石英砂剝離堵塞熔溝。加上熔溝中的冶金缺陷的作用會(huì)使熔溝中部斷裂。若如爐子升溫速度太快, 會(huì)出現(xiàn)下部高溫熔溝斷裂情況。1. 3. 4線圈匝數(shù)不符合生產(chǎn)時(shí), 為了增加產(chǎn)量, 有必要增加銅的熔化率, 即提高熔化電流, 眾所周知, 熔化電流的大小與匝數(shù)成反比, 增加熔化率最快的方法就是減少線圈匝數(shù)。但是生產(chǎn)廠家忽略了一個(gè)重要問題, 這就是當(dāng)熔化電流加大, 發(fā)熱量同樣增大, 從熔溝結(jié)構(gòu)上可知, 熔溝下半圓部分全部被搗打料包裹(BC 弧CD 弧 , 石英砂熱交換能力差, 且該部分橫斷面小, 電

13、流密度大, 因此總是該部位溫度最高。如果不減少匝數(shù)時(shí)熔化溫度不足以熔化熔溝下部的石英砂, 當(dāng)減少了線圈匝數(shù)后熔化電流增大, 勢(shì)必引起底部熔溝內(nèi)溫度升高, 增加了石英砂熔化可能性, 當(dāng)溫度超過1300后會(huì)造成石英砂上浮, 在熔溝內(nèi)部膠結(jié)析出形成熔瘤, (見圖3使熔溝截面積變小。正常情況熔瘤在電場(chǎng)力的推動(dòng)下會(huì)上升到銅液表面, 隨著熔化電流變化, 熔溝內(nèi)銅液不再流動(dòng), 溫度隨之下降, 熔瘤就凝固留在熔溝通道內(nèi), 輕者會(huì)降低熔化電流, 重者整個(gè)熔溝斷裂。3預(yù)防措施3. 1; 120V 送電時(shí)間, 使熔溝充分加熱, 減少熱應(yīng)力可能造成的熔溝斷裂;要求熔溝生產(chǎn)廠家在新使用的新熔溝內(nèi)加入一些鋅塊, 這些鋅可

14、以驅(qū)除熔溝鑄造成型中的氣體, 保持熔溝的密實(shí)度, 不易出現(xiàn)氣孔性斷裂;新開爐時(shí)需嚴(yán)密監(jiān)視水套溫度, 不能出現(xiàn)水壓大范圍變化情況, 因?yàn)樗姿畨捍笤斐煽拷撞课灰呀?jīng)熔化的熔溝凝固而拉斷熔溝;開爐前應(yīng)用木炭對(duì)爐膛加熱(120V , 并用燃燒的木炭覆蓋。開爐過程中, 仍要對(duì)爐膛及熔溝上表面加熱, 以減小熔構(gòu)與爐膛的溫差。3. 2停爐后重新啟動(dòng)斷熔溝預(yù)防措施增加爐膛保溫, 增大水套冷卻強(qiáng)度, 停爐過程必須保證熔溝由下及上的冷凝原則;停爐前舀出銅水, 減少上層金屬的數(shù)量, 防止冷凝收縮時(shí)拉斷熔溝;停爐前必須通3次全壓電1分鐘, 并且加入25克磷銅脫氧, 減少低溫轉(zhuǎn)高溫時(shí)熔溝斷裂的幾率;銅水快凝固時(shí)在3

15、個(gè)斷裂高發(fā)區(qū)插入不銹鋼簽子, 人為將斷裂處導(dǎo)通, 可以保證停爐啟熔一次成功;出現(xiàn)這類熔溝斷裂事故是可以挽救的, 譬如在爐膛內(nèi)通入點(diǎn)燃的煤氣進(jìn)行高溫?zé)? 將上方金屬熔化后導(dǎo)通斷裂的熔溝。3. 3正常使用時(shí)發(fā)生熔溝斷裂換模后加料升溫熔化爐嚴(yán)禁使用全壓, 發(fā)現(xiàn)熔化爐溫度高不能采用停電降溫的方法處理, 應(yīng)該立即將電壓降到保溫電壓。并且嚴(yán)格監(jiān)視熔化爐溫度變化;加入大塊物料前應(yīng)將熔化爐內(nèi)溫度提高, 加入物料后把電壓降到180V 運(yùn)行10分鐘, 確認(rèn)電流沒有變化再將電壓上升到210V 運(yùn)行10分鐘, 依次類推;嚴(yán)禁擅自通過減少熔化線圈匝數(shù)的方法來提高熔化率, 在正常的拉速下當(dāng)出現(xiàn)一只熔溝沒有電流情況時(shí),

16、將爐內(nèi)銅水舀出, 高度比保溫爐熔溝位置略(下轉(zhuǎn)第42頁 控制擠壓過程的溫升與溫度-速度條件; 優(yōu)化淬火制度及淬火冷卻速度; 精密可控的水-霧-氣在線淬火裝置。參考文獻(xiàn)1肖亞慶、謝水生、劉靜安等編. 鋁加工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)M.北京:冶金工業(yè)出版社, 20042王祝堂、田榮璋編. 鋁合金及其加工手冊(cè)(第三版 M.北京:冶金工業(yè)出版社, 20063羅蘇編. 鋁型材加工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)M.長沙:中南大學(xué)出版社, 20064劉靜安、謝建新. 大型鋁合金型材擠壓技術(shù)與工模具優(yōu)化設(shè)計(jì)M.北京:冶金工業(yè)出版社, 20035謝建新、劉靜安. 金屬擠壓理論與技術(shù)M.北京:冶金工業(yè)出版社, 2004On 2li n e Q

17、uench i n g Technology i u onL I U J i n Y i zhong(South west A lu Gr L . J iulingpo, Chongqing, 401326, China A b s tra c t:Th is a rti c l e fu iscu s se s ba si c p ri nc i p l e o f o n 2li ne quench i ng f o r a l um i num a ll o y extru s i o n and p r o ce ssco nd iti o n s t o re a li ze o n

18、 2li ne nch i ng, lists o n 2li ne que nch i ng p a ram e te rs fo r p a rtl y comm o n a l um i num a ll o y e xtru s i o n, i nd i ca te s chem i ca l com po siti o n o f a l um i num a ll o y; b ill e t qua lity and hom o gen i z i ng tre a t m en t; p re 2hea ti ng co nd iti o n o f b ill e t be

19、fo re extru si o n; quench i ng sen siti vity o f a ll o y and coo li ng sp e e d o f e xtru s i o n o n 2li ne que nch i ng; Advanced p rec is i o n w a te r 2m is t 2ga s que nch i ng de vi ce is a nece s sa ry and suffi c i e n t co nd iti o n t o re a li ze th is p r o ce ss . It is a n advance

20、d and effe c ti vep r o ce s s w h i ch can si m p li fy p r o ce s s fl o w , i m p r o ve p r o duc ti o n e ffi c i ency, sho rten p r o duc ti o n p e ri o d, reduce p r o duc ti o n co s t andha s i m po rtan t eco nom i c va l ue.Ke yw o rd s :a l um i num a ll o y e xtru s i o n; A l 2M g 2S

21、i a ll o y; so li d and ho ll o w p r o fil e; o n 2li ne que nch i ng; tem p e ra tu re co n tr o l(上接第24頁高, 將熔化爐與保溫爐打到全壓狀態(tài), 斷裂的熔溝水套水壓調(diào)小, 采用高溫將斷裂的熔溝化通。4結(jié)論水平連鑄感應(yīng)電爐在開爐過程中, 應(yīng)嚴(yán)格控制熔溝的鑄造質(zhì)量, 爐體搗打料的密實(shí)度, 冷卻水流量, 爐膛保溫和送電電壓等工藝因素, 以防斷溝;停爐過程必須保證熔溝由下及上的冷凝原則, 脫氧要充分;爐體溫度過高時(shí), 嚴(yán)禁采用停電方法對(duì)爐體降溫, 保證熔溝內(nèi)有電流;如果控制以上關(guān)鍵點(diǎn), 可有效地防

22、止熔溝斷裂事故發(fā)生。參考文獻(xiàn)1吳予才. 采用“熔溝冷結(jié)法”修理大型有芯感應(yīng)電爐實(shí)踐J .云南冶金, 2005, 82劉強(qiáng)等. 感應(yīng)電爐熔溝斷溝的預(yù)防與控制J .鑄造, 2004, 83唐華. 有芯熔溝紫銅感應(yīng)爐在升溫中“斷環(huán)”的分析J , 冶金叢刊, 2005, 8Channel Break of Inducti on Furnace i n Hor i zon t a l Con ti n uous Ca sti n gZHO U Junfang, W ANG Y un long(Zhejiang Hailiang Co . , L td . , Zhuji, Zhuji, Zhejiang

23、, 311814, China A b s tra c t:The co red i nduc ti o n fu rnace is w i de l y u se d i n m e lti ng copp e r w ith its a dva n ta ge s o f fa s t he a ti ng, h i gh the r m a le ffi c i ency . TP 2tube fo r ho ri zo n ta l co n ti nuo u s ca s ti ng ge ne ra ll y adop ts co red channe l i nduc ti o n hea ti ng, w hen the channe l is b r o ke n, the re is no cu rre n t i n i nduc ti o n bo dy, w h i ch w ill fi na