CN105143803B - 槽式感应器 - Google Patents

Abstract

一种槽式感应炉的槽式感应器，所述槽式感应器包含(a)槽衬里以及(b)背垫衬里，所述背垫衬里为所述槽衬里提供支持，使得在槽式感应炉的运行、干燥或加热期间不会有损于所述槽衬里的整体性。

Description

槽式感应器

技术领域

本发明涉及槽式感应炉的槽式感应器。

本发明特别涉及槽式感应器的槽衬里(liner)。

本发明还涉及槽式感应炉。

背景技术

槽式感应炉在工业中用于熔炼金属(这一概念包括金属合金)并将金属保持在熔融状态。例如，槽式感应炉被用于含Zn合金和含Al合金、包括含Al/Zn合金的电镀和铸造工业，并且用于将合金保持在熔融状态。

已知的槽式感应炉包括：(a)钢质外壳；(b)位于该外壳内部的耐火材料(如铝硅酸盐)衬里；(c)用于容纳熔融金属液池的罐，该罐由具有耐火衬里的外壳界定；以及(d)一个或多个用于加热金属的槽式感应器，其连接至该外壳，并经由喉管与该罐流体连接，该喉管通过具有耐火衬里的外壳延伸至槽式感应器中的入口。

槽式感应器包括：(i)钢质外壳；(ii)耐火材料(如铝硅酸盐)衬里；(iii)由具有耐火衬里的外壳界定的槽，其形成使熔融金属从罐流经槽并返回该罐的通路；以及(iv)产生电磁场的电磁线圈。在槽式感应炉运行期间的任一给定时间，槽式感应器的槽中的熔融金属成为变压器的二次回路，并由通过该电磁场感生的电流进行加热并保持熔融。槽式感应器为由螺栓固定在槽式感应炉外壳上的组装件。对形成衬里的耐火材料进行选择以符合一系列特定力学要求、热绝缘要求以及对熔融金属化学侵蚀的耐受性。从需要不同材料性质的意义上来说，这些要求在一定程度上是彼此竞争的要求，因此耐火材料的选择倾向于进行折衷。

当暴露至熔融金属、如含Zn合金和含Al合金时，槽式感应器具有有限的寿命，并通常以下列模式损坏：

·在加热、干燥(dry-out)或运行期间，耐火材料特别是沿槽式感应器的中心面产生裂纹，随后Zn和/或Al金属、或者Zn蒸汽穿透该裂纹并扩大裂纹，最终导致金属从槽式感应器中泄漏。

·另外，当合金为含Al合金的情况下，通过由Al还原耐火材料中的SiO₂，从而形成Al₂O₃和Si，相应地减少耐火材料体积并导致耐火材料发生穿透和/或剥落(spalling)。

·另外，由于槽内刚玉的粘附作用增加，其与变性的耐火材料或来自预熔融罐(进入槽的主要区域)的熔渣相混合而产生堵塞。

通常而言，含Al合金的槽式感应器的寿命为6-24个月，并且是金属镀覆生产线关闭的主要原因之一。

申请人正在开发新式感应器，其具有更高的可靠性，并且更特别的是，其由于产生裂纹而损坏的倾向更低。

在本申请人名下的国际公开文本WO 2011/120079中对该新式感应器进行了描述。

该国际公开文本中描述并要求保护的槽式感应器包括(a)槽衬里，其由耐受槽内熔融金属化学侵蚀的耐火材料形成，该耐火材料也是槽式感应器中唯一直接接触熔融金属的材料；以及(b)背垫(back-up)衬里，其对该槽衬里进行支持，并由在热绝缘材料性质和机械强度性质方面最佳的材料形成，从而使得在槽式感应炉的运行、干燥或加热期间不会有损于槽衬里的整体性。

已经发现，当申请人在生产工厂将该国际公开文本的发明所述的、以槽衬里和背垫衬里制成的槽式感应器用于以熔融金属对钢带进行镀覆时，存在产生裂纹的问题。

申请人对该裂纹的起因进行了研究，本发明正是在该研究中做出的。

上述讨论并非旨在对澳大利亚和其它地方的公知常识进行声明。

发明内容

对于申请人在生产工厂使用的根据该国际公开文本制成的槽式感应器，申请人进行了解体(post mortem)研究，并作为本发明的基础获得了如下发现：

1.有利的是对槽衬里的耐火材料进行选择，使得该材料和熔融金属在炉中发生化学反应，使槽衬里变得更耐受熔融金属的进一步穿透并且耐受槽内产生的阻塞。通常，该化学反应使得在槽衬里中形成致密相。通常，当熔融材料为含有钠的含Al/Zn合金时，原始材料包括与刚玉矿物共混的碳化硅。钠可起到该化学反应的催化剂的作用。

2.有利的是对背垫衬里的材料进行选择，使其能够吸收由于槽衬里的拉伸和移动而产生的应力。通常，材料的选择还包括选择具有下述性质的材料，该材料能够抵抗由于整个运行温度范围内存在的热应力而产生的裂纹，并能耐受某些与可能抵达背垫衬里的合金发生的反应。因此，选择具有适当烧结特性和熔融合金侵蚀耐受性的材料是重要的考虑因素。通常，该材料可以是干式振动料(dry vibratory material)、如由Allied MineralsProducts,Inc生产并贩售的复合材料，例如该公司名下的欧洲专利1603850中描述的材料。通常，材料可以是金属纤维，其通常包括金属纤维增强的铝硅酸盐耐火复合材料，该复合物中的耐火材料组分含有60-95wt％的氧化铝；优选地，其含有60-70wt％的氧化铝和20-35wt％的二氧化硅。

在更广泛的概念上，本发明提供槽式感应炉的槽式感应器，该槽式感应器包含(a)槽衬里以及(b)背垫衬里，该背垫衬里为该槽衬里提供支持，使得在槽式感应炉的运行、干燥或加热期间不会有损于该槽衬里的整体性。

在上述第1项的上下文中，可对槽衬里的材料进行选择，使得该材料和熔融金属在炉中发生化学反应，使槽衬里变得更耐受熔融金属的进一步穿透并且耐受槽内由于刚玉增加而产生的阻塞。该材料也可为如第1项中所述的其它材料。

在上述第2项的上下文中，可对背垫衬里的材料进行选择，使其能够吸收由于槽衬里的拉伸和移动而产生的应力。该材料也可为如第2项中所述的其它材料。

槽衬里可以是任何适合的形状。

槽衬里可以是细长元件，而槽为单U形(“单环感应器”)。更特别而言，该槽可包含由槽的基部延伸出的两根臂，并在槽的一臂的末端中具有熔融金属入口，在槽的另一臂的末端中具有熔融金属出口，从而使得熔融金属可经一臂流至基部，并经基部流至另一臂并沿另一臂流动。

槽衬里可以是细长元件，而槽为双U形。更特别而言，该槽可包含由槽的基部延伸出的三根臂(该基部使三根臂互连)，并在槽的中央臂的末端中具有熔融金属入口，在槽的外臂的末端中具有熔融金属出口，从而使得熔融金属可经内臂流至基部，并经基部向外流至外臂并沿外臂流动。

槽衬里可具有顶壁，入口和出口形成于顶壁中，且固定法兰(mounting flange)从顶壁向外延伸。

槽衬里可包含从顶壁外周延伸的侧壁，固定法兰从侧壁的上缘向外延伸。这一配置界定出了前廊(vestibule)或前舱(forebay)。

本发明还提供一种槽式感应炉，该槽式感应炉包含：

(a)钢质外壳；

(b)位于该外壳内部的耐火材料衬里；

(c)用于容纳熔融金属液池的罐，该罐由具有耐火衬里的外壳界定；以及

(d)一个或多个上述用于加热金属的槽式感应器，该槽式感应器连接至该外壳，并经由喉道(throat)与该罐流体连接，该喉道经该外壳和该耐火衬里延伸至该槽式感应器的入口。

熔融金属可选自于包括含Zn合金和含Al合金(包括含Al/Zn合金)的组。这些合金不限于Al和Zn，也可包括诸如Ca等其它元素。

附图说明

参照附图以示例的方式对本发明进行进一步描述，其中：

图1是本发明所述槽式感应炉的一个实施方式的纵剖面，该槽式感应炉包括本发明所述槽式感应器的一个实施方式；

图2是本发明所述槽式感应器的一个实施方式的纵剖面；

图3是在申请人的生产工厂中使用的国际公开文本的发明所述的槽式感应器在其工作的最初50天内，槽衬里和背垫衬里的温度的图。该图还示出了固定电感比的倾向，该倾向是感应器中不具有槽阻塞的量度。

具体实施方式

图1和图2是申请人上述国际公开文本的附图。

图1是用于对Al/Zn合金进行预熔融的槽式感应炉3的主要组件的剖面图，该Al/Zn合金用于钢带的金属镀覆生产线。应注意的是本发明并不限于这一最终用途，并且可用作任何合适的槽式感应炉的部分以及用于任何合适的最终用途。

图1中示出的槽式感应炉3包含由外侧的钢质外壳27以及内侧的耐火材料(如铝硅酸盐)衬里29所界定的罐。在使用中，该罐容纳有熔融Al/Zn合金液池(未示出)。炉3还包括两个连接至钢质外壳27的相对两侧壁的槽式感应器31，该槽式感应器31经由各自的喉道33与该合金液池流体连通。在使用中，熔融Al/Zn合金由合金液池流入并流经槽式感应器31，并由该槽式感应器31对其进行加热。

图2中槽式感应器33的图是剖面图，以便于示出与本发明特别相关的感应器的组件。另外，为了尽可能清楚地示出这些组件，图中的开口1中并未包括感应器33的电磁感应线圈。

槽式感应器33包含：

(a)槽衬里，通常由编号5表示；以及

(b)对该槽衬里进行支持的槽衬里支持组装件。

槽衬里5是单片细长元件，其界定出上述开口1和用于使熔融Al/Zn合金流经该槽式感应器的双“U”形槽。该槽包含基部和三根由该基部延伸出的平行的臂9。槽的中央臂的上端为熔融Al/Zn合金的入口15，并且槽的外臂的上端为熔融Al/Zn合金的出口17。槽的基部由槽衬里5的基部区段7界定，槽的臂由槽衬里5的直立区段9限定。这些区段7、9是薄壁空心区段。槽衬里5具有顶壁11，并且熔融Al/Zn合金的入口15和出口17形成于顶壁11中。槽衬里5还包含沿顶壁11的周缘延伸的侧壁21以及由侧壁21向外延伸的法兰19。顶壁11和侧壁21界定了前廊或前舱。提供法兰19以将该槽衬里5固定至耐火材料衬里(未示出)，该耐火材料衬里界定了槽式感应炉的罐(未示出)的罐喉道(未示出)，从而使得熔融Al/Zn合金与槽式感应器的直接接触仅限于与槽衬里5相接触。

槽衬里支持组装件包含(a)外侧的钢质外壳23以及(b)背垫衬里25。该背垫衬里25在图2中并未具体示出，以便简化该附图。如图2中以编号25和绘图线(drawing line)所表示的，背垫衬里材料填入外壳23和槽衬里5之间的空间。

本发明涉及对制造槽衬里5和背垫衬里25的材料进行材料选择。

如上所述，发现申请人的上述国际公开文本所述的槽式感应器在用于申请人的制造工厂时存在发生裂纹的问题。

申请人对该感应器进行了解体研究，由该解体研究显现的要点包括以下几点：

·槽衬里5的材料与熔融金属之间发生明显反应。

·这一反应由于熔融金属中存在痕量的钠而迅速进行，钠起到催化剂的作用。

·对钠的水平进行测定表明钠的水平在槽衬里5的材料中有所增加。

·主要与槽衬里5的耐火材料中的SiC聚集物发生该反应。

·SiC的一个优点在于其在起始加热时在复合结构中产生更少的热应力，这是由于SiC与正常的高氧化铝材料相比具有更低的膨胀系数。

·随着SiC被消耗，槽衬里5的材料的膨胀系数上升，这可能促使在槽衬里的热面(hot face)处形成更紧密的结构。

·在使用中产生的加热面层对刚玉在槽式感应器的孔中形成/增加具有耐受性。

·重要的是对合适的背垫衬里25进行选择，以对槽衬里5进行支持。

申请人作出了以下发现：

1.有利的是对槽衬里的耐火材料进行选择，使得该材料和熔融金属在炉中发生化学反应，使槽衬里变得更耐受熔融金属的进一步穿透并且耐受槽阻塞。通常，该化学反应使得在槽衬里中形成致密相。通常，当熔融材料为含有痕量钠的含Al/Zn合金时，该材料包括硅源、如碳化硅。钠可起到该化学反应的催化剂的作用。

2.有利的是对背垫衬里的材料进行选择，使其能够吸收由于槽衬里的拉伸和移动而产生的应力。通常，材料的选择还包括选择具有下述性质的材料，该材料能够耐受由于整个运行温度范围内存在的热应力而产生的裂纹，并能耐受某些与可能抵达背垫衬里的合金发生的反应。因此，选择具有适当烧结特性和熔融合金侵蚀耐受性的材料是重要的。通常，该材料是干式振动料金属纤维(如钢纤维)增强的铝硅酸盐耐火复合材料，该复合物中的耐火材料组分含有60-95wt％的氧化铝；优选地，其含有60-70wt％的氧化铝和20-35wt％的二氧化硅。

槽衬里材料的选择

在生产工厂中使用槽式感应器之前对槽衬里材料进行的初始实验室评价并未预料到的是，在解体研究中得到的一个观察结果是槽衬里材料的致密化和明显反应的水平。

在槽衬里材料的实验室测试中，观测到了最小程度的反应。在生产工厂使用该槽式感应器的情况下，工厂使用的熔融金属穿透了大部分槽衬里5，得到了更暗更致密的外观。在少数未发生穿透的位置，切面的外观示出在切割期间发生晶粒剥落(grain pluck-out)的多孔质地，似乎粘着强度已发生削弱。

解体研究表明，槽衬里材料的SiO₂含量已经降低，且槽衬里材料中钠和锌相增加。这表明在熔融金属发生穿透之前，Na和Zn蒸汽迁移穿过槽衬里5，这些钠和锌相导致槽衬里5中的硅酸盐粘结相减少，这一减少随后又促进了进一步的穿透。

槽衬里5的穿透(即，致密)区域的化学分析结果表明，Al₂O₃、ZnO、SiO₂和Na₂O产生了显著的增加。显著降低的组分是SiC水平。致密相中的这些变化也得到了XRD对比的佐证。XRD是半定量的，不应认为是精确数字，然而其充分表明了在被穿透的衬里中存在的物质以及这些物质的相对水平。

穿透相中一部分仍处于铝和铝硅合金的组合的金属形式。这在显微镜检验中也得以证明。Al/Si合金的存在表明，槽衬里5的耐火硅酸盐相之间发生了化学反应，或者槽衬里5的基质中细小SiC发生还原以提供硅源。

XRD和化学分析均表明致密相中SiC的百分比发生降低。这可能是由于SiC受到侵蚀、或者向耐火材料中的穿透导致产生了稀释效应，或者二者皆有。存在迹象表明稀释效应是要素之一。该迹象包括在显微镜检验中，其中大多数较大的SiC晶粒表现为未发生变化，而耐火材料的孔隙中存在的铝金属具有额外的质量，这将稀释原始组分的百分比。然而还存在一些迹象表明，与在SiC晶粒周围位于其外表面上的玻璃相发生了反应。并且，槽衬里材料的微量组分(如Ba、Ti和Ca)在发生改变的槽衬里中并未显示出稀释效应，这为“SiC水平经反应而有所降低”的观点提供了支持。

总之，即使槽衬里5被熔融金属穿透，其也成为致密的含SiC/Al₂O₃的复合物，反应产物和穿透的金属使得这一复合物与接触金属更加相容。一个更振奋人心的观察结果为槽内刚玉并未发生增加，也未产生其它阻塞，这表明槽衬里5具有在感应器阻塞方面产生更少问题的潜质。

图3是用于生产工厂的槽式感应器在其工作的最初50天内，槽衬里5和背垫衬里25的温度的图。在启动后早期阶段的温度增加表明，槽衬里材料正在被穿透，并且与衬里材料发生反应最终产生更稳定的相，该相在随后保持相对稳定。

图3还显示这一感应器的电导比非常稳定。电导比是表明发生可忽略的槽阻塞的量度。

复合材料测试工作

申请人对复合材料进行了测试工作，以对材料的适用性进行评价。该测试工作如下所述。

1.简介

申请人通过将由三种Dri-Vibe复合材料制造的样品杯暴露至熔融含Al/Zn合金，来对这些复合材料进行了测试。

三种样品复合材料均由Allied Minerals供应：产品A、产品B和产品C。

产品A和产品B的材料均为基于多铝红柱石(mullite)的含有金属纤维的复合材料。产品C的材料为基于熔融氧化铝(fused alumina)的含有金属纤维的复合材料。

2.样品细节：

·产品A：两个由Allied制造的杯，由Allied以Matripump 80AC可铸背垫(castable back-up)制成。

·产品B：两个由Allied制造的杯，由Allied以Matripump 80AC可铸背垫制成。

·产品C：一个由Allied制造的杯，由Allied以Matripump 80AC可铸背垫制成。

3.测试工作：

·将样品干燥过夜。

·将Zincalume金属合金按一定长度切割，并向每个杯中置入至少5条切割段。

·将全部杯置入炉中。

·以5℃/分钟将该炉加热至600℃，随后以2℃/min加热至830℃，并随后保温168小时。

·使炉冷却，并移出样品。

·将5杯样品切为两半。

·对切割面拍摄照片并进行评估，其中一半的金属保持原位、另一半移除金属。

表1：各个杯中发生反应的汇总：

4.讨论

基于该测试，产品B由于被金属严重穿透，因而不适合用作槽式感应器中的背垫衬里材料。

产品C显示未发生反应，因此从耐穿透性的角度来说适合作为背垫衬里25。这一材料中较高的氧化铝水平赋予该材料更高的导热性，以及更高的向线圈区域的传热。这一材料在供应时还具有较紧密的纹理和更高的强度。

产品A在与金属的接触实验中表现良好。在测试结束时在性质上也更易碎(friable)，因此似乎可阻止由热应力导致的裂纹并吸收由于槽衬里5的拉伸和移动而产生的应力。由于该材料基于多铝红柱石而非氧化铝，因此其与产品C的材料相比具有较低的热传导率，并且可促进减少向槽式感应器线圈区域的传热。

可对上述本发明的实施方式进行许多修改，而不偏离本发明的精神和范围。

举例来说，本发明并不限于附图中示出的槽式感应器3的特定形状。

进一步举例来说，本发明并不限于双“U”形槽衬里5，并且举例来说，也外延至单“U”形槽衬里5。

进一步举例来说，本发明并不限于以单片元件形成的槽衬里5。

进一步举例来说，本发明可依照其本身使用，或者稍作修改以用于可含有其他关键元素(例如镁)的合金。

Claims (10)

1.一种用于含有钠的Al/Zn合金的槽式感应炉的槽式感应器，所述槽式感应器包含：(a)与所述炉中的熔融合金接触的槽衬里，其中，所述槽衬里的材料包含槽衬里的原始材料中的硅源，并且所述槽衬里包含作为所述槽衬里的所述原始材料和熔融合金之间的化学反应的结果而形成的致密相，具有致密相使所述槽衬里对熔融合金的穿透和槽阻塞的发生变得更加耐受；以及(b)背垫衬里，所述背垫衬里为所述槽衬里提供支持，使得在所述槽式感应炉的运行、干燥或加热期间不会有损于所述槽衬里的整体性，其中，所述背垫衬里的材料为含有60-95wt％的氧化铝的铝硅酸盐耐火复合材料，所述材料能够吸收由于所述槽衬里的拉伸和移动而产生的应力。

2.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，当熔融材料为含有钠的含Al/Zn合金时，所述槽衬里的材料包含碳化硅。

3.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，所述背垫衬里的材料还能够耐受由于热应力产生的裂纹。

4.如权利要求1或3中定义的槽式感应器，其中，所述背垫衬里的材料为干式振动料。

5.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，所述背垫衬里的所述铝硅酸盐耐火复合材料具有金属纤维增强作用。

6.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，所述背垫衬里的材料为具有钢纤维增强作用的铝硅酸盐耐火复合材料。

7.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，复合物的耐火材料组分含有60-70wt％的氧化铝和20-35wt％的二氧化硅。

8.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，所述槽衬里为细长元件，所述槽处于单U形。

9.如权利要求1中定义的槽式感应器，其中，所述槽衬里为细长元件，所述槽处于双U形。

10.一种槽式感应炉，所述槽式感应炉包含：

(a)钢质外壳；

(b)位于所述外壳内部的耐火材料衬里；

(c)用于容纳熔融金属液池的罐，所述罐由具有耐火衬里的外壳界定；以及

(d)至少一个如前述权利要求任一项中定义的用于加热金属的槽式感应器，所述槽式感应器连接至所述外壳，并经由喉道与所述罐流体连接，所述喉道经所述外壳和所述耐火衬里延伸至所述槽式感应器中的入口。