При использовании среднечастотной печи толщина огнеупорного материала, используемого для футеровки, составляет всего 70-110 мм. Внутренняя часть контактирует с высокотемпературным расплавленным металлом, а внешняя часть находится близко к водоохлаждающему змеевику. Разница температур между внутренней и внешней частью огнеупорного материала велика. Он находится в относительно тонком сечении и в условиях использования высококоррозионной среды для многих плавильных операций. Основные условия процесса, которые влияют на повреждение футеровки, включают: температуру плавки, время дегазации, одноразовое количество дегазации, химический состав шлака и тип производимой стали (чугун). Основными факторами, влияющими на повреждение футеровки, являются: химическая эрозия шлака, отслаивание огнеупорной структуры и термическая эрозия.
Рисунок 1. Эрозия футеровки плавильного чугуна
Рисунок 2. Эрозия футеровки плавильного цеха.
1. Футеровка среднечастотной печи Футеровка среднечастотной печи обычно изготавливается из огнеупорных материалов различных спецификаций и размеров частиц (обычно используемые огнеупорные материалы - это в основном магний, кварц, алюминий и композитные материалы). Ее характеристики: прямое склеивание. Поэтому она имеет высокую коррозионную стойкость, высокую механическую прочность и хорошую стойкость к тепловому удару.
Рисунок 3, футеровка печи, завязанная строго по технологии завязывания узлов
2. Механизм повреждения футеровочного материала магниевой печи
Для объяснения механизма разрушения магниевого материала в качестве примера рассмотрим магниевый огнеупорный материал:
Основными проявлениями разрушения магниевого материала являются: термическая эрозия, вызванная вытекающей расплавленной сталью, и химическая эрозия, вызванная проникновением в материал компонентов шлака.
В процессе плавки раствор проникает в огнеупорную матрицу через капиллярные каналы в огнеупорной матрице, вызывая коррозию футеровки печи. Компоненты, проникающие в огнеупорную матрицу, включают: CaO, SiO2, FeO в шлаке; Fe, Si, Ai, Mn, C в расплавленной стали и даже пары металла, газ CO и т. д. Эти проникшие компоненты осаждаются в капиллярных каналах огнеупорного материала, вызывая нарушение непрерывности физических и химических свойств рабочей поверхности огнеупора и исходной огнеупорной матрицы. Трещины, шелушение и рыхлая структура появятся при резком изменении рабочей температуры. Строго говоря, этот процесс повреждения гораздо серьезнее, чем процесс повреждения растворением.
Металлические материалы, добавляемые в печь, привносят различные оксиды, а состав шлаков из разных материалов и разных печей также отличается. Большинство различных оксидов, карбидов, сульфидов и различных форм композитных соединений в шлаке будут химически реагировать с футеровкой печи, образуя новые соединения с разными температурами плавления.
Некоторые оксиды с низкой температурой плавления, образующиеся в ходе реакции, такие как оливин железа (FeOSiO2) и оливин марганца (MnOSiO2), обычно имеют температуру плавления около 1200 градусов. Шлак с низкой температурой плавления обладает превосходной текучестью и может образовывать флюсующий агент, вызывая сильную химическую эрозию футеровки печи, тем самым сокращая срок ее службы. Шлак с высокой температурой плавления, образующийся в ходе реакции, такой как муллит (3Al2O3•2SiO2), форстерит (2MgO•SiO2) и т. д., и некоторые элементы металлов с высокой температурой плавления имеют температуру плавления более 1800 градусов. Между шлаком с высокой температурой плавления и шлаком с низкой температурой плавления, взвешенным в расплавленном металле, происходит относительно сложное взаимопроникновение и взаимное растворение. Эти шлаки очень легко прилипают к стенкам печи и накапливаются, вызывая серьезное налипание шлака, влияя на мощность, скорость плавки и производительность электропечи, а также на срок службы футеровки печи.
По мере увеличения мощности печи доля тепла, теряемого с поверхности расплавленной стали, уменьшается, температура шлака выше, чем у печи малой мощности, а текучесть шлака лучше, чем у печи малой мощности, поэтому эрозия футеровки печи усугубляется. В больших индукционных печах в основном используется метод смешивания стали и шлака для выпуска стали, требующий, чтобы шлак имел хорошую текучесть для адаптации к условиям выпуска. Поэтому шлаковая линия сильно размывается, что является еще одной причиной сокращения срока службы футеровки печи. По вышеуказанным причинам срок службы футеровки большой индукционной печи ниже, чем у малой и средней индукционной печи. Для увеличения срока службы футеровки следует соответствующим образом увеличить толщину футеровки. Однако с увеличением толщины футеровки печи увеличивается значение сопротивления, увеличиваются потери реактивной мощности и снижается электрический КПД. Поэтому толщина футеровки печи ограничена определенным диапазоном. Поэтому необходимо выбирать разумную толщину стенки, чтобы обеспечить как высокую электрическую эффективность, так и срок службы футеровки печи.
Рисунок 5, футеровка печи, покрытая шлаком
3. Проектирование решений
Вышеуказанная эрозия приводит к так называемому структурному скалыванию при циклических колебаниях температуры. В процессе производства шлак проникает в поры огнеупорной матрицы, образуя большой утолщенный огнеупорный слой. Физические и химические свойства части огнеупора, которая пропитана шлаком, будут меняться. Из-за различных коэффициентов термического расширения между слоем проплавления и остаточным неплотным слоем при изменении температуры на стыке двух слоев возникает большое напряжение, что приводит к образованию трещин, параллельных рабочей поверхности, и в конечном итоге вызывает скалывание футеровки. Шлак, проникающий в огнеупорную матрицу, будет растворять огнеупорные частицы и ослаблять связь между частицами, что приведет к снижению огнеупорности материала и его стойкости к высоким температурам. Поэтому огнеупорный слой проплавления шлака быстрее повреждается под эрозией текущей расплавленной стали.
Основность шлака должна быть совместима с материалом футеровки. Материалы магниевой футеровки могут быть разъедены шлаком с высоким содержанием CaO и шлаком SiO2. Количество CaF в шлаке должно контролироваться. Избыточное количество CaF вызовет коррозию щелочной футеровки и приведет к преждевременному плавлению области шлаковой линии. Когда ионы фтора и ионы металлического марганца в шлаке высоки или температура расплавленной ванны превышает 1700 градусов, вязкость раствора также резко упадет, скорость повреждения футеровки ускорится, а срок службы футеровки значительно сократится. Когда плавка без шлака осуществляется в вакууме, срок службы футеровки больше, чем при невакуумной плавке.
Инфильтрация высокого содержания оксида железа в футеровке разрушает микроструктуру исходной футеровки, снижает огнеупорность и уменьшает вязкость шлака CaO-Ai2O3-SiO2, так что шлак проникает глубже в материал. Однако определенное количество оксида железа в исходной футеровке способствует быстрому спеканию футеровки и уменьшает открытые поры и проницаемость материала. В частности, формовочный материал содержит определенное количество оксида железа, а быстрое спекание материала, пескоструйная обработка и включение песка очень заметны. Увеличение содержания оксида магния и вязкости шлака полезно для уменьшения эрозии шлака на футеровке печи и улучшения эффекта сбора шлака. Когда основность шлака низкая, эрозия магниевой футеровки более серьезна, и срок службы футеровки печи сокращается; Напротив, когда основность шлака высокая, эрозия футеровки печи относительно невелика, а срок службы футеровки печи относительно улучшается. Увеличение основности шлака и содержания MgO в шлаке, а также снижение содержания FeO в шлаке выгодно для снижения эрозии шлака на огнеупорном материале.
Поэтому при использовании шлакообразующих агентов следует уделять внимание выбору материалов с высоким содержанием оксида магния. Разумно настройте структуру шлака, ускорьте скорость шлакообразования, сократите время плавки и уменьшите содержание оксида железа в шлаке. Соответствующий шлак следует выбирать в соответствии с материалом футеровки печи. Щелочной шлак подходит для магниевой футеровки, но его может разъедать шлак с высоким содержанием CaO и шлак с SiO2. Избыточный CaF2 также будет разъедать щелочную футеровку, вызывая преждевременное плавление области шлаковой линии. Кислотный шлак подходит для футеровки кварцевой печи, в то время как футеровка магнезиально-глиноземной печи может использоваться только для слабощелочного или нейтрального шлака. Футеровка глиноземной печи будет демонстрировать типичные амфотерные свойства при различных значениях pH при высокой температуре, что может адаптироваться к шлакам с различными значениями pH, но это немного хуже, чем футеровка кислотной и щелочной печи. По этой причине некоторые используют высокочистый магнезиальный песок и добавляют определенное количество шпинели для изменения матричных свойств футеровочных материалов печей из чистой магнезии при выборе материалов, однако эксперименты показывают, что коррозионная стойкость высокочистых корундовых материалов также значительно уступает спеченному магнезиальному песку с низкой чистотой.
Кислотный шлак подходит для футеровки кварцевой печи, в то время как футеровка магнезиально-глиноземной печи может использоваться только для слабощелочного или нейтрального шлака. Футеровка глиноземной печи будет демонстрировать типичные амфотерные свойства при различных значениях pH при высокой температуре, что может адаптироваться к шлакам с различными значениями pH, но она немного хуже, чем футеровка кислотной и щелочной печи. Короче говоря, учитывая основной механизм повреждения футеровки магнезиальной печи, после непрерывного обобщения и исследования, сопротивление материала проникновению шлака может быть улучшено за счет ограничения открытых пор и проницаемости, а стойкость к высокотемпературной эрозии и сопротивление скалыванию матрицы футеровки печи могут быть улучшены за счет увеличения прочности на изгиб при высокой температуре и критической температуры размягчения. Производительность футеровки печи зависит от многих факторов, таких как распределение размеров частиц материала, физические и химические свойства материала и температура спекания футеровки печи.