Электротермия

Донской А.В., Куляшов С.М.

Госэнергоиздат, 1961 г.

ПЛАВЛЕНЫЕ ОГНЕУПОРЫ

В электрических печах можно получить в расплавленном состоянии различные горные породы, а также окислы целого ряда элементов, температура плавления которых превышает 1500—2000° С. При охлаждении расплава происходит его кристаллизация, иногда сопровождаемая изменением минералогического состава и физико-химических свойств плавленого материала.

В зависимости от состава шихты и количественного соотношения ее компонентов в результате плавки можно получить новый искусственный материал, отличающийся от исходных материалов также и по химическому составу.

Плавленые материалы по сравнению с материалами такого же состава, но полученными керамическим способом (т. е. смешением сырья в определенной пропорции с добавлением связующего и последующим прессованием, сушкой и обжигом), отличаются большей плотностью и монолитностью, лучшей однородностью состава и более совершенной кристаллической структурой. Поэтому плавленые материалы обладают более высокой температурой размягчения, большей механической прочностью при высоких температурах, большей стойкостью против действия агрессивных сред и другими ценными свойствами.

Некоторые плавленые материалы можно получать как в электрических, так и в топливных печах. В первом случае продукт получается более чистым, но стоимость его повышается. Плавление таких тугоплавких материалов, как окислы алюминия, магния и некоторых других, практически возможно только в электрических печах.

а) Плавленый муллит

Муллитом называют минерал, имеющий кристаллическое строение и химический состав, отвечающий формуле 3А1₂О₃-2SiО₂. Искусственно муллит получают в результате охлаждения расплава шихты, содержащей глинозем и кремнезем в соответствующем соотношении. Практически получаемый плавленый муллит содержит 72 —76 % А1₂O₃, 19—20% SiO₂ и около 8% примесей (окислы железа, титана и др.)- Температура плавления муллита около 1810° С. Сырьем для получения плавленого муллита служат высокоглиноземистые глины и бокситы, а также некоторые другие породы.

При избытке в сырье кремнезема, в результате чего при плавке образуется высококремнистое стекло, снижающее теплостойкость муллита, в шихту вводят кокс и добавляют железо, с целью восстановления части кремния углеродом и получения ферросилиция. В готовом муллите ферросилиций — вредная примесь, так как окисление его вкраплений приводит к образованию трещин. Поэтому при добавлении железа исходят из того, чтобы получить достаточно большой удельный вес ферросплава и улучшить условия отделения его от расплава шихты. Для плавки муллита применяют трехфазные дуговые печи с верхними электродами, с наклонным подом или наклоном корпуса печи для выпуска расплава. Пуск печи производят, замыкая электроды через кокс, насыпаемый на под. При разогреве кокса плавится и окружающая его шихта, образуя жидкую ванну, обладающую заметной электропроводностью. После этого электроды поднимают и образуют дуги между электродами и ванной расплава. Температура расплава между электродами достигает 2500° С. Подсушенная шихта загружается к стенкам кожуха печи, а от стенок постепенно проталкивается под электроды. В процессе плавки следят за равномерным сходом шихты, а также за тем, чтобы не образовались своды над ванной и настыли на поду. Печи работают с закрытым колошником.

Процесс плавки ведут непрерывно, периодически выпуская расплав, при этом на поду оставляют часть расплава, чтобы сохранить спокойный ход работы печи. При работе печи на поду скапливается ферросилиций, который по мере накопления выпускают из печи.

Расплав из печи выпускают при температуре 1870— 1900° С, в открытые формы, изготовленные из смеси песка и глины, которые затем окружают слоем тепловой изоляции, чтобы создать условия для медленного охлаждения. В процессе заливки в формы расплав быстро охлаждается до температуры 1820° С, благодаря чему фиксируется исходное определенное состояние муллита. Последующее медленное охлаждение создает условия для образования однородной кристаллической структуры и предотвращения возникновения внутренних напряжений. При охлаждении и кристаллизации расплава происходит большая усадка, достигающая  13%.

Удельный расход электроэнергии при производстве муллита составляет 1800—2000 квт-ч/т. Печи работают при напряжении на электродах от 100 до 190 в.

Благодаря высокой огнеупорности и теплостойкости, механической прочности, коррозионной устойчивости против воздействия кислых и основных расплавов, муллитовый огнеупор является весьма ценным материалом для футеровки стекловаренных, цементных и некоторых металлургических печей, работающих с кислыми и основными шлаками.

б) Плавленый магнезит

Чистая магнезия (окись магния) представляет весьма тугоплавкий окисел, температура плавления которого около 2800° С.

Техническая магнезия или обожженный магнезит получается при обжиге природного минерала магнезита (содержащего в основном MgCO₃) при температуре 1600— 1700° С. В зависимости от содержания примесей температура плавления обожженного магнезита находится в пределах 2100—2000° С. Задача обжига заключается не только в разложении MgCO₃ и удалении образовавшейся углекислоты, но и в превращении α-магнезии в другую модификацию — β-магнезию или периклаз, обладающий большей плотностью. Ввиду того, что превращение α-магнезии в периклаз при обжиге практически не завершается полностью, этот процесс, сопровождающийся изменением объема, продолжается при высокой температуре и в изделиях, изготовленных из обожженного магнезита. Поэтому магнезитовый кирпич и другие изделия обладают малой теплостойкостью и растрескиваются при работе.

При расплавлении обожженного магнезита в электрической дуговой печи образование периклаза полностью завершается, при охлаждении расплава магнезия приобретает кристаллическую структуру. Плавленый магнезит содержит 90—96% MgO и в качестве примесей SiO₂, СаО, А1₂O₃ и некоторые другие соединения.

Для плавки магнезита применяют дуговые печи с вертикально расположенными графитированными электродами, нагрев шихты осуществляется в основном при прохождении тока через расплав. Футеровкой для железного кожуха печи служит шихта. Фазное напряжение на электродах в печах малой мощности составляет 60—80 в.

Удельный расход электроэнергии около 2750— 3000 квт-ч/т. Плавка магнезита производится на блок; после охлаждения полученный блок дробят, сортируют и размалывают для получения порошкообразного магнезита.

С целью отделения частиц железа, которые попадают при дроблении и снижают электрическое сопротивление плавленого магнезита, его подвергают магнитной сепарации. Из плавленого магнезита керамическим методом на магнезитовой связке (магнезия тонкого помола) изготовляют огнеупорный кирпич и другие изделия. Кирпич из плавленого магнезита отличается большей термической стойкостью и деформируется под нагрузкой при более высокой температуре. Температура начала размягчения его 1720—1780° С, в то время как для обыкновенного магнезитового кирпича она гораздо ниже (1520—1590° С). Плавленый магнезит — хороший электроизоляционный материал; он сохраняет значительное электрическое сопротивление и при высокой температуре. Плавленый магнезит применяется для изготовления высокоогнеупорных кирпичей, металлургических тиглей, трубок и других огнеупорных изделий.

Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам и значительной теплопроводности плавленый магнезит применяется в производстве трубчатых электрических нагревательных элементов.

К числу плавленых материалов, получение которых возможно электротермическими методами, но не имеет пока значительного распространения, относятся плавленый форстерит (2MgO* SiO₂). магнезиальная (MgO*Al₂O₃) и хромомагнезиальная (MgO*AlCrO₃) шпинели, плавленый магнетит (Fe₃O₄) и др.