Огнеупорные материалы и технология футеровки индукционных тигельных печей

Гришенков Е.Е.

Металлург, 2007 г.

ТРЕБОВАНИЯ К ФУТЕРОВКЕ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ  ДЛЯ  ПЛАВКИ ЧУГУНА И УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ.

В процессе эксплуатации огнеупорная футеровка индукционной печи подвергается воздействию ряда разрушающих факторов, которые можно подразделить на факторы термического, механического и химического (металлургического) воздействия.

На футеровку воздействует высокая температура жидкого металла, достигающая в отдельных случаях 1600-1650 °С.

Кроме того, футеровка подвергается воздействию резких колебаний температуры при нагреве и охлаждении, загрузке холодной твердой шихты, остановке печей и т.д.

Относительно тонкая футеровка тигля служит в условиях высокого градиента температуры по толщине, достигаемого 100-130 С/см футеровки (температура рабочей поверхности равна температуре расплава, температура слоя футеровки, прилегающего к водоохлаждаемому индуктору -200-300 °С).

Футеровка тигельной печи подвергается воздействию высокого (по сравнению с другими типами печей) давления расплавленного металла, механическим воздействиям при загрузке крупногабаритной шихты, эрозионному воздействию движущегося под воздействием электромагнитных сил металла, сжимающим и растягивающим усилиям при повороте печи.

Наконец, футеровка подвергается химическому воздействию расплавленного металла и шлака (происходят химические реакции между компонентами расплавленного металла и шлака с футеровкой в присутствии кислорода воздуха).

Использование средней частоты предопределяет ряд особенностей службы футеровки по сравнению с печами, работающими на промышленной частоте. Эти особенности оказывают на футеровку печей средней частоты как положительное, так и отрицательное воздействие.

К положительным факторам, способствующим облегчению условий службы футеровки и, следовательно, повышению ее стойкости, относятся:

- снижение общей термонагрузки в течение всей кампании на футеровку, т.к. в печах средней частоты плавка ведется без болота, с загрузкой холодной твердой шихты (т.е., в целом, при меньшей температуре);

- равномерный износ футеровки по высоте тигля, отсутствие повышенного износа подины и участков стен, к подине прилегающих, из-за отсутствия "болота" и его возможного перегрева;

- уменьшение эрозионного воздействия на футеровку из-за меньшей интенсивности движения расплава в печах средней частоты по сравнению с промышленной частотой (при равной мощности печей).

К отрицательным факторам воздействия на футеровку повышенной частоты относятся:

- увеличение числа термоударов (теплосмен) при ведении плавки С твердой холодной шихтой (без "болота"), что предъявляет повышенные требования к термостойкости огнеупорной футеровки тигля:

- возможность проникновения к индуктору перегретого металла по трешинам и другим дефектам футеровки в печах повышенной частоты ( в печах промышленной частоты металл, в небольшом количестве попадающий к индуктору, застывает). Однако, как показал опыт эксплуатации печей средней частоты, этот недостаток проявляется только при плавке алюминия, при плавке чугуна этот эффект отсутствует;

- вибрационное воздействие на футеровку индукционной катушки, колеблющейся под воздействием сил, пульсирующих с двойной частотой по сравнению с частотой тока.

В целях подавления возникающего вибрационного эффекта необходимы конструкционные меры по сжатию индуктора в продольном и радиальном направлениях.

Исходя из специфичности условий службы, к футеровке индукционных тигельных печей средней частоты для плавки чугуна и углеродистой стали предъявляют следующие основные требования:

- химическая стойкость к реагентам расплавленного металла и шлака (высокая металло- и шлакоуcтойчивость);

- термическая стойкость, т.е. стойкость к образованию трещин в условиях значительных колебаний температуры при плавке без болота и температурных напряжений, возникающих из-за большого градиента температуры;

- постоянство объема (отсутствие усадки) при температуре службы, допускается небольшой рост (не более 1%) футеровки;

- высокая плотность (низкая пористость) рабочей зоны футеровки:

- достаточная механическая прочность в условиях большой статической нагрузки от массы жидкого чугуна и разрушающих воздействий от загрузки крупногабаритной шихты и чистки футеровки;

- огнеупорность футеровки не должна существенно превышать температуру расплавленного металла (не более, чем на 150-200 С) с целью обеспечения достаточного спекания и некоторой пластичности футеровки при температуре службы;

- низкая теплопроводность и электропроводность;

- образование в процессе спекания и службы промежуточного ("буферного") рыхлого слоя, препятствующего распространению трещин вглубь футеровки:

- небольшая толщина футеровки, обеспечивающая, с одной стороны, достаточно высокую плавильную мощность за счет лучшего магнитного сцепления индуктора с шихтой и расплавленным металлом, и, с другой стороны, необходимую продолжительность кампании печи до износа не более 1/3 толщины футеровки;

-ровная (гладкая) поверхность футеровки;

-легкая выбиваемость футеровки после службы.

Эти требования должны быть удовлетворены за счет оптимального выбора огнеупорного материала для футеровки (его огнеупорности, химической и термической стойкости, низкого коэффициента термического расширения) и технологии ее изготовления (обеспечение необходимой плотности за счет рационального зернового состава и способа уплотнения; подбор типа и количества спекающей добавки; выбор оптимальной толщины футеровки и геометрии тигля, оптимального режима спекания и первых плавок и т.д.).

ОГНЕУПОРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ФУТЕРОВКИ ИНДУКЦИОННЫХ ТИГЕЛЬНЫХ ПЕЧЕН СРЕДНЕЙ ЧАСТОТЫ

В условиях индукционной плавки чугуна и углеродистой стали, перечисленным выше требованиям в наибольшей степени удовлетворяют материалы на основе кварцитов различных месторождений.

Однако, известно, что кварцитная футеровка стабильно работает при температуре жидкого металла в тигле не более 1500 С. При температуре более 1500 °С стойкость футеровки заметно снижается.

В связи с этим в том случае, когда температура плавки превышает 1500 °С, для сохранения высокой стойкости футеровки необходимо применять более высокоогнеупорные материалы на основе нейтральных (А1₂0₃) и основных (MgO) оксидов или использовать кварцитную футеровку, снижая температуру на контакте металла с футеровкой за счет интенсификации отвода тепла и создания стабильного гарниссажного слоя между расплавленным металлом и футеровкой.

Кроме того, разработаны и внедрены для плавки сталей кварцитные футеровки с добавками высокоогнеупорных оксидов и химических соединений (Сг₂0з, ZrO:, окислы редкоземельных металлов).

Применение такой массы для футеровки тигельной печи позволяет выплавлять стали с температурой плавки до 1680 °С при соблюдении некоторых технологических условий (плавка без удаления фосфора и обессеривания, содержание углерода более 0.1%, содержание марганца менее 0,5%, отсутствие легирования алюминием).

Основные массы на базе периклаза (MgO) изготавливают из спекшегося и плавленого периклаза.

Массы на базе спекшегося периклаза обладают высокой шлако- и металлоустойчивостью, высокой огнеупорностью. Однако, в процессе эксплуатации происходит дополнительное спекание футеровки, приводящее к усадке с образованием трещин. Кроме того, основная футеровка имеет меньшую (по сравнению с кварцитовой) термическую стойкость и значительно дороже футеровки из SiO2

Массы на основе плавленого периклаза спекаются лучше и имеют, вследствие этого, небольшую усадку и повышенную термостойкость. Поэтому при применении основной футеровки рекомендуется применение масс на основе плавленого периклаза.

В последние годы широкое распространение получила основная масса с добавкой Аl2О3 (корунда или глинозема), которая в процессе спекания и службы приводит к образованию шпинели MgO-Аl2О3 с увеличением объема, компенсирующего усадку. Применяют также предварительно синтезированную шпинель (MgO.Al2O3, MgO.AI2O3.Cr2O3). Шпинельная масса обладает высокой шлако- и металлоустойчивостью и термостойкостью.

Нейтральные массы на основе А1₂O₃ находят применение, в основном, для выплавки стали. В качестве глиноземной составляющей лучше всего использовать белый электроплавленный корунд с содержанием А1₂O3 не менее 97%. Корундовые сухие массы обладают высокой огнеупорностью, механической прочностью, хорошей металло- и шлакоустойчивостью, однако в процессе спекания футеровки из корундовых масс возникают сложности, т.к. для достаточного спекания нужна высокая температура.

При применении корундовых масс повышается эффективность использования дорогостоящих лигатур и модификаторов.

Корундовые массы недостаточно термостойки и склонны к образованию усадочных трещин, поэтому для устранения этих недостатков в корундовые массы вводят периклаз (MgO) в количестве 10-20% для образования шпинели (MgO.Al2O₃) с увеличением объема и. следовательно, компенсации усадки.

Температура спекания такой массы превышает рабочую температуру плавки, спекание достигается при длительной выдержке.

Для плавки чугуна используют в некоторых случаях более огнеупорную, чем кварцит, высокоглиноземистую массу на основе дистенсиллиманитового концентрата.

Таким образом, исходя из условий службы футеровки индукционных тигельных печей средней частоты, требований, предъявляемых к огнеупорам, и экономических соображений (стоимость массы, длительность кампании печи), при плавке чугуна и углеродистой стали, имеющих относительно невысокую температуру плавки, целесообразно применять кислую футеровку на основе кварцитов с различными добавками.