Сушка и спекание кислой футеровки индукционных печей для плавки чёрных металлов

Сушку и спекание тигля производят способом индукционного нагрева. Применение борного ангидрида вместо борной кислоты улучшает и ускоряет процесс спекания и увеличивает надежность футеровки. Шаблон заполняют стартовыми блоками, крупной шихтой (литники, обрезь) или чушковым чугуном. Для удаления физической влаги вначале производят сушку тигля при температуре 280-250 °C в течение 2-4 ч. Сушку тигля производят газовой горелкой или кратковременным включением незагруженной печи без подачи воды в индуктор. Если кварцит перед набивкой прокален до 300-400 °C, то выдержку при 250 °C делать необязательно (рис. 1). Затем на минимальной мощности источника питания включением и выключением загруженной печи обеспечивает подъем температуры со скоростью 150-200 °C/ч до 570 °C, затем со скоростью < 100 °C/ч до 900-920 °C. Температуру измеряют двумя термопарами, установленными напротив друг друга внутри печи на одном уровне, равном половине высоты тигля (около стенки тигля).

При спекании температуру охлаждающей воды на печи следует держать на 20-30 °C выше температуры помещения, чтобы избежать конденсации воды на катушке. Для этой цели лучше всего использовать подогретую воду, можно также уменьшить подачу холодной воды.

После достижения температуры 920 °C мощность плавно увеличивают и продолжают нагрев со скоростью 50-100 °C/ч до расплавления шихты. Длительность разогрева печи до полного расплавления металла зависит от ее емкости и колеблется в пределах от 6 до 16 ч. Конкретные значения мощности в период спекания устанавливают в зависимости от вида загрузки и мощности печи. На рис.1 приведен оптимальный температурный график спекания кислой футеровки печи емкостью 10 т.

Рис.1. График спекания кислой футеровки индукционной тигельной печи ёмкостью 10 т:
А — нагрев шихты до точки плавления; Б — расплавление шихты; В — нагрев жидкого металла; Г — выдержка; штрихпунктирная линия — непрокаленный кварцит; сплошная — прокаленный кварцит.

Для печи емкостью 30 т фирма «ВВС» рекомендует разогревать печь до 800 °C со скоростью 100 °C/ч, далее до расплавления шихты со скоростью 150 °C/ч при мощности, равной 14 % от номинальной.

Для печи емкостью 60 т рекомендуется до 1000 °C вести разогрев шихты со скоростью не более 70 °C/ч, при 1000 °C сделать выдержку 6 ч. Далее довести металл до расплавления, догрузить тигель до полного и выдержать при 1550-1600 °C 8-10 ч.

По мере расплавления в печь любой емкости добавляют шихту до полного заполнения тигля. После полного расплавления шихты скачивают шлак и достигают спекания футеровки путем выдержки расплава при температуре, на 50° превышающей температуру выплавляемого металла при сливе.

Уровень расплавленного металла при спекании необходимо держать достаточно высоко (до уровня нижней кромки сливного носка) для обеспечения хорошего спекания верхней части тигля и воротника. Выдержка при температуре спекания зависит от емкости печи, для печей емкостью до 10 т она должна быть 2 ч. При спекании следует обратить внимание на тот факт, что расширение кварцита в диапазоне температур от 573 до 700 °C является одним из наиболее значительных и важных процессов. В этом диапазоне температур кварцит расширяется наиболее интенсивно (примерно на 1,5 %), а затем при более высоких температурах объем кварцита почти не меняется (рис.2).

Рис.2. Зоны спекания кварцитовой футеровки:
М — металл; I — зона полного спекания; II — малоспечённая зона; III — буферная зона (неспёкшаяся); А — бета кварц; Б — альфа кварц; В — альфа тридимит; Г — альфа кристобалит; Д — остеклованный кварцит; 1 — листовой асбест; 2 — асбестовая ткань; 3 — огнеупорная обмазка; 4 — индуктор.

Кварцитовая масса при набивке уплотняется от 1,7 до 2,0-2,1 кг/дм³, а затем при спекании превращается в механически прочное тело тигля, которое должно быть стойким к действию металла и шлаков. Поэтому степень, спекания внутреннего слоя футеровки должна быть такова, чтобы этот слой мог препятствовать проникновению металла через поры футеровки.

Температура спекания чистых кварцитов около 1700 °C, т.е. значительно выше рабочей температуры, путем добавления борного ангидрида или борной кислоты температура спекания снижается. Процесс спекания начинается после плавления борного ангидрида (450 °C) и завершается при 1500 °C. Вследствие процесса спекания сухой кварцитной массы в стенке тигля печи образуются 3 зоны футеровки (см. рис.2): I зона — полного спекания, прилегающая к расплавленному металлу, II зона — малоспеченная, III зона — неспекшейся массы или буферная зона.

I . Зона полного спекания характеризуется интенсивным, стекловидным спеканием зерен кварцита. Ширина этой зоны должна составлять приблизительно от 10 до 20 % толщины стенки, причем внешний слой толщиной 10-15 мм, обращенный к расплаву, должен иметь высокую плотность, так как он выполняет функцию огнеупорной футеровки. Благодаря образованию боросиликатного стекла зерна кварцита спекаются в этом слое в монолит, пористость которого колеблется от 9 до 13 %. При этом прочность спеченного слоя на изгиб составляет от 10 до 18 МПа.

II. Малоспеченная (фриттовая) зона характеризуется керамическим упрочнением зерен кварцита, имеет значительную пористость; в этой зоне имеются отдельные зерна кварцита, соединенные между собой борным стеклом. Толщина этой зоны должна составлять от 30 до 40 % толщины стенки тигля. Малоспеченный слой образуется в средней части футеровки в результате интенсивного образования силиката бора. Отдельные зерна кварцита склеиваются между собой стекловидной фазой, в которой растворены мелкие зерна кварцита. Прочность этого слоя на изгиб составляет от 2,2 до 4,5 Н/мм². Пористость слоя лежит в пределах 13-16 %, его уплотнение происходит в результате образования жидкой фазы и, в меньшей мере, благодаря превращению α-кварца в α-тридимит, которое связано с расширением объема кристалла на 15 %.

III. Буферная зона характеризуется наличием несвязанных зерен и порошкообразных частиц, которые сцепляются друг с другом благодаря угловатой форме частиц молотого кварцита. Ширина этой зоны составляет от 20 до 30 % толщины слоя футеровки. Буферная зона придает тиглю упругость и предохраняет его от образования сквозных трещин и от прохода металла к индуктору. Буферная зона у индуктора обладает почти такими же механическими свойствами, как уплотненная масса до спекания. Объемная плотность буферной зоны изменяется от 2,05 до 2,2 г/см³, а пористость колеблется от 17 до 23 % при плотности кварцита, равной 2,65 г/см³. В буферной зоне происходит плавление борного ангидрида В₂О₃ при температуре около 450 °C. При температуре свыше 573 °C осуществляется превращение β-кварца в α-кварц. Этот процесс является обратимым и связан с увеличением объема кристалла на 1,3 %. При температуре, приблизительно равной 700 °C, начинается образование стекловидной фазы силиката бора, объем которой увеличивается по мере приближения к зоне спекания и дальнейшего роста температуры. В граничной зоне (850 °C) наблюдается цементация отдельных зерен кварцита боросиликатной стекловидной фазой.

С целью экономии металла, расходуемого на изготовление выплавляемого шаблона, спекание кварцитовой футеровки можно производить быстрым разогревом выемного шаблона.

После того как шаблон имеет хорошую посадку, производят набивку стен тигля кварцитовой массой, уплотняя ее вибратором. В шаблон вновь изготовленного тигля загружают стартовые блоки, включают печь и разогревают до 800-900 °C не допуская признаков расплавления металла, затем выключают печь, закрывают ее крышкой и через 3 ч прекращают подачу воды в индуктор. Во время быстрого разогрева шаблона происходит спекание поверхности сухой набивочной массы без оплавления шаблона. При этом толщина спеченного слоя через три часа составляет 2-3 мм. Частицы молотого кварцита, применяемого для этой цели, должны иметь угловатое строение. Песок для этой цели непригоден. Весьма важным является использование сухой набивной массы с добавкой борного ангидрида. Борная кислота для этой цели непригодна. Следует обратить внимание на то, чтобы влажность кварцита не превышала 0,2 %.

При использовании для спекания тигля выемного шаблона желательно любой кварцит подвергать прокаливанию до 300-400 °C. После спекания и охлаждения футеровки вынимают стартовые блоки. Существует 2 способа применения выемных шаблонов. Первый способ заключается в применении основного разборного шаблона из стали и вспомогательного шаблона из миканита, которым основной шаблон оборачивается и крепится на основном шаблоне изоляционной лентой. Для спекания тигля при этом используется стартовый блок (болванка толщиной 80-100 мм), укладываемый на подину печи, или укладываются пакеты жести, мелкий скрап,затем в тигель заливают чугун с температурой 1300-1350 °C. Заливка тигля чугуном должна быть осуществлена непрерывно за 30-40 мин до уровня воротника печи. Второй способ заключается в применении для формовки тигля конического хорошо обработанного выемного шаблона, покрытого спиртовой графитовой краской. В стенке шаблона сверлят отверстия, обеспечивающие проход воздуха при извлечении шаблона из отформованного тигля. Шаблон нагревают до 400 °C газовой горелкой, охлаждают и извлекают. Для вытягивания конического шаблона над печью устанавливают металлический крест (опору), шаблон перед вытягиванием слегка расшатывают, при этом не требуется кран большой грузоподъемности.

Во всех случаях авторы указывают на необходимость применения в качестве спекающей добавки борного ангидрида, так как борная кислота содержит в себе 44 % воды, которая при разогреве тигля разрыхляет структуру футеровки и ухудшает состояние изоляции индуктора.

Для 25-т печей шаблон изготавливают из 3-х частей с различной конусностью. При хорошем уходе выемной шаблон 5-т печи вынимался 1060 раз. Выемные шаблоны могут быть использованы всеми предприятиями, эксплуатирующими в настоящее время печи серии ИЧТ и ИСТ емкостью до 10 т.

Использованная литература:
1. Сасса В.С. Футеровка индукционных печей. М.: «Металлургия», 1989, 232 с.