Przyczyny i rozwiązania uszkodzeń wykładziny pieca średniej częstotliwości

Podczas stosowania pieca średniej częstotliwości grubość materiału ogniotrwałego użytego do wyłożenia wynosi tylko 70-110mm. Wnętrze styka się z wysokotemperaturowym stopionym metalem, a strona zewnętrzna znajduje się blisko wężownicy chłodzącej wodą. Różnica temperatur między wnętrzem a zewnętrzem materiału ogniotrwałego jest duża. Znajduje się on w stosunkowo cienkiej sekcji i w warunkach użytkowania w wysoce korozyjnym środowisku dla wielu operacji wytopu. Główne warunki procesu, które wpływają na uszkodzenie wyłożenia, obejmują: temperaturę wytopu, czas odgazowania, jednorazową ilość odgazowania, skład chemiczny żużla i rodzaj produkowanej stali (żelaza). Głównymi czynnikami wpływającymi na uszkodzenie wyłożenia są: erozja chemiczna żużla, łuszczenie się struktury ogniotrwałej i erozja termiczna.

Rysunek 1. Erozja wyłożenia pieca do wytopu żeliwa

Rysunek 2. Erozja wyłożenia pieca do wytopu staliwa

1. Wykładzina pieca średniej częstotliwości Wykładzina pieca średniej częstotliwości jest zwykle wykonana z materiałów ogniotrwałych o różnych specyfikacjach i rozmiarach cząstek (najczęściej stosowanymi materiałami ogniotrwałymi są głównie magnez, kwarc, aluminium i materiały kompozytowe). Jej cechy charakterystyczne to: bezpośrednie wiązanie. Dlatego ma wysoką odporność na korozję, wysoką wytrzymałość mechaniczną i dobrą odporność na szok termiczny.

Rysunek 3. Wykładzina pieca ściśle zawiązana zgodnie z procesem wiązania

2. Mechanizm uszkodzenia materiału wyściółki pieca magnezowego

Aby wyjaśnić mechanizm uszkodzenia materiału magnezowego, weźmy na przykład materiał ogniotrwały zawierający magnez:

Głównymi objawami uszkodzenia materiału magnezowego są: erozja cieplna, powstająca pod wpływem przepływu stopionej stali, oraz erozja chemiczna, powstająca w wyniku wnikania składników żużla w materiał.

Podczas procesu wytopu roztwór wnika do matrycy ogniotrwałej przez kanały kapilarne w matrycy ogniotrwałej, powodując korozję wyściółki pieca. Składniki, które wnikają do matrycy ogniotrwałej, obejmują: CaO, SiO2, FeO w żużlu; Fe, Si, Ai, Mn, C w stopionej stali, a nawet opary metalu, gaz CO itp. Te wnikające składniki osadzają się w kanałach kapilarnych materiału ogniotrwałego, powodując nieciągłość właściwości fizycznych i chemicznych ogniotrwałej powierzchni roboczej i oryginalnej matrycy ogniotrwałej. Pęknięcia, łuszczenie i luźna struktura pojawią się pod wpływem nagłej zmiany temperatury roboczej. Ściśle rzecz biorąc, ten proces uszkodzenia jest znacznie poważniejszy niż proces uszkodzenia rozpuszczania.

Materiały metalowe dodane do pieca będą wprowadzać różne tlenki, a skład żużli różnych materiałów i różnych pieców jest również różny. Większość różnych tlenków, węglików, siarczków i różnych form związków kompozytowych w żużlu będzie reagować chemicznie z wyściółką pieca, aby wytworzyć nowe związki o różnych temperaturach topnienia.

Niektóre tlenki o niskiej temperaturze topnienia wytwarzane w reakcji, takie jak żelazooliwin (FeOSiO2) i manganoliwin (MnOSiO2), mają na ogół temperaturę topnienia około 1200 stopni. Żużel o niskiej temperaturze topnienia ma doskonałą płynność i może tworzyć topnik, powodując poważną erozję chemiczną wykładziny pieca, tym samym zmniejszając żywotność wykładziny pieca. Żużel o wysokiej temperaturze topnienia wytwarzany w reakcji, taki jak mulit (3Al2O3•2SiO2), forsteryt (2MgO•SiO2) itp., a także niektóre pierwiastki metalowe o wysokiej temperaturze topnienia mają temperaturę topnienia powyżej 1800 stopni. Istnieje stosunkowo złożone przenikanie i wzajemne rozpuszczanie między żużlem o wysokiej temperaturze topnienia a żużlem o niskiej temperaturze topnienia zawieszonym w stopionym metalu. Żużel ten bardzo łatwo przywiera do ścian pieca i gromadzi się, powodując poważne przywieranie żużlu, co wpływa na moc, szybkość topienia i wydajność pieca elektrycznego, a nawet na żywotność wyściółki pieca.

Wraz ze wzrostem pojemności pieca zmniejsza się ilość ciepła traconego z powierzchni stopionej stali, temperatura żużla jest wyższa niż w przypadku pieca o małej pojemności, a płynność żużla jest lepsza niż w przypadku pieca o małej pojemności, więc erozja wyłożenia pieca jest nasilona. Duże piece indukcyjne wykorzystują głównie metodę mieszania stali i żużla w celu spustu stali, co wymaga, aby żużel miał dobrą płynność, aby dostosować się do warunków spustu. Dlatego linia żużla jest poważnie erodowana, co jest kolejnym powodem skrócenia żywotności wyłożenia pieca. Z powyższych powodów żywotność wyłożenia dużego pieca indukcyjnego jest krótsza niż żywotność małego i średniego pieca indukcyjnego. Aby wydłużyć żywotność wyłożenia, grubość wyłożenia powinna zostać odpowiednio zwiększona. Jednak wraz ze wzrostem grubości wyłożenia pieca wzrasta wartość rezystancji, wzrasta strata mocy biernej, a sprawność elektryczna maleje. Dlatego grubość wyłożenia pieca jest ograniczona do pewnego zakresu. W związku z tym należy dobrać odpowiednią grubość ścianki, aby zapewnić zarówno wysoką sprawność elektryczną, jak i żywotność wyłożenia pieca.

Rysunek 5. Wyłożenie pieca pokryte żużlem

3. Projektowanie rozwiązań

Powyższa erozja prowadzi do tzw. łuszczenia strukturalnego pod wpływem cyklicznych wahań temperatury. Podczas procesu produkcyjnego żużel wnika w pory matrycy ogniotrwałej, tworząc dużą, pogrubioną warstwę ogniotrwałą. Właściwości fizyczne i chemiczne części materiału ogniotrwałego, która jest nasączona żużlem, ulegną zmianie. Ze względu na różne współczynniki rozszerzalności cieplnej między warstwą penetrującą a pozostałą warstwą niewygodną, ​​gdy zmienia się temperatura, na styku dwóch warstw pojawia się duże naprężenie, co powoduje pęknięcia równoległe do powierzchni roboczej i ostatecznie powoduje łuszczenie się wyściółki. Żużel, który wnika w matrycę ogniotrwałą, rozpuści cząstki ogniotrwałe i osłabi wiązanie między cząstkami, co spowoduje zmniejszenie ogniotrwałości materiału i odporności na wysoką temperaturę. Dlatego warstwa penetrująca żużel ogniotrwała ulega szybszemu uszkodzeniu pod wpływem erozji płynącej stopionej stali.

Zasadowość żużla powinna być zgodna z materiałem wykładziny. Materiały wykładziny magnezowej mogą korodować pod wpływem żużla o wysokiej zawartości CaO i żużla SiO2. Ilość CaF w żużlu powinna być kontrolowana. Nadmierna ilość CaF spowoduje korozję zasadowej wykładziny i przedwczesne stopienie obszaru linii żużla. Gdy jony fluorkowe i jony manganowe metali w żużlu są wysokie lub temperatura jeziorka stopionego jest wyższa niż 1700 stopni, lepkość roztworu również gwałtownie spadnie, szybkość uszkodzeń wykładziny przyspieszy, a żywotność wykładziny znacznie się skróci. Gdy wytapianie bez żużla jest przeprowadzane w próżni, żywotność wykładziny jest większa niż w przypadku wytapiania bezpróżniowego.

Infiltracja wysokiej zawartości tlenku żelaza w wyłożeniu niszczy mikrostrukturę pierwotnego wyłożenia, zmniejsza ogniotrwałość i zmniejsza lepkość żużla CaO-Ai2O3-SiO2, dzięki czemu żużel wnika głębiej w materiał. Jednak pewna ilość tlenku żelaza w pierwotnym wyłożeniu sprzyja szybkiemu spiekaniu wyłożenia i zmniejsza otwarte pory i przepuszczalność materiału. W szczególności materiał do formowania zawiera pewną ilość tlenku żelaza, a szybkie spiekanie materiału, piaskowanie i wtrącenia piasku są bardzo widoczne. Zwiększenie zawartości tlenku magnezu i lepkości żużla jest korzystne dla zmniejszenia erozji żużla na wyłożeniu pieca i poprawy efektu zbierania żużla. Gdy zasadowość żużla jest niska, erozja wyłożenia magnezowego jest poważniejsza, a żywotność wyłożenia pieca jest skrócona; przeciwnie, gdy zasadowość żużla jest wysoka, erozja wyściółki pieca jest stosunkowo niewielka, a żywotność wyściółki pieca jest stosunkowo poprawiona. Zwiększenie zasadowości żużla i zawartości MgO w żużlu oraz zmniejszenie zawartości FeO w żużlu jest korzystne dla zmniejszenia erozji żużla na materiale ogniotrwałym.

Dlatego przy stosowaniu środków do wytwarzania żużla należy zwrócić uwagę na wybór materiałów o wysokiej zawartości tlenku magnezu. Rozsądnie skonfiguruj strukturę żużla, przyspiesz tempo tworzenia żużla, skróć czas wytopu i zmniejsz zawartość tlenku żelaza w żużlu. Odpowiedni żużel należy wybrać zgodnie z materiałem wyłożenia pieca. Żużel alkaliczny nadaje się do wyłożenia magnezowego, ale może korodować pod wpływem żużla o wysokiej zawartości CaO i żużla SiO2. Nadmierna ilość CaF2 będzie również korodować wyłożenie alkaliczne, powodując przedwczesne stopienie obszaru linii żużla. Żużel kwaśny nadaje się do wyłożenia pieca kwarcowego, podczas gdy wyłożenie pieca magnezytowo-glinowego można stosować tylko do słabo zasadowego lub obojętnego żużla. Wyłożenie pieca z tlenku glinu będzie wykazywać typowe właściwości amfoteryczne przy różnych wartościach pH w wysokiej temperaturze, co może dostosować się do żużli o różnych wartościach pH, ​​ale jest nieco gorsze niż wyłożenia pieca kwaśne i zasadowe. Z tego powodu niektórzy używają piasku magnezjowego o wysokiej czystości i dodają pewną ilość spinelu, aby zmienić właściwości matrycy czystych materiałów wykładzin pieca magnezjowego podczas doboru materiałów, ale eksperymenty pokazują, że odporność na korozję materiałów korundowych o wysokiej czystości jest również znacznie gorsza od spiekanego piasku magnezjowego o niskiej czystości.

Żużel kwaśny nadaje się do wyłożenia pieca kwarcowego, natomiast wyłożenie pieca magnezytowo-glinowego można stosować tylko do słabo zasadowego lub neutralnego żużla. Wyłożenie pieca glinowego będzie wykazywać typowe właściwości amfoteryczne przy różnych wartościach pH w wysokiej temperaturze, co może dostosować się do żużli o różnych wartościach pH, ​​ale jest nieco gorsze niż kwaśne i zasadowe wyłożenia pieca. Krótko mówiąc, biorąc pod uwagę główny mechanizm uszkodzeń wyłożenia pieca magnezytowego, po ciągłym podsumowaniu i eksploracji, odporność materiału na penetrację żużla można poprawić, ograniczając otwarte pory i przepuszczalność, a odporność na erozję w wysokiej temperaturze i odporność na odpryskiwanie matrycy wyłożenia pieca można poprawić, zwiększając wytrzymałość na zginanie w wysokiej temperaturze i krytyczną temperaturę mięknienia. Wydajność wyłożenia pieca zależy od wielu czynników, takich jak rozkład wielkości cząstek materiału, właściwości fizyczne i chemiczne materiału oraz temperatura spiekania wyłożenia pieca.