ОПТИМИЗАЦИЯ ФУТЕРОВКИ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ МАРКИ 20ГЛ. ОБЗОР

АННОТАЦИЯ

В данная статья посвещена исследованию условий работы футеровки тигля индукционной тигельной печи с целью увеличение срока службы футеровки и повышение количество плавок, что приведет более стабильной работы самой печи и увеличение производительности по металлу печи.

В статье рассмотрены работа футеровки в тяжелых условиях, таких как тепловое, коррозийное и эрозийное воздействие жидкого металла, химическая коррозия шлака, ферростатическое давление столба жидкого металла. Исследование и обзор проводились на индукционной тигельной печи 6 тонн в условиях ташкентского литейно-механического завода.

Для определения интенсивности циркулирование расплавленного металла по объему тигля, которая приводит к эрозии и разъедания рабочего слоя футеровки теоретически были определены: электромагнитная сила (1), и удельная электромагнитная сила (2) приложенная к единице объема. [2,3]

ABSTRACT

This article is devoted to the study of the working conditions of the lining of the crucible of the induction crucible furnace in order to increase the service life of the lining and increase the number of melts, which will lead to a more stable operation of the furnace itself and an increase in the productivity of the furnace metal.

The article discusses the work of the lining in difficult conditions, such as thermal, corrosive and erosive effects of liquid metal, chemical corrosion of slag, ferrostatic pressure of the liquid metal column. The study was carried out at the 6 ton induction crucible furnace (ICF-6) in the conditions of the Tashkent foundry and mechanical plant.

To determine the intensity of the circulation of molten metal throughout the volume of the crucible, which leads to erosion and erosion of the working layer of the lining, the following were determined: electromagnetic force (1), and specific electromagnetic force (2) applied to a unit volume. [2,3]

Ключевые слова: футеровка ИТП, срок службы тигля, требования к футеровке, футеровочная масса, тепловое, коррозийное, эрозийное, электромагнитные силы, 20ГЛ.

Keywords: ICF lining, crucible service life, lining requirements, lining mass, thermal, corrosive, erosive, electromagnetic forces, 20GL.

При эксплуатации индукционных тигельных печей (ИТП-6) литейных механических заводах необходимо строго следить за температурным режимом плавки, поскольку даже незначительное (на 20~50 K) превышение температуры против допустимой для данного материала футеровки резко уменьшает срок ее службы. Тем временем, срок службы футеровки и в следствии этого работа самой печи определяет производительность по металлу и изделий. Исходя с этого увеличение срока службы футеровки и повышение количество плавок в индукционных печах является актуальной проблемой при ее эксплуатации.

Условия работы футерованного слоя тигля подвергается тяжелыми условиями: тепловое, коррозийное и эрозийное воздействие жидкого металла, химическая коррозия шлака, ферростатическое давление столба жидкого металла (70 кПа при глубине металла 1 м в ИТП вместимостью 6 т.), механические усилия при загрузке шихты и особенно при осаживании образующихся в процессе плавки «мостов».

Значение магнитного потока в ИТП зависит от удаленности  металла от индуктора. Увеличение зазора увеличивает реактивную мощность. Чем меньше толщина стены тигля, тем меньше удельный расход электроэнергии и меньше капитальные затраты на преобразователи, в следствии уменьшение толщины тигля, увеличивается экономические показатели печи. Поэтому толщина стены тигля должна быть минимальной. Однако при уменьшении толщины тигля сокращается срок его службы и уменьшается надежность работы печи.

Внутренняя поверхность тигля следует иметь высокую плотность и химико-металлургическую стойкость, т.е. противостоять химическим реакциям между футеровкой и расплавом (коррозионный износ) и не образовывать с футеровкой легкоплавких эвтектических смесей.

Кроме агрессивности выплавляемого металла, срок службы тигля ИТП зависит от степени охлаждения футеровки, разности между температурой расплавленного металла и огнеупорностью футеровки, значения коэффициента термического расширения материала футеровки и его термической стойкости, продолжительности выдержки металла в тигле, толщины стены тигля, интенсивности гидродинамического перемешивания, гидростатического давления ванны металла на стену тигля, от текучести металла, жесткости конструкции корпуса печи, от степени вибрации тигля, от условий эксплуатации печи (непрерывная работа, двухсменный режим, регулярность чистки тигля), а также от целого ряда качественных показателей и исполнения футеровочных работ (набивки, режима сушки, разогрева и запуска печи в эксплуатацию).

Исходя из условий работы и увеличение срока службы футеровки определено основные требования, предъявляемые к футеровке ИТП 

а) стойкость к термическимнапряженям, так как относительно тонкая стена тигля должна выдерживать большие перепады температур (температура жидкого металла при плавке стали 1800~1900 K; температура наружной поверхности стены приблизительно 450~500 K);

б) высокая механическая прочность, так как стена тигля при малой толщине должны выдерживать большую нагрузку от массы жидкого металла, при чистке тигля, а также при загрузке крупногабаритной шихты;

в) химическая стойкость от воздействия шлаков;

г) огнеупорность футеровки должна превышать температуру выплавляемого металла на 150~200 K, так как стена тигля должны противостоять размывающему действию металла, перемешиваемому магнитным полем печи. По этой же причине футеровка должна иметь высокую плотность;

д) футеровка должна иметь минимальную толщину, так как по мере утолщения тигля понижаются электрические и экономические показатели печи;

е) футеровка не должна проводить тока, в противном случае возможно короткое замыкание в индукторе;

ж) футеровка не должна иметь больших объемных изменений (усадки или роста), так как при больших объемных изменениях она может растрескиваться.

Технологические требования к футеровке ИТП

Огнеупорная футеровка чаще всего разрушается в результате химического взаимодействия со шлаками и компонентами сплава, расплавляемыми в печи. От химического состава сплава зависит степень разрушения футеровки, а также от его температуры расплава, химического состава футеровки и пористости огнеупора.

При плавке стали износ футеровки в основном происходит равномерно в виде размывания в соответствии с движением металла в тигле. Агрессивность различных марок стали определяет степень износа (см. таблицу-1)[2]:

Таблица 1.

Степень износа

При плавке стали в среднечастотных ИТП движение металла менее интенсивное, износ футеровки более равномерный и при прочих равных условиях стойкость футеровки выше, чем в печах промышленной частоты.

Слабым звеном в тигле является шлаковый пояс, где футеровка обильно насыщается из шлака оксидами SiO₂; CaO; MgO; R₂О. Массовая доля MgO в рабочей зоне шлакового пояса снижается до 21 %, Fе₂0₃ увеличивается до 8 %, а содержание силикатов возрастает примерно в 4 раза, огнеупорная форстеритовая связка перерождается в неогнеупорную. При температуре расплава 1850~1900 К при постоянном снабжении футеровки шлаками наблюдается разрушение агрегатных скоплений, а также отдельных зерен периклаза и зерен образовавшейся шпинели при обжиге футеровки. В результате чего образуется менее устойчивая структура с корродированными зернами периклаза и шпинели, разобщенными силикатными прослойками, и с отдельными участками, состоящими из менее огнеупорных силикатов. Такая структура менее износоустойчива в службе и обусловливает высокий износ в шлаковом поясе тигля по причине оплавления.

При выборе типа футеровки необходимо учитывать склонность некоторых компонентов в сталях к обменной реакции окисления с оксидами футеровочных масс.  Это свойство зависит от теплоты образования оксидов которая для наиболее распространенных огнеупоров является следующей (кДж/моль): MgO - 608, SiO₂ - 435, Al₂O₃ - 562, Cr₂O₃ - 381, ZrO₂- 540,1, Fe₂0₃ - 276,1, ТiO₂ – 456 [3].

Реакции, проходящие на границе фаз “огнеупор– металл”, имеют большое значение как для правильного выбора вида футеровки печи, так и с точки зрения качества выплавляемого стали. Склонность расплавленных металлов и сплавов к окислению повышается в следующей последовательности: хром, никель, железо, алюминий, кремний, титан, цирконий, нихром, магний, а склонность огнеупоров к восстановлению уменьшается в ряду: Cr₂O₃; SiO₂; TiO₂; ZrO₂; Al₂O₃; MgO; MgAl₂O₄. Контактная реакция между расплавом стали и кислой футеровкой может быть представлена следующим уравнением [3]:

2Fe + SiO₂ + O₂ = 2Fe²⁺ + Si0₄^4- → (Fe₂∙ Si0₄)

Защитный шлаковый настил предотвращает окислению легирующих компонентов сталей кислородом воздуха, ускоряет рафинирование, уменьшает содержание в нем нежелательных примесей и неметаллических включений. При плавке стали в основных огнеупорных тиглях шлаки образуются мало, поэтому в основной тигель дают добавки, образующие шлак: известь, плавиковый шпат, периклаз, известковое стекло, буру, оксид алюминия, кварцевый песок, порошок шамота, различные соли и др [2,3].

Электродинамические силы в металле

В ИТП расплавленный металл интенсивно циркулирует по объему тигля, а это приводит эрозии и разъедания рабочего слоя футеровки тем самым его необходимо определить и учитывать.

В следствии протекании индуктированного тока в металле определяется электромагнитная сила (1), а затем удельная электромагнитная сила (2), приложенная к единице объема жидкого (рис.1). Среднее за период значение силы, действующей на элементарный объем жидкого металла , определяют по формуле [2].

где     – вещественная часть комплексного вектора(reelle – реальный);

 – элементарный ток, протекающий в данном проводнике;

 – длина элементарного проводника;

 - комплексный вектор магнитной индукции;

 и  – абсолютная и относительная магнитная проницаемость;

 - магнитная постоянная, Гн/м.

Рисунок 1. Электромагнитные силы в системе “индуктор – металл”

Удельная электромагнитная сила, приложенная к единице объема жидкого металла [3], равна, Н/м³

где     – вектор Пойнтинга, Вт/м²;

 – удельное электрическое сопротивление, Ом∙м.

Из формулы (2) следует, что направление электромагнитных сил соответствует направлению потока энергии в данной точке. Электромагнитные силы создают в каждой точке металла бесконечно малое давление  создаваемое этой силой, равно отношению ее к площади (см. рис. 1):

Давление в данной точке суммируется из элементарных давлений, создаваемых во всех элементах , лежащих между рассматриваемой точкой и поверхностью металла (рис.2).

В ИТП величина тока в индукторе может доходить до нескольких тысяч ампер, а напряженность магнитного поля создаваемого индуктором, имеет величину порядка 10⁴~10⁶А/м. Вследствие этого электромагнитные усилия, возникающие в индукторе и расправляемом металле, могут достигать значительной величины. Для механически прочного индуктора эти усилия не представляют никакой опасности, а в жидком металле в тигле эти усилия вызывают движение, принимающее форму электродинамической циркуляции, в результате которой металл в ванне энергично перемешивается.

При силе тока  индуктор ИТП создает магнитное поле напряженностью , вследствие чего максимальное давление  в жидкой стали () при ≥9 ( достигает 0,1~10 кПа [2]:

где     – плотность потока активной мощности, кВт/м²;

– УЭС жидкой стали марки 20ГЛ.

Рисунок 2. Графики относительных значений электромагнитных удельных сил и давлений в полуограниченном металлическом теле

Благодаря электродинамическому перемешиванию во всем объеме ванны происходит выравнивание температуры и, главное, химического состава, что способствует более быстрому расплавлению и получению однородного состава металла. С другой стороны, электромагнитные усилия и вызванная ими электродинамическая циркуляция металла деформируют поверхность ванны, которая приобретает выпуклый мениск высотой  (см.рис.3). Вследствие этого шлак, покрывающий поверхность металла, стекает к стенкам тигля, и для того, чтобы все зеркало ванны было покрыто шлаком, приходится давать больше шлакообразующих. Шлак, скопляющийся у стены тигля и химически взаимодействующий с футеровкой, разъедает ее на большем протяжении, чем при плоской поверхности металла. Кроме того, при циркуляции металла происходит увеличение экзогенных частиц шлака в объеме металла.

Рисунок 3. Магнитное поле и электромагнитные силы в тигле ИТП [3].

Элек­тромагнитные силы в металлическом цилиндре, поме­щенном в цилиндрический индуктор, направлены радиально к оси цилиндра (по направлению потока энергии), причем максимальное давление создается этими силами на оси цилиндра.

Вследствие того, что электромагнитные силы, действующие на поверхность металла у дна тигля и на зеркало ванны, весьма малы, электромагнитное давление на оси тигля будет выжимать металл в места с пониженным давлением, т. е. вверх-вниз (см. рис. 3), этот металл будет перетекать от оси тигля к стенке вверху и внизу. Движение металла у зеркала ванны и у дна не вполне одинаково вследствие неодинаковости ферростатических давлений и сил трения в этих местах.

Вертикальные силы у поверхности металла (см. рис. 4) усиливают циркуляцию. Возникающую циркуляцию, называется двухконтурной.

Рисунок 4. Электродинамическая циркуляция металла в тигле ИТП [3].

Достаточна высокая скорость (0,5~1,5 м/с) турбулентного движения металла усиливает эрозионный износ футеровки тигля, особенно в нижней зоне поворота потока жидкого металла при большом ферростатическом давлении (до 70 кПа). При развитом турбулентном движении жидкого металлав ИТП число Рейнольдса превышает 20000, (по данным ВНИИЭТО).

ВЫВОДЫ

Исходя из исследования учета эрозии и некоторых металлов к обменной реакции окисления с оксидами, входящими в состав футеровочных масс, а также высокую скорость турбулентного движения металла предлагается использовать:

Футеровка  ИТП вместимостью 3~10 т. шпинельного состава на основе MgO и Al₂O₃. Стойкость таких футеровок составляет 50~150 плавок в зависимости от сортамента выплавляемой стали и состава огнеупора. В периклаз вводят 20~30 % плавленого корунда. Оптимальный состав шпинельных масс: 45 % крупной, 10 %  средней и 45 % тонкомолотой составляющей. Верхний предел размера зерен обычно 4 мм, тонкомолотая составляющая готовится до полного прохода через сито ≤0,074 мм. Размер зерен Al₂O₃<0,15 мм. В качестве добавок в периклазокорундовые шихты вводят борную кислоту, буру или B₂O₃ в количестве 1~2 %, глину, фосфаты или хромиты. Масса периклазокорундового состава на основе обожженного и плавленого периклаза в ИТП вместимостью 5,5~10 т имела удовлетворительную стойкость.

При этом для ИТП вместимостью 6~10 т можно применять комбинированную футеровку. Толщина кирпичного слоя составляет 75~130 мм, буферного – 20~30 мм. Футеровку выполняют из сухой шихты из обоженных основных материалов.

Список литературы:

1. Егоров А.В. Расчет мощности и параметров электроплавильных печей. - М: МИСиС, 2000. -280 с.
2. Егоров А. В. Электрометаллургия стали и спецэлектрометаллургия. Электроплавильные печи черной металлургии. - М: МИСиС, 2007г. - 428 c.
3. Сасса В.С. Футеровка индукционных печей. М.: «Металлургия», 1989, 232 с.
4. Уразбаев, Т. Т., & Зайнитдинов, О. И. (2020). ПОВЫШЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БОКОВОЙ РАМЫ ДВУХОСНОЙ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ. Вестник транспорта Поволжья, (1), 27-34.
5. Уразбаев Т.Т., Турсунов Т.М. Исследование и совершенствование технологии производства высокомарганцевой стали 110Г13Л для железнодорожных крестовин. Научные труды республиканской н-т. конф.  “Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте”. Ташкент, 2019, стр.150-155.
6. A. V. Perminov & I. L. Nikulin /Mathematical Model of the Processes of Heat and Mass Transfer and Diffusion of the Magnetic Field in an Induction Furnace/ Journal of Engineering Physics and Thermophysics volume 89, pages397–409 (2016).
7. A. S. Zavertkin /Effect of Quartzite Heat Treatment on Induction Furnace Lining Failure Mechanism/Refractories and Industrial Ceramics volume 60, p 67–70 (2019).
8. N.Y. Makhkamov, G.U. Yusupov, T.Tursunov and Kh.Djalilov /Properties of metal-based and nonmetal-based composite materials: A brief review/  IOP Conference Series: Earth and Environmental Science //614 (2020) 012068 .
9. Pritibhushan Sinha and Subhash Saha Chandra /An Optimum Design of the Lining of a Medium Frequency Induction Melting Furnace/ Int. Trans. Opl Res. Vol. 5, No. 4, pp. 255±259, 1998.