Инструкция по футеровке индукционной печи

Футеровка индукционных печей

Выбор вида футеровки индукционной тигельной печи

Футеровка индукционных тигельных печей (см. рис. 1) состоит из 6 основных элементов: тигля, подины, воротника, сливного носка, крышки печи и обмазки индуктора. Основным элементом футеровки является тигель, поэтому правильный выбор огнеупорного материала для тигля в основном обеспечивает надежность работы печи и ее технико-экономические показатели, заложенные в конструктивном решении печи.

Картинка с сайта: inductor.su

Рис.1. Футеровка тигельной индукционной печи:
1 — огнеупорный тигель; 2 — индуктор; 3 — стальной корпус печи; 4 — магнитопровод; 5 — подина; 6 — сигнализатор износа (проедания) тигля; 7 — огнеупорное покрытие (обмазка); 8 — воротник; 9 — сливной носок; 10 — крышка.

Тигель индукционной печи может быть выполнен четырьмя различными методами: выемным (в печах малой емкости), набивным, в виде кладки из огнеупорных изделий и комбинированным, сочетающим кирпичную кладку рабочего слоя и набивку буферного слоя между индуктором и кладкой. При образовании трещин в швах кирпичной кладки буферный слой задерживает металл от прохода его к индуктору.

Каждый из перечисленных методов футеровки может быть выполнен из следующих видов огнеупорных материалов: кварцитового (кислого) SiO₂; магнезитового (основного) — МgO; шпинельного — МgO + Al₂O₃ или MgO + Cr₂O₃; корундового — Al₂O₃; муллитового — ЗAl₂O₃ · 2SiO₂; муллитокорундового — Al₂O₃ ≥ 72 %; шамотного; цирконового — Zr₂ · SiO₂; циркониевого — ZrO₂; шамотнографитового; графитового и т. п. Все эти виды футеровки могут иметь несколько вариантов по зерновому составу и содержанию (массовые доли) различных компонентов и добавок (табл. 1), улучшающих спекание, уменьшающих объемные изменения при обжиге и увеличивающие стойкость футеровки к различным видам выплавляемых металлов и шлаков.

Таблица 1. Данные для выбора вида футеровки индукционных тигельных печей и миксеров для чугуна и стали

Для оптимального решения в выборе того или иного вида огнеупорных материалов необходимо учитывать конкретные службы футеровки тигля, вид выплавляемого металла, а также стоимость и дефицитность огнеупора. Как показала практика, основным фактором при выборе футеровки является срок ее службы, обеспечивающих надежную работу печи в данных условиях. Технически обоснованный выбор вида и метода футеровки должен обеспечивать следующие требования:

• выплавку металла высокого качества;
• наибольшую продолжительность межремонтного цикла работы печи;
• надежность и безопасность работы обслуживающего персонала;
• стабильность проведения металлургического процесса;
• более высокие экономические показатели;
• недефицитность применимых материалов;
• минимальное загрязнение окружающей среды отходами футеровки.

Футеровка оказывает существенное влияние на химическую чистоту и на физико-механические свойства выплавляемого металла, например, на пластичность стали при обычных и высоких температурах, структуру, усталостную прочность, длительную жаропрочность, ползучесть, коррозийную стойкость и др. Наряду с полезными, вводимыми в ванну (тигель) легирующими добавками и раскислителями в процессе плавки образуются нежелательные примеси, которые вредно отражаются на качестве металла. Эти смеси обычно попадают в металл в виде неметаллических включений, образующихся в результате взаимодействия с поверхностью футеровки, а также из шихты или в виде оксидов металлов, получающихся при окислении расплава кислородом воздуха, вовлекаемым при движении расплавленного металла или при окислении раскислителей.

Наиболее распространенными нежелательными примесями являются кислород и его соединения в виде простых и сложных оксидов (SiO₂; Al₂O₃; FeO; Fe₂O₃; Cr₂O₃; MgO; ZrO₂; FeCr₂O₄; FeAl₂O₄; MgAl₂O₄), силикатов; алюмосиликатов и др. Уменьшение содержания нежелательных примесей (в том числе и неметаллических включений) — одна из основных проблем качественной металлургии [12].

Сталь, выплавляемая в основных тиглях, обладает более высокими прочностными и пластическими свойствами, чем сталь, выплавляемая в кислом тигле. Причиной этому является образование кремнекислородных включений в результате взаимодействия металла с кислой футеровкой. Включения, богатые кремнеземом, хорошо смачиваются жидким металлом, трудно удаляются из него, так как имеют пониженное поверхностное натяжение, а включения оксида магния, корунда и соединения типа шпинелей (R0 · Al₂O₃) плохо смачиваются металлом и быстрее удаляются из него. По понижению межфазового натяжения материалы включений располагаются в следующем порядке: α-Al₂O₃ (корунд); MgO · Cr₂O₃; MgO · Al₂O₃; FeO · Al₂O₃; алюмосиликаты и SiO₂. Отсюда следует, что для получения металла с меньшим содержанием неметаллических включений наиболее эффективными являются футеровки шпинельного типа (RO · Al₂O₃ и RO · Cr₂O₃), а также химически чистые основные огнеупорные материалы с минимальным содержанием кремнезема.

Для плавки специальных сталей (12Х18Н10Т и др.) стойкой (19-25 плавок) в тиглях емкостью 8 т [13] является масса, состоящая из обожженного периклазового порошка фракции 4-2 мм (с массовой долей MgO ≥ 88 %), периклазошпинелидного порошка фракции 2-0 мм и плавленого периклаза фракции 4-0 мм (MgO ≥ 93 %) в соотношении 3:3:1. Высокую расплавоустойчивость массы обеспечивает периклаз, являющийся наиболее стойким к расплаву металлов и шлака, а также наличие периклазошпинелидного порошка, обладающего плотной структурой повышенной термостойкостью вследствие присутствия хромита в тонкомолотом состоянии.

При выборе вида футеровки необходимо учитывать склонность некоторых металлов к обменной реакции окисления с оксидами, входящими в состав 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, Fe₂O₃ — 276,1, ТiO₂ — 456.

Из приведенных данных следует, например, что алюминий можно плавить в тиглях из оксидов магния и алюминия. Кислая футеровка будет восстанавливаться алюминием и его сплавами, поэтому кварцит не может быть применен в индукционных печах для плавки алюминиевых сплавов.

Реакции, протекающие на контакте металл—огнеупор, имеют большое значение как для правильного выбора вида футеровки печи, так и с точки зрения качества выплавляемого металла. Склонность расплавленных металлов и сплавов к окислению повышается в следующей последовательности: никель, нихром, железо, хром, кремний, титан, цирконий, алюминий, 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:

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

Контактные реакции взаимодействия происходят главным образом на поверхности рабочего слоя в системе жидкий металл—твердая футеpoвка с участием вовлеченного в металл кислорода воздуха. Прочность связи поверхностного слоя (фаялита) с последующими слоями футеровки ослабляется с увеличением его толщины. Затем слой фаялита уносится движущимся расплавом и всплывает наверх в виде шлака, так как его удельная масса (4,0-4,35) меньше удельной массы стали. Температура плавления фаялита 1200 °C значительно ниже температуры плавления стали и чугуна, поэтому при плавке черных металлов в кварцитовом тигле нет необходимости наводить шлаки.

Защитный шлаковый покров предотвращает окисление металла кислородом воздуха, обеспечивает его рафинирование, уменьшает содержание в нем нежелательных примесей и неметаллических включений. При плавке металла в основных огнеупорных тиглях шлаки почти не образуются, поэтому в основной тигель дают добавки, образующие шлак: плавиковый шпат, буру, известь, магнезит, известковое стекло, кварцевый песок, оксид алюминия, порошок шамота, различные соли и др. Эти материалы иногда перед началом плавки помещают на дно тигля. По мере расплавления они нагреваются, плавятся и, будучи легче металла, всплывают на поверхность, закрывая металл.

При плавке черных металлов износ футеровки чаще всего происходит равномерно в виде размывания в соответствии с 2-контурным движением металла в крупных печах промышленной частоты. В этом случае износ зависит от агрессивности различных марок металла. Ориентировочно по степени агрессивности черные металлы можно расположить в нижеследующем порядке.

При плавке стали в высокочастотных печах движение металла менее интенсивное, износ футеровки более равномерный и при прочих равных условиях стойкость футеровки выше, чем в печах промышленной частоты (рис. 2).

Картинка с сайта: inductor.su

Рис.2. Характер износа кислой футеровки индукционной тигельной печи.

Кислую футеровку обычно применяют в печах любой емкости (до 60 т) для плавки чугуна, углеродистых, кремнистых и других сталей с перегревом металла до температуры 1450-1550 °C. Однако кислая футеровка не может быть использована при выплавке многих марок качественных сталей и сплавов, в которых строго лимитируется содержание углерода, кремния, фосфора, серы, неметаллических включений. Выгорание этих примесей значительно быстрее происходит в основной футеровке. Оксид кальция (известь), добавляемый для рафинирования стали от кремния, серы и фосфора, взаимодействует с кислой футеровкой и, не успевая соединиться с серой и фосфором металла, уходит в шлак. Кремний же частично переходит из материала кислой футеровки в сталь. Жаропрочные и тугоплавкие сплавы опасно плавить в печах с кислой футеровкой еще и потому, что температура плавления и перегрева этих металлов близка к температуре плавления кварцитов.

Стойкость кислой футеровки зависит от вида выплавляемого металла и колеблется в широких пределах от 10 до 300 плавок. При плавке чугуна стойкость футеровки из первоуральского кварцита ПКМИ-97,5 достигает 4 мес. Высокая стойкость может быть достигнута только при тщательном уходе за тиглем и ремонтах изношенной футеровки. На Горьковском автозаводе стойкость тигельных печей емкостью 10-12 т стабильно составляет 3-4 мес или 300 плавок. Плавку ведут без наведения шлаков, чугун полностью не сливают. При применении кислой футеровки в шлак нельзя добавлять плавиковый шпат CaF₂ и буру Na₂B₄O₇, так как в этом случае стойкость футеровки резко падает (до 2-3 плавок). При плавке высокомарганцевых сталей стойкость кислой футеровки также очень низка. Однако в практике футеровки тигельных индукционных печей кислая футеровка применяется чаще, чем другие виды футеровок. Причины этому следующие: а) дешевизна кварцита; б) недефицитность футеровки; в) полиморфные превращения кварца обеспечивают безусадочность рабочего слоя и плотность неспеченного буферного слоя; г) нет необходимости в наведении шлаков; д) мала вероятность образования сквозных усадочных трещин, что обеспечивает надежность работы печи; е) стабильный достаточно высокий срок службы тигля.

Учитывая указанные преимущества, высококачественную кварцитную футеровку (из шведских молотых кварцитов) с борным ангидридом в зарубежной практике применяют также для попеременной выплавки чугунов и легированных сталей в крупных тигельных индукционных печах. На одном из литейных заводов фирмы «АГ» (ФРГ) в 25-т тигельной индукционной печи промышленной частоты за 8-недельный период без смены футеровки было выплавлено 3100 т чугуна и стали. Большая часть выплавленного металла составляла коррозионностойкая хромоникелевая сталь [14].

Срок службы кислой футеровки в значительной мере зависит от качества исходного сырья. Для футеровки тигельных печей для плавки черных металлов и медных сплавов чаще всего используют кварциты двух месторождений — Первоуральского на Урале и Овручского на Украине. Первоуральский молотый кварцит марки ПКМИ-97,5 готовый к применению, выпускается Первоуральским динасовым заводом, а Овручский марки ПКМ-97 — Красногоровским огнеупорным заводом (табл. 2.). С точки зрения качества и технологии изготовления тиглей эти кварциты не равнозначны. При обжиге в кусках при 1600 °C пористость Первоуральского кварцита увеличивается до 14 %, а Овручского до 7,7 % [11] . Поскольку при выплавке стали температура металла может превышать 1600 °C, то применение более разрыхляющего в обжиге кварцита менее желательно, так как это приведет к большему насыщению футеровки металлом и шлаками, а следовательно, к увеличению скорости износа тигля. При плавке медных сплавов более высокая пористость кварцитов также приводит к уменьшению стойкости футеровки.

Таблица 2. Свойства кварцитов различных месторождений

Массовая доля кремнезема в Первоуральском кварците выше (97,5-99 %), чем в овручском (97-98 %). Более высокая степень чистоты первоуральского кварцита обеспечивает однородность свойств материала и позволяет сократить существующие колебания в стойкости футеровки, что особенно важно при эксплуатации печей большей емкости. Первоуральский молотый кварцит марки ПКМИ-97,5 рекомендуется как оптимальный материал для кислой футеровки (см. табл. 2).

Для футеровки печей малой и средней емкости часто используют местные кварцевые пески с высоким содержанием кремнезема ( ≥ 97,5 %), для восполнения недостающих тонкомолотых фракций в футеровочную массу добавляют тонкомолотый кварцевый песок марки КП-1 или природный маршалит. Завод «Центролит» в г.Каунасе использует крупную фракцию высококачественных песков Аникшяйского рудника (Литовская ССР). Они содержат 97,68-98,67 % SiO₂; 0,50-0,71 Al₂O₃ и 0,14-0,36 Fe₂O₃, огнеупорность 1730-1750 °C. Для восполнения недостающих мелких фракций в песок добавляют около 20 % естественного маршалита, поставляемого с Болотовского карьера (Челябинская обл.). Маршалит содержит 94-95 % SiO₂; 2,7-2,8 % Al₂O₃ и 0,25 % Fe₂O₃.

Длительный срок службы футеровки на этом заводе (3 мес) обеспечивается высоким качеством производства работ, чистотой кварцевого песка, получаемого в виде отсева крупных фракций на Паневежском стекольном заводе. В смеси с маршалитом в набивной массе содержание SiO₂ равно не менее 97 %; Al₂O₃ не более 0,9 %; Fe₂0₃ не более 0,5 %; СаО не более 0,3 %; Na₂O₃ + К₂О₃ не более 0,15 %.

На Горьковском и Волжском автозаводах вместо борной кислоты (1,5-2 %) применяют добавку борного ангидрида (0,6-0,8 %). Применение тонкоизмельченного борного ангидрида уменьшает количество влаги в футеровке, дает более тщательное смешивание с кварцитовой массой в мешалке и повышает равномерность спекания футеровки, что увеличивает ее стойкость.

Удельный расход футеровочной массы на тонну выплавляемого чугуна колеблется в широких пределах; от 2-3 кг/т на передовых предприятиях (ВАЗ, ГАЗ, Центролит) до 15-20 кг/т на заводах, пользующихся местными песками и кварцитами собственного помола. Такие колебания в расходе футеровочных материалов свидетельствуют о том, что для повышения производительности и надежности работы тигельных печей для чугуна необходимо пользоваться высококачественным молотым кварцитом централизованной поставки марки ПКМИ-97,5, который удовлетворяет требованиям по влажности (0,3 %), химическому, зерновому и минералогическому составу.

Основные данные для выбора вида футеровки индукционных тигельных печей приведены в табл. 1, 2.

Испытания опытной партии первоуральского кварцита влажностью 3 % на Мичуринском литейном заводе показали, что влажная футеровка не обеспечивает надежную работу печи потому, что влажный кварцит неравномерно уплотняется в стенке футеровки, при сушке влажной футеровки борная кислота, обеспечивающая спекание кварцита, мигрирует вместе с влагой в сторону индуктора. Перенос борной кислоты влагой приводит к плохому спеканию слоя футеровки, прилегающего к расплаву, и к спеканию буферного слоя, прилегающего к индуктору. Для нормальной работы футеровки необходимо, наоборот, хорошее спекание рабочего слоя и отсутствие спекания в буферном слое.

Применение влажного кварцита резко снизило стойкость футеровки печи ИЧТ-6. В результате простоя на ремонтах производительность печи снизилась на 40 %. Применение влажного кварцита увеличивает срок сушки и пуска печи в эксплуатацию и тем самым дополнительно снижает производительность печи. При получении влажного кварцита необходимо организовать его сушку на месте в электрических или газовых сушилках.

В ФРГ большинство индукционных тигельных печей футеруют кварцитом [15]. В Англии и США чаще применяют основные, высокоглиноземистые и шпинельные материалы. В Чехословакии, ГДР и других странах СЭВ предпочтение отдают кварцитным набивным массам [16-18]. Однако кислая футеровка не всегда позволяет соблюдать требуемые технологические параметры, даже при плавке высокосортного чугуна. При высоких температурах она быстро изнашивается; перегрев чугуна от 1450 до 1550 °C увеличивает износ стенки тигля в 3 раза [19]. Известно также, что кремний кислой футеровки активнее восстанавливается углеродом при повышении температуры, в результате чего увеличивается его содержание в металле. Кроме того, при выплавке чугуна с шаровидным графитом в печи необходимо проводить предварительную десульфурацию чугуна карбидом кальция, что уменьшает стойкость кислой футеровки тигля на 25-30 %. Стойкость нейтральной футеровки, состоящей из 40 % электроплавленого корунда и 60 % дистенсиллиманитового концентрата, не зависит от обработки чугуна карбидом кальция; такая футеровка показала лучшую стойкость по отношению к кислым и основным шлакам [20].

При выплавке синтетического чугуна общий угар и безвозвратные потери металла в случае использования нейтральной футеровки на 20-25 % меньше, чем при применении кислой футеровки, причем шлакообразование снижается на 30-35 %. Резко снижается угар Сr и Мg, выплавленный чугун содержит меньше газов и неметаллических включений [18].

Таким образом, с точки зрения металлургической технологии синтетического чугуна с шаровидным графитом, нейтральная футеровка предпочтительнее кислой. Нейтральная футеровка более устойчива к основным шлакам, чем кислая. При температуре металла выше 1400 °C износ нейтральной футеровки увеличивается и достигает максимальных значений при основности шлака 1,6-2,0 и содержании в нем FeO более 7 % [21]. Шлак индукционной плавки содержит от 4 до 10 % оксидов железа. Длительная эксплуатация печей с футеровкой на основе корунда и дистен-силлиманитового концентрата показала, что срок ее службы не превышает одного месяца.

Испытания муллитокорундовой и муллитовой футеровок [22] из набивных безусадочных масс на фосфатной связке (МК-90, ТУ 14-8- 457-84 и МЛМ-1, МЛ-2 по ТУ 14-8-119-74) показали высокую стойкость тигля. Для повышения плотности и содержания корунда в связке в массу добавляли 20 % электрокорунда (шлифпорошок 14А — ГОСТ 3647-80) и 3-4 % (сверху 100 %) ортофосфорной кислоты плотностью 1,57 г/см³. Стойкость футеровки превысила стойкость кварцитной футеровки, а также спекаемой футеровки на основе корунда и дистенсиллиманитового концентрата в 3-4 раза. В печи МГП-102 при плавке высоколегированной стали 25Л; при перегреве металла до 1710 °C футеровка прослужила более 2 мес. В печи ИЧТ-1 при плавке синтетического чугуна с шаровидным графитом стойкость футеровки составила 4 мес [22]. Наибольшее разъедание футеровки наблюдалось в шлаковом поясе при выплавке синтетического чугуна с содержанием в шихте до 80 % металлизованных железорудных окатышей (массовая доля Fe 79,2 %). При этом на поверхности металла образовалось более 15 % шлака (от массы плавки), содержащего до 20 % оксидов железа. Температура нагрева расплава составляла 1570 °C. Химический состав чугуна, %: 2,78 С; 0,1 Si; 0,009 Мg; 0,005 S; 0,01 Р. В печи было проведено более 100 плавок при 85 теплосменах до полного охлаждения тигля.

Основную футеровку изготавливают из магнезитовых, доломитовых и известковых огнеупоров, которые имеют химически основной характер. Эти материалы отличаются высокой огнеупорностью, как правило, выше 2000 °C. Химически чистые разновидности оксида магния имеют температуру плавления 2800, а оксид кальция 2500 °C.

В настоящее время для изготовления основной футеровки открытых тигельных печей применяют спеченный и плавленый магнезит, а для футеровки вакуумных печей — плавленый магнезит с содержанием MgO > 90 %. Для компенсации усадочных процессов при образовании шпинели в футеровочную массу добавляют от 10 до 30 % электрокорунда. С этой же целью вместо электрокорунда в массу добавляют 3-4 % молотого кварцевого песка, кварцита или молотого ферросилиция в количестве до 10 %. В качестве плавней, обеспечивающих спекание футеровки, обычно добавляют плавиковый шпат CaF₂ [12], который при обжиге до 1400 °C способствует росту магнезитовой массы, а при 1500-1600 °C уменьшает усадку при спекании по сравнению с другими спекающими добавками (борной кислотой, бурой, стеклом, содой, криолитом).

Срок службы основной футеровки колеблется в зависимости от марок выплавляемой стали и от последовательности, с которой они выплавляются. Например, если вести подряд несколько плавок низкоуглеродистой стали, а затем несколько плавок высокомарганцевой, то футеровка пострадает значительно меньше, чем в том случае, если чередовать указанные металлы через плавку. Износ большинства составов периклазовой футеровки происходит в результате одновременного действия эрозии и коррозии, главным образом, на уровне зеркала металла. Сильно разрушается футеровка при неудовлетворительном качестве связки (мало тонких фракций, плохое спекание, дефекты набивки, разрыхление связки при спекании). Например, футеровка из магнезита и циркония имеет рост при обжиге и разрыхляется, ее шлакоустойчивость ниже, чем у магнезитовой с добавкой электрокорунда или кварцевого песка, что ограничивает ее применение.

Большое значение для стойкости футеровки имеет также чистота шихты, загружаемой для плавки. В условиях работы открытых индукционных печей завода «Электросталь» емкостью 1-1,3 т оптимальной является масса следующего состава: магнезитовый порошок 4-2 мм — 10 %; 2-1 мм — 14 %; менее 1 мм — 14 %; магнезитохромитовый порошок 4-2 мм — 10; 2-1 мм — 15 %; менее 1 мм — 35 %; плавиковый шпат менее 0,1 мм — 2 %.

Для размола компонентов массы используют, как правило, отработанный сводовый кирпич дуговых электропечей, очищенный от ошлакованных частей, пропитанных железистыми оксидами (ТУ 14-8-172-75). Применяют также магнезитовый порошок марок ПМЭ-88, ПМИ-88 по ТУ 14-8-209-76 с рассевом по фракциям 4-2 мм, 2-1 мм и мельче 1 мм или ППГ10И-90 по ТУ 14-8-149-75.

Для приготовления набивной массы составные части тщательно смешивают в лопастном смесителе или в бегунах. Срок хранения готовой массы в условиях, не допускающих увлажнения и загрязнения пылью, не ограничивается. Стойкость футеровки на печи ИСТ-1,0 составляет 40-50 плавок. В индукционных печах (для плавки стали) меньшей емкости ( ≤ 0,5 т) футеровка аналогичного состава имеет стойкость 70-90 плавок.

На малых печах (ИСТ-0,06 т) набивку тиглей производят увлажненной массой, состоящей из 49 % периклазового и 51 % периклазохромитового порошков со следующим зерновым составом смеси: 4-2 мм — 20 %; 2-1 мм — 30 %; мельче 1 мм — 50 %. Увлажненную массу перед укладкой рекомендуют выдержать под мокрой мешковиной не менее 16 ч, но не более 36 ч. Степень увлажнения массы такова, что при сжимании ее в руке комок не рассыпается, но легко разваливается при давлении пальцем.

Основная футеровка разных составов и даже из плавленого магнезита с электрокорундом имеет сравнительно низкую стойкость и не всегда обеспечивает надежную работу индукционных тигельных печей. Основная причина этого состоит в том, что все разновидности магнезитовых набивных масс, наряду с положительными свойствами (высокая огнеупорность, шлако- и металлоустойчивость), имеют ряд существенных недостатков. Главной причиной низкой стойкости основной футеровки (особенно в печах повышенной емкости > 500 кг) является неудовлетворительное ее объёмопостоянство и термостойкость. В процессе службы длительное воздействие на футеровку высоких температур, их резкие колебания, а также диффузия расплавов металла и шлака в толщину стенки тигля через постепенно развивающиеся трещины в спекшейся части футеровки приводят к более глубокому спеканию тигля, большим усадкам и к образованию глубоких трещин. Причем величина трещин тем больше, чем больше объем огнеупорного тигля. Для увеличения стойкости периклазовой футеровки в нее вводят хромит или применяют смесь периклазовых и периклазохромитовых компонентов (см. табл. 1, п.8).

Данные о продолжительности службы основной набивной футеровки в производственных условиях крайне разноречивы и имеют большие колебания (от 10-15 до 70-80 плавок). Слабым звеном в тигле является шлаковый пояс, где футеровка обильно насыщается из шлака оксидами SiO₂; CaO; MgO; R₂O. Массовая доля MgO в рабочей зоне шлакового пояса снижается до 21 %, Fе₂O₃ увеличивается до 8 %, а содержание силикатов возрастает примерно в 4 раза, огнеупорная форстеритовая связка перерождается в неогнеупорную монтичеллиуовую. При температуре расплава 1600-1640 °C 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 шлакового пояса тигля вследствие оплавления.

Износ футеровки стен основного тигля ниже уровня шлака значительно меньше. Поступление силикатных расплавов в эти участки футеровки ограничено, вследствие чего резко различаются состав и структура после службы рабочей зоны нижней части стен тигля от структуры шлакового пояса.

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

ФУТЕРОВОЧНЫЕ МАССЫ ДЛЯ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ,
МЕТОДИКА ФУТЕРОВАНИЯ ПЕЧЕЙ, ИЗНОС ФУТЕРОВКИ
И БЕЗОПАСНОСТЬ ПЛАВКИ

Carl-Johan Nybergh главный технолог концерна OY LUX AB

В последнее время под влиянием экономических, металлургических и факторов охраны труда в Европе всё шире применяются среднечастотные индукционные печи при плавке чёрных и цветных металлов, где самые большие печи для плавки бронзы достигают 80 т, для чугуна 40 т и для стали 10 т. Наблюдается также явная тенденция увеличения мощности печей на килограмм металла (кВт/кг). При плавке чугуна и стали мощность чаще всего составляет 0,5–0,8 кВт/кг.

Для проведения успешной плавки в индукционной печи в первую очередь необходимо принимать во внимание и предупреждать такие моменты, как: возможный неравномерный износ, возможное растрескивание футеровки, протечка металла на обмазку индуктора и даже индуктор. Брызги металла также следует отнести к опасным моментам плавки в индукционных печах. Целью этой статьи является рассмотрение важнейших рисков, влияющих на проведение безопасной индукционной плавки, правильного выбора футеровочных масс, их применения, а также факторов, влияющих на преждевременный износ футеровки.

В статье приводятся ссылки на широко используемые футеровочные массы известного английского производителя — Capital Refractories Ltd, который имеет богатый опыт и специализируется на производстве футеровочных масс именно для индукционных печей.

Выбор футеровочных материалов для индукционной печи

На протяжении длительного времени в Европе для футерования индукционных печей применяются сухие футеровочные массы. Однако, при использовании сухих футеровок, важно иметь в виду, что вибрация при работе печи может спровоцировать утечку сухой массы через трещины в обмазке индуктора и жаропрочном бетоне пода печи. Применение обмазки Capital Silkote 90 позволит защитить индуктор печи. Обмазка индуктора наносится по всей высоте печи от дна до верхнего края, включая воротник, и должна иметь гладкую поверхность.

При плавке углеродистых и низколегированных сталей обычно применяется шпинелеобразующая масса Capital Coral CXL. При плавке в большем объёме высоколигированных сталей используют массу Capital Coral SMC с повышенной стойкостью к налипанию шлака. При плавке особо точных сплавов, требующих температуры более 17200С хорошо зарекомендовала себя масса Capital Coral SXL.

При плавке чугуна обычно используют кварцитовую футеровку. Но если в одной печи наряду с чугуном необходимо иногда плавить цветные металлы и сталь, тогда обосновано применение муллитообразующей массы Capital CRL 65. Муллитовый слой препятствует налипанию металла и шлака, что увеличивает стойкость футеровки.

При необходимости проведения в одной печи плавки меди и бронзы индукционную печь также рекомендуется футеровать муллитообразующей массой Capital CRL 65. Спекающая плавка проводится чугуном.

Порядок футерования индукционной печи сухой массой

Зачастую футерование печи производится в выходные дни или в ночную смену, что обусловлено техническими особенностями производства, и в этих ситуациях консультация со специалистом не всегда возможна. Поэтому целью данного раздела является рассмотрение всех наиболее значимых этапов футерования печи с учётом потенциальных рисков.

После выбивки отработанной футеровки внутреннюю поверхность обмазки индуктора и под печи необходимо очистить щёткой или пропылесосить. По завершении необходимо произвести тщательную проверку состояния поверхности обмазки. Все обнаруженные, даже мелкие, трещинки необходимо сразу заделать массой Capital Silkote 90 таким образом, чтобы поверхность обмазки индуктора стала гладкой. Если участки поверхности ремонта небольшие, то их можно просушить с помощью электронагревателя, но если зона ремонта значительная, в этом случае свежая масса должна сама затвердеть и только потом возможна её сушка. Обмазку индуктора нельзя сушить открытым пламенем, так как на её поверхности может остаться угольный налёт, снижающий электроизоляционные свойства обмазки и способный стать причиной электрических помех во время плавки. Если обмазка индуктора установлена правильно, то протечка металла к индуктору практически невозможна.

Следующим этапом является установка изоляционного материала миканита (Lux-однослойный или Lux-комби) на чистую сухую поверхность обмазки индуктора, начиная от дна печи и до самого верха. В верхней части печи пластины миканита перегибаются через край и закрепляются бумажным тейпом.

Пример крепления миканита бумажным тейпом.
Внимание: напротив носика миканит не следует перегибать.

Вертикальный шов миканита накладывается внахлёст с припуском 50–100 мм и также закрепляется по всей длине бумажным тейпом. Это важно для того, чтобы во время набивки сухая масса не проникала за слой миканита, так как он должен служить газонепроницаемым слоем на пути к обмазке индуктора. В последнее время чаще футеровку начинают наносить с носика печи, а только потом устанавливают миканит. В этом случае миканит напротив носика не следует перегибать, а рекомендуется оставить вертикально стоящим, чтобы образовалась цилиндрическая поверхность. Таким образом небольшое вероятное движение футеровки в вертикальном направлении не приподнимет футеровку носика и не вызовет трещин в районе стыка сухой и пластичной массы. Если же возникнет шов между стенкой и носиком, который будет хорошо виден сверху, его можно заделать перед плавкой ремонтной массой Capital Caprax D 11. После завершения футеровочных работ оставшийся напротив носика вертикальный участок миканита срезается.

При установке шаблона важно, чтобы центральная ось шаблона совпадала с центральной осью печи. На всей поверхности шаблона должны быть равномерно сделаны отверстия диаметром 2 мм для облегчения удаления влаги.

Не рекомендуется высыпать сухую футеровку в печь непосредственно из мешков во избежание попадания вместе с массой обрывков бумажных мешков. Лучше предварительно высыпать массу на чистый вспомогательный настил, перемешать и удостовериться, в том, что в ней нет остатков упаковки и только затем засыпать в печь

Сухая масса засыпается в печь небольшими партиями и каждый слой тщательно уплотняется. На дне печи массу лучше всего уплотнять с помощью вибратора с плоской насадкой. После уплотнения одного слоя и перед засыпкой следующего на поверхности уплотнённой массы необходимо проделать отверстия с помощью так называемого «трезубца» . Эти действия очень важны, так как препятствуют образованию воздушных пробок и появлению чётких линий стыков слоёв массы. Набивку стенок печи можно производить вручную, но лучше всего уплотнение футеровки происходит с использованием пневматического вращающегося вибратора Capital.

Пневматический вращающийся вибратор Capital

Для набивки воротника печи можно использовать готовую пластичную массу Capital Capram 70. Этой же массой футеруется и носик печи. Очень важно правильно сделать стык сухой массы и пластичной. Вручную размятую массу Capram 70 необходимо распределить по поверхности сухой массы и попытаться вдавить её во внутрь сухой массы, особенно в местах проколов так, чтобы массы смешались между собой прибл. слоем в 20–30 мм. Затем футерование продолжается доверху только пластичной массой Capram 70. Стык двух масс должен располагаться на 20–30 мм выше максимально возможного уровня зеркала расплава в печи при плавке и спекании. После укладки пластичной массы по всей поверхности воротника и краям носика необходимо сделать вертикальные наколы для облегчения удаления влаги.

Пластичная масса Capital Capram 70 также очень хорошо подходит для футеровки ковшей.

К процессу сушки футеровки необходимо относиться с должным вниманием. Для наиболее эффективного удаления влаги из футеровки очень важен постепенный, медленный разогрев печи до температуры 8000С с максимальной скоростью 2000С/ч. Лом или чушка для спекающей плавки должны быть сухими, свободными от ржавчины и грязи. Однако существует метод спекания муллито- и шпинелеобразующих масс, с использованием уже готового расплава металла. В этом случае рекомендуется в начале процесса (с целью защиты дна шаблона) уложить 10-15% чушек или лома, после чего начать постепенный разогрев печи со скоростью 2000С/ч до достижения температуры 8000С. И только затем заливается сразу всё запланированное количество расплава. После завершения спекающей плавки хорошо сразу провести две или три плавки подряд для укрепления футеровки перед её остыванием.

Металлургические явления, возникающие при спекающей плавке

При высокой температуре пары влаги, выделяющиеся из футеровки и металлолома, могут разлагаться на водород (Н) и кислород (О). Маленькие и лёгкие атомы водорода проходят к поверхности расплава, где образуют соединения с воздухом и иногда возникает пламя синего цвета. Кислород, в свою очередь, являясь активным газом, вступает в реакцию с марганцем и кремнием, образуя стекловидный шлак, а также с углеродом, образуя оксид углерода. Оксид углерода устойчив при высоких температурах и свободно проникает сквозь футеровку в её более холодные слои. При охлаждении до температуры ниже 5000С оксид углерода вступает в реакцию с железом или его оксидами с выделением углерода или углекислого газа. Чистый углерод способен осаждаться на обмазке индуктора и проникать в её трещины, вызывая электрическую дугу и другие электрические помехи. Поэтому очень важным является применение при футеровании печи изоляционного миканита, который предотвращает проникновение углерода к обмазке индуктора и далее — к индуктору. Более тщательная сушка футеровочной массы при спекании влияет на уменьшение образования оксида углерода. В состав футеровочной массы входят небольшие количества железа и его оксида, которые, являясь катализаторами начала реакции распада оксида углерода, сами практически не исчезают.

Восстановление кремния, содержащегося в футеровочной массе при проведении спекающей плавки возможно, как при использовании кварцитовых, так и муллитообразующих масс. В обоих случаях реакция протекает одинаково. Углерод, содержащийся в расплаве, вступает в реакцию с оксидом или силикатом кремния, в результате чего в расплав выделяется кремний и оксид углерода. Лучшим способом против растворения кремния является выбор для спекающей плавки лома с достаточно высоким содержанием кремния, выше 1,5%.

Металлургические особенности при плавке

При плавке чугуна необходимо с особым вниманием отнестись к порядку закладки лома. На этапе появления начального расплава содержание кремния в нём не должно быть низким. Обычно на дно кладут чугунные чушки и затем сверху -низкоуглеродистый низколегированный стальной лом. Если в чугунных чушках содержится недостаточное количество кремния, то на них кладут кремнесодержащий лом, а уже только затем стальной. Такой метод даёт уверенность, что содержание кремния в начальном расплаве достаточно, чтобы воспрепятствовать выделению оксида кремния.

Магний попадает в расплав из лома высокопрочного чугуна. Магний и сульфид магния, также как и углерод, вступая в реакцию с оксидом кремния, образуют свободный кремний. Чем больше остаточного магния содержится в ломе высокопрочного чугуна, тем больше опасность выделения кремния из футеровки, что ведёт к неравномерному износу футеровки, так называемой слоновьей ноги. Чтобы этого не произошло лом, содержащий магний нужно добавлять в печь на как можно более поздней стадии.

В последнее время металлолом часто содержит цинк, а его низкая температура плавления 4200С и испарения 9070С создают не только технологические трудности, но и проблемы в области безопасности и охраны труда. Следует учитывать, что цинк легко проникает в трещины футеровки и только слой миканита и обмазка способны стать защитой индуктора. Воспрепятствовать проникновению цинка способна муллитообразующая масса Capital CRL 65, либо кварцитовая масса с высоким содержанием оксида бора. Рекомендуется также не закладывать в печь цинкосодержащий лом до того, как футеровка разогреется докрасна.

Давление пара цинка при температуре 9920С составляет 2 бара, а при 12770С -примерно 20 бар. При высоком содержании цинка и высокой скорости нагрева печи начинается сильное кипение металла, в результате чего брызги летят через края печи, нанося повреждения печи и создавая опасность для обслуживающего персонала (цинковый пар вызывает воспаление и, хотя оно проходящее, вызывает неприятные ощущения). Во избежание вышеуказанной ситуации рекомендуется цинкосодержащий лом положить в пустую печь на чушки, тогда цинк в основной своей массе успеет окислиться ещё до попадания в расплав. Окисленный или перешедший в пар цинк выделяется в виде белой пыли, соответственно, цинкосодержащий лом не следует плавить без эффективной системы вентиляции. Но в любом случае необходимо стремиться препятствовать попаданию цинка в расплав.

Сера появляется в металле из лома или сопровождающих его загрязнений. К примеру, серу содержат многие смазочные масла, которые распадаются при высоких температурах с образованием оксида серы (SО). В свою очередь, оксид серы гидролизуется под воздействием влаги и образует очень едкие пары серной кислоты. Если не использовать изоляционный миканит, то эти пары могут проникнуть к обмазке индуктора и разрушить её. В результате проникновения паров серной кислоты через образовавшиеся трещины свободно проникнет углерод, способный создавать электрические помехи, а в некоторых случаях — электрическую дугу.

Проникновение металла в футеровку

Кислород попадает в расплав металла из влаги, испаряющейся из футеровочной массы или металлолома. Растворённый кислород реагирует не только с углеродом, но и со многими металлами, образуя различные шлаки. Некоторые из них увлажняют футеровку, налипают на её поверхность и проникают внутрь. Кроме того шлаки могут влиять на снижение поверхностного натяжения металла, в результате чего металл проникает в мелкие поры футеровки. Хорошо спечённая масса наилучшим образом отражает проникновение металла, в то время как при плохо спечённой массе или во время процесса спекания поверхность футеровки не столь надёжна. Таким образом, предварительная просушка металлолома имеет большое значение с точки зрения металлургического процесса и охраны труда. Но на практике сушка не всегда возможна, поэтому во время плавки рекомендуется держать печь полностью заполненной ломом.

Учитывая тот факт, что металл также может проникать в футеровку через незаметные мелкие трещины, поэтому холодный запуск должен всегда производиться очень медленно, чтобы имеющиеся трещинки, возникшие в футеровке, успели срастись ещё до появления в печи расплава. Это правило особо важно соблюдать при плавке бронз, содержащих олово или свинец. Рекомендуется перед холодным стартом заделать большие трещины ремонтной массой Capital Caprax D11.

Разница температур в печи

При добавке в расплав печи больших кусков металла, которые всегда остаются на поверхности, совершенно очевидно, что температура расплава в верхней части печи ниже, чем в нижней. Такая же ситуация имеет место, когда верхний уровень зеркала металла находится выше уровня верхнего витка индуктора. С учётом того, что на практике замер температуры расплава производится в верхней части печи, а внизу температура всегда выше, можно ожидать преждевременного износа футеровки в нижней части печи.

Аргоновая продувка во время плавки стали и медных сплавов

Метод продувки аргоном на протяжении всего процесса плавки получил широкое распространение при индукционной плавке стали и медных сплавов. Английская компания Capital Refractories разработала для этого специальную технологию.

Влияние продувки аргоном при плавке стали

Аргоновая продувка сразу выносит на поверхность образовавшиеся частицы шлака, что позволяет содержать футеровку в более чистом состоянии, чем без продувки и тем самым существенно увеличивает срок службы футеровки. Дополнительно продувка оказывает положительное влияние на чистоту стали, поэтому метод получил распространение, как на малые печи точного литья, так и на большие печи.

Зависание металлолома

Предотвратить зависание особенно крупных кусков металлолома в индукционной печи является довольно трудной задачей. Зависание лома приводит к повреждению футеровки и созданию опасных ситуаций. К примеру, температура расплава в печи быстро растёт, так как зависший холодный лом не может попасть в расплав, для его охлаждения. В этой ситуации расплавку зависшего металла может облегчить конструкция печи, позволяющая произвести её наклон при работе на полной мощности.

Зависанием называют ситуацию, когда лом образует неподвижный мост в верхней части печи, не способный попасть в низ печи для охлаждения находящегося там расплава. Воздушная прослойка между расплавом и мостом служит изоляцией. И если вовремя не выключить печь, то возникает эффект «скороварки» с сильным перегревом расплава и футеровки в её нижней части.

Проблему зависания можно решить, наклонив печь под углом в 45, после чего в месте соприкосновения расплава с мостом образуется отверстие, через которое можно добавлять мелкий лом и продолжать плавку в наклонном положении, пока уровень расплава не достигнет моста. Затем печь можно перевести в вертикальное положение.

Влажный металлолом

Всё же самый большой риск в индукционной плавке связан с влажным металлоломом. В брикетированном ломе, пористых чушках, обрезках труб с заглушками может содержаться влага, а зачастую и вода со льдом, который попадает под расплав, не успевая испариться. Вследствие этого металл в печи начинает фонтанировать, что создаёт опасные ситуации для персонала и производства. На конечной стадии загрузки лома, когда в печи уже появился металл и медленного предварительного нагрева лома уже не происходит, необходимо соблюдать осторожность и добавлять только сухой лом. Добавляемые в печь ферросплавы, модификаторы и науглераживатели должны быть также сухими. Это же требование относится и к аппаратуре для замера температуры металла в печи. Важно, чтобы вокруг печи не было посторонних и лишних предметов, которые бы препятствовали в случае необходимости быстрой эвакуации персонала. Вблизи печи должен находиться только минимальный состав персонала в защитной спецодежде.

Аварийный слив металла

В результате падения напряжения могут возникать ситуации, когда необходимо быстро слить металл из печи. Поэтому перед печью всегда должен быть предусмотрен сухой приямок для аварийного слива металла, а также возможность ручного наклона печи для малых печей и гидравлического наклона для больших печей. Рекомендуется время от времени проводить тренинги по аварийному сливу металла, к примеру, в условиях темноты, искусственно создавая ситуацию полного отключения электричества.

В заключение

На сегодняшний день существует ещё довольно много различных модификаций индукционных печей, не имеющих надёжной системы замера тока утечки в землю, хотя эти данные являются существенно важными, так как повышенный показатель утечки говорит о том, что в системе не всё в порядке. Большинство индукционных печей нового поколения автоматически прекратят работу, если значение тока утечки превышает определённое заданное значение мА.

Механизм выталкивания отработанной футеровки печей нового поколения даёт возможность исследования состояния выбитой футеровки. После выбивки толщина неспечённого слоя сухой массы по всей площади должна быть не менее 2 см, а на больших печах и более. Этот факт важен для создания преграды прохождения металла к обмазке индуктора.

Стойкость футеровки при идеальных условиях с использованием масс Capital Refractories можно предсказать. При использовании чистого лома и безошибочного ведения плавки чугуна, меди и бронзы футеровка может простоять более 400 плавок, для стали этот показатель — более 100 плавок. Но так как реальность всё же далека от идеала, на практике замена футеровки происходит несколько чаще. Сигналом к своевременной замене футеровки должно служить уменьшение её толщины на 30–40% от первоначальной. Таким образом, неукоснительно соблюдая технологию проведения футерования печи и ведения плавки, можно избежать преждевременной замены футеровки, а также опасных ситуаций в течение плавки.

Детальная техническая информация и рекомендации по применению футеровочных материалов производителя Capital Refractories Ltd на русском языке находится на сайте www.lux-spb.ru (официальный представитель).

В последнее время на литейных производствах все шире применяются индукционные печи для плавки черных и цветных металлов. Установки индукционного нагрева отлично подходят для небольших металлургических производств и для вторичных литейных цехов.

Главное — вовремя проводить плановые технические осмотры, в том числе производить замену футеровки агрегата. А вот замена футеровки — это отличный вариант организовать доходный бизнес для сервисных организаций по обслуживанию индукционных печей!

Как работает индукционный нагрев.

Индукционный нагрев позволяет бесконтактно нагревать электропроводящие материалы высокой частотой и силы тока.

Для создания электромагнитного поля используется индуктор, представляющий собой многовитковый соленоид. Когда через индуктор пропускают переменный ток, образуется переменное магнитное поле.

Нагреваемый объект находится внутри индуктора. Переменное магнитное поле, воздействуя на нагреваемый объект, наводит в объекте вихревые токи, которые уже и разогревают заготовку.

Если кратко, то тепло выделяется непосредственно в нагреваемом объекте. В результате тепловая энергия используется более рационально и значительно увеличивается скорость нагрева и плавки металла.

Особенности защиты индуктора

Чтобы предотвратить короткие замыкания нагревательные индукторы имеют изоляцию из лакированной ленты из стекловолокна, пластмассы, эпоксидной резины. Для обеспечения дополнительной защитой индуктор покрывают тонким слоем обмазки на основе кварцитов или огнеупорных бетонов.

Для защиты от повреждения расплавом и образования однородной поверхности, по которой тигель может скользить при циклическом нагревании и охлаждении, а также при выдавливании отработанной футеровки используют листовой миканит, горячепрессованный материал на основе слюды и выдерживающий нагрев до 700 С.

Основная защита индуктора — монолитная футеровка из материала высокой огнеупорности и относительно низкой теплоемкости. Футеровки состоят из зернистого материала со специально подобранным распределением зерен по размеру, что обеспечивает относительно простую набивку до состояния сплошного тела с однородной плотностью в пространстве между стальным шаблоном и слоем миканита.

Футеровка разрушается через 50-60 плавок.

Во-первых, из-за экстремального температурного режима: высокой температуры жидкого металла и резких колебаний температуры при нагреве и охлаждении.

Во-вторых, из-за высокой механической нагрузки. Здесь и давление жидкого металла, и воздействие на стенки твердой шихты при загрузке, усилия при повороте печи, и, в конце концов, воздействие металла, движущегося под воздействием электромагнитного поля.

В-третьих, из-за агрессивной химической среды. Во время плавки происходят химические реакции между шлаком, расплавом и самим материалом футеровки.

В результате снижается прочность футеровочной массы, что может привести к авариям на литейном производстве. Поэтому каждая индукционная печь проходит техническое обслуживание, в ходе которого происходит замена футеровочной массы.

Порядок футерования индукционной печи сухой массой

После остановки и остывания печи, начинается демонтаж старой футеровочной массы. 

Работы ведутся в лучших традициях — отбойными молотками, кувалдами и прочими подручными инструментами разрушают старую защитную массу, включая дно индукционной печи.

После выбивки отработанной футеровки внутреннюю поверхность обмазки индуктора и под (дно) печи очищают щётками или пылесосом. По завершении необходимо произвести тщательную проверку состояния поверхности обмазки. Все обнаруженные, даже мелкие, трещинки необходимо сразу заделать ремонтной массой таким образом, чтобы поверхность обмазки индуктора стала гладкой.

Обмазку индуктора нельзя сушить открытым пламенем, так как на её поверхности может остаться угольный налёт, снижающий электроизоляционные свойства обмазки и способный стать причиной электрических помех во время плавки. Если обмазка индуктора установлена правильно, то протечка металла к индуктору практически невозможна.

Следующим этапом является установка изоляционного материала миканита на чистую сухую поверхность обмазки индуктора, начиная от дна печи и заканчивая наверху. В верхней части печи пластины миканита перегибаются через край и закрепляются бумажным малярным скотчем.

Вертикальный шов миканита накладывается внахлёст, оставляя припуск 50–100 мм, и также закрепляется по всей длине бумажным малярным скотчем. Это важно для того, чтобы во время набивки футеровочная масса не проникала за слой миканита, так как он должен служить газонепроницаемым слоем на пути к обмазке индуктора. 

В последнее время чаще футеровку начинают наносить с носика печи, а только потом устанавливают миканит. В этом случае миканит напротив носика не следует перегибать, а рекомендуется оставить вертикально стоящим, чтобы образовалась цилиндрическая поверхность. Таким образом небольшое вероятное движение футеровки в вертикальном направлении не приподнимет футеровку носика и не вызовет трещин в районе стыка сухой и пластичной массы. После завершения футеровочных работ оставшийся напротив носика вертикальный участок миканита срезается.

Традиционная технология футеровки основана на ручном труде с использованием пневматических трамбовок.

В первую очередь формируется дно. Первый слой футеровочной массы равномерно распределяют по днищу и начинают уплотнять ручными или пневматическими трамбовками. Перед нанесением следующего слоя, в первом слое прокалывают стандартные отверстия диаметром 20-30 мм. Эти отверстия обеспечат монолитность конструкции при нанесении последующего слоя футеровочной массы. Общая толщина дна составляет 100-130 мм. Футеровочная масса считается готовой, когда трамбовка начинает отскакивать от поверхности.

После подготовки дна, начинается формирование вертикальных стен. В тело печи опускается металлический шаблон, равномерно отстоящий от боковых стенок на 20-30 мм. При установке шаблона важно, чтобы центральная ось шаблона совпадала с центральной осью печи. На всей поверхности шаблона должны быть равномерно сделаны отверстия диаметром 2 мм для облегчения удаления влаги.

Не рекомендуется высыпать сухую футеровку в печь непосредственно из мешков во избежание попадания вместе с массой обрывков бумажных мешков. Лучше предварительно высыпать массу на чистый вспомогательный настил, перемешать и удостовериться, в том, что в ней нет остатков упаковки и только затем засыпать в печь

В пустоты послойно начинают засыпать футеровочную массу с промежуточным уплотнением. Так слой за слоем формируется защитная футеровка. В конечном итоге образуется плотный «стакан» из футеровочной массы с металлическим шаблоном внутри. Дальше производится технологическая плавка, во время которой материал футеровки сплавляется в сплошной монолит, шаблон выплавляется, и индукционная печь готова к работе.

Вкалывает техника, счастлив человек!

Использование тяжелого ручного труда нанесения футеровочной массы, как правило, негативно сказывается на конечном качестве и увеличивает время простоя индукционное печи.

Сегодня на рынке появилось оборудование, позволяющее полностью механизировать трамбовку футеровочной массы, как при формировании дна, так и для вертикальных стен.

Комплект оборудования позволяет специалистам сервисной организации произвести цикл по замене футеровки индукционной печи качественно и в кратчайшие сроки.

Набивка футеровки.

Как уже стало понятно, трамбовку футеровочной массы можно производить пневматическим виброинструментом.

Засыпав на дно индукционной печи необходимый объем футеровочной массы, опускаем на кран-балке пневматический вибратор и уплотняем дно.

Далее устанавливаем металлический стакан, и начинаем засыпать футеровочную массу для формирования вертикальных стенок.

Теперь в дело идет пневматический вибратор с тремя головками для боковой набивки футеровки. Вибрирующие головки, поворачиваясь вокруг оси и опускаясь на лебедке вниз, равномерно бьют по стенке металлического шаблона, который в данном случае выступает в качестве «усилителя» вибраций. Таким образом, футеровочная масса уплотняется равномерно и качественно, в сранении с использованием ручной пневматической трамбовки.

Кислая футеровка индукционной сталеплавильной печи.

Немного теории:

Термодинамическую вероятность протекания химической реакции между кремнеземом SiO2 и элементами, входящими в состав жидкого металла и шлака, можно оценить по величине термодинамического (изобарного) потенциала образования окислов (сродства к кислороду):

Ряд выглядит следующим образом:

Cu₂O NiO Fe₂O₃ Cr₂O₃ MnO SiO₂ TiO₂ Al₂O₃ MgO CaO

Металлы, расположенные справа от SiO₂, способны отбирать кислород у оксида кремния, восстанавливая его по реакции:

SiO₂+2Me → 2MeO + Si (1)

При плавке высокомарганцовистых сталей реакция по восстановлению кремния принимает следующий вид:

SiO₂+2Mn ↔ 2MnO + Si (2)

И с повышением температуры расплава смещается в сторону восстановления кремния.

При высоких температурах окисление кремния замедляется, и идет реакция, при которой углерод из расплава восстанавливает кремний из кварца футеровки. При этом выделяется газообразная окись углерода:

SiO₂+2C→2Si+2CO (3)

Такой эффект проявляется в образовании пузырьков около стенок. Реакция протекает со скоростью, возрастающей с ростом температуры.

Ориентировочно по степени агрессивности черные металлы можно расположить в нижеследующем порядке.

Чугун – 0,6 (индекс агрессивности)

Углеродистая сталь 1,4-1,5%С – 0,9

Углеродистая сталь 0,8%С – 1,0

Хромистая сталь – 1,2

Быстрорежущая сталь – 1,7÷2,5

Высоколегированные стали – 2÷3

Жаропрочные стали – 3÷4

При плавке высокомарганцевых сталей стойкость кислой футеровки также очень низка.

Что же касается цветных сплавов, то из приведенных данных следует, например, что алюминий можно плавить в тиглях из оксидов магния и алюминия. Кислая футеровка будет восстанавливаться алюминием и его сплавами, поэтому кварцит не может быть применен в индукционных печах для плавки алюминиевых сплавов. Плавка медных сплавов в печи с кислой футеровкой не представляет сложностей и широко используется в литейном производстве.

Кислую футеровку обычно применяют для плавки чугуна, углеродистых, кремнистых и других сталей с перегревом металла до температуры 1450-1550 °C. Однако кислая футеровка не может быть использована при выплавке многих марок качественных сталей и сплавов, в которых строго лимитируется содержание углерода, кремния, фосфора, серы, неметаллических включений. Выгорание этих примесей значительно быстрее происходит в основной футеровке. Оксид кальция (известь), добавляемый для рафинирования стали от кремния, серы и фосфора, взаимодействует с кислой футеровкой и, не успевая соединиться с серой и фосфором металла, уходит в шлак. Кремний же частично переходит из материала кислой футеровки в сталь. Жаропрочные и тугоплавкие сплавы опасно плавить в печах с кислой футеровкой еще и потому, что температура плавления и перегрева этих металлов близка к температуре плавления кварцитов.

При применении кислой футеровки в шлак нельзя добавлять плавиковый шпат CaF2 и буру Na2B407, так как в этом случае стойкость футеровки резко падает (до 2-3 плавок).

Однако в литейных цехах для футеровки тигельных индукционных печей чаще применяют кислую футеровку.

Даю рекомендации по выбору состава футеровки для плавки чугуна и стали в индукционных печах с массой садки от 160 кг до 1 тонны.

1. Для чугуна марок СЧ-15, СЧ-20 состав футеровки следующий:

Первоуральский кварцит (ПКМИ) – 97,5%

Борная кислота – 1,5%

Для печей с массой садки до 400 кг ПКМИ-1, ПКМИ-3 (с бОльшим содержанием мелкой фракции)

Для печей с массой садки от 400кг до 1,0 тонны ПКМИ-2 (с бОльшим содержанием крупной фракции).

Марки, химический и фракционный состав кварцитов указываются производителем.

При замене борной кислоты на борный ангидрид его количество составит 1%.

2. Для углеродистых, инструментальных, низколегированных сталей

Первоуральский кварцит (ПКМИ) – 89%

Кварц пылевидный марки А (маршалит) – 10%

Борная кислота – 1,5%

Выбор кварцитов по фракционному составу так же, как в первом случае: для печей большей емкости количество крупной фракции в огнеупоре увеличивать. При замене борной кислоты на борный ангидрид его количество равно 1%.

Марки готовых кислых футеровок фирмы FINMIX рассматривать не буду, поскольку на сайтах представительств этой фирмы в странах СНГ подробно дано описание каждой марки и назначение.

Ну и состав выравнивающей обмазки, наносимой на индуктор печи

В принципе ничем не отличается от состава и технологии нанесения для основной печи, которые я давала раньше:

Порошок молотого шамота (ПШКА, ПШКБ фракция 0 –3 мм) — 75%

Высокоглиноземистый цемент (ВГЦ) – 25%

Вода (сверх 100%) – 10-20%

Или вместо порошка молотого шамота берут кварцит тех же фракций.

Технология: шамот и цемент смешиваются, затем добавляется вода до получения пластичной массы. После обмазки индуктора и выдержки под влажной мешковиной в течение 24 часов, сушится на воздухе еще 24 часа.

Рекомендуется выполнять и металлостойкую обмазку:

после высыхания цементной выравнивающей обмазки приклеивают асбестовую ткань с помощью клея, состоящего из порошка плавленого периклаза и полифосфата натрия (так, как это выполняется для основных печей). Но на практике этой обмазкой пренебрегают в виду того, что для этой обмазки требуется дорогой периклазовый (магнезитовый) порошок. Кроме того, кислая футеровка обладает тем положительным свойством, что не склонна к трещинообразованию на тигле при термосменах, в отличие от основной футеровки, и вероятность пробоя металла на индуктор невысокая.

После оформления обмазки индуктора на ее внутреннюю часть приклеивается асбестовый картон (на жидкое стекло) и печь футеруется.

Я благодарю чипмейкеров us-016, Alter Ego, pepelacelit, которые вдохновили меня на создание этой темы. Я постараюсь в будущем не обходить ее вниманием и продолжу выкладывать информацию по этой теме.

Футеровка индукционной печи обеспечивает её продолжительную и эффективную работу. В зависимости от свойств металла, который плавят в печи и характеристик процесса плавки, выбирают различные материалы. В этой статье мы подробно рассмотрим основные, кислые и нейтральные футеровки, их особенности и применение. Каждый тип футеровки имеет свои свойства, характеристики и предназначен для использования в определённых условиях. Правильный выбор футеровки может значительно повысить производительность и продолжительность работы индукционной печи.

Индукционные печи в литейном производстве

Основное применение индукционных печей в литейном производстве – это расплавление различных металлов и сплавов до температуры заливки форм. Нагрев в этих устройствах осуществляется за счёт воздействия на металл электромагнитного поля. Индукционные печи обеспечивают быстрый и контролируемый нагрев материала, при этом точно контролируя температуру.

Одно из основных преимуществ индукционных печей – это их энергоэффективность. Печь непосредственно нагревает металл, минимизируя тепловые потери. Это делает индукционный способ плавки гораздо более эффективным по сравнению с традиционными методами нагрева.

Картинка с сайта: www.sltgroup.ru

Кроме того, индукционные печи обеспечивают более равномерный нагрев по поверхности и в толще шихты, что ведёт к более высокому качеству получаемого расплава.

И ещё это наиболее безопасный способ получения расплава – они не производят открытого пламени и не требуют использования горючих газов, что уменьшает риск возгорания и взрыва.

Какую футеровку использовать

Правильный выбор футеровочных материалов для индукционных печей – это важный аспект, который определяет эффективность и продолжительность их работы. Существует несколько факторов, которые следует учитывать при выборе этих материалов.

1. Термическая стабильность
Футеровочные материалы должны обладать хорошей термической стабильностью, чтобы выдерживать высокие температуры, до которых происходит нагрев.

2. Химическая устойчивость
Материалы должны быть устойчивы к химическому воздействию металлов и сплавов, которые плавятся в печи.

3. Механическая прочность
Футеровка должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать механические нагрузки во время работы печи.

4. Экономичность
Стоимость также играет важную роль. Необходимо выбирать такие материалы, которые обеспечивают оптимальное соотношение цены и качества.

5. Экологичность
Материалы должны быть экологически безопасными и не вредить окружающей среде при использовании и утилизации.

6. Долговечность
Желательно, чтобы футеровочные материалы служили как можно дольше, чтобы избежать частых замен и связанных с этим затрат.

Особенности и применение различных типов футеровок

В зависимости от характеристик процесса плавки и свойств расплава, для индукционных печей выбирают набивные (или футеровочные) массы различного химического состава: основные, кислые и нейтральные.

1. Основные футеровки

Основные футеровки для индукционных печей представляют собой материалы, которые обладают высокой устойчивостью к химическому воздействию и температурным перепадам. Они используются в случаях, когда процесс плавки сопровождается выделением большого количества кислот и других агрессивных веществ. Применяются при плавке стали и ферросплавов.

Основные футеровки содержат не менее 20 % магнезита, характеризуются высокой огнеупорностью и устойчивостью к воздействию щелочей, но при этом они подвержены коррозии кислотами.

Основные футеровки обеспечивают долгий срок службы печи и высокую эффективность процесса плавки. Они также способствуют уменьшению потерь энергии, что делает их экономически выгодным выбором.

Однако важно учесть, что основные футеровки требуют особого подхода при установке и эксплуатации, так как они могут реагировать с некоторыми типами металла.

И кроме того, стойкость таких футеровок снижается при перепадах температур. Поэтому их рекомендуется применять при непрерывном режиме работы. В противном случае, необходимо оставлять болото и держать его в режиме подогрева, а это приводит к перерасходу электроэнергии.

Картинка с сайта: www.sltgroup.ru

2. Кислые футеровки

Эти футеровки изготавливаются из материалов с высоким содержанием кремнезёма, таких как кварцевый песок или огнеупорный глинозём. Кислые футеровки обладают хорошей термической стабильностью, устойчивостью к химической коррозии и высокой устойчивостью к кислотам. Они используются в случаях, когда процесс плавки сопровождается выделением большого количества кислотных соединений.

Применяются при плавке чугуна, низколегированных и углеродистых сталей.

Основным компонентом кислых футеровок является кремнезём – не менее 90 %. Он обладает высокой огнеупорностью и устойчивостью к воздействию кислот. Кроме того, кремнезём не вступает в реакцию с большинством металлов, что позволяет использовать кислые футеровки при плавке различных сплавов.

Кислые футеровки на практике применяются чаще всего. Это объясняется их невысокой стоимостью, доступностью материалов, стабильной и достаточно долгой службой такого тигля. 

Однако кислые футеровки имеют и свои недостатки. Они неустойчивы к воздействию щелочей и могут разрушаться под их влиянием. Кроме того, при высоких температурах кремнезём может реагировать с некоторыми металлами, что приводит к образованию шлака и снижает эффективность процесса плавки.

3. Нейтральные футеровки

Нейтральные футеровки изготавливаются из материалов, которые не вступают в химическую реакцию с расплавленным металлом или шлаком. Содержат большое количество глинозёма – более 75 % и обладают высокой термической стабильностью и химической устойчивостью. Нейтральные футеровки обычно используются при плавке нержавеющей стали и цветных металлов.

Нейтральные футеровки для индукционных печей представляют собой материалы, которые обладают устойчивостью как к кислотам, так и к щелочам. Они используются в случаях, когда процесс плавки сопровождается выделением различных химически активных соединений.

Использование нейтральной футеровки даёт возможность плавить в одном тигле стали разного состава.

Хочется подчеркнуть, что выбор правильного типа футеровки играет решающую роль в эффективности работы печи и продолжительности её службы. Каждый вариант материала футеровочной массы имеет свои определённые свойства и применяется в зависимости от характеристик технологического процесса и нужного результата.

Компания СЛТ предлагает свои услуги по выполнению футеровочных работ для чёрной и цветной металлургии. Мы используем только современные и высококачественные футеровочные материалы, а также самостоятельно подбираем сырьё и технологию в каждом конкретном случае. На все виды футеровочных работ мы предоставляем гарантию.

Если у вас возникли вопросы по футеровке индукционных печей, наш менеджер с удовольствием ответит на них. Мы всегда готовы помочь вам выбрать оптимальный вариант футеровки, обеспечивающий максимальную производительность и долговечность вашей печи.