CC BY
371
ИЗ ПЕРВОУРАЛЬСКОГО КВАРЦИТА И ПРАКТИКА ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ
А.С. Завёрткин
Институт геологии Карельского научного центра РАН, Петрозаводск, Россия Аннотация
Рассмотрены факторы, увеличивающие продолжительность службы футеровки тигельных индукционных печей. Приведены результаты лабораторных исследований, промышленных испытаний кварцитов первоуральского месторождения. Исследовано влияние примесей в кварцитах на износоустойчивость футеровки тигельных индукционных печей.
Ключевые слова:
первоуральские кварциты, футеровочная масса, индукционная печь, связующая и спекающая добавка, борная кислота.
USING THE PERVOURALSK QUARTZITE TO DEVELOP THE COMPOSITION FOR INDUCTION CRUCIBLE FURNACES LINENS AND PRACTICE OF ITS USING
A.S. Zavertkin
Institute of Geology of the Karelian Research Centre of the RAS, Petrozavodsk, Russia Abstract
The factors upgrading the service life of the induction crucible furnaces linens have been considered. The results of both the laboratory study and the industrial tests are given for the Pervouralsk quartzite minefield. The influence of impurity content on the linen wear resistance of crucible induction furnaces has been investigated.
Keywords:
Pervouralsk quartzite, refraktory mixture, induction furnace, bonding and sintering addition, boracic acid.
В настоящее время в нашей стране и за рубежом для футеровки индукционных печей широко применяются кислые футеровочные массы.
В качестве наполнителя футеровки при плавке стали и цветных сплавов на основе меди кроме кислых футеровок применяют обожженный кианит, корунд, магнезит, силикаты алюминия и магния, цирконсодержащие материалы. Для этой цели могут применяться массы муллитового, муллитокварцевого, форстеритового и шпинельного состава.
С точки зрения устойчивости к колебаниям температуры кварцитная футеровка значительно уступает карборундовой, муллитовой, корундовой, цирконовой и шамотной футеровкам, но на практике в нашей стране и за рубежом нашла более широкое применение, чем футеровки другого типа.
Отечественные приготовленные в основном из первоуральского кварцита футеровочные массы, поставляются потребителям без связующей добавки.
Кварцитные массы широко применяются при изготовлении так называемых набивных футеровок как в печах со стальным сердечником, так и в печах без сердечника (открытых тигельных печах).
Кислая футеровка тигля чаще всего готовится из кварцитных порошков, кварцевого песка или щамота -огнеупорные материалы системы SiO2 - AI2O3. На одном полюсе этой системы находится кремнезем, а на другом - корунд в естественном виде, содержащий 95-98% Al2O3. Средними между ними являются шамоты (кислые, полукислые и основные в зависимости от содержания в них количества глинозема).
Футеровка тигля постоянно подвергается большим температурным перегрузкам, происходящим при сливе металла из печи с последующей загрузкой в печь холодной шихты. Эти явления происходят постоянно при малой толщине стенок тигля.
Физико-химические свойства кварцитных масс зависят от степени реагирования их с металлом, шлаком и газами. Прежде всего, эти свойства зависят от применяемого природного сырья (цементные или кристаллические кварциты), содержания кремнезема в исходном минеральном сырье, его текстуры, содержания вредных примесей, качества подготовки футеровочной массы по зерновому составу и выбору спекающей добавки.
При спекании рост зерен кварцита компенсирует усадку, создавая плотный слой, который препятствует проникновению реагентов плавки внутрь черепка футеровки тигля.
При выборе кварцитного сырья необходимо учитывать его способность переносить без разрушения резкие температурные колебания, которым подвергается футеровка тигля в процессе службы.
Известно, что первоуральский кварцит с месторождения «Гора Караульная» широко применяется при производстве динаса и набивных футеровочных масс для отечественных и зарубежных индукционных тигельных печей.
Тем не менее проблемы, возникающие при его применении, приводят к тому, что отечественные предприятия автомобильной промышленности вынуждены завозить кварцитные массы из Швеции и Финляндии.
532
В ряде стран (Германия, США, Япония) были проведены исследования по применению местного кварцитного сырья с целью отказа от получения футеровочных масс по импорту и поставке своей продукции другим странам, в том числе и Российской Федерации.
В Г ермании были проведены исследования немецкого кварцита месторождения Г росскорбетта. Кварцит применяли с добавкой борной кислоты или глины. Введением добавки исследователи стремились обеспечить достаточное спекание рабочего слоя футеровки тигля без существенного снижения его огнеупорности [1]
В исследовании [2] для плавки бескремнистого чугуна тигель вместимостью 8 т печи промышленной частоты футеруют кварцитной массой фракции от 0.до 3.0 мм. Перед использованием кварцитный порошок сушат при 140-1500С в течение 10 ч. После сушки его смешивают с борной кислотой, вводя 1.9% ее для нижней и средней части тигля, 2.4% - для верхней. При определении количества спекающей добавки в крупнозернистой и мелкозернистой части футеровочной массы было установлено, что оно составило 0.3 и 1.5 мас. % соответственно. Однако зависимость стойкости футеровки от содержания количества связующего не была установлена.
В литературных и практических разработках отсутствуют в достаточной степени данные, показывающие зависимость основных технических свойств (износоустойчивости) футеровки от состава огнеупорной массы.
Методика исследования
Зерновой состав футеровочных масс был подобран в соответствии с рекомендациями И.С.Кайнарского. Футеровочную массу для прессования готовили влажным способом. Смешивание производили на бегунах лабораторного типа модели 018 в течение 5 мин, прессование образцов выполняли на гидравлическом прессе ПГ -100. Образцы обжигали в печах с силлитовыми нагревателями в атмосфере воздуха при 1000, 1200, 1350 и 14500С с 2- и 4часовой выдержкой при максимальной температуре, температуру измеряли платино-платинородиевой термопарой.
Фазовые и структурные соотношения изучали с помощью микроскопа МИН-8. Определяли в образцах футеровочных масс после обжига и эксплуатации содержание кварца, кристобалита и тридимита. Сравнение и расчет содержания отдельных фаз проводили в сопоставлении с эталонными образцами кварца, кристобалита и тридимита. Рентгенограммы снимали на дифрактометре ДРОН-3М при Cu-, Ка-излучении. В качестве внутреннего эталона использовали алюминий. Определение дополнительного расширения образцов производили на приборе ДУ-6 при непрерывном наблюдении за показаниями прибора.
На основании полученных данных корректировали температуру обжига футеровки и количество связующей добавки. Количество связующего было установлено в пределах 1.0-1.5 мас. % для футеровочной массы пода и стен тигля, 2.1-2.4 мас. % для верхней части печи (первоуральский кварцит).
Нами опытным путем было выбрано количество спекающей добавки к первоуральскому, карельскому и шведскому кварцитам [3]. Шведский кварцит применялся в качестве эталонного образца для сравнительного исследования свойств получаемой футеровки. Образцы футеровки из различных кварцитов пропитывали металлом и шлаком в лабораторных условиях с целью установки оптимального количества спекающей добавки к кварциту различного зернового состава. Футеровочной массе из первоуральского кварцита с величиной зерна от 0 до 2.0 мм оптимальным следует считать содержание борной кислоты - от 2.0 до 2.5%, а для состава с величиной зерна от 0 до 4.0 мм - 1.0-1.5% связующего. Взаимодействие образцов с металлом и шлаком проводили при обжиге образцов при температуре 1350, 1400 и 14500С с изотермической выдержкой в течение 2
ч. В результате исследования было установлено, что, начиная с приведенного выше количества связующего, зона пропитки металлом и шлаком образцов, приготовленных из исследуемых футеровочных масс, заметно снижалась. Необходимо отметить, что в кварцитные массы, приготовленные из кварцитов других месторождений, потребуется, очевидно, вводить другое количество связующего вследствие различия в составе примесей, что подтверждается результатами исследования, приведенного в работах [2, 4].
В результате лабораторных исследований и многолетнего (с 1970 г.) практического использования первоуральского кварцита в футеровке индукционных тигельных печей различной вместимости и выплавке чугуна и сплавов на медной основе на заводе «Тяжбуммаш» (г.Петрозаводск) нами было установлено, что износоустойчивость футеровочных материалов зависит прежде всего от качества сырья, технологии их приготовления, выполнения технологического процесса футеровки, сушки, обжига и эксплуатации футеровки тигля, своевременного и качественного выполнения промежуточных ремонтов футеровки и соблюдения температурного режима плавки. Рациональный зерновой и вещественный состав футеровочной массы, наряду с выше приведенными факторами, определяют не только стойкость футеровки тигля, но и способствуют повышению производительности, улучшению экономичности работы печи и качества выплавляемого металла.
При лабораторных исследованиях футеровочной массы из первоуральского кварцита нами было установлено, что 1-2% добавки борной кислоты обеспечивают спекание кварцитной массы, что согласуется с результатами ранее проведенных исследований [5]. При проведении испытания футеровочных масс из первоуральского и шведского кварцита с добавкой 1% борной кислоты были получены следующие результаты соответственно: огнеупорность 1750 и 17600С; плотность 2.517 и 2.455 г/см3; кажущаяся плотность 1.85 и 1.88 г/см3; открытая пористость 22.21 и 21.82 %; предел прочности при сжатии 14.5 и 22.3 МПа; линейный рост (14500С, 2 ч) 1.25 и 1.1%; температура деформации под нагрузкой 0.2 МПа (начало размягчения) 1470 и 14600С; 4%-го сжатия 1520 и 15300С; 40%-го сжатия1560 и 15700С.
533
Одной из причин быстрого выхода из строя футеровки тигля следует считать износ ее от скалывания и шелушения (эрозия под воздействием движущегося металла и шлака), возникающий под действием электромагнитных сил в плавильном пространстве печи.
Процессы разрушения футеровки усиливаются под действием термоциклирования.
При всем разнообразии механизма износа футеровки индукционных тигельных печей при плавке чугуна, стали и цветных сплавов на медной основе шелушение (скалывание) частиц, эрозия рабочего слоя тигля во многом обусловливаются взаимодействием футеровки с металлом и шлаком, определяет глубину пропитки шлаком стенки тигля и количество накопленной футеровочным материалом жидкой фазы.
Шелушение и скалывание происходят по причине различия в температурных коэффициентах расширения пропитанных металлом и шлаком и неизменных зон футеровки тигля или модификационных (полиморфных) переходов инфильтрата, проходящих с увеличением объема.
Скорость эрозионного износа футеровки в значительной мере определяется степенью изменения структуры материала, прилегающего к рабочей поверхности тигля, происходящих вследствие увеличения количества жидкой фазы, а также глубиной распространения этих изменений, ухудшающих механические свойства материала футеровки. Изучение картины износа футеровки тигля из первоуральского кварцита после выплавки чугуна и стали в индукционной печи ОКБ-281 на заводе «Тяжбуммаш» (г. Петрозаводск) показало, что износ тигля наиболее интенсивно происходит в шлаковом поясе печи. Испытания футеровочной массы из первоуральского кварцита помимо выплавки чугуна проводили в индукционных печах цветнолитейного цеха петрозаводского завода «Тяжбуммаш». Испытания показали, что при выплавке бронзы (БрОЦ10-2, БрАЖ-9-4л, БрОЦС-5-5-5) и латуни (ЛК80 3л) в печи ИЛТ-1 вместимостью 1 т стойкости опытной футеровки из карельского кварцита Шокшинского месторождения составила 117 плавок [6], а футеровки из первоуральского кварцита от 90 до112 плавок за кампанию.
Вредное воздействие на футеровку может оказывать слюда в количестве, превышающем 0.5%, снижая огнеупорные свойства. При подготовке футеровочной массы включения слюды переходят в мелкие фракции кварцитного порошка, вызывая их спекание. Слюда и полевые шпаты - природные примеси, вызывающие разрушение футеровки. Выделение паров воды при дегидратации слюды, разложение газово-жидкостных включений в кварцитных массах и возникновение термических ударов при полном охлаждении тигля существенно влияют на стойкость футеровки. Во время эксплуатации футеровки кварц в контактной с металлом и шлаком зоне футеровки переходит в стабильные модификации кварца, тридимита и кристобалита, объемное расширение которых заканчивается до появления жидкого металла и шлака в печи, а образовавшиеся трещины в футеровке при этих превращениях исчезают («завариваются»).
Таким образом, футеровка из первоуральского кварцита противостоит проникающему действию расплавленного металла и его шлака и является довольно инертной к их химическому воздействию. При выплавке чугуна и цветных сплавов на медной основе футеровка из первоуральского кварцита обладает хорошей огнеупорностью, недорого стоит, поэтому находит широкое применение в России и за рубежом.
Первоуральский кварцит выгодно отличаются от основных и неитральных футеровочных масс своей низкой стоимостью, сравнительно высокой огнеупорностью и высокой температурой деформации под нагрузкой - 0.2 Н/мм2.
В процессе эксперимента установлено, что стойкими в службе из исследованных составов являются те, у которых соотношение SiO2 и Al2O3 близки к эвтектическим. Лучшие результаты по стойкости футеровки были получены в составах с большим содержанием SiO2. У масс с высокой стойкостью содержание SiO2 в тонкозернистой части было на 10% выше, чем у других менее стойких смесей, а содержание Fe2O3 у износоустойчивых составов также было выше на 0.3-0.4%.
Литература
1. Rasch R. Quarzit in Induktionsoffenstampfmassen // Giesserei. 1961, Bd. 48, Nr. 16. S. 457-461.
2. Narkort D., Rasch R. Die eхperimenteПe Bemessung des Sintermittels bei Stampfmasse fur Induktionsofen // Giesserei. 1961. Bd. 48, Nr.26. S. 770-773.
3. Заверткин А.С. Исследование факторов стойкости кислой набивной футеровки индукционных печей при плавке чугуна: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1972. 21 с.
4. Gerstmann O. Induktionsofenstampfgemische auf Quarzitbasis // Giessereitechnik. 1964. Bd. 10, Nr. 6. S. 171-176.
5. Кайбичева М.Н. Сравнительные исследования свойств отечественных и шведских кварцитных масс для индукционных печей // Тр. ВостИО. 1970. Вып. 10. С. 199-205.
6. Заверткин А.С. Разработка футеровки из карельских кварцитов для индукционных тигельных печей // Новые огнеупоры. 2009. № 12. С. 3-9.
Сведения об авторе
Завёрткин Александр Сергеевич,
к.т.н., Институт геологии КарНЦ РАН, г. Петрозаводск, Россия, zavr@mail.ru Zavertkin Aleksandr Sergeevich,
PhD (Engineering), Institute of Geology of the Karelian Research Centre of the RAS, Petrozavodsk, Russia, zavr@mail.ru
534
