Электроплавка огнеупоров

Электроплавка огнеупоров. 

 В технологии огнеупоров особое место занимают плавление материалы. В промышленности плавленые огнеупорные материалы применяют в форме изделий, получаемых литьем из расплава, и в виде зернистого продукта, приготовленного дроблением и помолом расплавленных материалов. Отличительной особенностью плавленолитых огнеупоров являются их высокие плотность, закрытая пористость (4-6%) и коррозионная стойкость. Зернистый плавленый материал служит исходным сырьем для изготовления огнеупоров. Несмотря на больше затраты энергии на плавку, применение плавленых материалов оказывается в ряде случаев экономически выгодным.

  Условием  получения качественных электроплавленых  огнеупоров является высокая  однородность исходной шихты  с минимальным отклонением по химическому составу. Выбор состава шихты предопределяется условиями службы огнеупоров и технологическими процессом его производства. 

Физико-химические   основы процесса плавки и литья 

  Влияние вязкости расплава. Вязкость образующегося расплава оказывает существенное влияние на технологию плавки.

  Расплавы  с низкой вязкостью (0,3-0,7 Па*с)  допускают отливку их в формы  (плавка на выпуск). Расплавы с  высоким содержанием SiO₂ и расплавы некоторых оксидов (MgO, CaO, ZrO₂ и др.) весьма вязки и не позволяют разливать их в формы. Такие расплавы охлаждают непосредственно в печи (плавка на блок). Попытка повысить температуру выше линии ликвидус в целях снижения вязкости расплава не достигает цели, т.к. вызывает с начала повышение упругости паров компонентов расплава и испарение, а затем и кипение расплава. Даже при температуре кипения вязкость остается высокой.

    В ряде случаев изделия из высоковязких расплавов (например, кварцевого стекла) получают методом формования расплава в металлической пресс-форме. Значения вязкости расплавов некоторых оксидов при Т_пл приведены ниже

 

   
 

  Зависимость вязкости   η от температуры описывает уравнение Аррениуса - Френкеля - Эйринга (АЭФ)  

η =A exp (E_η /RT),                                                                                                                                (1.118)  

  где Еη - энергия активации вязкого течения; она включает в себя энергию барьера, необходимую для перескока частиц из одного положения в другое, и энергию разрушения структурных единиц полимерной природы. В системе Аl₂О₃-SiО₂ вязкость расплава при температуре 2100^о С возрастает с 0,046 для исходного глинозема до 0,096 Па·с при содержании 30 % SiО₂ в расплаве.

  Вязкость  алюмосиликатных расплавов значительно  понижается под влиянием примесей Na20, К2О, MgO, СаО, FeO, Fе2О3 и др., действие которых связано с дроблением сложных комплексных анионов =Si-О-Si= и заменой дисилоксановой связи на связи =Si-O-Me.

  Восстановительные реакции имеют существенное значение в процессе плавки. Восстановителем является в основном углерод угольных электродов и СО или специально вводимые в состав шихты углеродсодержащие материалы.

  В процессе плавки идет частичное восстановление оксидов SiО₂, MgO, Аl₂О₃ и др. с образованием летучих соединений, например SiO, свободных металлов (Mg, Al), и образованием карбидов (Аl₄С₃, SiC). Эти процессы приводят к повышенному расходу электроэнергии на плавку, науглероживанию огнеупоров и снижению их эксплуатационных свойств.

  В силикатных расплавах, содержащих оксиды железа, образуется ферросилиций  

2SiO₂ + Fe₂O₃ + 7С → 2FeSi + 7СО. 

  Плотность жидкого ферросилиция и других ферросплавов значительно больше плотности некоторых расплавленных огнеупоров и в процессе плавки они оседают на дно печи.

  Режим плавки - окислительный или восстановительный - устанавливают технологическими параметрами: падением напряжения на дуге, плавкой с открытой дугой или погружением электродов в расплав. Наибольшего окислительного эффекта достигают при плавке с открытой дугой полыми электродами, которые обеспечивают устойчивое горение дуги и удаление углеродсодержащих газов из печного пространства по внутренней полости электрода, а также введением специальных добавок-окислителей (пероксидов, оксихлоридов, гидратов) и обработкой поверхности расплава в печи газовоздушной смесью (кислородом или сухим воздухом).

  Образование кристаллических зародышей и  центров кристаллизации. В производстве плавленолитых огнеупоров наиболее важным и сложным является управление процессом кристаллизации отливки. Плавленые огнеупоры должны быть полностью закристаллизованы с минимальным содержанием стекловидной фазы (5-15 %).

  Процесс образования зародышей рассматривают как гомогенный или как гетерогенный процесс с участием «затравки». Кристаллизация огнеупорных расплавов происходит в гетерогенном режиме. Роль «затравки» выполняют механические частицы непроплавленной шихты или структурные группы в расплаве, которые обуславливают микроликвацию.

  Рост кристаллов из расплава. Термодинамически движущей силой роста кристаллов является убыль свободной энергии при переходе тела из жидкого состояния в твердое. Процесс роста кристаллов идет в диффузионном режиме. Кроме диффузионного механизма роста возможен рост кристалла и другими путями, например, адсорбцией.

  Скорость  роста зависит от ряда факторов (отвода теплоты, вязкости расплава и др.). Зависимость скорости роста кристаллов от отвода теплоты выражается формулой  

υ = Аλ_тв∆Т/(∆Н_нрδ),                                                                                                                        (1.119)

                                       

   где λ_тв - теплопроводность твердой фазы; ∆Т - градиент температур в кристаллизующейся отливке; ∆Н_нр- теплота кристаллизации на единицу объема; δ - толщина насыщенного слоя на границе с кристаллом; А – константа.

     Одним из условий снижения пористости и раковитости является медленная кристаллизация, но при этом получается крупнокристаллическая отливка и образование зональности.

  С повышением степени переохлаждения ∆T скорость роста кристаллов должна была бы непрерывно увеличиваться, но понижение температуры вызывает повышение вязкости, а так как вязкость η обратно пропорциональна температуре, то линейная скорость кристаллизации также обратно пропорциональна вязкости расплава. Для силикатных расплавов эта зависимость  

   υ = К/ η + К_о tg η,                                                                                                (1.120) 

где К и К_о - константы.

  Поэтому в расплавах эвтектического состава, отличающихся повышенной вязкостью при Т_пл, кристаллы растут медленно. Расплав муллитового состава кристаллизуется медленнее, чем расплав корундового состава, который менее вязок при температуре плавления.

   Размеры, форма кристаллов и полнота кристаллизации расплава. Перед выпуском расплав перегревают на 100^о выше точки плавления, что необходимо для полного заполнения формы и получения правильной геометрии отливки. Задача рационального ведения процесса кристаллизации сводится к совмещению максимумов скорости образования центров кристаллизации υ_ц и скорости роста кристаллов υ_к.

  Для большинства расплавов оксидов максимумы υ_к лежат при более высоких температурах, нежели максимумы υ_ц. Известно также, что температурная кривая охлаждения любого тела круто падает вначале и более полого - в конце охлаждения. Далее внешние слои остывают значительно быстрее внутренних. Все это определяет различия в размерах кристаллов, образующихся во внешних слоях и в центральной части отливки. Во внешних слоях отливка получается мелкокристаллической, в центральной части, где скорость охлаждения меньше, кристаллы крупные.

  Многокомпонентные расплавы при охлаждении кристаллизуются как последовательно, когда выпадает вначале (по правилу Коновалова) более тугоплавкая фаза, так и одновременно, когда из расплава выделяются все возможные фазы.

  При кристаллизации расплава системы А12О3-ZrО2 (25% ZrO2) зона совместного роста кристаллов α - Аl2О3 и бадделеита смещается в сторону более тугоплавкого оксида, являющегося ведомой фазой эвтектики в данной системе.

  Особенностью  процесса кристаллизации расплавов, полученных при непрерывной индукционной плавке в холодном тигле, является химическая сегрегация в поперечном сечении слитка. В поперечном сечении слитка образуется зональность с различным химическим составом. Периферийная зона слитка сложена крупными столбчатыми кристаллами, вытянутыми в направлении отвода тепла, а центральная зона состоит из мелких равноосных кристаллов.

  Расплав, вылитый в форму, начинает кристаллизоваться от стенок формы и с открытой поверхности. В процессе затвердевания внутри отливки образуется усадочная раковина, давление внутри которой становится отрицательным, так как объем вещества при кристаллизации уменьшается. Например, при кристаллизации муллита объем уменьшается на 10-13%, корунда ~23,5 %, бакора ~15 %.

  Объем усадочной раковины Vy, образующейся при кристаллизации расплава, определяют по формуле 

V_y=V_o(1-ρ_ж/ρ_Т),                                                                                                          (1.121)  

  где Vo - объем отливки, мЗ: ρж - плотность жидкого расплава, кг/мЗ; ρТ - плотность материала в твердом состоянии, кг/мЗ. 
 

1.7.2. Технология плавки  

1.7.2.1. Принципиальные технологические схемы  
 

   В огнеупорной промышленности применяют  в основном две принципиальные схемы  производства электроплавленных огнеупоров, представленных на рис. 1.43, различающиеся по способу выделения целевого продукта

   Указанные на схеме технологические операции являются основными, но не единственными в общей технологической схеме получения плавленых огнеупорных материалов, которая включает также стадии утилизации отходов, очистки отходящих газов и т. п.

   В основу классификации электрических печей  положен наиболее общий и определяющий признак - способ превращения электрической энергии в тепловую. По этому признаку все электрические печи можно разделить на четыре группы: печи сопротивления, дуговые печи, индукционные печи и электронно-лучевые установки.

   Для плавки огнеупорных материалов применяют  в основном дуговые электрические печи. Высокая концентрация тепла в дуге позволяет с большой скоростью плавить огнеупорные материалы. Если дуга горит между электродом и расплавом, то такие печи называют печами прямого нагрева. В печах косвенного нагрева дуга горит между электродами на некотором расстоянии от поверхности расплава.

  Изменять  количество тепла в дуге можно  путем регулирования силы тока или напряжения. Для стабилизации электрического режима плавки применяют автоматические регуляторы типа АРДИТ, который позволяет изменять подводимую мощность путем перемещения электродов в зависимости от соотношения тока и напряжения.

  Главным возмущающим воздействием в ванне  печи при плавке огнеупорных материалов является периодическое сокращение дугового промежутка в результате самопроизвольных обвалов шихты.

  Техническая характеристика промышленных электродуговых печей приведена ниже.