способ изготовления футеровки тигля индукционной печи

Формула изобретения

1. Способ изготовления футеровки тигля индукционной печи для выплавки высокореакционных сплавов, включающий набивку футеровки тигля смесью порошков, нагрев футеровки и выдержку, отличающийся тем, что набивку футеровки ведут смесью порошков периклаза, корунда и жидкого стекла в качестве связующего при следующем соотношении, в мас.%:

порошок периклаза	26,0-30,0
порошок корунда	70,0-74,0
жидкое стекло	8-12 мас.% к сухой смеси,

при этом используют порошок периклаза при следующем соотношении фракций, мас.%:

фракции 0,63-0,16 мм	38,0-42,0
фракции 0,16-0,10 мм	38,0-42,0
фракции 0,10-0,063 мм	16,0-24,0,

а порошок корунда при следующем соотношении фракций, мас.%:

фракции 2,00-1,00 мм	48,0-52,0
фракции 1,00-0,63 мм	48,0-52,0,

затем нагревают футеровку со скоростью 300±30°С/ч до температуры 1700±50°С и выдерживают при этой температуре из расчета 1±0,25 ч на 50±0,1 мм толщины футеровки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев и выдержку при температуре 1700±50°С осуществляют в процессе проведения первой плавки.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что набивку футеровки тигля осуществляют послойно с толщиной слоя не более 20 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве связующего используют жидкое стекло плотностью 1,35-1,41 г/см³.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, а именно к способу изготовления футеровки индукционной печи для выплавки высокореакционных сплавов, например ферротитана повышенной чистоты по химическому составу, и может быть применено в металлургических цехах предприятий различных отраслей народного хозяйства, производящих эти материалы.

Выплавка высокореакционных сплавов, например особочистого ферротитана, отличающегося высокой химической активностью за счет содержания в нем титана, сопряжена с дополнительными трудностями из-за интенсивного взаимодействия титана с футеровкой и атмосферой плавильной печи в процессе плавки, что предъявляет повышенные требования к материалу тигля.

От качества футеровки печи во многом зависит ее производительность , состав и свойства выплавляемого материала. По своим физико-химическим свойствам материал футеровки должен обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью, малой теплопроводностью, малым коэффициентом расширения при нагревании, высокой прочностью и стойкостью при взаимодействии с расплавленным металлом.

Широкое распространение в литейном производстве при набивке футеровки тигля индукционной печи получили составы на основе окислов MgO, Cr₂O ₃, Al₂O₃, SiO ₂, а также их комбинации.

Известна смесь, содержащая 95% молотого магнезита, 4,3% огнеупорной глины и 0,7% жидкого стекла в качестве смазки (1). Данная смесь обладает низкой термической стойкостью за счет того, что содержит большое количество магнезита, имеющего высокий коэффициент линейного расширения, а это приводит к осыпаемости футеровки и загрязнению расплава металла материалом тигля уже после 3-4 плавок.

Наиболее близкой к описываемому изобретению по технической сущности и назначению является техническое решение по заявке №93012860/02 от 10.03.93 г., предусматривающее набивку футеровки тигля индукционной печи смесью, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

75,0-95,0 оксида магния,

5,0-25,0 порошок металлического алюминия,

с последующим нагревом набивки футеровки тигля до температуры 1450-1550°С в защитной среде.

Наличие в составе футеровки магнезитового порошка в количестве 75,0-95,0 мас.%, обладающего самым высоким коэффициентом линейного расширения среди других оксидов и низкой теплопроводностью, является причиной низкой стойкости футеровки в процессе выплавки высокореакционных сплавов, например ферротитана, за счет ее растрескивания и разрушения в условиях теплосмен, а также снижения прочности футеровки. (2).

Техническим результатом изобретения является повышение прочности и стойкости футеровки в процессе выплавки высокореакционных сплавов, например ферротитана, в условиях теплосмен.

Технический результат достигается за счет того, что в способе, включающем набивку футеровки смесью порошков, термическое воздействие на футеровку, согласно изобретению набивку футеровки производят послойно с толщиной слоя не болле 20 мм смесью порошков периклаза, корунда и жидкого стекла в качестве связующего при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок периклаза (MgO) - 26,0-30,0

порошок корунда (Al₂O ₃) - 70,0-74,0

жидкое стекло плотностью 1,35-1,41 г/см³ в количестве 8-12% к массе сухой смеси,

при этом порошок периклаза используют со следующим размером фракций при следующем соотношении между ними, мас.%:

фракции 0,63-0,16 мм - 38-42

фракции 0,16-0,10 мм - 38-42

фракции 0,10-0,063 мм - 24-16,

а порошок корунда - со следующим размером фракций при следующем соотношении между ними, мас.%:

фракции 2,0-1,0 мм - 52-48

фракции 1,0-0,63 мм - 48-52,

последующий нагрев футеровки ведут со скоростью 300±30°С в час до температуры 1700±50°С в процессе проведения первой плавки и выдерживают при этой температуре из расчета 1±0,25 часа на 50±0,1 мм толщины футеровки.

Скорость нагрева более 300±30°С в час может привести к растрескиванию футеровки.

Скорость нагрева менее 300±30°С в час нецелесообразна по экономическим соображениям.

Содержание порошков корунда и периклаза взято близким к стехиометрическому отношению, необходимому для образования шпинели состава Mg ²⁺(MgAl₂O₄) ₈, согласно диаграмме состояния MgO-Al₂ O₃.

При температуре 1700±50°С и выдержке при этой температуре из расчета 1±0,25 час на 50±0,1 мм толщины футеровки в результате химического взаимодействия между порошками корунда и периклаза в футеровке образуется шпинель состава Mg²⁺(MgAl₂ O₃)₈, состоящая из 28,2% периклаза и 71,8% корунда, имеющая кубическую гранецентрированную решетку с плотной упаковкой атомов кислорода, которая содержит 32 иона О^2-, 16 ионов Al ³⁺ и 8 ионов Mg²⁺ с температурой плавления 2105°С.

Шпинель данного состава устойчива при температуре плавки высокореакционных металлов против воздействия минеральных кислот, расплава щелочей, углерода и металлургических шлаков, содержащих FeO, и при этом сохраняет высокие механические свойства до температуры 1750°С в большей степени, чем корунд и периклаз в отдельности(3).

Выдержка в течение 1,0±0,25 час из расчета на 50±0,1 мм толщины футеровки при температуре 1700±50°С необходима для завершения процесса образования шпинели во всему сечению футеровки.

Прочность футеровки обеспечивается плотностью упаковки и составом смеси порошков, составляющих футеровку, а плотность обеспечивается как размером самих фракций, так и их соотношением.

Как установлено экспериментально, для получения плотной футеровки необходимо, чтобы размер фракций периклаза находился в следующих пределах при следующем их соотношении, мас.%:

фракции 0,63-0,16 мм - 38-42

фракции 0,16-0,10 мм - 38-42

фракции 0,10-0,063 мм - 24-16,

а размер фракций корунда находился в следующих пределах при следующем их соотношении, мас.%:

фракции 2,00-1,0 мм - 52-48

фракции 1,00-0,63 мм - 48-52.

Крупные фракции порошка корунда (2,00-1,00) и (1,00-0,63) мм и периклаза (0,63-0,16) мм необходимы и для образования каркаса футеровки.

Средние (0,16-0,10) мм и мелкие (0,10-0,063) мм фракции являются наполнителями для создания плотной упаковки и ликвидации межзеренных пустот.

Увеличение количества порошка периклаза средней фракции (0,16-0,10) мм более 42% и мелкой фракции (0,10-0,063) мм более 24% ведет к ослаблению каркаса футеровки.

Уменьшение количества порошка периклаза средней фракции менее 38% и мелкой фракций менее 16% приведет к образованию межзеренных пустот и разрыхлению футеровки в процессе плавки.

Пример конкретного выполнения.

Для приготовления формовочной смеси использовались смешивающие бегуны, куда загружали порошок периклаза в количестве, мас.%: 26,0; 28,2 и 30,0 от веса засыпаемого замеса со следующим соотношением фракций, мас.%: 42; 40 и 38 фракции размером 0,63-0,16 мм; мас.%: 42, 40 и 38 фракции размером 0,16-0,10 мм и мас.%: 16, 20 и 24 фракции размером 0,10-0,063 мм, а затем загружали порошок корунда в количестве, мас.%: 70,0; 71,8; 74,0 со следующим соотношением фракций, мас.%: 52 и 48 фракции размером 2,00-1,00 мм и мас.% 52 и 48 фракции размером 1,00-0,63 мм.

После этого включали бегуны и производили тщательное перемешивание смеси для усреднения составов в течение 5 минут. Затем заливали жидкое стекло в количестве 12%, 10% и 8%, разведенное до плотности 1,35, 1,38 и 1,41 г/см ³, в состав замеса и продолжали перемешивание в течение следующих 5 минут.

Далее смесь перегружали в металлическую емкость и полученной массой производили набивку футеровки тигля толщиной 50 мм. Набивку футеровки вели послойно с толщиной каждого слоя не более 20 мм.

Затем в тигель с набитой футеровкой вставляли шаблон из листового железа толщиной 2-3 мм, внутрь которого засыпали шихту первой плавки. После этого производили разогрев шихты и футеровки со скоростью 270°С, 300°С и 330°С в час до температуры 1750°С, 1700°С и 1650°С и выдерживали при этих температурах 1,0, 0,75 и 1,25 часов, так как толщина футеровки составляла 50 мм.

Состав набивки футеровки приведен в таблице 1, результаты испытаний в - таблице 2.

Таблица 1
Состав футеровки
Состав	Условный № состава	Жидкое стекло	Порошок периклаза			Порошок корунда
		Содержание, %	Содержание, %	Фракция		Содержание, %	фракция
				Размер,мм	Содержание, %		Размер,мм	Содержание, %
Предлагаемый	1	12,0*	26,0	0,63-0,16	40,0	74,0	2,00-1,00	52,0
				0,16-0,10	40,0		1,00-0,63	48,0
				0,10-0,063	0,20		-	-
	2	10,0**	28,2	0,63-0,16	38,0	71,8	2,00-1,00	48,0
				0,16-0,10	38,0		1,00-0,63	52,0
				0,10-0,063	24,0		-	-
	3	8,0***	30,0	0,63-0,16	42,0	70,0	2,00-1,00	52,0
				0,16-0,10	42,0		1,00-0,63	48,0
				0,10-0,063	16,0		-	-
Известный	4	-	75,0	-	-	А1-25,0	-	-
Примечание:
Жидкое стекло, отмеченное (*), использовалось плотностью 1,35 г/см3.
Жидкое стекло, отмеченное (**), использовалось плотностью 1,38 г/см3 .
Жидкое стекло, отмеченное (***), использовалось плотностью 1,41 г/см3 .

Таблица 2
Свойства футеровки
Способ	Условный № состава	Параметры способа			Свойства футеровки
		Скорость нагрева, °С/час	Температура нагрева, °С	Время выдержки, час	Стойкость, кол-во плавок	Прочность на разрыв, МПа
Предлагаемый	1	300,0	1700,0	1,0	80	50
	2	330,0	1650,0	0,75	70	45
	3	270,0	1750,0	1,25	60	40
Известный	4	-	1500	-	18	21
Примечание:
1. В таблице приведены усредненные значения по результатам испытаний прочности трех образцов на точку.
2. Прочность футеровки определяли на 3-х стандартных образцах размером 50×50 мм на сжатие, изготовленных из одного замеса.

Как показали проведенные исследования, предлагаемый способ по сравнению с известным обеспечивает получение футеровки, более стойкой в химическом отношении к воздействию ферротитана при температуре плавки с более высокой прочностью.

Предложенный способ повышения стойкости футеровки индукционной печи по сравнению с известным позволит увеличить компанию печи и повысит количество и качество металла, выплавляемого в печи за межремонтный период.

Литература

1. Б.И.Емлин, м.И.Гасик. "Справочник по электротермическим процессам". Москва, "Металлургия", 1978 г., стр.214.

2. В.Л.Балькевич. "Техническая керамика". Москва, "Стройиздат", 1984 г., стр.143.

3. К.К.Стрелов. "Теоретические основы технологии огнеупорных материалов". Москва, "Металлургия", 1985 г.

4. А.Хасуй "Техника напыления". Москва, "Машиностроение", 1975 г., стр.96.