Огнеупоры для цветной металлургии

     Индукционная тигельная электропечь для расплавления и перегрева медных сплавов токами повышенной частоты 

     Электропечь предназначена для расплавления и перегрева медных сплавов токами повышенной частоты. Возможно использование установки для выплавки других цветных металлов и сплавов с температурой расплава не более 1400°С. Электропечь предназначена для использования в литейных цехах машиностроительных и металлообрабатывающих заводов, металлургических заводов, заводов ОЦМ и предприятий по выпуску специальных сплавов, в экспериментальных лабораториях исследовательских организациях.

     Рис.4 Индукционная тигельная электропечь для расплавления и перегрева медных сплавов токами повышенной частоты. 

     1-Кожух  электропечи; 2 - Крышка; 3 - Теплоизоляция; 4 - Поддон;  
5 - Поддон часть 2; 6 - Пластина теплоизоляционная; 7 - Тигель; 8 - Индуктор 
 
 
 
 
 
 

     Установка электропечи состоит из следующих  основных функциональных узлов:  
•  индуктор с тепловым узлом;  
•  преобразователь частоты (ПЧ);  
•  система напуска защитного газа;  
•  система водоохлаждения; 
•  система контроля температуры. 

     Основные  характеристики электропечи:

     Емкость номинальная по металлам и сплавам: 0,5 кг

     Номинальная мощность питающего преобразователя  частоты: 1 кВт

     Питающая  сеть: 1ф, 50 Гц, 220 В

     Частота тока в индукторе: 22 кГц

     Время плавки не более: 20 мин 

     Номинальная температура нагрева металла: 1400°С

     Охлаждение  индуктора: водяное

     Футеровка: хромитопериклазовые термостойкие огнеупоры. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Производство  огнеупоров в цветной  металлургии

     Спеченные огнеупоры относятся к грубой керамике в отличие от тонкой и  специальной, рассмотренных ниже. Огнеупоры применяют для постройки промышленных печей, топок и аппаратов, работающих в условиях высоких температур(1000-1800^оС). 
Кроме огнеупорности, строительной прочности при высоких температурах и термостойкости (способности выдерживать без разрушения резкие колебания температуры), требованием к ним является химическая стойкость - шлакоустойчивость.

     Технология  производства огнеупоров заключается  в их спекании. В качестве сырьевых материалов используют горные породы соответствующего состава. Указанные  в столбце 3 нежелательные примеси  в сырье и ограничения по количеству некоторых компонентов связаны  с ранним, т.е. при относительно низкой температуре, плавлением огнеупора  и соответствующим снижением  огнеупорности. 
С другой стороны, небольшое количество стеклофазы необходимо для спекания. Температурный режим спекания различен для огнеупоров разного состава. При атмосферном давлении в системе SiO₂ с изменениями температуры связаны многочисленные фазовые превращения, как стабильные, так и метастабильные.

     Изменения в объеме при производстве и службе динасового огнеупора, сопровождающие полиморфные превращения, являются одной из главных причин его низкой термостойкости и ведут к его "перерождению".  
Динас хорошего качества - с максимальным содержанием тридимита, у которого превращения почти не сопровождаются объемным эффектом - получают при медленном и равномерном подъеме температуры, особенно в интервалах полиморфных превращений. 
Скорость подъема температуры замедляют в интервалах 500-600о - кварц и выше 1000^о - кварц тридимит.

     Максимальная  температура обжига должна быть не ниже 1430 и не выше 1460^о.  
Охлаждение - отжиг динаса замедляют в интервале 800-573° кварц и, особенно, 300-100^о кристобалит и тридимит.

     Компоненты  связки, особенно щелочи, не только способствуют появлению стекла и спеканию динаса, но и стабилизируют тридимит, который в системе чистого SiO₂ вообще не имеет поля устойчивости и не синтезируется.  
Образованию тридимита способствуют не только ионы натрия, но и трехвалентного железа и кальция. Выше 600^оС, и особенно выше 900^оС, изменения кристаллической решетки SiO² в результате полиморфных превращений ускоряют диффузионное взаимодействие SiO₂ и Fe₂O₃. 
Окись железа, полученная прокаливанием сульфата железа, реагирует энергичнее, чем полученная из оксалата, в решетке которой меньше дефектов. 
Наиболее полное представление о качестве динаса дает изучение минерального состава под микроскопом.

     По  мере повышения температуры вокруг зерен кварца и по сети трещин в  них возникают изотропные каймы  метастабильного кристобалита, которые постепенно расширяются, оставляя небольшие островки кварца. При повышении температуры и длительности обжига неустойчивый кристобалит переходит в -тридимит. Количество и размер зерен последнего возрастает за счет уменьшения кварца (от 35 до менее 10%), они постепенно приобретают формы игл и копьевидных сдвойникованных кристаллов. Известь, реагируя с другими примесями и кварцем, дает светлобурое стекло с повышенным показателем преломления, в меньшей степени псевдоволластонит (-Ca₃Si₃O₉) и моноклинные пироксены. В процессе эксплуатации огнеупоров при высоких температурах в динасе продолжаются полиморфные превращения, которые сопровождаются значительным необратимым ростом огнеупора, увеличением его пористости, что приводит к снижению механической прочности и химической стойкости. Воздействие перепадов температуры и агрессивной рабочей среды ведет к образованию зонального строения. Возникающие в этих случаях проблемы рассмотрены для всех огнеупоров в специальном разделе.

     Шамотные  изделия составляют около 75% всех выпускаемых  огнеупоров. Собственно шамот- обожженная до спекания огнеупорная глина - является промежуточным продуктом, который добавляется в формовочную смесь в измельченном виде для уменьшения усадки изделия при обжиге. Используют низкообожженный (при 600-900^о) и высокообожженный (1250-1350^о) шамот. Изделия обжигают при 1250-1450^оС. В процессе обжига при 450-600^о глины обезвоживаются с образованием метакаолинита, максимальное количество муллита и кристобалита образуется при 1150-1200^о. Спеканию и муллитизации способствует появление выше 900^о жидкой фазы. В отличие от динаса, у шамотных изделий нет полиморфных превращений с объемными эффектами, поэтому охлаждают их быстро.

     Пригодность глин определяют по химическому, минеральному и гранулометрическому составу. Присутствие щелочей обусловливает  более низкую температуру и полноту  спекания, но снижает огнеупорность  изделий. Присутствующий в глинах кварц  способствует плавлению выше 1350о. Вредными примесями являются кальцит и  гипс, вызывающие при обжиге вспучивание. Нежелательны пирит, марказит и сидерит, вызывающие появление черно-бурых пятен ("мушек"). Муллитизация улучшается при наличии в шихте небольших количеств оксидов цинка, лития, магния, марганца.

     Шамотные  огнеупорысостоят из угловатых или округленных обломков шамота, криптокристаллической связующей массы и стекла. Заметные под микроскопом анизотропные участки в обломках шамота появляется только при длительном или высокотемпературном обжиге и свидетельствует об улучшении муллитизации. Тончайшие игольчатые кристаллы муллита иногда появляются вблизи пор. При усадке связующей глины вокруг обломков шамота образуются прерывистые трещины.

     Обжиг на шамот применяют и при изготовлении муллит-кремнеземистых огнеупоров (для кианитового или андалузитового концентрата) и муллит-корундовых (для диаспорового концентрата и технического глинозема). Изделия формуют на связке из огнеупорной глины и обжигают при 1500-1640о. При этом учитывается, что при разложении кианита с образованием муллита объем увеличивается на 18%, диаспор дает усадку, а -модификацию технического глинозема желательно перевести в устойчивую -форму (корунд). Ионы трехвалентного железа (в значительно меньшей степени натрия) ускоряют образование муллита, являясь в данном случае модификаторами.

     В андалузитовом огнеупоре преобладают  зерна андалузита, отдельные - кварца и мелкие - корунда. В цементирующей  массе обожженной глины устанавливаются  мельчайшие игольчатые кристаллы муллита. 
Муллит-корундовый огнеупор состоит в основном из корродированных обломков шамота, состоящих из мелких зерен корунда, окруженных тонкими пленками стекловидного вещества. Цементирующая масса состоит из криптокристаллического вещества, в котором различаются многочисленные тонкие иглы муллита.

     Корундовые  огнеупоры состоят из изометричных короткопризматических зерен корунда, сцементированных стекловидным и криптокристаллическим веществом, в котором иногда видны мельчайшие иглы муллита. 
Промежуточным продуктом при производстве магнезитовых (периклазовых) огнеупоров служит "намертво" обожженный, спеченный при 1500-1600оС "металлургический магнезит " (на самом деле уже превращенный в периклаз). Иногда для связки огнеупора применяют "каустический" магнезит, обожженный при 700-900^оС. Интенсивность спекания изделий увеличивается при введении добавок SiO2, Al2O3, Fe2O3 и др., которые, однако, несколько снижают огнеупорность. Большое значение при обжиге имеет вхождение в состав периклаза магнезиоферритовой (MgFe₂O₄) составляющей, играющей роль ускорителя его кристаллизации.

     Главной составляющей "магнезитового" огнеупора  составляют оранжевые и коричневые округлые и угловатые зерна периклаза размером 0,01-0,1 мм. Окраска обусловлена изоморфным вхождением магнезиоферритовой составляющей. Иногда происходит распад твердого раствора с образованием в зернах периклаза мельчайших красноватобурых включений магнезиоферрита. Цементирующей массой являются мелкие зерна периклаза, шпинели и силикатов - монтичеллита (CaMgSiO₄) и форстерита, образующие тонкие каймы. Иногда они встречаются по трещинам спайности периклаза, придавая его зернам решетчатую структуру. Огнеупор равномерно пронизывает значительное число пор.

     Форстеритовые изделия формуют из измельченных магнезиально-силикатных пород со связкой из каустического или намертво спеченного MgO и клеящих органических добавок и затем обжигают. В качестве огнеупоров используют также естественные тальк-магнезитовые породы. Образованию форстерита весьма способствует при высоких температурах ион натрия, играющий роль модификатора. Вхождение в оливин железа (фаялитовой составляющей) значительно понижает его температуру плавления. СаО и Al2O3 также снижают огнеупорность изделий из-за образования менее тугоплавких соответственно монтичеллита и кордиерита.

     Форстеритовый огнеупор в основном состоит из изометричных зерен форстерита с мельчайшими включениями шпинели, иногда образующей цепочки. Остальные минералы содержатся в незначительном количестве в связующей массе.

     Хромитсодержащие огнеупоры получают аналогично магнезитовым из обожженного магнезита и сырого хромита с добавками. В процессе спекания идет реакция образования шпинелидных миналов периклаза:

     2FeCr2O4 + 3MgO + 1/2O2 = MgFe2O4 + 2MgCr2O4.

       При охлаждении твердый раствор  распадается. В нейтральной и  восстановительной обстановке реакция  протекает с увеличением объема  на 25% из-за образования вюститовой составляющей периклаза, что приводит к образованию трещин в изделиях; в слабоокислительной обстановке объем увеличивается лишь на 6,6%.

     Хромит-периклазовые огнеупоры состоят из хромшпинелида, периклаза и подчиненных оливина, монтичеллита, пироксена, редко - тридимита и кристобалита. Зерна хромшпинелида угловатой и неправильной формы обычно разбиты сетью трещин. Они просвечивают темно-красным цветом и в краевой части имеют тонкую непрозрачную кайму. Силикаты образуют каймы вокруг зерен периклаза и хромшпинелида.

     Как и магнезит, доломит предварительно обжигают при 1700оС до образования свободных  CaO и MgO ("спеченный", "намертво обожженный" доломит или доломитовый металлургический порошок). При обжиге в интервале 700-765о доломит распадается на CaCO3, MgO и CO2, а выше 1000о происходит полная декарбонатизация. Для стабилизации двухкальциевого силиката (ларнита - Ca2SiO4) вводят до 1,2% Р2О5 в виде фосфорита. Изделия из порошка производят на смоляной связке. Огнеупоры со свободной известью из-за ее гидратации имеют малые сроки хранения. Кроме них производят изделия с СаО, связанной в силикаты, для чего к раздробленному доломиту добавляют кварциты, трепелы или кварцевый песок. 
Главную массу нестабилизированного "доломитового" огнеупора составляют свободные известь, периклаз. Второстепенные минералы: силикаты и алюминаты кальция, стекловидная фаза - образуют тонкие пленки вокруг них и заполняют промежутки между ними, снижая процессы гидратации. В обжиговых стабилизированных огнеупорах преобладают округлые мелкие зерна периклаза, двух- и трехкальциевых силикатов, подчиненное значение имеют алюминаты и стекло.

     Петрографический  анализ позволяет заводским технологам быстро и надежно контролировать пригодность сырья и делать заключения о необходимых добавках, контролировать процесс обжига и качество конечного  продукта. В частности деформации при высоких температурах (явление "ползучести") связано не только с наличием в нем легкоплавких соединений, но и с характером их распределения. При разработке новых огнеупоров стоит задача изучения равновесных фазовых отношений и кинетики процессов спекания в соответствующих системах.