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Material de revestimiento y gradación del tamaño de partícula del acero fundido en fusión en horno de inducción

  El revestimiento refractario es un componente importante del horno de inducción de crisol, que afecta la función de fusión del horno, la calidad metalúrgica del acero, especialmente la seguridad de operación. Como el horno de inducción de crisol es adecuado para la fusión de varias aleaciones fundidas, como hierro fundido, acero fundido, aleación de cobre, aleación de aluminio, aleación de zinc, etc., se puede comprar un pequeño horno de inducción, revestimiento del horno para formar el crisol prefabricado. . En la producción real, el horno de inducción de crisol utilizado para la fundición de acero generalmente lo construye y sinteriza la fundición, que selecciona y selecciona los materiales refractarios adecuados de acuerdo con las variedades de aleación de fundición.

1. Adecuado para refractarios de revestimiento de hornos siderúrgicos

Con el desarrollo de aplicaciones de hornos de inducción en la industria del acero fundido, desde la década de 1980, se ha prestado gradualmente atención a la aplicación de materiales de revestimiento de hornos de espinela de aluminio y magnesio. En la actualidad, el horno de inducción de crisol utilizado en la industria del acero fundido en varios países industrializados adopta básicamente un revestimiento de horno de espinela.

En los últimos años, algunas empresas de fundición de acero en China han adoptado materiales de revestimiento de hornos de espinela, entre ellos, algunos fabricantes compran materiales preparados de fabricantes extranjeros, aunque el efecto de uso es muy bueno, el costo de producción aumenta mucho, y el sus características no son muy comprensivas. Aquí, principalmente quiero presentar algunas características del revestimiento refractario tipo espinela para referencia de colegas en la industria cuando fabrican materiales de revestimiento y mejoran aún más los materiales de revestimiento. Al mismo tiempo, en vista del revestimiento de arena de silicio actual, también se aplican revestimientos de magnesia, revestimiento de alúmina en la industria del acero fundido de China, también por cierto para hacer una breve introducción de las características de estos materiales, como referencia.

(1) revestimiento de arena de sílice

El revestimiento del horno construido con arena de sílice como material refractario básico a menudo se denomina revestimiento del horno ácido. La arena de sílice tiene muchas ventajas: en primer lugar, tiene abundantes recursos y precios bajos; además, el crisol hecho de arena de sílice como material refractario básico todavía tiene buena resistencia a la alta temperatura cercana a su punto de fusión y tiene buena resistencia al enfriamiento rápido y al calor. En particular, debe mencionarse que la expansión del cambio de fase de cuarzo de la arena de sílice puede compensar la contracción del volumen en el proceso de sinterización, para mejorar la densidad de la capa sinterizada y reducir la porosidad en la capa sinterizada. Por lo tanto, los materiales de revestimiento a base de silicio se usan ampliamente en el horno de inducción de crisol que se usa para fundir todo tipo de hierro fundido en la industria de fundición de varios países.

Sin embargo, la baja resistencia al fuego del SiO2 básicamente no puede adaptarse a la temperatura del acero. Además, el SiO2 tiene una fuerte actividad química a altas temperaturas y puede interactuar con todo tipo de óxidos alcalinos e incluso con óxidos neutros en el proceso de fabricación del acero. Por ejemplo, FeO es fácil de generar Fe2SiO4 con un punto de fusión de 1205 ℃ después de entrar en contacto con arena de sílice, que puede interactuar aún más con SiO2 o FeO para generar componentes eutécticos con un punto de fusión de 1130 ℃. Además, el SiO2 puede reducirse por algunos elementos activos en el acero fundido. Por lo tanto, ni la calidad metalúrgica del acero ni la vida útil del revestimiento pueden garantizarse con el revestimiento de arena de sílice utilizado en la fabricación de acero. Desde finales de la década de 1980, los países industriales con producción de hornos de inducción de fundición de acero, ya no utilizan revestimiento de arena de sílice. Hasta donde yo sé, todavía hay algunas empresas en China que utilizan revestimiento de horno de arena de sílice para fundir acero fundido, lo que necesita mejoras urgentes.

(2) revestimiento de magnesia

El material de revestimiento comúnmente utilizado es la magnesita metalúrgica con un contenido de MgO de más del 86 %, que está hecha de magnesita después de la calcinación a alta temperatura. Si la magnesia metalúrgica se vuelve a fundir en un horno de arco, se puede reducir el contenido de impurezas como SiO2 y Fe2O3 y se puede obtener la magnesia electrofundida con mayor pureza (contenido de MgO superior al 96%). La magnesia fundida se utiliza para el revestimiento de un horno de inducción al vacío.

La magnesia metalúrgica tiene una alta refractariedad y es un material de revestimiento convencional para hornos de arco alcalino. Aunque su punto de fusión es muy alto, no es fácil de sinterizar y su coeficiente de expansión es grande, el revestimiento grueso del horno de arco puede compensar esta deficiencia agregando una gran cantidad de materiales de unión y atando con un método húmedo.

Si se usa magnesia metalúrgica como material de revestimiento para un horno de inducción, no es adecuado usar anudado en húmedo debido al grosor del revestimiento, y el efecto negativo de estas deficiencias es muy evidente. El crisol hecho de óxido de magnesio es propenso a agrietarse, especialmente en el funcionamiento intermitente del horno.

(3) revestimiento de óxido de aluminio

La alúmina y la arena de zirconio son refractarios neutros, de los cuales la alúmina es el más utilizado, y la arena de zirconio rara vez se usa como material de revestimiento.

La alúmina sola se usa como material de revestimiento, que tiene una gran capacidad para resistir el agrietamiento y evitar la erosión de la escoria ácida, pero no es adecuada para fabricar escoria alcalina. Además, debido a su alta refractariedad y bajo rendimiento de sinterización, la vida útil del revestimiento no es muy alta.

(4) revestimiento de horno de espinela

Los minerales de espinela tienen las características del homomorfismo, con muchas variedades y componentes complejos. Su fórmula molecular se puede escribir como M2+O•M3+2O3. En la fórmula, M2+ representa algunos átomos de metales divalentes, como Mg, Fe, Zn, Mn, etc. M3+ representa algunos átomos de metales trivalentes, como Mg, Fe, Zn, etc. Por lo tanto, también se puede escribir como (Mg , Fe, Zn, Mn)O•(Al, Cr, Fe)2O3.

En los átomos de metales divalentes contenidos en los minerales de espinela, el Mg2+ y el Fe2+ pueden sustituirse entre sí en cualquier proporción; Al3+ se encuentra en la mayoría de los átomos de metales trivalentes, pero Cr3+ puede reemplazar a Al3+ en cualquier proporción, mientras que Fe3+ solo puede reemplazar a Al3+ o Cr3+ hasta cierto punto. Las espinelas comunes incluyen las siguientes:

MgO•Al2O3 FeO•Al2O3

Cromita (espinela de ferrocromo) FeO•Cr2O3 magnetita (ferroespinela) FeO•Fe2O3

Espinela de magnesio y hierro (Mg, Fe)O•(Al, Fe)2O3 ZnO•Al2O3

MgO•Cr2O3 Zinc espinela de hierro ZnO•Fe2O3

Espinela de manganeso y cromo FeO•Cr2O3 Espinela de manganeso y aluminio MnO•Al2O3

En la actualidad, MgO•Al2O3, comúnmente conocido como 'espinela', es el material de revestimiento principal utilizado en el horno de inducción para la fabricación de acero en varios países industrializados. En la espinela de aluminio y magnesio puro, el contenido de MgO es solo del 28.2%, pero sigue siendo un refractario alcalino.

El material de espinela de magnesia-alúmina tiene alta refractariedad, pequeño coeficiente de expansión térmica, buena estabilidad térmica a alta temperatura y fuerte resistencia a la erosión de escoria alcalina. En particular, MgO y Al2O3 tienen una expansión de volumen del 7.9 % en el proceso de sinterización de espinela, lo que puede compensar la contracción de volumen en el proceso de sinterización y reducir la porosidad de la capa sinterizada, lo cual es consistente con las importantes ventajas de la sílice. revestimiento de arena.

La espinela de magnesio y aluminio básicamente no tiene minerales naturales, es por síntesis artificial, el método de preparación tiene la fusión eléctrica y la sinterización de dos maneras. En 1997, la industria metalúrgica de China formuló el estándar industrial YB/T 131-1997 "espinela de aluminio de magnesia sinterizada" de acuerdo con las especificaciones de los materiales MR66 y AR76 de Alcoa Chemical Company.

El material de revestimiento de espinela, de hecho, no todo está compuesto de espinela, sino sobre la base de materiales de estilo granular Al2O3 o MgO granular, entre ellos con el polvo correspondiente, o formación de material de espinela granular fina, distribuida uniformemente entre los materiales refractarios granulares, sinterización proceso en partículas de alúmina formadas entre la red de espinela de aluminato de magnesio, combinado con el papel. Además, se le añade una pequeña cantidad de ácido bórico o anhídrido bórico para que pueda formar redes de espinela a temperaturas más bajas (alrededor de 1300 °C).

Famosos proveedores de refractarios como United Mines de los Estados Unidos, Minak Mines de Francia y Calderys tienen una variedad de materiales de revestimiento de espinela suministrados previamente, que se pueden seleccionar de acuerdo con el tipo de horno y el tipo de acero fundido, pero el precio es relativamente alto.

Creo que la mejor solución es: cada empresa de fundición de acero, de acuerdo con sus propias condiciones específicas, a través de la optimización de la prueba, seleccione la relación más adecuada, su propia preparación de material de revestimiento. De esta manera, se puede garantizar una larga vida útil del revestimiento y una alta calidad metalúrgica del acero, y se pueden reducir considerablemente los costos de producción.

En cuanto a la relación de composición del material de revestimiento, debe seleccionarse de acuerdo con la composición real de varias materias primas utilizadas y determinadas por la prueba. Al determinar la proporción de materiales de revestimiento, se pueden calcular los siguientes componentes objetivo:

La fracción de masa de Al2O3 en el material de revestimiento del horno es del 85 al 88 % y la fracción de masa de MgO es de aproximadamente el 22 %.

La fracción de masa de MgO y Al2O3 en los materiales de revestimiento es de aproximadamente 75 ~ 85 % y 15 ~ 22 % respectivamente.

2. Clasificación del tamaño de partículas de los materiales de revestimiento del horno.

La densificación del crisol tiene una influencia muy importante en su vida útil. Para que el crisol sea denso y la porosidad sea lo más baja posible, es necesario prestar atención a la distribución del tamaño de las partículas de los refractarios, de modo que los espacios intermedios de los refractarios de grano grande puedan llenarse con materiales de grano fino.

Para darle una impresión más específica del vacío después del anudado de materiales granulares, aquí hay una ilustración simple del montón de esferas ideal.

(1) Compacidad general

Bolas del mismo tamaño, apiladas en un arreglo escalonado cuadrado, cada bola en contacto con las 6 bolas adyacentes (4 alrededor, 1 bola arriba y 1 bola abajo), la porosidad es 47.64%.

2) Caja relativamente compacta

Las esferas están apiladas en una disposición romboidal y cada bola está en contacto con ocho bolas adyacentes (seis bolas circundantes, una arriba y otra abajo), con una tasa de brecha de porosidad del 39.55 %.

(3) El caso con la compacidad más alta

La mayor compacidad de los métodos de apilamiento es la disposición cuadrada escalonada y la disposición tetraédrica.

Cuando las esferas homogéneas se apilan en una disposición cuadrada escalonada, cada bola está en contacto con las 12 bolas adyacentes, con 4 bolas alrededor, una bola arriba y una bola abajo, y la porosidad es del 25.95 %.

Ver Figura 3 para esferas homogéneas apiladas en un arreglo tetraédrico. Cada bola está en contacto con las 12 bolas adyacentes, con 6 bolas alrededor, 3 bolas arriba y 3 bolas abajo. La porosidad es del 25.95%.

Como puede verse en el caso de las esferas, la porosidad está determinada únicamente por la disposición y es independiente del tamaño de la esfera. El diámetro de la bola es grande, el tamaño de los poros es grande y el número es pequeño. Los refractarios de gránulos de revestimiento son poligonales, incluso angulares, su fluidez es muy pobre, no importa qué tipo de nudo, el más compacto, su porosidad no es inferior al 30%.

Para reducir la porosidad del revestimiento, la medida simple y fácil es hacer que el tamaño de partícula del material de revestimiento no sea tan uniforme, y el material fino puede entrar en la disposición densa de partículas gruesas, el requisito mínimo es, por supuesto, debe tener d < 0.414d multa. Aquí es donde entra en juego el requisito de granularidad.

Por supuesto, la condición de las partículas de los refractarios es mucho más complicada que la de las esferas ideales, y la distribución del tamaño de las partículas también es muy irregular, por lo que es imposible calcular el esquema de clasificación del tamaño óptimo de las partículas simplemente por cálculo. La mejor manera es que cada fundición de acuerdo con sus propias materias primas de la situación real, a través de la prueba, encuentre el esquema de clasificación más adecuado.

El método de prueba es muy simple: mezcle materiales de diferentes tamaños de partículas en una cierta proporción, hágalos compactos y forme bajo cierta presión, y luego determine su densidad de volumen. Cuando cambien las condiciones de suministro de las materias primas, también se probará y evaluará el esquema de clasificación del tamaño de las partículas.

Dado que el propósito de la clasificación por tamaño de partículas es hacer que el montón de partículas sea compacto, independientemente de la naturaleza del material, este principio se puede aplicar a todo tipo de materiales refractarios. Alemania también recomienda diferentes gradaciones de tamaño de partícula para materiales de crisol de diferente capacidad.

3. Sinterización de materiales de revestimiento

El revestimiento del horno de crisol está hecho de refractario granular mediante anudado, molienda y sinterización. La sinterización es una medida importante para garantizar que el revestimiento sea compacto y tenga una resistencia considerable.

La "sinterización" es un proceso en el que aparece una fase líquida en la superficie de contacto de las partículas en el agregado de partículas/polvo y se forma gradualmente una red continua a alta temperatura, luego las partículas se conectan en un todo y la porosidad se reduce a al mínimo con la ayuda de mecanismos de difusión y transferencia de masa, convirtiéndose finalmente en un cuerpo sinterizado sólido y compacto.

La “sinterización” es un proceso relativamente antiguo, y ha sido estudiado en profundidad durante décadas. Sin embargo, la comprensión actual todavía se basa en la observación macroscópica del proceso de sinterización y el examen simplificado del modelo. Con la expansión continua de la aplicación del horno de inducción, en este sentido, el espacio para la investigación y la mejora es muy amplio.

Debido a varias limitaciones, el espesor delgado del revestimiento del horno de inducción del crisol es su característica importante, sin embargo, después del nudo y la sinterización del revestimiento, pero no la sinterización en su conjunto, porque, en todo el revestimiento del horno de sinterización, si en algún lugar debido a factores incontrolables existen enlaces débiles , y bajo la acción del agrietamiento por estrés térmico repetido, el agrietamiento es fácil de extender al conjunto, por lo que la infiltración de metal líquido en la bobina de inducción provoca accidentes importantes.

Después de sinterizar el revestimiento del horno, su sección debe ser una estructura de tres capas: la capa que forma la cámara del horno y entra en contacto con el acero líquido es la capa sinterizada, cuyo espesor representa alrededor del 35 ~ 40 % del grosor del revestimiento del horno. Se caracteriza por una densa red de sinterización, baja porosidad y alta resistencia. La capa semisinterizada está conectada con la capa sinterizada y su espesor es aproximadamente el mismo que el de la capa sinterizada. Su característica es que la red de sinterización no está completa y su resistencia no es alta, por lo que puede amortiguar el estrés térmico de la capa sinterizada. Si la capa sinterizada produce grietas, puede evitar que la grieta se extienda hacia afuera. El borde exterior del revestimiento del horno y la capa entre la bobina de inducción y la capa semisinterizada son la capa no sinterizada, y los refractarios permanecen en estado granular anudado. Esta capa, que tiene la función de aislamiento térmico y puede ralentizar la conducción de calor desde la capa sinterizada hasta la bobina, representa alrededor del 25 ~ 30 % del espesor del revestimiento.

El proceso de sinterización del revestimiento del horno de espinela se puede dividir aproximadamente en tres etapas:

La primera etapa: la temperatura de calentamiento es inferior a 850 ℃, y la función principal es hacer que el material de revestimiento se deshidrate por completo.

La segunda etapa: calentamiento a 850 ~ 1400 ℃, principalmente para formar una red de espinela;

En la tercera etapa: calentamiento a 1300 ~ 1700 ℃, la red de espinela crece, las funciones de difusión y transferencia de masa se mejoran bajo el ímpetu de la tensión superficial, la porosidad se reduce significativamente, la capa de sinterización tiende a estar cerca.

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