Durante l'uso del forno a media frequenza, lo spessore del materiale refrattario utilizzato per il rivestimento è di soli 70-110 mm. L'interno è a contatto con il metallo fuso ad alta temperatura e l'esterno è vicino alla serpentina di raffreddamento ad acqua. La differenza di temperatura tra l'interno e l'esterno del materiale refrattario è ampia. Si trova in una sezione relativamente sottile e nelle condizioni di utilizzo di un ambiente altamente corrosivo per molte operazioni di fusione. Le principali condizioni di processo che influenzano il danno al rivestimento includono: temperatura di fusione, tempo di degasaggio, quantità di degasaggio una tantum, composizione chimica delle scorie e tipo di acciaio (ferro) prodotto. I principali fattori che influenzano il danno al rivestimento sono: erosione chimica delle scorie, sfaldamento della struttura refrattaria ed erosione termica.
Figura 1. Erosione del rivestimento della ghisa di fusione
Figura 2. Erosione del rivestimento dell'acciaio fuso in fusione
1. Il rivestimento del forno a media frequenza Il rivestimento del forno a media frequenza è solitamente costituito da materiali refrattari di varie specifiche e dimensioni delle particelle (i materiali refrattari comunemente utilizzati sono principalmente magnesio, quarzo, alluminio e materiali compositi). Le sue caratteristiche sono: legame diretto. Pertanto, ha un'elevata resistenza alla corrosione, un'elevata resistenza meccanica e una buona resistenza agli shock termici.
Figura 3, rivestimento del forno annodato rigorosamente secondo il processo di annodatura
2. Meccanismo di danneggiamento del materiale di rivestimento del forno in magnesio
Prendiamo come esempio il materiale refrattario al magnesio per spiegare il meccanismo di danneggiamento del materiale al magnesio:
Le principali manifestazioni del danneggiamento del materiale in magnesio sono: l'erosione termica causata dallo scorrimento dell'acciaio fuso e l'erosione chimica causata dai componenti delle scorie che penetrano nel materiale.
Durante il processo di fusione, la soluzione penetrerà nella matrice refrattaria attraverso i canali capillari nella matrice refrattaria per corrodere il rivestimento del forno. I componenti che penetrano nella matrice refrattaria includono; CaO, SiO2, FeO nella scoria; Fe, Si, Ai, Mn, C nell'acciaio fuso e persino vapore metallico, gas CO, ecc. Questi componenti infiltrati vengono depositati nei canali capillari del materiale refrattario, causando la discontinuità delle proprietà fisiche e chimiche della superficie di lavoro refrattaria e della matrice refrattaria originale. Crepe, desquamazioni e struttura allentata appariranno sotto il brusco cambiamento della temperatura di esercizio. In senso stretto, questo processo di danno è molto più grave del processo di danno da dissoluzione.
I materiali metallici aggiunti alla fornace apporteranno vari ossidi e anche la composizione delle scorie di materiali diversi e di fornaci diverse è diversa. La maggior parte dei vari ossidi, carburi, solfuri e varie forme di composti compositi nella scoria reagiranno chimicamente con il rivestimento della fornace per generare nuovi composti con diversi punti di fusione.
Alcuni ossidi a basso punto di fusione generati nella reazione, come l'olivina di ferro (FeOSiO2) e l'olivina di manganese (MnOSiO2), hanno generalmente punti di fusione intorno ai 1200 gradi. La scoria a basso punto di fusione ha un'eccellente fluidità e può formare un agente fondente, causando una grave erosione chimica sul rivestimento del forno, riducendo così la durata utile del rivestimento del forno. La scoria ad alto punto di fusione generata nella reazione, come la mullite (3Al2O3•2SiO2), la forsterite (2MgO•SiO2), ecc., e alcuni elementi metallici ad alto punto di fusione hanno un punto di fusione superiore a 1800 gradi. C'è una compenetrazione relativamente complessa e una dissoluzione reciproca tra la scoria ad alto punto di fusione e la scoria a basso punto di fusione sospese nel metallo fuso. Queste scorie aderiscono molto facilmente alla parete del forno e si accumulano, causando gravi problemi di adesione, che incidono sulla potenza, sulla velocità di fusione e sulla capacità del forno elettrico, compromettendo persino la durata del rivestimento del forno.
All'aumentare della capacità del forno, la percentuale di calore perso dalla superficie dell'acciaio fuso diminuisce, la temperatura della scoria è più alta di quella di un forno di piccola capacità e la fluidità della scoria è migliore di quella di un forno di piccola capacità, quindi l'erosione del rivestimento del forno è aggravata. I grandi forni a induzione utilizzano principalmente il metodo di miscelazione di acciaio e scoria per spillare l'acciaio, richiedendo che la scoria abbia una buona fluidità per adattarsi alle condizioni di spillatura. Pertanto, la linea della scoria è gravemente erosa, il che è un altro motivo per la riduzione della durata utile del rivestimento del forno. Per i motivi sopra indicati, la durata utile del rivestimento di un grande forno a induzione è inferiore a quella di un forno a induzione di piccole e medie dimensioni. Per aumentare la durata utile del rivestimento, lo spessore del rivestimento dovrebbe essere opportunamente aumentato. Tuttavia, all'aumentare dello spessore del rivestimento del forno, il valore della resistenza aumenta, la perdita di potenza reattiva aumenta e l'efficienza elettrica diminuisce. Pertanto, lo spessore del rivestimento del forno è limitato a un certo intervallo. Pertanto, è necessario selezionare uno spessore di parete ragionevole per garantire sia un'elevata efficienza elettrica sia la durata utile del rivestimento del forno.
Figura 5, rivestimento del forno ricoperto di scorie
3. Progettazione delle soluzioni
L'erosione di cui sopra porta alla cosiddetta scheggiatura strutturale sotto fluttuazioni cicliche di temperatura. Durante il processo di produzione, la scoria penetra nei pori della matrice refrattaria, formando un grande strato refrattario ispessito. Le proprietà fisiche e chimiche della parte del refrattario che è imbevuta dalla scoria cambieranno. A causa dei diversi coefficienti di dilatazione termica tra lo strato di penetrazione e lo strato residuo scomodo, quando la temperatura cambia, appare una grande sollecitazione alla giunzione dei due strati, con conseguenti crepe parallele alla superficie di lavoro e, in definitiva, causando la scheggiatura del rivestimento. La scoria che penetra nella matrice refrattaria dissolverà le particelle refrattarie e indebolirà il legame tra le particelle, con conseguente diminuzione della refrattarietà del materiale e della resistenza alle alte temperature. Pertanto, il refrattario dello strato di penetrazione della scoria si danneggia più rapidamente sotto l'erosione dell'acciaio fuso che scorre.
La basicità della scoria deve essere compatibile con il materiale di rivestimento. I materiali di rivestimento in magnesio possono essere corrosi da scorie ad alto contenuto di CaO e scorie di SiO2. La quantità di CaF nella scoria deve essere controllata. Un eccesso di CaF corroderà il rivestimento alcalino e causerà la fusione prematura dell'area della linea di scorie. Quando gli ioni fluoruro e gli ioni manganese metallici nella scoria sono elevati o la temperatura della piscina fusa è superiore a 1700 gradi, anche la viscosità della soluzione diminuirà bruscamente, il tasso di danneggiamento del rivestimento accelererà e la durata del rivestimento sarà notevolmente ridotta. Quando la fusione senza scorie viene eseguita sotto vuoto, la durata del rivestimento è maggiore di quella della fusione senza vuoto.
L'infiltrazione di un elevato contenuto di ossido di ferro nel rivestimento distrugge la microstruttura del rivestimento originale, riduce la refrattarietà e riduce la viscosità delle scorie CaO-Ai2O3-SiO2, in modo che le scorie penetrino più in profondità nel materiale. Tuttavia, una certa quantità di ossido di ferro nel rivestimento originale favorisce la rapida sinterizzazione del rivestimento e riduce i pori aperti e la permeabilità del materiale. In particolare, il materiale di stampaggio contiene una certa quantità di ossido di ferro e la rapida sinterizzazione, la sabbiatura e l'inclusione di sabbia del materiale sono molto evidenti. L'aumento del contenuto di ossido di magnesio e della viscosità delle scorie è utile per ridurre l'erosione delle scorie sul rivestimento del forno e migliorare l'effetto di raccolta delle scorie. Quando la basicità delle scorie è bassa, l'erosione del rivestimento in magnesio è più grave e la durata del rivestimento del forno è ridotta; al contrario, quando la basicità della scoria è elevata, l'erosione del rivestimento del forno è relativamente lieve e la durata del rivestimento del forno è relativamente migliorata. Aumentare la basicità della scoria e il contenuto di MgO nella scoria e ridurre il contenuto di FeO nella scoria è utile per ridurre l'erosione della scoria sul materiale refrattario.
Pertanto, quando si utilizzano agenti di produzione di scorie, è necessario prestare attenzione alla selezione di materiali con elevato ossido di magnesio. Configurare ragionevolmente la struttura delle scorie, accelerare la velocità di formazione delle scorie, ridurre il tempo di fusione e ridurre il contenuto di ossido di ferro nelle scorie. La scoria appropriata deve essere selezionata in base al materiale del rivestimento del forno. Le scorie alcaline sono adatte per il rivestimento in magnesio, ma possono essere corrose da scorie ad alto contenuto di CaO e scorie di SiO2. Anche un eccesso di CaF2 corroderà il rivestimento alcalino, causando la fusione prematura dell'area della linea delle scorie. Le scorie acide sono adatte per il rivestimento del forno al quarzo, mentre il rivestimento del forno in magnesia-allumina può essere utilizzato solo per scorie debolmente alcaline o neutre. Il rivestimento del forno in allumina mostrerà tipiche proprietà anfotere in diversi valori di pH ad alta temperatura, che possono adattarsi a scorie con diversi valori di pH, ma è leggermente peggiore dei rivestimenti del forno acidi e alcalini. Per questo motivo, quando si selezionano i materiali, alcuni utilizzano sabbia di magnesia ad alta purezza e aggiungono una certa quantità di spinello per modificare le proprietà della matrice dei materiali di rivestimento dei forni in magnesia pura, ma gli esperimenti dimostrano che la resistenza alla corrosione dei materiali in corindone ad alta purezza è anche significativamente inferiore alla sabbia di magnesia sinterizzata con bassa purezza.
La scoria acida è adatta per il rivestimento del forno al quarzo, mentre il rivestimento del forno in magnesia-allumina può essere utilizzato solo per scorie debolmente alcaline o neutre. Il rivestimento del forno in allumina mostrerà le tipiche proprietà anfotere in diversi valori di pH ad alta temperatura, che possono adattarsi a scorie con diversi valori di pH, ma è leggermente peggiore dei rivestimenti del forno acidi e alcalini. In breve, considerando il principale meccanismo di danno del rivestimento del forno in magnesia, dopo un riepilogo e un'esplorazione continui, la resistenza del materiale alla penetrazione delle scorie può essere migliorata limitando i pori aperti e la permeabilità, e la resistenza all'erosione ad alta temperatura e la resistenza alla scheggiatura della matrice del rivestimento del forno possono essere migliorate aumentando la resistenza alla flessione ad alta temperatura e la temperatura di rammollimento critica. Le prestazioni del rivestimento del forno dipendono da molti fattori, come la distribuzione granulometrica del materiale, le proprietà fisiche e chimiche del materiale e la temperatura di sinterizzazione del rivestimento del forno.
