Способ изготовления футеровки тигля индукционной печи

Авторы патента:

Рыбин Валерий Васильевич (RU)

Тихомиров Анатолий Васильевич (RU)

Попов Валерий Олегович (RU)

Удовиков Сергей Петрович (RU)

Слепнев Валентин Николаевич (RU)

F27B14/10 - тигли

Владельцы патента RU 2303222:

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ "ПРОМЕТЕЙ" (ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей") (RU)

Изобретение относится к металлургии, а именно к изготовлению футеровки тигля индукционной печи для выплавки высокореакционных сплавов, например ферротитана повышенной чистоты. 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/час до температуры 1700±50°С и выдерживают при этой температуре из расчета 1±0,25 часа на 50±0,1 мм толщины футеровки. Изобретение позволяет повысить прочность и стойкость футеровки в условиях теплосмен. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

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, Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂, 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 (Al₂O₃) - 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 Mg²⁺(MgAl₂O₄)₈, согласно диаграмме состояния MgO-Al₂O₃.

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⁺(MgAl₂O₃)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 Al³⁺ 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/см³, 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
Состав	Условный № состава	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
	1	12,0*	26,0	0,16-0,10	40,0	74,0	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
	2	10,0**	28,2	0,16-0,10	38,0	71,8	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
	3	8,0***	30,0	0,16-0,10	42,0	70,0	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
Предлагаемый	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.

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.

Изобретение относится к металлургической отрасли промышленности, в частности к технологии изготовления футеровки индукционных печей для плавки высококачественных металлов и сплавов, и направлено на увеличение ресурса работы тиглей и плавильных печей в целом.

Переносной реакционный тигель для порции металлотермитной сварочной смеси для одноразового использования (варианты) // 2220831

Изобретение относится к области машиностроения, оборудования для термической сварки. .

Холодный тигель // 2199066

Изобретение относится к области металлургии, а именно к металлическим холодным тиглям, и может быть использовано для плавки алюмосиликатов и минералов. .

Индукционная печь открытого типа для плавки лома металлов // 2198365

Изобретение относится к электрометаллургии, в частности к индукционным печам открытого типа, используемым в производстве черных и цветных металлов, в частности к печам небольшой мощности для плавки лома металлов.

Плавильный водоохлаждаемый тигель // 2194934

Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых гарнисажных печей, а также плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей с холодным подом.

Вакуумная дуговая гарнисажная печь // 2194780

Изобретение относится к специальной электрометаллургии, в частности к вакуумным дуговым гарнисажным печам для выплавки слитков высокореакционных металлов и сплавов, преимущественно титановых.

Плавильный тигель // 2194232

Изобретение относится к металлургии, а именно к плавке и литью тугоплавких реакционных металлов в гарнисажных печах преимущественно с плазменным или электронно-лучевым нагревом.

Плавильный водоохлаждаемый тигель // 2166714

Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых гарнисажных печей, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей с холодным подом.

Тигель для плавки во взвешенном состоянии // 2121121

Способ изготовления длинномерного теплоизолирующего тигля // 2061202

Изобретение относится к нанесению покрытий в вакууме, в частности к изготовлению испарительных элементов, используемых для испарения свинца, висмута, олова и их сплавов в установках нанесения покрытий на рулонные материалы.

Наборный плавильный инструмент // 2324126

Изобретение относится к плавильному оборудованию, а именно к конструктивным элементам вакуумно-дуговых печей, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей, в конструкции которых используется водоохлаждаемый плавильный инструмент

Плавильный водоохлаждаемый тигель // 2358216

Изобретение относится к области металлургии, а именно к плавильному оборудованию для вакуумно-дуговых, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей

Высокотемпературная индукционная печь // 2363902

Изобретение относится к конструкциям индукционных тигельных печей для высокотемпературной переработки материалов и может быть использовано в металлургии, в процессах прокаливания твердых продуктов, в переработке твердых органических отходов, включая отходы тары и упаковки

Тигель для испарения алюминия в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии // 2365842

Изобретение относится к тиглям для испарения алюминия в процессе молекулярно-пучковой эпитаксии

Кристаллизатор для обработки расплавленного кремния и способ его изготовления // 2423558

Изобретение относится к оборудованию для кристаллизации расплавленного кремния или металлургической обработки для получения кремния очень высокой чистоты

Водоохлаждаемый плавильный инструмент // 2436852

Изобретение относится к области металлургии, в частности к конструктивным элементам плавильного оборудования вакуумно-дуговых, плазменно-дуговых и электронно-лучевых печей, в конструкции которых используется водоохлаждаемый плавильный инструмент - холодный тигель

Съемный переносной футерованный тигель для индукционной плавки // 2527565

Изобретение относится к металлургическому производству, в частности к конструкциям съемных переносных футерованных тиглей для индукционной плавки вертикальным и преимущественно горизонтальным магнитным потоком, применяемых для выплавки различных сплавов, доведения расплава до необходимых свойств и выдержки его для порционной разливки. Тигель содержит огнеупорную футеровку, металлический решетный каркас, пропускающий магнитный поток, петли или цапфы. Каркас размещен на внешней поверхности огнеупорной футеровки и скреплен по меньшей мере с двумя петлями или с двумя цапфами, расположенными на противоположных сторонах тигля у его верхнего торца. Изобретение позволяет обеспечить возможность переноса тигля для загрузки шихтой и разливки расплава за пределами печи, а также снизить капитальные и эксплуатационных расходы путем введения цапф или петель, используемых для поворота тигля или извлечения его из рабочего объема индукционной печи, создающей вертикальный или горизонтальный магнитный поток. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ нанесения защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля // 2618061

Изобретение относится к металлургии полупроводниковых материалов и может быть использовано, например, при получении особо чистого германия методом зонной плавки. При нанесении защитного покрытия на внутреннюю поверхность кварцевого тигля в качестве покрытия используют GeO2, образующийся путем пропускания через закрытый холодный тигель газообразного GeO, нагретого до 850-1000°С, после чего тигель открывают и нагревают в атмосфере воздуха до 850-1000°С, затем тигель выдерживают при тех же температурах в атмосфере воздуха до получения плотного покрытия. Изобретение позволяет получать однородное покрытие диоксида германия на внутренней поверхности кварцевых тиглей толщиной до 100-150 мкм простым и технологичным способом, не требующим значительных затрат энергии. 1 ил., 1 пр.

Способ получения отливок в индукционной печи // 2626114

Изобретение относится к области металлургии и литейному производству и позволяет получать отливки из сплавов на основе железа с высоким содержанием легирующих элементов. В способе осуществляют приготовление, загрузку и расплавление шихты в тигле с донным сливом, расплавление пробки и слив металла в литейную форму, после загрузки шихты в тигель добавляют бескислородный флюс, мас.%: глинозем 10÷12, плавиковый шпат 7÷10, криолит остальное, в количестве 10÷15% от массы шихты. Пробку изготавливают из материала с температурой плавления на 100-200°C выше, чем металлическая часть шихты, в составе которой она учитывается, а ее расплавление осуществляют вместе с шихтой. Тигель и литейную форму помещают в единый охватывающий индуктор, а шихта имеет следующий состав, мас.%: металлическая часть 95÷97 и ферросилиций 3÷5. Изобретение позволяет улучшить качество отливок на основе железа за счет осуществления плавки в защитной среде флюса при индукционном нагреве и введения активных легирующих элементов. 4 з.п. ф-лы, 6 пр., 1 табл., 5 ил.