Ключ к продлению срока службы огнеупорной футеровки

Балансировка огнеупорных свойств алюминиевых печей позволяет значительно продлить срок их службы.

Фактический срок службы печи является одним из основных моментов в производстве алюминиевых изделий, который во многом зависит от способности огнеупорной футеровки выдерживать различные условия эксплуатации (такие как высокая температура, изменение температуры, химическая коррозия и механический износ) в печи. В идеале, одна огнеупорная конструкция может выдерживать все эти условия и является легкодоступной и недорогой. К сожалению, это случается редко.

Обоснованный выбор огнеупорных материалов часто заключается в поиске наилучшего баланса между ценой, производительностью, конкретным применением и условиями эксплуатации. Огнеупор с высокой прочностью и хорошей износостойкостью может быть склонен к растрескиванию из-за экстремальных перепадов температур (обычно называемых термическим ударом), в то время как материал, который может выдерживать термический удар без серьезного растрескивания, может быть уязвим для химической коррозии. Для конкретной печи нахождение наилучшего баланса свойств материала для каждой зоны является важной гарантией максимального увеличения срока службы печи.

Требования к коррозионной стойкости при выплавке алюминия

Огнеупорная футеровка алюминиевой печи (рис. 1) должна выдерживать различные химические реакции, происходящие во время работы печи. Следует рассмотреть три различные области: область выше линии уровня жидкости, область ниже линии уровня жидкости и область ниже линии уровня жидкости. В области выше линии уровня жидкости огнеупор должен быть устойчив к эрозии различных щелочных паров. Щелочные пары могут поступать из флюса, используемого при выплавке алюминия, и продуктов сгорания, используемых для нагрева печи. В области ниже линии уровня жидкости огнеупор должен противостоять коррозии расплавленного алюминия. На линии уровня жидкости (часто называемой зоной заплечика) находится трехфазная точка, где взаимодействуют огнеупор, атмосфера и жидкий алюминий.

Рисунок 1. Принципиальная схема печи для литья алюминия под давлением

Во время работы печи огнеупорный материал ниже уровня жидкости напрямую контактирует с алюминиевой жидкостью. Этот контакт создает зону химической реакции, где оксиды на поверхности огнеупора восстанавливаются, например, кремний (SiO2) до кремния. Алюминий будет попадать в огнеупорную футеровку через ту же окислительно-восстановительную реакцию или просачиваться под действием капиллярной силы.

Оксид алюминия приводит к образованию корундовой опухоли (Al2O3). Это приводит к изменению кристаллической структуры с кубической центральной грани на гексагональную, что приводит к очевидному расширению объема. Когда внутри огнеупорной футеровки образуется корундовая опухоль, изменение объема приведет к растрескиванию, что приведет к большему проникновению алюминия, а затем к большему количеству трещин, пока огнеупорная футеровка окончательно не разрушится.

Смачивание стойких материалов

Одним из способов уменьшения зоны реакции является предотвращение «смачивания» алюминиевой жидкостью стойкого материала (рис. 2). Способность жидкости «смачивать» поверхность определяется углом контакта жидкости. Если угол контакта между жидкостью и поверхностью больше 90 градусов, это называется смачиванием поверхности жидкостью; Когда угол контакта меньше 90 градусов, жидкость не смачивает поверхность. Жидкость, которая не смачивает поверхность, похожа на каплю воды на только что навощенном теле. Если алюминиевый раствор не смачивает огнеупор, он не будет реагировать с огнеупором и не проникнет в огнеупорную футеровку.

Рисунок 2. Сравнение смачивания и несмачивания

Различные добавки могут быть использованы для снижения тенденции к смачиванию расплавленного алюминия. Некоторые из наиболее часто используемых добавок включают барий, бор или фторид, которые могут изменить поверхностные химические свойства огнеупора, тем самым снижая способность жидкого алюминия реагировать и проникать. Использование таких добавок может значительно продлить эффективный срок службы огнеупорной футеровки.

Хотя несмачивающие добавки помогают продлить срок службы огнеупора в зоне контакта с расплавленным алюминием, они не помогают в зоне контакта с другим расплавленным алюминием. Они не могут защитить область выше линии уровня жидкости от эрозии щелочных паров, не могут улучшить износостойкость огнеупора и не могут улучшить термостойкость огнеупора. Более того, эти добавки летучи. Когда дело доходит до 1700 ° F (927 ° C), выше этих температур они начинают терять свою эффективность, поскольку они реагируют с другими компонентами в огнеупоре и изменяют их свойства. Стоимость добавок также может быть высокой, что делает огнеупор более дорогим, чем материалы с теми же ингредиентами, но без добавок.

Не смачивающие добавки также могут оказывать некоторое негативное воздействие на огнеупор. Результаты показывают, что добавление 1% фторидной добавки к традиционному бетону сделает его более стабильным при 2000 ° F (1093 ° C). Высокотемпературная прочность на изгиб (hMOR) композитов снизилась на целых 30%. Если это низкоцементный бетон, воздействие будет больше. Уменьшение высокотемпературной прочности, вероятно, связано с образованием стеклофазы, вызванной добавками. Фторид и бор являются хорошо известными стеклообразующими материалами. При высокой температуре стеклофаза будет образовываться на границах зерен, тем самым снижая прочность связи между отдельными зернами и общую прочность огнеупора.

Баланс огнеупорных свойств

При выборе огнеупоров для алюминиевых печей следует тщательно учитывать преимущества и недостатки материалов. Все боковые стенки печи находятся в прямом контакте с расплавленным алюминием. Верхнюю часть боковой стенки необходимо очистить, чтобы удалить брызги алюминия, чтобы предотвратить образование корундовых бугорков. Выбранный огнеупор боковой стенки должен быть устойчив к механическому истиранию и не должен смачиваться, чтобы избежать образования корундовых бугорков. Печь и загрузочный колодец пропитаны жидким алюминием, но степень износа не такая серьезная, как у боковой стенки. Нижняя конструкция также может соприкасаться с некоторым количеством расплавленного алюминия, но она также должна обеспечивать опору, поэтому следует использовать высокопрочный и несмачиваемый огнеупорный материал.

Дверь печи и порог подвергаются колебаниям температуры каждый раз, когда дверь печи открывается, а также они подвергаются истиранию во время загрузки. При выборе огнеупорных материалов следует учитывать термостойкость и износостойкость. Верх печи и надстройка должны обладать высокой прочностью и устойчивостью к щелочным парам. Подложка должна быть выбрана с целью снижения потерь тепла, но она также должна иметь соответствующую устойчивость к расплавленному алюминию, чтобы предотвратить повреждение огнеупорной поверхности с высокой температурой.

Для всех этих областей необходимо полностью учитывать конкретные условия эксплуатации печи и корректировать баланс огнеупорных свойств в соответствии с фактической ситуацией. Необходимо определить основные режимы повреждения и соответствующим образом скорректировать выбор материала.

Ключ к выбору огнеупорного материала

Условия эксплуатации алюминиевой печи требуют различных эксплуатационных характеристик огнеупорной футеровки в разных зонах. Огнеупор двери печи трескается из-за резких колебаний температуры; На верхней части боковой стенки образуются корундовые наросты, которые необходимо удалить, поэтому огнеупор здесь должен быть износостойким; Нижняя часть боковой стенки находится в непосредственном контакте с расплавленным алюминием, который должен противостоять химической эрозии и предотвращать проникновение расплавленного алюминия, чтобы избежать образования корундовой опухоли.

Очень трудно найти огнеупор, который может удовлетворить всем этим требованиям по низкой стоимости, но полезно провести достаточно исследований. При выборе огнеупорных материалов необходимо тщательно учитывать конкретные потребности и условия эксплуатации печи, что очень важно для продления срока службы огнеупорной футеровки.