Кислая футеровка индукционных плавильных печей ИЧТ-6 и ИЧТ-10

«Определённое время назад мне довелось вводить в эксплуатацию, а затем возглавлять плавильный участок крупного литейного цеха, производившего 1100 т годного чугунного литья в месяц. Участок был оснащен индукционными плавильными тигельными печами: ИЧТ-10 (3 шт.); ИЧТ-6 (1 шт. – двухтигельная) и двумя печами ИСТ-1 (для цветного литья). В этой небольшой заметке я постараюсь изложить технологию выполнения кислой футеровки печей ИЧТ-6 и ИЧТ-10, обозначить проблемы с которыми нам пришлось столкнуться» — О. Виноградов.

Внутренние размеры тигля печи ИЧТ-6 и печи ИЧТ-10 очень близки, да и технология футеровки обоих печей одинакова, поэтому в дальнейшем будем вести речь о футеровки печи ИЧТ-6, подразумевая и футеровку печи ИЧТ-10.

Устройство печи ИЧТ-6

Схема печи ИЧТ-6 представлена на рис. 1. Печь состоит из металлического каркаса 1, тигля 3, индуктора 2, крышки 6 (с механизмом подъёма), рабочей площадки 7, токо- и водоподводящих устройств, заключенных в кожухе 8. Каркас печи представляет собой жёсткую сварную конструкцию из листовой стали. Под сливным носком 5 расположена ось 4 поворота печи. Под воздействием гидростанции осуществляется наклон печи на угол – до 105 градусов для слива металла из печи.

 

Всё, что мы видим на схеме, плюс два гидроцилиндра и гидростанция называется «печная установка». Внутри корпуса печной установки располагается «плавильная единица», которая формируется следующим образом: на подину (стальное  цилиндрическое основание печи,   футерованное шамотным кирпичом или огнеупорным бетоном), непосредственно на футеровку,  устанавливают индуктор, на него верхнее основание. Подину и верхнее основание стягивают стальными шпильками и магнитопроводами в вертикальном направлении по всему диаметру печи. Плавильная единица, в собранном состоянии устанавливается электромостовым краном внутрь корпуса печной установки и обжимается в радиальном направлении боковыми винтами, расположенными в корпусе печи. При этом, магнитопроводы очень жёстко фиксируют индуктор. После монтажа кабелей и шлангов, сверху устанавливают и крепят насадку печи с рабочей площадкой, печь готова для набивке (футеровке) тигля.

Основной частью, определяющей характеристики печной установки является индуктор, изготовленной из медной трубы (медь марки М1) круглого, прямоугольного или специального сечения. Следует отметить, что внутренние размеры печей ИЧТ-6 и ИЧТ-10 очень близки и металлоёкость печей практически одинакова. Отличие состоит в том, что ИЧТ-6 – питается от двух фаз, а ИЧТ-10 от трёх. Футеровку обоих печей выполняют по одной схеме.

Технологическая схема

К качеству футеровки тигля индукционной печи предъявляются высокие требования, т.к. она работает в неблагоприятных условиях: внутренняя поверхность обогревается горячим металлом с температурой 1400-1500°С, а наружная соприкасается с индуктором, охлаждаемым водой. Операции футеровки печи должны проводиться с особой тщательностью, а все применяемые материалы должны соответствовать приведенным требованиям.

Технологический процесс футеровки печи ИЧТ-1,0 предусматривает следующие основные этапы:

• Футеровка подины печи.
• Подготовка тигля печи к футеровке.
• Футеровка насадки печи.
• Приготовление футеровочной массы.
• Футеровка (набивка) тигля печи.
• Спекание футеровки.

 Футеровка подины

Подина печи выкладывается шамотным кирпичом марки ША по ГОСТ 390-96 на растворе: 70-75% молотого шамота, 25-30% молотой огнеупорной глины. Вода добавляется до образования тестообразной массы.

Допускается футеровку подины печи выполнять жароупорным бетоном следующего состава (в массовых долях):

• Жидкое стекло ГОСТ 13078-81 γ=1,36 — 1,38 г/см³   —  280 кг.
• Кремнефтористый натрий ГОСТ 87-77  —  15 кг.
• Тонкомолотый магнезит (бой магнезитового кирпича ГОСТ 4689-94), крупность зерна — менее 0,14 мм, в т.ч. 50% — менее 0,09 мм  —  355 кг.
• Шамот марки ША ГОСТ 390-96, крупность зерна — 0,14-4 мм  —  390 кг.
• Шамот марки ША ГОСТ 390-96, крупность зерна — 4-20 мм  —  560 кг.

Итого:  1600 кг.

Приготовление бетона ведут в бетономешалке или лопастном смесителе. Последовательность ввода компонентов в бетономешалку строго определена и должна неукоснительно соблюдаться:

• Тонкомолотый магнезит с кремнефтористым натрием.
• Жидкое стекло.
• Шамотный песок.
• Шамотный щебень.

ВНИМАНИЕ! Кремнефтористый натрий ядовит, при его использовании необходимо соблюдать меры предосторожности: использовать «респиратор лепесток»,  резиновые перчатки.

Готовый бетон заливают в подину печи, предварительно оснащенную опалубкой (стальные полосы высотой 120 мм из листа толщиной 2-3 мм привариваются  по внутреннему контуры стального основания падины). Уплотнение бетона ведут пневматической трамбовкой. По окончании хорошо произвести «железнение»: аккуратно разгладить кистью или ветошью жидкое стекло, выступившее на внутреннюю поверхность футеровки и присыпать тонким слоем кремнефтористого натрия, постараться его немного втереть в поверхностный слой.

Режим сушки жароупорного бетона:

• 17-24 часа при температуре не менее 15°С.
•  48 часов при температуре 40-50°С.
•  1-3 суток при температуре 90-150°С.

ВНИМАНИЕ! После окончания сушки бетона в обязательном порядке удалить с подины опалубку!

Риторический вопрос — какая футеровка дольше стоит? По моим наблюдениям футеровка выполненная шамотным кирпичом выдерживает 1-1,5 года, выполненная бетоном — 1,5-2 года. Всё зависит от условий эксплуатации. В принципе можно сказать что варианты равноценные.

Важные предостережения

• Прежде чем приступить к футеровке подины, удалите навечно шпильку (болт) вывода  сигнализатора проедания футеровки (см. рис. 1 -болт в центре донышка с расходящимися в разные стороны проволочками). Сигнализатор должен функционировать в печи, но вводить его следует другим методом. Металлический болт часто служит причиной проедания футеровки.
• Никогда не используйте для футеровки подины печи готовые огнеупорные сектора. Зачастую их поставляют в количестве 4-х штук для футеровки подины. Как бы вы не пытались их распереть, в результате вибрации печи и её наклонов во время слива металла, блоки сместятся, появится щель, через которую уйдёт кварцит, а затем металл.

Футеровка насадки печи

Насадка и сливной носок футеруются шамотным кирпичом. Раствор для кладки (в массовых долях): молотый шамот — 70-75%; молотая огнеупорная глина — 25-30%. На 100 дм³ сухой массы расходуется 50 л воды (до образования тестообразной массы).

Подготовка печи к футеровке тигля

Индукционная печь может быть остановлена на перефутеровку по двум причинам:

1. Остановка на плановый ремонт.
2. Остановка в связи с аварийными обстоятельствами.

При остановке печи на плановый ремонт, подготовительные работы проводят на печной установке без извлечения плавильной единицы из корпуса печи. В этом случае предусматривается: визуальный осмотр состояния электроизоляции индуктора; осмотр индуктора, кабелей, водоподводящих шлангов на предмет протекания воды; проверка степени обжатия индуктора; проверка состояния заземления;  проверка сопротивления изоляции между отдельными секциями индуктора и между индуктором и корпусом печи. Результаты осмотра и замеров заносят в журнал контроля проведения футеровочных работ; анализируют полученные данные и принимают решение о начале футеровочных работ или отправке плавильной единицы на участок ремонта индукторов.

При остановке печи в связи аварийными обстоятельствами плавильную единицу извлекают из корпуса печи и транспортируют на специально оборудованный участок ремонта индукторов, где производят: разборку индукторов, снятие вышедшей из строя изоляции, опреснение, заварку трещин и видимых дефектов, обезжиривание, нанесение новой электроизоляции, нанесение лака на изоляцию, сборку индуктора, проверку целостности индуктора опреснением водой под давлением 6 атм. Восстановленную печную единицу транспортируют и монтируют в корпус печи,  производят крепление (обжатие) индуктора, подключение шлангов оборотного водоснабжения и токоведущих кабелей, монтаж насадки печи с рабочей площадкой, установку датчика сигнализатора состояния футеровки тигля. Перед началом футеровки тигля печи необходимо проверить:

• Соединения водопроводящих шлангов и токоведущих кабелей. Обнаруженные течи устранить.
• Работу механизма наклона печи.
• Целостность троса заземления корпуса печи.
• Работу реле протока воды.
• Состояние изоляции индуктора от корпуса печи (мегомметром).
• Состояние изоляции между секциями индуктора (мегомметром).

Подготовка футеровочной массы

Первое время для футеровки тигля печи ИЧТ-6  использовали Первоуральский кварцит марки ПКМИ-97,5 по МРТУ-14-8-31-71. Массовая доля: SiO₂ — не менее 97%; Al₂O₃ — не более 1,3%; Fe₂O₃ — не более 0,5%; CaO — не более 0,5%; Na₂O + K₂O — не более 0,3%. Содержание посторонних примесей не допускается. Влажность не более 0,3%. РН = 7,0. Гранулометрический состав от 0,05 до 4,0%. Работать с этим материалом было легко и просто, готовый состав, достаточно ввести только борную кислоту.

Спустя некоторое время возникли перебои с поставками Первоуральских кварцитов и пришлось перейти на использование отечественных кварцитов Овручевского месторождения. В качестве сырья для приготовления футеровочной массы начали использовать кварцит металлургический КМ-6 ТУ У 14,5-00191879-006-2001: зерновой состав – 0-6 мм;  SiO₂ – не менее 97%; Fe₂O₃ – не более 0,7%; Al₂O₃ – не более 1,2%; огнеупорность – не менее 1730°С.

Технологическая схема процесса приготовления футеровочной массы приведена на рис. 2. Для реализации технологического процесса было закуплено и, частично, разработано и изготовлено собственными силами оборудование, позволившее сформировать отдельный, специализированный участок приготовления футеровочной массы. Состав технологического оборудования:

1. Щековая дробилка.
2. Печь обжига кварцита.
3. Смеситель мод. СЩ-46А.
4. Классификатор (вибрационное сито)  укомплектованное следующими ситами (сверху в низ):

• сито с ячейкой 4. 0 мм (для отделения примесей);
• сито с ячейкой 1. 0 мм (для отсева крупной фракции);
• сито с ячейкой 0. 75 мм (для отсева средней фракции);
• мелкая фракция стекает по лотку.

Для получения стабильных модификаций кварцит прокаливают при температуре 800-900°С в течение 8-10 час. Тару для кварцита рекомендуется изготавливать из нержавеющей стали, что исключает возможность образования и попадания окалины в кварцит при прокаливании  и увеличивает ее срок службы.

Прокалённый кварцит рассевают на классификаторе (вибросите) по фракциям:

1.  0,001-0,75 мм
2.  0,75-1,0 мм
3. 1,0-3,0 мм
4. 3,0 и более мм.

Примечание: Фракция №4 с крупностью зерен более 3 мм подвергается измельчению на щековой дробилке.

Хранение рассеянного кварцита осуществляют раздельно по фракциям, в специально предназначенной для этих целей герметично закрываемой таре.

Борную кислоту используют без предварительной обработки. Её влажность не должна превышать 0,05%. В процессе хранения возможно слеживание борной кислоты. Перед употреблением такую кислоту подвергают сушке в сушильной камере при температуре 40-60°С в течение 1-2 суток, и просеивают через сито с ячейкой не более 0,5 мм.

Приготовление футеровочной массы рекомендуется осуществлять в смесителе модели СГУ-400 не ранее,  чем за 2-3 часа до начала футеровки печи. Приготовление футеровочной массы осуществляют в две стадии:

1. На первой стадии смешивают кварцит в следующих пропорциях (в массовых долях):

• фракция 0,001-0,75 мм — 45%;
• фракция 0,75-1,0 мм — 20%;
•  фракция 1,0-3,0 мм — 35%.

Длительность перемешивания 15-20 мин.

2. На второй стадии кварцит смешивается с борной кислотой в пропорции (в массовых долях):

• кварцит — 98,2-98,0%;
• борная кислота — 1,8-2,0%.

Длительность перемешивания 15-20 мин.

Влажность готовой футеровочной массы не должна превышать 0,3%.

Футеровка (набивка) тигля печи

Внутреннюю поверхность индуктора покрывают слоем обмазки следующего состава(в массовых долях):

1. Кварцит пылевидный (или маршалит) — 66%;
2. Асбестовая мука — 34%.

Вода сверх 100% до консистенции тестообразной массы.

Внутреннюю поверхность индуктора печи обкладывают листами миканита.

Проволочки сигнализатора проедания тигля скручиваются в жгут, который изолируют микалентой или стеклотканью. Оставляют не крученным кусок жгута длиной миллиметров 400.  Жгут укладывают на бетонную подину. Один конец жгута с не сплетёнными проволочками располагают в центре подины, а второй конец выводят за пределы индуктора в промежутке между  нижним   витком индуктора и бетоном подины.

Подина печи выкладывается асбестом листовым (ГОСТ 2850-80, толщина асбестового картона — 6 мм), разрезанным на секторы, внахлест 50-100 мм. По всей поверхности индуктора укладывается асбестовый картон (внахлест 50-100 мм) и разжимается прижимными кольцами (рис. 3) к индуктору.

 

Инструмент для футеровки тигля печи.

1. Для набивки днища используется трамбовка с плоским наконечником (см. рис 4.г.).
2. Для набивки стенок применяют трамбовку с наконечником (см. рис. 4. а) и трамбовку с наконечником в виде рейки (см. рис. 4.в).
3. Для уплотнения массы у выпуклостей шаблона (переход конической формы в цилиндрическую) следует применять трамбовку со скошенным наконечником (см. рис. 1.б).

Примечания:

• Допускается производить набивку тигля печи пневматической трамбовкой.
• Предпочтительно вести футеровку тигля Пневматическими системами для футеровки тиглей.

 

На асбестовый картон подины печи засыпают кварцит (без борной кислоты) слоем 40-60 мм и тщательно уплотняют трамбовкой (рис. 4г). Поверхность уплотненного слоя слегка взрыхляется, насыпается слой футеровочной массы толщиной 40-60 мм, который тщательно уплотняется трамбовкой (рис. 4г), верхний слой взрыхляется, насыпается очередная порция футеровочной массы и т. д. до высоты 4-го витка индуктора. Сигналом окончания набивки дна тигля служит «металлический» звон при ударе трамбовки.

Выводы (проволочки) сигнализатора состояния футеровки печи разводятся от центра по радиусам в стороны по верхней поверхности футерованного днища.

На футерованное днище устанавливается металлический шаблон (его нижняя часть). Шаблон тщательно центруется. Осторожно, не нарушая положения шаблона, в него укладывается груз весом 100-200 кг (можно использовать чушковой чугун, идущий в дальнейшем на спекание).

В зазор между индуктором и шаблоном засыпается футеровочная масса. Первые слои (переход из конической формы шаблона в цилиндрическую) трамбуется слоями не более 50 мм трамбовкой со скошенным наконечником (см. рис. 4.б). затем у перехода в цилиндрическую часть  острым наконечником (см. рис. 4.а), далее реечным наконечником (см. рис. 4.в). Цилиндрическую часть шаблона уплотняют острой трамбовкой (см. рис. 4.а), засыпая футеровочную массу слоями 100-200 мм.

По мере подъёма высоты  футеровки наращивают среднюю, а затем и верхнюю часть шаблона.

После окончания набивки тигля, верхний слой футеровочной массы слегка смачивают жидким стеклом.

ВНИМАНИЕ! В процессе футеровки необходимо строго следить за извлечением распорных колец. Оставленное кольцо ведет к короткому замыканию со всеми вытекающими последствиями. Недопустимо попадание металлических предметов и асбеста в футеровочную массу.  Футеровку тигля необходимо проводить за один раз, перерывы в работе не должны превышать 10-15 мин.

Спекание футеровки

Спекание футеровки — наиболее ответственная операция, от которой во многом зависит ее долговечность. Шаблон печи (вручную!) загружают чушковым чугуном или «пусковым болваном». Включают печь и ведут постепенный подъем температуры со скоростью 100°С в час в течении восьми часов. По достижении температуры 800°С, увеличивают скорость подъема температуры, с тем, чтобы через 12 часов после начала спекания температура чугуна в печи составила 1500°С. При температуре 1500°С чугун выдерживается в печи в течение двух часов и сливается.

Уход за футеровкой

Кварцит — метаморфическая горная порода, сложенная в основном кристаллически-зернистым кварцем. Кварц — одна из полиморфных модификаций двуокиси кремния. При нагревании он претерпевает следующие модификационные изменения: 0-573*С (кварцит), 573-870*С (высокотемпературный кварц), 870-1470*С (высокотемпературный тридимит), 1470-1710*С (высокотемпературный кристобалит), при этом изменяется кристаллическая решетка минерала, соответственно его объем, а это влечет за собой образование трещин.

Оптимальный режим работы для кислой кварцевой футеровки — круглосуточное поддержание металла в жидком состоянии, но это не всегда возможно и экономически не целесообразно. Для продления срока службы футеровки используют следующие приемы:

• На время слива металла температуру печи поддерживают с помощью инжекционной газовой горелки.
• После слива металла в тигель печи устанавливают литой чугунный «болван» диаметром 0.5 диаметра тигля, тигель накрывают крышкой и обмазывают глиной.
• После слива металла в печь загружают кокс на половину высоты тигля. Тигель закрывают крышкой.

Выводы и рекомендации

1. В результате многолетней эксплуатации индукционных плавильных печей мод. ИЧТ-6 и ИЧТ-10 футеруемых кварцитом Овручского месторождения при выплавке серого и высокопрочного чугуна и трёхсменной их работе установлена длительность безопасной эксплуатации футеровки печи, которая составляет — три месяца.
2. В некоторых случаях длительность эксплуатации печей доводили до шести месяцев. Выбивка футеровки не указывала на проходы металла и при усовершенствовании конструкции сигнализатора проедания тигля, реально продлить длительность эксплуатации печи как минимум до 6-ти месяцев.
3. Номенклатура футеровочных материалов для индукционных представленных сегодня на украинском рынке литья (даже представленных на данном сайте) очень широка и предприятия, исходя их объёмов производства имеют возможность выбирать, что для них целесообразней организовывать получение футеровочных смесей или прибретать их в готовом виде.

P.S. Недавно попалась на глаза статья «Индукционная плавка с полным сливом металла» Джона Х. Мортимер “Inductotherm”, г. Ранкокас, шт. Нью-Джерси, США, где автор указывает на то, что средний срок службы футеровки  с исполь­зованием «болота» находится в пределах 250 -350 плавок для 10 — тонной печи.  В случае использования технологии «индукционной плавки с полным сливом металла» (ПСМ) средний срок службы футеровки печи ёмкостью 10 тонн колеблется от 300 до 400 плавок или 3000 — 4000 тонн. Автор отмечает: «Сообщалось, что максималь­ный срок службы футеровки при использовании печи 10 тонн, производившей серый чугун, со­ставил 8000 тонн».

P.S.S. Всем, кто интересуется технологиями футеровки индукционных печей, настоятельно рекомендую ознакомиться с заметкой, отображающей функционирование комплекса автоматизированного оборудования для футеровки индукционных печей канадской компании Gradmatic Equipment Inc, представленной на этом сайте. На мой взгляд — это просто революционное решение вопроса: просто, качественно, экологически очень чисто. В заметке представлен видеоролик, приятного просмотра.

Об авторе

• Виноградов Олег Николаевич — технический директор ООО «Полимер-инжиниринг», г. Киев; e-mail: v@on-v.com.ua; т.: +38 (096) 574-17-11