книги из ГПНТБ / Новое в изготовлении и службе подин

ков в условиях высоких температур, малых давлений и низкого содержания плавней, а также характера металлопроницаемости порошков [76].

Рабочий слой ванн и резервуаров большинства ме­ таллургических печей выполняют из порошков различ­ ного химического и зернового составов.

Во всех случаях эффективная работа агрегата суще­ ственно зависит от способности рабочего слоя ванны препятствовать проникновению расплавленного метал­ ла через футеровку.

Ранее [77, 78] рассматривали процессы перемеще­ ния металлических расплавов в пористых телах в основ­ ном применительно к кремнеземистым формовочным смесям литейного производства. В настоящей работе ис­ следовали металлопроницаемость порошков из спечен­ ного магнезита путем продавливания через моноили полифракционный слой расплавленных цинка и олова,

атакже ртути.

Сэтой целью в нагревательную электрическую печь сопротивления (рис. 28) устанавливали трубу из жаро­ прочной стали, заполняли ее крупнозернистым порош­ ком, над которым помещали слой испытываемого ма­

териала толщиной 15 мм; сверху укладывали 20— 30 г цинка, олова или наливали столько же металличес­ кой ртути. Чтобы расплавленный металл или ртуть не проникали преимущественно в местах контакта порошка с трубой, у ее стен предварительно набивали кольцеоб­ разный слой толщиной 3—4 мм из порошков с зерном размером 0,1 мм.

На жаропрочную трубу после заполнения ее мате­ риалами навинчивали металлический водоохлаждаемый патрон, соединенный через редуктор с баллоном со сжа­ тым азотом. Металл нагревали до температуры, на 150° С превышающей температуру плавления, и выдер­ живали в течение 20 мин. Для выравнивания темпера­ туры испытуемого порошка во всем объеме над метал­ лом создавали избыточное давление, подавая сжатый азот в рабочее пространство установки. Скорость нара­ стания давления составляла около 0,1 кгс/(см2-мин). Момент пропитывания испытуемого порошка металли­ ческим расплавом на всю глубину слоя определяли по замыканию цепи контрольный электрод — жаропрочная труба через расплавленный металл. В этот момент фик­ сировали давление гелия над металлом.

61

Рис. 28. Установка для определения металлопроницаемо-

Ъ2

Т а б л и ц а 13

Характеристика порошков, используемых при определении металлопроницаемости

63

дует, что интенсивное изменение величины критического давления происходит при переходе от порошка с зерном размером 0,1 мм к порошку с зерном размером 1,0 мм.

Чтобы началось пропитывание расплавленным ме­ таллом порошка с 80% зерен размером 0,1 мм, необхо­ димо сообщить избыточное давление 4 кгс/см2. Порош­ ки с зерном размером 1 мм пропитываются металлом

фр о,ова-г,о

Рис. 30. Металлопроницаемость (критическое давление) полифракционных по­ рошков, составленных из зерен размером 2—5 мм; 0,088—2 мм и менее 0,088 мм (цифры на кривых — давление, гс/см2)

при давлении 0,005—0,010 кгс/см2 (олово и цинк соот­ ветственно) и даже под действием гравитационных сил (ртуть).

Для определения металлопроницаемости порошков были выбраны трехфракционные смеси (см. табл. 13, рис. 30), которые практически охватывают все зерновые составы порошков, используемых для изготовления и ремонта подин, изготовления тиглей и подовых камней индукционных установок и других элементов металлур­ гических печей. Металлопроницаемость полифракцион­ ных порошков определяли лишь по отношению к рас­ плавленному цинку.

64

Как следует из рис.30, наиболее высокую металлопроницаемость имели порошки с зерном размером 2,0— 5,0 мм. Начало перемещения металла в таких порошках

ки 10% фракции 0,088 мм повышало величину критиче­ ского давления в два раза, а 30% — в десять раз.

Таким образом, прове­ денные эксперименты под­ твердили, что условием перемещения металличе­ ских расплавов в содер­ жащих дисперсные фрак­ ции магнезитовых порош­ ках является определен­ ное «критическое» давле­ ние. Поскольку футеров­ ка агрегатов, предназна­ ченных для плавления и

2 кгс/см2), то величина «критического» давления явля­ ется важным показателем эксплуатационных свойств футеровок из порошкообразных материалов. В то же время величина этого давления зависит от состава металла (рис. 29), поэтому представляется целесообразным ха­ рактеризовать порошкообразные материалы величиной эффективного радиуса межзернового пространства.

Зная поверхностное натяжение о, угол смачивания 0 и критическое давление Рк, определяли [77] эффектив­ ный радиус гп по уравнению

2а cos 0

Угол смачивания магнезиальной подложки оловом находится в пределах 138—145°, а величина поверхност­ ного натяжения при 400—500° С составляет 527 дин/см [79]. Рассчитанные на основе этих величин эффектив­ ные радиусы для порошков различной зернистости при­ ведены на рис. 31. Из-за отсутствия сведений о смачи­ вании магнезии цинком можно было лишь приближен-

но рассчитать эффективный радиус магнезитовых порошков, приняв величину угла смачивания цинком та­ кой же, как и оловом.

Такое допущение не должно привести к существен­ ной ошибке. Поскольку смачиваемость зависит от рабо­

ты адгезии (cos0 работа адгезии Wa приближен-

\°т !

но согласуется с величиной свободной энергии AF [80], то, представляя характеристическую функцию AF в ус­ ловиях температур и давления как изобарно-изотермный потенциал AZ [81,82] и сравнивая их величины для MgO, ZnO и SnO, можно предположить, что углы сма­ чивания магнезии цинком и оловом будут отличаться не более чем на 25%.

Рассчитанные таким путем величины эффективных радиусов для монофракционных порошков по результа­

Результаты эксперимента могут быть использованы для приближенных расчетов эффективных радиусов и критических давлений для порошков, содержащих ди­ сперсные фракции с эффективным радиусом 0,1 мм. В этих пределах расхождения в определениях величины

66

эффективного радиуса по результатам продавливания трех различных металлов для указанных порошков ме­ нее существенны, чем для более грубозернистых порош­ ков.

Используя приведенную зависимость Рк от о, 0 и гп, а также результаты определения критического давления и зерновые составы порошков, путем расчета определи­ ли критические давления жидкой стали при продавливании ее через порошки с различными эффективными радиусами (табл.15) н различного зернового состава

(табл.16).

Т а б л и ц а 15

Расчетная величина критического давления для продавливания жидкой стали через полифракционные порошки

Из табл. 15 и 16 следует, что материалы с эффектив­ ным радиусом пор 0,01 мм являются металлопроницае­ мыми в условиях агрегатов с давлением жидкого метал­ ла 1 кгс/см2.

Данные табл. 16 свидетельствуют также о высокой металлопроницаемости полифракционных свободно на­ сыпанных порошков, содержащих 50% зерен размером 0,1 мм. Поскольку высокое содержание дисперсных фракций в подвергающихся нагреванию порошках мо­ жет привести к их интенсивному спеканию, высокой усадке и образованию трещин, то регулирование эффек­ тивного радиуса только изменением зернового состава для практических целей неприемлемо.

Увеличение давления при прессовании существенно сокращает средний радиус пор [83]. При этом степень сокращения среднего радиуса пор в несколько раз боль­ ше, чем степень сокращения пористости прессовки. Ис­ следование связи между зерновым составом, эффектив-

* Экспериментальные данные.

ным радиусом пор порошков и степенью их уплотнения должно существенно облегчить выбор технологии изго­ товления эффективно работающих футеровок из уплот­ ненных порошков.

Процессы формирования подины без предварительного введения шлакующих материалов

Для выяснения возможности спекания магнезитовых порошков под давлением при различных температурах без спекающих добавок были проведены исследования по методике [84], аналогичной описанной в работе [85].

На рис. 32 показана установка, в которой проводили исследование.

В криптоловой печи 4 устанавливали графитовый цилиндр 6, в который засыпали испытуемый порошок 5. Сверху к порошку прилагалась нагрузка, равная 0,5 и 1,0 кгс/см2, соответствующая удельным заначениям дав­ ления жидкой стали на подину. Давление на испытуе­ мый порошок 5 передавалось графитовым стержнем 1. Испытуемый порошок нагревали до 1200 °С с выдерж-

68

(этот режим соответствует концу плавления плавки) и до 1600° С с выдержкой 0,25; 0,5; 1,0 ч при тех же нарузках (этот режим соответствует доводке и выпуску ме­ талла из печи). Для исследований использовали магне­

образцов была незначительной. Нагрев порошков МПМ до температур 1400 и 1600° С при любых нагрузках и выдержках вызвал значительное упрочнение образцов. Проведенные исследования позволяют за­ ключить, что уплотнение слоя магнезитовых порошков МПК и МПМ не может происходить в условиях работы сталеплавильных печей. В связи с этим сочли не­ обходимым разработать специальный состав магнези­ товых порошков, обеспечивающих формирование по­ дин мартеновский печей без предварительного про­

69

грева и применения спекающих добавок (окалины). Таким порошком оказался спеченный магнезит, измель­ ченный до прохода через сито с отверстиями 5—7 мм и содержащий не менее 15—20% зерен размером менее

0,1 мм.

Рис. 33. Влияние давления на изменение кажущейся плотности порошков:

Высокая скорость уплотнения подин под действием силикатных расплавов и ферростатического давления при утонении зернового состава порошков позволила при соответствующем соотношении крупных и дисперс­ ных фракций сократить время уплотнения неспеченного магнезитового порошка до 2—3 ч.

При этом под тонким магнезиовюститовым слоем

десятимиллиметровый монолитный слой, состоящий из небольших (0,05 мм) кристалликов периклаза, распре­ деленных относительно равномерно и сцементированных тонкими пленками магнезиально-кальциевых силикатов.

Таким образом, в течение первой плавки после ре­ монта под защитным магнезитовым слоем образуется рабочий слой подины, по структуре и износоустойчи­ вости аналогичный монолитному слою шлакомагнези­

70