книги из ГПНТБ / Новое в изготовлении и службе подин

альных подин или верхнему слою крупнозернистых магнезиально-железистых подин после 10—15 плавок.

Появление такого плотного магнезиально-силикатно­ го образования в течение одной плавки позволило внести существенное изменение в технологию изготовления и ремонта подин — отпала необходимость создания во вре­ мя ремонта защитного магнезиально-железистого слоя.

то при применении металлургических порошков рацио­ нального зернового состава предварительное наведение магнезиовюститового слоя может оказать тормозящее действие на основной процесс формирования износоу­ стойчивой подины в процессе плавки. Однородный и прочный в первый период эксплуатации магнезиовюститовый слой, воспринимая на себя часть создаваемого жидкой ванной давления, должен снижать уплотняю­ щий эффект ферростатического давления. Кроме того, слой этот может задерживать часть первичного распла­

силикатного расплава нельзя вполне определенно отне­ сти к существенно тормозящему формирование износоу­ стойчивой подины, поскольку нет данных об оптималь­ ном количестве расплава для такого формирования. Тем не менее снижение ферростатического давления под магнезиовюститовым слоем, дополнительные затраты времени и окалины на его изготовление позволяют счи­ тать нерациональной технологию, предусматривающую пропитывание верхнего слоя отремонтированной подины расплавленными окислами железа. Новая технология изготовления высокоизносоустойчивых подин заключа­ ется в нанесении на подину порошка с достаточным ко­ личеством дисперсных фракций и внесении шихтовых материалов сразу после достижения в рабочем прост­ ранстве печи температуры, обеспечивающей нормаль­ ное ведение плавки [87]. Степень уплотнения рабочего слоя при этом определяется не только величиной прес­ сующих усилий от веса металла, но и кажущейся вяз­

71

костью смеси магнезитовых зерен с железисто-силикат­ ным расплавом [87, 88]. Вязкость такой смеси играет существенную роль и в процессах разрушения рабочего слоя в период эксплуатации подин. По мере увеличения числа плавок в рабочем слое возрастает содержание легкоплавких силикатов, что приводит при температуре слоя 1500—1600° С к резкому снижению его вязкости. Это в свою очередь увеличивает скорость вымывания зерен периклаза расплавленным металлом и шлаком.

Из сказанного следует, что экспериментальное опре­ деление кажущейся вязкости подин или моделирующих их смесей с различным содержанием твердых частиц и различным составом жидкой фазы может оказаться по­ лезным для получения более полного представления о процессах формирования и разрушения порошкообраз­ ных футеровок плавильных агрегатов, в частности по­ дин мартеновских печей.

Магнезиально-силикатные смеси с равномерно рас­ пределенными кристаллами периклаза при высоких температурах можно рассматривать с некоторым при­ ближением как суспензии с высоким содержанием твер­ дых частиц.

Кристаллы периклаза в силикатных расплавах, как правило, имеют форму, близкую к шарообразной. Вяз­ кость такой суспензии может быть рассчитана при по­ мощи уравнения Эйнштейна [89] по вязкости жидкой

72

пользовано для расчета вязкости суспензии, содержа­ щих до 74% твердых частиц; практически диапазон при­ менения этого уравнения, по-видимому, меньше.

Вязкость суспензий, содержащих более 75% твер­ дых частиц и находящихся в пиропластическом состоя­ нии, можно рассчитать по уравнению [90]

1 3qM ’

если известна скорость деформации под сжимающей или растягивающей нагрузкой (здесь Р —действующая сила; I — длина образца; д—площадь поперечного сече­ ния; А/—изменение длины образца вдоль действия си­ лы Р за время z ) .

Вязкость (кажущаяся) для твердых тел может быть рассчитана также по уравнению Френкеля [91]:

V— объем деформируемого образца.

Для получения величин, входящих в эти уравнения, обычно используют приборы для определения характе­ ра разрушения огнеупоров, нагреваемых под нагрузкой при растяжении или скручивании [90, 92]. Большинст­ во рекомендуемых приборов предусматривает передачу нагрузки на образец через стержни, перемещающиеся в направляющих. При малых удельных нагрузках и ма­ лой площади образцов сила трения, возникающая меж­ ду направляющими и нагруженным стержнем, может привести к существенным ошибкам.

Для определения усилий, возникающих при скручи­ вании нагретых тел, необходимо иметь образцы специ­ альной формы, изготовление которых в большинстве случаев весьма затруднительно.

Для расчета вязкости использовали уравнение Френкеля [91], описывающее процесс деформации стержня при постоянной сжимающей нагрузке. Для проведения экспериментов был разработан прибор, по­ зволяющий определить скорость изменения длины ци­ линдрических образцов под постоянной нагрузкой при нагревании их до 1500—1600° С.

73

Принцип работы прибора заключается в непрерыв­ ном взвешивании деформирующей нагрузки при посто­ янной скорости уменьшения длины образца. Одновре­ менное изменение скорости деформации и величины нагрузки позволяет находить режимы, соответствующие режиму «вязкого течения» [93].

Объектом исследования служили цилиндрики диа­ метром 10 и высотой 15 мм, изготовленные из магнези­ тового порошка с зернами максимального размера 0,06; 0,2—0,5; 0,5—1,0 и 1,0—2,0 мм в смеси с различными добавками, образующими расплав при температурах опыта, а также без добавок. С целью создания условий для сохранения состава выбранной жидкой фазы до конца эксперимента отпрессованные смеси не подверга­ ли предварительному обжигу.

Во избежание перемещения расплава из испытуемого образца в верхний и нижний штампы прибора послед­ ние выполняли из материала того же состава, что и об­ разец.

В процессе эксперимента деформации подвергались не только испытуемый образец, но и цилиндрики, слу­ жившие верхним и нижним штампами. Поэтому все три цилиндра замеряли до и после эксперимента и под­ считывали коэффициент К участия среднего (испытуе­ мого) образца в суммарном изменении длины дефор­ мирующихся образцов. Расчет вели по формуле

74

t] — ньютоновская вязкость;

AL— величина сжатия образца. Учитывая, что

V — SL,

где S — площадь поперечного сечения образца, t 1

где v — скорость деформации образца, получим

6jt/-2v

Поскольку уравнение справедливо только для вяз­ кого течения материала, т. е. для случая, когда скорость деформации под действием постоянной нагрузки явля­ ется постоянной, для расчета вязкости использовали ве­ личины, соответствующие периоду постоянной (или близ­ кой к этому) скорости изменения размеров образца.

Величину деформации определяли по формуле

зернового состава порошка, количества и состава обра­ зующих расплав добавок, температуры эксперимента и наличия небольшого количества окислов, которые мо­ гут оказать влияние на вязкость жидкой фазы в образ­ цах (рис. 34—36).

В качестве расплавообразующих добавок использо­ вали синтетические монтичеллит и ферромонтичеллит, мартеновский шлак и окислы железа.

Во всех случаях введение 10% силикатов при темпе­ ратурах, несколько превышающих температуру их плав­ ления, сопровождалось снижением вязкости магнези­ альной суспензии в 5—10 раз (рис. 34—36).

Дальнейшее повышение температуры и увеличение количества силикатов до 30% оказывало меньшее влия­ ние на изменение вязкости.

Введение в образцы окислов железа без силикатов несущественно меняло вязкость при температуре

75

f ег03 Мартеновский ш лак монтичеллит Ферромонтичеллит

Рис. 34. Характер изменения вязкости магнезитовых образцов в зависимости от количества добавок и температуры

150

100

I%50

Оч

«а

Содержание добавок, °/о

Рис. 35. Зависимость вязкости магнезитовых образцов от добав­

76

:— 5 У 0 ,9 * + 11 + 18,5

Полученные данные о вязкости магнезиальных мате­ риалов с расплавообразующими добавками и без них позволяют более точно описать процесс формирования и разрушения футеровок из порошкообразных мате­ риалов.

Некоторое снижение вязкости магнезиальных мате­ риалов с увеличением содержания в них жидкой фазы

77

способствует уплотнению черепка под действием не­ больших давлений. При дальнейшем снижении вязкости сопротивляемость их размывающему действию металла и шлака уменьшается. Поэтому, выбирая составы мате­ риалов для футеровок, формирующихся в процессе экс­ плуатации (подины, набивные футеровки электропечей и т. д.), следует находить оптимальные соотношения ос­ новного материала и добавок, обеспечивающих получе­ ние износоустойчивого рабочего слоя. Так, например, добавка 2—5% СггОз увеличивает вязкость магнезиаль­ но-силикатной смеси и, образуя на поверхности зерен периклаза шпинель, препятствует взаимодействию его с силикатами [95]. Введение окислов железа повышает вязкость смесей, но способствует увеличению скорости его растворения в силикатах; наиболее сильному раст­ ворению подвергаются участки зерен периклаза, насы­ щенные окислами железа [13].

Кроме вязкости смесей, тем же методом была опре­ делена вязкость проб магнезиально-железистой подины до службы и подины, проработавшей три плавки после восстановления рабочего слоя мелкозернистым магне­ зитовым порошком без обработки окалиной.

При температуре 1600°С вязкость образцов состав­ ляла соответственно 8,0-109 и 8,8-108 г-с/м2; вязкость подин оказалась близкой к вязкости образцов из маг­ незитового порошка с добавкой окислов железа и сили­ катов.

Полученные величины вязкости магнезиально-сили­ катных смесей и магнезитового порошка позволяют осу­ ществить приближенный расчет степени уплотнения ра­ бочего слоя подины в зависимости от степени насыще­ ния ее силикатами, времени действия ферростатического давления ванны на слой и от температуры.

Для расчета использовали уравнение Френкеля [91]. Подставив значения вязкости, удельного давления и скорости деформации в уравнение, получим:

Считая Куд и L величинами постоянными, а т) — по­ стоянной при данной температуре, уравнение можно за­ писать:

AL — Сх,

78

где

С = ^уд^-0

6г|

Задавшись определенными значениями ДУд и L0 (толщина уплотняемого слоя), и используя соответст­ вующие экспериментальные значения тр можно рассчи­ тать значение коэффициента С при заданной темпера­ туре; задавшись любым значением времени, можно оп­ ределить величину AL, т. е. величину, на которую уплот­

ния на границах раздела фаз в слое не учитывали);

L0 = 5 0 мм, или Н-102 м, — толщина уплотнен­ ной части подины за одну плавку;

Лшо = 1200 • 106 П и rileoo = 70 • 106 П;

т|Ш() и Theoo— значения вязкости образцов из магнезито­ вого порошка без добавок при температу­ рах 1500 и 1600° С.

Определим значения коэффициента С:

с т0 = ^ = 6,8-10 -8 М/с;

бТЦвоо

^ « 0 0 = ^ = 1 ,2 -1 0"6 м/с. 0^1600

Приняв время пребывания слоя порошка отремонти­ рованной подины под действием расплавленного метал­ ла равным 3 ч, рассчитаем уплотнение слоя за это вре­ мя при температурах 1500 и 1600° С:

ALuoo = С1500 т = 6,8-10-8 -3-3600 = 735-10~6 м = 0,735 мм

ALleoo = CleooT= 1,2-10~6-3-3600 = 12610_4м = 12,6 мм.

Зная величину уплотнения ALi50o=0,735 мм и ALi6oo=12,6 мм, можно рассчитать изменение объемно­ го веса слоя порошка в зависимости от величины уплот­ нения, а следовательно, и пористость слоя.

79

Объемный вес свободно насыпанного порошка МПГ1 составляет около 2,0 г/см3, пористость свободного насы­ панного слоя

50 мм (под действием ферростатического давления) при

=100 = зс% •

Считая, что из 30% пористости 5—6% приходится на закрытые поры, кажущаяся пористость слоя при темпе­ ратуре 1600° С составит 24—25%.

Из расчета видно, что плотность слоя из чистого маг­ незитового порошка, достигнутая в результате уплотне­ ния только под действием ферростатического давления, не может обеспечить высокую металло- и шлаконепроницаемость подин во время эксплуатации. В ‘го же вре­ мя кажущаяся пористость проб неошлакованных подин, отобранных через одну плавку после ремонта, состав­ ляла 5—6%. Такое несоответствие расчетных и практи­ ческих данных объясняется различием химического со­ става и свидетельствует о том, что в условиях формиро­ вания подины под слоем расплавленного металла поро­ шок приобретает новые свойства, например, понижен­ ную вязкость, при которой возможно уплотнение слоя до состояния проб, отобранных после первой плавки. Изменение вязкости порошка происходит в результате насыщения его продуктами плавления неметаллической составляющей шихты.

Влияние расплава на дополнительное уплотнение по­ рошка в подинах под действием ферростатического дав­ ления может быть при некоторых допущениях рассчи­ тано.

80