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誘導炉溶解における鋳鋼のライニング材と粒度分布

耐火ライニングはるつぼ誘導炉の重要な構成要素であり、炉の溶融機能、鋼の冶金品質、特に操作の安全性に影響を与えます。 るつぼ誘導炉は、鋳鉄、鋳鋼、銅合金、アルミニウム合金、亜鉛合金などのさまざまな鋳造合金の溶解に適しているため、小型誘導炉、炉内張りを購入してプレハブを形成できます。坩堝。 実際の生産では、鋼を鋳造するために使用されるるつぼ誘導炉は、通常、鋳造所によって構築され、焼結されます。鋳造所は、製錬合金の種類に応じて適切な耐火材料を選択および選択します。

1.製鋼炉内張り耐火物に適しています。

1980 年代以降、鋳鋼産業における誘導炉用途の開発に伴い、アルミニウム マグネシウム スピネル炉ライニング材料の用途が徐々に注目されてきました。 現在、さまざまな工業国の鋳鋼業界で使用されているるつぼ誘導炉は、基本的にスピネル炉ライニングを採用しています。

近年、中国の一部の鋳鋼企業はスピネル炉ライニング材を採用しています。その中には、外国メーカーの事前準備された材料を購入するメーカーもありますが、使用効果は非常に優れていますが、生産コストは大幅に増加しています。その特徴がよくわかりません。 ここでは主に、業界の同僚がライニング材料を構成し、ライニング材料をさらに改良する際の参考として、スピネル型耐火ライニングのいくつかの特徴を紹介したいと思います。 同時に、現在のシリコン サンド ライニング、マグネシア ライニング、アルミナ ライニングも中国の鋳鋼業界に適用されています。参考までに、これらの材料の特性を簡単に紹介します。

(1) 珪砂ライニング

珪砂を基礎耐火物とする炉内張りを酸炉内張りと呼ぶことが多い。 珪砂には多くの利点があります。第一に、豊富な資源と低価格です。 また、基本的な耐火物としてケイ砂で作られたるつぼは、融点に近い高温でも良好な強度を持ち、優れた急冷および耐熱性を備えています。 特に、珪砂の石英相変化膨張は、焼結プロセスにおける体積収縮を補い、焼結層の密度を改善し、焼結層の気孔率を減少させることができることに言及すべきである。 そのため、シリコン系のライニング材は、各国の鋳造業界であらゆる種類の鋳鉄を製錬するために使用されるるつぼ誘導炉で広く使用されています。

しかし、SiO2 の低耐火性は基本的に鋼の温度に適応できません。 さらに、SiO2 は高温で強い化学的活性を持ち、製鋼の過程であらゆる種類のアルカリ酸化物や中性酸化物とさえも相互作用する可能性があります。 例えば、FeOはケイ砂と接触すると融点2℃のFe4SiO1205を生成しやすく、さらにSiO2やFeOと相互作用して融点1130℃の共晶成分を生成します。溶鋼中のいくつかの活性元素。 したがって、製鋼に使用される珪砂ライニングは、鋼の冶金的品質もライニングの寿命も保証されません。 2 年代後半以降、鉄鋼鋳造工場の誘導炉生産を行う工業国では、珪砂ライニングは使用されなくなりました。 私の知る限り、中国にはまだ珪砂炉ライニングを使用して鋳鋼を溶解している企業があり、これは早急な改善が必要です。

(2) マグネシアライニング

一般的に使用されるライニング材料は、MgO 含有量が 86% 以上の金属マグネサイトで、高温焼成後にマグネサイトから作られます。 冶金マグネシアをアーク炉で再溶解すると、SiO2やFe2O3などの不純物の含有量を低減でき、より高純度(MgO含有量96%以上)の電鋳マグネシアが得られます。 真空誘導炉のライニングには溶融マグネシアが使用されています。

冶金マグネシアは耐火性が高く、従来からアルカリアーク炉のライニング材として使用されています。 融点が非常に高く、焼結しにくく、膨張係数が大きいが、アーク炉の厚いライニングは、多数の結合材を追加し、湿式で結合することにより、この欠点を補うことができます。

金属マグネシアを誘導炉のライニング材料として使用する場合、ライニングの厚さのために湿式結びの使用は適切ではなく、これらの欠点の悪影響は非常に明白です。 酸化マグネシウム製のるつぼは、特に炉の間欠運転で割れやすい。

(3) 酸化アルミニウムライニング

アルミナとジルコニウムサンドはどちらも中性耐火物で、アルミナが最も広く使用されており、ジルコニウムサンドはライニング材としてはほとんど使用されていません。

アルミナのみがライニング材として使用されます。これは、酸性スラグの亀裂を防ぎ、浸食を防止する強力な能力を持っていますが、アルカリ性スラグの製造には適していません。 さらに、耐火性が高く、焼結性が悪いため、ライニングの寿命はあまり長くありません。

(4) スピネル炉内張り

スピネル鉱物は、多くの種類と複雑な成分を持つ準同型の特徴を持っています。 その分子式は、M2+O•M3+2O3 と書くことができます。 この式で、M2+ は、Mg、Fe、Zn、Mn などの 3 価の金属原子を表します。M2+ は、Mg、Fe、Zn などの 3 価の金属原子を表します。したがって、(Mg 、Fe、Zn、Mn)O・(Al、Cr、Fe)2O3。

スピネル鉱物に含まれる 2 価の金属原子のうち、Mg2+ と Fe3+ は任意の比率で置換できます。 Al3+ は 3 価の金属原子の大部分を占めていますが、Cr3+ は任意の割合で Al3+ を置換できますが、Fe3+ は AlXNUMX+ または CrXNUMX+ をある程度置換することしかできません。 一般的なスピネルには次のものがあります。

MgO・Al2O3 FeO・Al2O3

クロマイト(フェロクロムスピネル) FeO・Cr2O3 マグネタイト(フェロスピネル) FeO・Fe2O3

マグネシウム鉄スピネル (Mg, Fe)O•(Al, Fe)2O3 ZnO•Al2O3

MgO・Cr2O3 亜鉛鉄スピネル ZnO・Fe2O3

マンガンクロムスピネル FeO•Cr2O3 マンガンアルミニウムスピネル MnO•Al2O3

現在、一般に「スピネル」と呼ばれる MgO•Al2O3 は、さまざまな先進国の製鉄用誘導炉で使用される主な材料です。 純粋なマグネシウム アルミニウム スピネルでは、MgO 含有量はわずか 28.2% ですが、それでもアルカリ性耐火物です。

マグネシア-アルミナ スピネル材料は、耐火性が高く、熱膨張係数が小さく、高温での熱安定性が高く、アルカリ スラグ侵食に対する強い耐性があります。 特に、MgO と Al2O3 は、スピネルの焼結プロセスで 7.9% の体積膨張を示します。これは、焼結プロセスでの体積収縮を補い、焼結層の気孔率を減らすことができます。これは、シリカの重要な利点と一致しています。サンドライニング。

マグネシウム・アルミニウム・スピネルは基本的に天然鉱物を含まず、人工合成によるもので、製法は電気溶解と焼結の1997通りがあります。 131 年、中国の冶金業界は、Alcoa Chemical Company MR1997 および AR66 材料の仕様に従って、YB/T 76-XNUMX 「焼結マグネシア アルミニウム スピネル」業界標準を策定しました。

実際、スピネルライニング材料は、すべてがスピネルで構成されているわけではありませんが、粒状のAl2O3または粒状のMgOスタイルの材料に基づいており、その中には対応する粉末、または細粒状のスピネル材料の形成があり、粒状の耐火材料の間に均一に分散されています。アルミン酸マグネシウム スピネル ネットワーク間で形成されるアルミナ粒子のプロセスで、役割と組み合わされます。 さらに、少量のホウ酸または無水ホウ酸を添加することで、より低い温度 (約 1300 ° C) でスピネル ネットワークを形成できるようになります。

アメリカのUnited Mines、フランスのMinak Mines、Calderysなどの有名な耐火物サプライヤーはすべて、炉の種類と製錬する鋼の種類に応じて選択できるさまざまなスピネルライニング材料を事前に供給していますが、価格は比較的高いです。

最良の解決策は次のとおりだと思います。各鋼鋳造企業は、独自の特定の条件に従って、テストの最適化を通じて、最適な比率を選択し、ライニング材料を独自に準備します。 このようにして、鋼の長いライニング寿命と高い冶金品質を確保することができ、生産コストを大幅に削減することができます。

ライニング材の組成比については、使用される各種原材料の実際の組成に応じて選択し、試験によって決定する必要があります。 ライニング材料の比率を決定する場合、次のターゲット コンポーネントを計算できます。

炉内張り材の Al2O3 の質量分率は 85 ~ 88%、MgO の質量分率は約 22% です。

ライニング材料中の MgO と Al2O3 の質量分率は、それぞれ約 75 ~ 85% と 15 ~ 22% です。

2. 炉内ライニング材の粒度分類

るつぼの高密度化は、その耐用年数に非常に重要な影響を与えます。 ルツボを緻密にし、気孔率をできるだけ低くするには、耐火物の粒度分布に注意を払い、大粒の耐火物の隙間を細粒の材料で埋める必要があります。

粒状材料の結節後の空隙率のより具体的な印象を与えるために、理想的な球体ヒープの簡単な図を示します。

(1) 全体のコンパクトさ

同じサイズのボールを、四角くずらして配置し、各ボールが隣接する 6 個のボール (4 個の周り、1 個のボールが上、1 個のボールが下) と接触している場合、空隙率は 47.64% です。

2) 比較的コンパクトなケース

球体は菱形に積み上げられ、各ボールは隣接する 39.55 個のボール (周囲の XNUMX 個のボール、上下に XNUMX 個ずつ) と接触しており、空隙率は XNUMX% です。

(3) 最もコンパクトなケース

積層方法の中で最もコンパクトなのは、正方千鳥配列と四面体配列です。

均質な球体を四角千鳥状に重ねた場合、各ボールは隣接する 12 個のボールと接触し、4 個のボールが上に 25.95 個、下に XNUMX 個のボールがあり、気孔率は XNUMX% です。

四面体配置で積み重ねられた均質な球については、図 3を参照してください。 各ボールは隣接する 12 個のボールと接触しており、周囲に 6 個のボール、上に 3 個のボール、下に 3 個のボールがあります。 気孔率は 25.95% です。

球の場合からわかるように、空隙率は配列によってのみ決定され、球のサイズには依存しません。 ボール径が大きく、ポアサイズが大きく数が少ない。 ライニング顆粒耐火物は多角形で、角があり、流動性が非常に悪く、どのような結び目でも、最もコンパクトで、気孔率は30%以上です。

ライニングの気孔率を減らすために、簡単で簡単な方法は、ライニング材料の粒子サイズが均一ではなく、細かい材料が粗い粒子の密集した配列に入る可能性があることです.d < 0.414d 罰金。 これが、粒度の要件の出番です。

もちろん、耐火物の粒子状態は理想的な球体よりもはるかに複雑であり、粒度分布も非常に不規則であるため、計算だけで最適な粒度分類スキームを計算することはできません。 最善の方法は、各鋳造所が実際の状況の独自の原材料に従って、テストを通じて、最適な等級付けスキームを見つけることです。

試験方法は非常に簡単です。さまざまな粒子サイズの材料を特定の比率で混合し、特定の圧力下で圧縮して成形し、体積密度を測定します。 原材料の供給条件が変更された場合は、粒度の等級付けスキームもテストおよび評価する必要があります。

粒子サイズのグレーディングの目的は、材料の性質に関係なく、粒子の山をコンパクトにすることであるため、この原則はあらゆる種類の耐火材料に適用できます。 ドイツはまた、異なる容量のるつぼ材料に対して異なる粒子サイズのグラデーションを推奨しています。

3. ライニング材の焼結

るつぼ炉内張りは、粒状耐火物を結節、研削、焼結して作られています。 焼結は、ライニングがコンパクトでかなりの強度を持つようにするための重要な手段です。

「焼結」とは、粒子・粉体集合体中の粒子同士の接触面に液相が現れ、高温下で連続したネットワークが徐々に形成され、粒子同士がつながって全体となり、空隙率が低下する過程です。拡散および物質移動メカニズムの助けを借りて最小になり、最終的に固体でコンパクトな焼結体になります。

「焼結」は比較的古いプロセスであり、何十年にもわたって深く研究されてきました。 ただし、現在の理解はまだ焼結プロセスの巨視的観察と単純化されたモデル検査に基づいています。 誘導炉アプリケーションの継続的な拡大により、この点で、研究と改善の余地は非常に広くなっています。

さまざまな制約により、ルツボ誘導炉ライニングの厚さは薄いことが重要な特徴ですが、ライニングの結び目と焼結後ではなく、全体としては焼結しないため、焼結炉ライニング全体で、どこかに制御不能な要因のために弱いリンクが存在する場合、および繰り返しの熱応力亀裂の作用下で、亀裂が全体に広がりやすく、誘導コイルへの液体金属の浸透が重大な事故につながります。

炉内張りが焼結された後、その断面は 35 層構造になる必要があります。炉室を形成し、溶鋼と接触する層が焼結層であり、その厚さは炉内張りの厚さの約 40 ~ 25% を占めます。 高密度の焼結ネットワーク、低気孔率、および高強度が特徴です。 半焼結層は焼結層とつながっており、その厚さは焼結層とほぼ同じである。 その特徴は、焼結ネットワークが完全ではなく、その強度が高くないため、焼結層の熱応力を緩衝できることです。 仮に焼結層にクラックが発生しても、クラックの外側への拡大を防ぐことができます。 炉内張りの外縁と誘導コイルと半焼結層の間の層は未焼結層であり、耐火物は節のある粒状のままです。 断熱の機能を持ち、焼結層からコイルへの熱伝導を遅くすることができるこの層は、ライニングの厚さの約30〜XNUMX%を占めます。

スピネル炉ライニングの焼結プロセスは、大まかに XNUMX つの段階に分けることができます。

第850段階:加熱温度はXNUMX℃以下で、主な機能はライニング材を完全に脱水することです.

第二段階:主にスピネルネットワークを形成するために、850〜1400℃に加熱します。

第 1300 段階: 1700 ~ XNUMX℃ に加熱すると、スピネル ネットワークが成長し、表面張力の推進力の下で拡散と物質移動機能が強化され、気孔率が大幅に減少し、焼結層が近くなる傾向があります。

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