5. Содержание отчета

1. Краткая теория с формулировкой цели и задач, поставленных при выполнении работы.

2. Исходные данные для проведения работы. Последовательность проведения отдельных операций.

3. Классификация графита и микроструктуры металлической матрицы по ГОСТ 3443-87.

4. Описание микроструктуры полученных образцов.

5. Методика определения микротвердости на ПМТ-3.

6. Результаты определения структуры чугуна по ГОСТ 3443-87 и микротвердости отдельных структурных составляющих.

Контрольные вопросы

1. При каком увеличении можно изучить форму, количество, распределение и размер графита?

2. Какова методика определения микротвердости структурных составляющих?

3. Каково устройство прибора для определения микротвердости структурных составляющих?

4. Как классифицируется графит по ГОСТ 3443-87?

5. Какие задачи можно решить посредством измерения микротвердости?

6. При каком увеличении можно определить дисперсность перлита? Каково значение этой характеристики матрицы?

7. Какую форму могут иметь включения графита?

8. Какова роль эвтектического превращения в формировании структуры и свойств чугуна?

9. Что представляет собой феррит в промышленных чугунах?

10. Что такое перлит? Каковы его состав, строение, свойства?

11. Как влияют размеры и количество графитовых включений на механические свойства чугуна?

Лабораторная работа № 5 Изготовление футеровки тигельной индукционной печи

(6 час.)

Цель работы: Изучить состав и свойства материалов,

применяемых для футе­ровки индукционных печей открытой плавки. Ознакомиться с поряд­ком приготовления футеровочных материалов, приготовления футеровочных

смесей. Изучить по технологической документации и практически осуществить изготовление футеровки тигельной

индукционной печи.

1. Общие сведения

1.1. Взаимодействие расплавов с футеровкой из разных материалов

В машиностроении непрерывно расширяется использование электро­печей для плавки чугуна и стали. Многолетний опыт показал сущест­венные преимущества выплавки металлов в электропечах, а также при­менения их в дуплекс-процессах. Футеровка индукционных печей в значительной степени определяет надежность их работы и качество выплавляемого металла.

Взаимодействие жидких металлов с материалами футеровки чрез­вычайно сложно и многообразно. Это, прежде всего, чисто тепловое и чисто механическое воздействие металлических расплавов на мате­риалы стенок плавильного агрегата. Материал, с которым непосредст­венно граничит жидкий металл, должен задерживать механические нагрузки, создаваемые расплавом. Они не сводятся к простым статическим нагрузкам, которые определяются глубиной жидкой ванны и плотностью расплава. Значительно более важным является размывающее, эрозионное воздействие расплавов на материалы футеровки пе­чей, ковшей, тиглей. Полное описание и оценка этого воздействия дополняется и осложняется многообразными физико-химическими процессами.

Оксидные огнеупорные материалы, используемые для футеровки плавильных емкостей, состоят из чистых тугоплавких оксидов или из их смесей. В таблице перечислены главные огнеупорные оксидные материалы, их состав и огнеупорность.

Огнеупорные материалы на основе оксидов

материал	Состав, в % (по массе)						Огнеупорность,
	SSiO2	MMgO	AAl2O3	ZZrO2	CCr2O3	CCaO	Начало дефармации	Потеря прочности
Динас				-	-	-	1600	1700
Шамот	72-60		28-40	-	-	-	1300	1600
Высоко-глиноземистые огнеупоры	20-55		80-45	-	-	-	1500	1900
Магнезит		99		-	-		1550	1800
Хромомагнезит		42-50		-	20-35	-	1500	1900
Корунд			>95	-	-	-	1700	1900
Циркон	32			65	-	-	1700	1900

Огнеупорность характеризуется температурой, которую способен выдержать материал при напряжении сжатия в 0,2 МПа. Огнеупорность чистых оксидов значительно выше, чем их смесей (например, температура плавления и температура размягчения(°С) для SiO₂ = 1700/1600; MgO = 2300/2000; Al₂O₃ = 2050/2000; CaO = 2600/1900; Cr₂O₃ = 2250/1800; ZrO₂ = 2650/2000).

Меньшая огнеупорность смесей оксидов объясняется наличием в соответствующих системах составов с пониженными температурами плавления. Неудачный выбор материала с пониженной огнеупорностью приводит к механическому разрушению футеровки и загрязнению расплава частицами неметаллических включений.

Наиболее опасным является взаимодействие металлических рас­плавов с оксидными огнеупорными материалами по реакции

Me + RO = МеO + [R]мг.

Здесь элементы из огнеупорных оксидов восстанавливаются, сплав окисляется. Восстановленный элемент, как правило, растворяется в металлическом расплаве и загрязняет его.

Образующийся оксид металла может растворяться в расплаве, ocтаваться в свободном виде или же образовывать сплав с огнеупор­ным оксидом. В результате разрушается футеровкф и загрязняется расплав. Подобное взаимодействие недопустимо. Так, магниевые сплавы никогда не плавят в условиях, когда сплав может соприкасаться с SiO₂.

Большую роль во взаимодействии расплавов с огнеупорными ма­териалами играет явление смачивания, обычно предшествующего хи­мическому взаимодействию. В отсутствие реакции взаимодействие ограничивается простым смачиванием расплавом поверхности огнеупоров.

Химическое взаимодействие расплава с футеровкой и смачивание её расплавом вызывают так называемую металлизацию футеровки (прилежащий к расплаву слой огнеупорной футеровки меняет свой цвет, плотность, снижает пористость, существенно изменяет хими­ческий состав).

Взаимодействие металлического расплава с оксидной футеровкой может сопровождаться кроме разъедания футеровки образованием настылей. В случае образования настыли (участка твердого металла или шлака, самопроизвольно возникающего в расплаве) нарастает твердый конгломерат оксидов на стенках плавильной ванны в метал­лическом расплаве.

Взаимодействие жидкого металла с огнеупорными материалами, содержащими углерод и карборунд. В качестве таких материалов в литейном производстве используются: смесь огнеупорной глины и шамота с 30-45 % графита (для графитошамотных плавильных тиглей, блоков, пластин), карборундовые огнеупорные изделия с содержа­нием карборунда ( SiC ) свыше 80 % (остальное оксидная связка); иногда применяют обычный электродный графит (>98 % чистого уг­лерода). Все вышесказанное о взаимодействии металлических рас­плавов с оксидными огнеупорами почти полностью справедливо и для материалов, содержащих углерод и карборунд. Основная особенность последних - возможность растворения углерода в металлическом рас­плаве (особенно при плавке металлов, способных растворять в себе углерод - Мn, Ni, Fe и др. ).

Графитошамотные тигли способны работать при температурах до 1400 °С (плавка цинка, алюминия, меди, их сплавов и др.).

Карборундовые материалы обладают весьма большой огнеупор­ностью (начало деформирования при 1700 °С, они не смачивается металлическими расплавами, не вступают в ними в химическое взаи­модействие .

Электродный графит способен работать до 2000-2200 ⁰C на воздухе очень быстро сгорает (при 600-700 °С),в вакууме заметно испаряется (при температурах выше 2000 ⁰С). Он заметно растворяется в металлических расплавах (Fe, Ni, тугоплавкие металлы), загрязняя их и разрушая футеровку. В графитовых тиглях плавят титан (загрязнение сплавов углеродом достигает 1-1,5 %),

Для изготовления плавильных емкостей широко применяют металлические материалы: сталь, чугун, медь.

1.2. Состав футеровочных материалов

Все огнеупорные материалы, особенно оксидные, в исходном состоянии содержат много адсорбированной влаги.

Поэтому перед началом работы их необходимо тщательно просушивать и прокаливать (во избежание насыщения расплава большим количеством водорода).

Футеровка индукционной печи включает в себя тигель, подину, леточную керамику (воротник), соединение которой с верхним краем тигля выполняется с помощью обмазки.

Футеровка индукционной печи: 6- тигель, 9- подина, 10- воротник, 11- сливной желоб, 12– огнеупорная обмазка

К тиглю предъявляются высокие требования. Он должен выдерживать: большие температурные напряжения (градиент температуры в стенке тигля достигает 200 К/см); гидростатическое давление столба расплава и механические нагрузки, возникающие при загрузке и осаживании шихты. Тигель должен быть химически стоек по отноше­нию к расплавленному металлу и шлаку, неэлектропроводен при рабочей температуре.

Существует большое число рецептов футеровок для индукционных тигельных печей.

Выбор рецептуры и гранулометрического состава футеровочных материалов определяется свойствами выплавляемого металла или сплава.

Футеровка печей для плавки черных металлов может быть кислой (на основе SiO₂), основной (на ocнoвe плавленного магнезита MgO) или нейтральной (на основе глинозема Al₂О₃). При плавке алюминия и его сплавов применяют футеровку из жароупорного бетона на ос­нове тонкомолотого периклаза (магнезии MgO более 85 %). В печах для плавки меди используется футеровочная масса, состоящая из тонкомолотого корунда и высокоглиноземистого шамота. В качестве связующих применяются материалы, обеспечивающие стекание футеровочной массы при нагреве (бура, борная кислота и др.), или материалы, цементирующие увлажненную футеровочную массу (жидкое стекло, глина и др.).

Кислая футеровка (для плавки стали) хорошо освоена, её изготовляют из кварцита ( Si₂O₃ более 95 %) и борной кислоты (свя­зующее). Гранулометрический состав следующий: 65 % фракции от О до 1,5 мм, 35 % фракции от 1,5 до 3,5 мм и 1,5 % борной кисло­ты. Смесь не увлажняют. Расход набивной массы составляет 1,5-2,5 кг на 1т выплавляемого чугуна. Стойкость кислых тиглей составляет 150-250 плавок - при плавке стали, 250-300 плавок - при получении, чугуна в печах емкостью 6-10 т.

Карельский кварцит (месторождение Тетчанчарва) как футеровочный материал не уступает шведским кварцитам, пользующимся мировой известностью (стойкость футеровки из него в печах ем­костью 8 т достигает 440 плавок).

Для изготовления основных тиглей применяют огнеупорные смеси различных составов.

Одна из смесей (для плавки сталей) составлена на основе хро­момагнезита. Бой хромомагнезитового кирпича размалывают до гра­нулометрического состава: 50% фракции менее I мм, 35% - 1-2 мм, 15% - 2-4 мм. Для сварки добавляют 2% молотого плавикового шпата. Массу увлажняют до 2% и оставляют на двое суток для вы­леживания. Основная футеровка обладает меньшей термостойкостью, поэтому стойкость основных тиглей - значительно ниже, от 10 до 100 плавок (меньшая величина для печей большей емкости).

Возможно применение нейтральной дистенсиллиманитовой футеровки на сзязующем из борной кислоты. Её состав и свойства 26,7 % SiO₂ , 70,3 % Al₂0₃, 0,7 % Fe₂O₃, 2,3 % прочие; огнеупорность I790 °C, плотность 2,8 г/см³, пористость 22 %. Массо­вая доля борной кислоты повышена до 1,5-3 %. Гранулометрический состав: 45-50 % корунда марок Э4, Э5 с размером частиц 1-3 мм, 40-60 % дистенсиллиманитового концентрата с размером зерен 0,1-0,16 мм и 10-15 % пылевидного кварца.

1.3. Изготовление тигля

Тигли изготовляют обычно методом набивки в печи, значительно реже вне печи.

Перед набивкой внутреннюю поверхность индуктора обкладывает слоем поронита и асбеста; возможны и иные приемы, например, обмазка индуктора изнутри массой из кварцитовой муки и алебастра (4:1), после чего необходима просушка.

При набивке на дно индуктора засыпают слой футеровочной массы, на неё устанавливает металлический шаблон, наружные раз­меры которого соответствуют внутренним размерам тигля. В про­странство между шаблоном и индуктором засыпают футеровочную смесь и уплотняют её трамбовками. Толщина уплотняемых слоев-50-60 мм, перед засыпкой очередной порции смеси поверхность предыдущего слоя разрыхляется; сегрегация массы не допускается.

По окончания набивки футеровку спекают, не извлекая шаблона включают плавильную установку; тепло, выделяемое в шаблоне, нагревает футеровку. Длительность спекания: от I до 4 ч для кислого и от 2 до 10 ч - для основного тигля. Дальнейшее спекание осу­ществляется залитым металлом или наплавленным (в т.ч. путем расплавления шаблона).

Стенка тигля спекается при плавках не на всю толщину, а имеет 3 зоны: плотную спеченную с ошлакованной внутренней поверхностью; менее плотную переходную и наружную буферную зону, сохранившую рыхлость. Последняя является теплоизоляцией, кроме того, она компенсирует тепловое расширение футеровки и амортизирует толчки и удары при загрузке и осаживании шихты, а также вибрацию, передающуюся от индуктора.

Проводящие тигли не имеют футеровки. Их применяют для плавни металлов, не взаимодействующих с материалом тигля, например, Mg в стальных тиглях, Cu и Al - в графитовых, а также материалов о высоким удельным сопротивлением. В этом случае между проводящим тиглем и индуктором помещают теплоизоляционной слой набивной футеровки или засыпки.

Практика показывает, что одновременно с качеством футеровки на стойкость тигля влияют технология подготовки, уплотнения и спекания футеровочной массы, сушки и условия эксплуатации тигля.

2. Техника безопасности при выполнении работы

2.1. При выполнении лабораторной работы необходимо руководство­ваться правилами техники безопасности, действующими в ли­тейном цехе.

2.2. Учитывая, что при приготовлении футеровочных смесей и материалов выделяется пыль, необходимо работать с включенной местной вентиляцией, пользоваться защитыми очками; все работы около индукционной печи выполнять лишь после вы­ключения тока и строго соблюдать все правила обращения с проводниками электрического тока; быть внимательным к сиг­налам и знакам транспорта; соблюдать повышенную осторож­ность при обращении с работающими механизмами и установка­ми.

2.3. Запрещается самостоятельное вмешательство в производственный процесс, выполнение операций, не предусмотренных по­рядком выполнения настоящей работы. Обязательно выполнять все указания цехового руководителя работы.