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Matériau de revêtement et granulométrie de l'acier moulé dans la fusion au four à induction

Le revêtement réfractaire est un composant important du four à induction à creuset, qui affecte la fonction de fusion du four, la qualité métallurgique de l'acier, en particulier la sécurité de fonctionnement. Comme le four à induction à creuset convient à la fusion de divers alliages coulés, tels que la fonte, l'acier moulé, l'alliage de cuivre, l'alliage d'aluminium et l'alliage de zinc, etc., un petit four à induction, un revêtement de four peut être acheté pour former le préfabriqué creuset. Dans la production proprement dite, le four à induction à creuset utilisé pour la coulée de l'acier est généralement construit et fritté par la fonderie, qui sélectionne et sélectionne les matériaux réfractaires appropriés en fonction des variétés d'alliages de fusion.

1. Convient aux réfractaires de revêtement de four sidérurgique

Avec le développement des applications de four à induction dans l'industrie de l'acier moulé, depuis les années 1980, l'application de matériaux de revêtement de four à spinelle aluminium-magnésium a été progressivement prise en compte. À l'heure actuelle, le four à induction à creuset utilisé dans l'industrie de l'acier moulé dans divers pays industriels adopte essentiellement un revêtement de four à spinelle.

Ces dernières années, certaines entreprises de fonderie d'acier en Chine ont adopté des matériaux de revêtement de four à spinelle, parmi lesquels certains fabricants doivent acheter des matériaux pré-préparés à des fabricants étrangers, bien que l'effet d'utilisation soit très bon, le coût de production augmente beaucoup et le les caractéristiques de celui-ci ne sont pas très compréhensives. Ici, je veux principalement présenter certaines caractéristiques du revêtement réfractaire de type spinelle pour la référence des collègues de l'industrie lorsqu'ils composent les matériaux de revêtement et améliorent encore les matériaux de revêtement. Dans le même temps, compte tenu du revêtement de sable de silicium actuel, le revêtement de magnésie, le revêtement d'alumine dans l'industrie chinoise de l'acier moulé sont également appliqués, également en passant pour faire une brève introduction des caractéristiques de ces matériaux, à titre de référence.

(1) Doublure en sable de silice

Le revêtement de four construit avec du sable de silice comme matériau réfractaire de base est souvent appelé revêtement de four acide. Le sable siliceux présente de nombreux avantages : premièrement, il dispose de ressources abondantes et de prix bas ; de plus, le creuset en sable siliceux en tant que matériau réfractaire de base présente toujours une bonne résistance à haute température proche de son point de fusion et présente une bonne résistance à la trempe et à la chaleur. En particulier, il convient de mentionner que l'expansion de changement de phase de quartz du sable de silice peut compenser le retrait de volume dans le processus de frittage, de manière à améliorer la densité de la couche frittée et à réduire la porosité dans la couche frittée. Par conséquent, les matériaux de revêtement à base de silicium sont largement utilisés dans le four à induction à creuset utilisé pour fondre toutes sortes de fonte dans l'industrie de la coulée de divers pays.

Cependant, la faible résistance au feu du SiO2 ne peut fondamentalement pas s'adapter à la température de l'acier. De plus, SiO2 a une forte activité chimique à haute température et peut interagir avec toutes sortes d'oxydes alcalins et même des oxydes neutres dans le processus de fabrication de l'acier. Par exemple, FeO est facile à générer Fe2SiO4 avec un point de fusion de 1205℃ après contact avec du sable de silice, qui peut en outre interagir avec SiO2 ou FeO pour générer des composants eutectiques avec un point de fusion de 1130℃. De plus, SiO2 peut être réduit par certains éléments actifs dans l'acier fondu. Par conséquent, le revêtement de sable de silice utilisé dans la fabrication de l'acier ne garantit ni la qualité métallurgique de l'acier ni la durée de vie du revêtement. Depuis la fin des années 1980, les pays industrialisés avec des fours à induction de production de fonderie d'acier, n'utilisent plus de revêtement en sable siliceux. Autant que je sache, certaines entreprises en Chine utilisent encore des revêtements de fours en sable siliceux pour faire fondre l'acier coulé, ce qui nécessite une amélioration urgente.

(2) Doublure en magnésie

Le matériau de revêtement couramment utilisé est la magnésite métallurgique avec une teneur en MgO supérieure à 86 %, qui est fabriquée à partir de magnésite après calcination à haute température. Si la magnésie métallurgique est refondue dans un four à arc, la teneur en impuretés telles que SiO2 et Fe2O3 peut être réduite, et la magnésie électrofondue avec une pureté plus élevée (teneur en MgO supérieure à 96 %) peut être obtenue. La magnésie fondue est utilisée pour le revêtement d'un four à induction sous vide.

La magnésie métallurgique a un caractère réfractaire élevé et est un matériau de revêtement conventionnel pour les fours à arc alcalin. Bien que son point de fusion soit très élevé, qu'il ne soit pas facile à fritter et que son coefficient de dilatation soit important, le revêtement épais du four à arc peut compenser cette lacune en ajoutant un grand nombre de matériaux de liaison et en liant avec une méthode humide.

Si de la magnésie métallurgique est utilisée comme matériau de revêtement pour un four à induction, il n'est pas approprié d'utiliser un nouage humide en raison de l'épaisseur du revêtement, et l'effet négatif de ces défauts est très évident. Le creuset en oxyde de magnésium est sujet à la fissuration, en particulier lors du fonctionnement intermittent du four.

(3) Revêtement en oxyde d'aluminium

L'alumine et le sable de zirconium sont tous deux des réfractaires neutres, dont l'alumine est la plus largement utilisée, et le sable de zirconium est rarement utilisé comme matériau de revêtement.

L'alumine seule est utilisée comme matériau de revêtement, qui a une forte capacité à résister à la fissuration et à empêcher l'érosion des scories acides, mais ne convient pas à la fabrication de scories alcalines. De plus, en raison de son caractère réfractaire élevé et de ses faibles performances de frittage, la durée de vie du revêtement n'est pas très élevée.

(4) Garniture de four spinelle

Les minéraux de spinelle ont les caractéristiques de l'homomorphisme, avec de nombreuses variétés et des composants complexes. Sa formule moléculaire peut s'écrire M2+O•M3+2O3. Dans la formule, M2+ représente certains atomes métalliques divalents, tels que Mg, Fe, Zn, Mn, etc.M3+ représente certains atomes métalliques trivalents, tels que Mg, Fe, Zn, etc. Ainsi, il peut également être écrit comme (Mg , Fe, Zn, Mn)O•(Al, Cr, Fe)2O3.

Dans les atomes de métaux divalents contenus dans les minéraux spinelles, Mg2+ et Fe2+ peuvent être substitués l'un à l'autre dans n'importe quel rapport ; Al3+ est dans la majorité des atomes de métaux trivalents, mais Cr3+ peut remplacer Al3+ dans n'importe quelle proportion, tandis que Fe3+ ne peut remplacer Al3+ ou Cr3+ que dans une certaine mesure. Les spinelles courants comprennent les éléments suivants :

MgO•Al2O3 FeO•Al2O3

Chromite (spinelle ferrochrome) FeO•Cr2O3 magnétite (ferrospinelle) FeO•Fe2O3

Spinelle fer-magnésium (Mg, Fe)O•(Al, Fe)2O3 ZnO•Al2O3

MgO•Cr2O3 Spinelle de zinc-fer ZnO•Fe2O3

Spinelle de manganèse-chrome FeO•Cr2O3 Spinelle de manganèse-aluminium MnO•Al2O3

À l'heure actuelle, MgO•Al2O3, communément appelé « spinelle », est le matériau de revêtement principal utilisé dans le four à induction pour la fabrication de l'acier dans divers pays industriels. Dans le spinelle d'aluminium et de magnésium pur, la teneur en MgO n'est que de 28.2 %, mais il s'agit toujours d'un réfractaire alcalin.

Le matériau de spinelle de magnésie-alumine a un caractère réfractaire élevé, un faible coefficient de dilatation thermique, une bonne stabilité thermique à haute température et une forte résistance à l'érosion des scories alcalines. En particulier, MgO et Al2O3 ont une expansion volumique de 7.9 % dans le processus de frittage du spinelle, ce qui peut compenser le retrait volumique dans le processus de frittage et réduire la porosité de la couche frittée, ce qui est cohérent avec les avantages importants de la silice. doublure de sable.

Le spinelle d'aluminium et de magnésium n'a fondamentalement pas de minéral naturel, c'est par la synthèse artificielle, la méthode de préparation a la fusion électrique et le frittage de deux manières. En 1997, l'industrie métallurgique chinoise a formulé la norme industrielle YB/T 131-1997 "Spinelle d'aluminium et de magnésie frittée" conformément aux spécifications des matériaux MR66 et AR76 d'Alcoa Chemical Company.

Matériau de revêtement de spinelle, en fait, tout n'est pas composé de spinelle, mais sur la base de matériaux de type Al2O3 granulaire ou MgO granulaire, parmi eux avec la poudre correspondante, ou la formation de matériau de spinelle granulaire fin, uniformément répartie entre les matériaux réfractaires granulaires, frittage processus dans les particules d'alumine formées entre le réseau de spinelle d'aluminate de magnésium, combiné avec le rôle. De plus, une petite quantité d'acide borique ou d'anhydride borique est ajoutée pour lui permettre de former des réseaux de spinelles à des températures plus basses (autour de 1300°C).

Des fournisseurs célèbres de réfractaires tels que United Mines des États-Unis, Minak Mines de France et Calderys proposent tous une variété de matériaux de revêtement de spinelle pré-fournis, qui peuvent être sélectionnés en fonction du type de four et du type d'acier fondu, mais le prix est relativement élevé.

Je pense que la meilleure solution est la suivante : chaque entreprise de coulée d'acier, en fonction de ses propres conditions spécifiques, grâce à l'optimisation du test, sélectionne le rapport le plus approprié, sa propre préparation du matériau de revêtement. De cette manière, une longue durée de vie et une haute qualité métallurgique de l'acier peuvent être assurées, et les coûts de production peuvent être considérablement réduits.

Quant au rapport de composition du matériau de revêtement, il doit être sélectionné en fonction de la composition réelle des différentes matières premières utilisées et déterminée par le test. Lors de la détermination du rapport des matériaux de revêtement, les composants cibles suivants peuvent être calculés :

La fraction massique d'Al2O3 dans le matériau de revêtement du four est de 85 à 88 % et la fraction massique de MgO est d'environ 22 %.

La fraction massique de MgO et Al2O3 dans les matériaux de revêtement est d'environ 75 ~ 85 % et 15 ~ 22 % respectivement.

2. Classement granulométrique des matériaux de revêtement de four

La densification du creuset a une influence très importante sur sa durée de vie. Afin de rendre le creuset dense et la porosité aussi faible que possible, il est nécessaire de prêter attention à la distribution granulométrique des réfractaires, de sorte que les espaces entre les réfractaires à gros grains puissent être remplis par les matériaux à grains fins.

Afin de vous donner une idée plus précise du vide après le nouage des matériaux granuleux, voici une illustration simple du tas de sphères idéal.

(1) Compacité générale

Boules de même taille, empilées en carré en quinconce, chaque boule en contact avec les 6 boules adjacentes (4 autour, 1 boule vers le haut et 1 boule vers le bas), la porosité est de 47.64 %.

2) Boîtier relativement compact

Les sphères sont empilées dans un arrangement rhomboïdal, et chaque boule est en contact avec huit boules adjacentes (six boules environnantes, une au-dessus et une en dessous), avec un taux d'écart de porosité de 39.55 %.

(3) Le boîtier avec la plus grande compacité

La compacité la plus élevée des méthodes d'empilement est la disposition en quinconce carrée et la disposition tétraédrique.

Lorsque les sphères homogènes sont empilées dans un agencement carré décalé, chaque boule est en contact avec les 12 boules adjacentes, avec 4 boules autour, une boule vers le haut et une boule vers le bas, et la porosité est de 25.95 %.

Voir la figure 3 pour les sphères homogènes empilées dans un arrangement tétraédrique. Chaque boule est en contact avec les 12 boules adjacentes, avec 6 boules autour, 3 boules vers le haut et 3 boules vers le bas. La porosité est de 25.95 %.

Comme on peut le voir dans le cas des sphères, la porosité n'est déterminée que par l'arrangement et est indépendante de la taille de la sphère. Le diamètre de la boule est grand, la taille des pores est grande et le nombre est petit. Les réfractaires de granulés de revêtement sont polygonaux, voire anguleux, sa fluidité est très médiocre, quel que soit le type de nœud, le plus compact, sa porosité n'est pas inférieure à 30%.

Afin de réduire la porosité de la doublure, la mesure simple et facile consiste à faire en sorte que la taille des particules du matériau de revêtement ne soit pas si uniforme, et que les matériaux fins puissent entrer dans l'arrangement dense des particules grossières, l'exigence minimale est bien sûr doit avoir d < 0.414d bien. C'est là qu'intervient l'exigence de granularité.

Bien sûr, l'état des particules des réfractaires est beaucoup plus compliqué que celui des sphères idéales, et la distribution granulométrique est également très irrégulière, il est donc impossible de calculer le schéma de granulométrie optimal simplement par calcul. Le meilleur moyen est pour chaque fonderie en fonction de ses propres matières premières de la situation réelle, à travers le test, de trouver le schéma de classement le plus approprié.

La méthode de test est très simple : mélanger différents matériaux de granulométrie dans un certain rapport, les rendre compacts et se former sous une certaine pression, puis déterminer leur densité volumique. Lorsque les conditions d'approvisionnement en matières premières sont modifiées, le système de classification granulométrique doit également être testé et évalué.

Le but de la granulométrie étant de rendre l'amas de particules compact, indépendamment de la nature du matériau, ce principe peut s'appliquer à tous types de matériaux réfractaires. L'Allemagne recommande également différentes granulométries pour différents matériaux de creuset de capacité.

3. Frittage des matériaux de revêtement

Le revêtement du four à creuset est constitué de réfractaire granulaire par nouage, broyage et frittage. Le frittage est une mesure importante pour s'assurer que le revêtement est compact et a une résistance considérable.

Le "frittage" est un processus dans lequel une phase liquide apparaît sur la surface de contact des particules dans l'agrégat particules/poudre et un réseau continu se forme progressivement à haute température, puis les particules sont connectées en un tout, et la porosité est réduite à le minimum à l'aide de mécanismes de diffusion et de transfert de masse, devenant finalement un corps fritté solide et compact.

Le « frittage » est un processus relativement ancien, et il a été étudié en profondeur depuis des décennies. Cependant, la compréhension actuelle est toujours basée sur l'observation macroscopique du processus de frittage et l'examen simplifié du modèle. Avec l'expansion continue de l'application du four à induction, à cet égard, l'espace de recherche et d'amélioration est très large.

En raison de diverses contraintes, l'épaisseur mince du revêtement du four à induction du creuset est sa caractéristique importante, cependant, après le nœud et le frittage du revêtement mais pas le frittage dans son ensemble, car, dans l'ensemble du revêtement du four de frittage, si quelque part en raison de facteurs incontrôlables, il existe des maillons faibles , et sous l'action de contraintes thermiques répétées, la fissure est facile à étendre à l'ensemble, de sorte que l'infiltration de métal liquide vers la bobine d'induction, entraîne des accidents majeurs.

Une fois le revêtement du four fritté, sa section doit être une structure à trois couches : la couche qui forme la chambre du four et les contacts avec l'acier liquide est la couche frittée, dont l'épaisseur représente environ 35 à 40 % de l'épaisseur du revêtement du four. Il se caractérise par un réseau de frittage dense, une faible porosité et une résistance élevée. La couche semi-frittée est reliée à la couche frittée, et son épaisseur est sensiblement la même que celle de la couche frittée. Sa caractéristique est que le réseau de frittage n'est pas complet et que sa résistance n'est pas élevée, il peut donc amortir la contrainte thermique de la couche frittée. Si la couche frittée produit des fissures, elle peut empêcher la fissure de s'étendre vers l'extérieur. Le bord extérieur du revêtement du four et la couche entre la bobine d'induction et la couche semi-frittée sont la couche non frittée, et les réfractaires restent à l'état granulaire noué. Cette couche, qui a la fonction d'isolation thermique et peut ralentir la conduction thermique de la couche frittée à la bobine, représente environ 25 à 30 % de l'épaisseur du revêtement.

Le processus de frittage du revêtement de four à spinelle peut être grossièrement divisé en trois étapes :

La première étape : la température de chauffage est inférieure à 850 ℃ et la fonction principale est de déshydrater complètement le matériau de revêtement.

La deuxième étape : chauffage à 850 ~ 1400℃, principalement pour former un réseau de spinelle ;

La troisième étape: chauffage à 1300 ~ 1700 ℃, le réseau de spinelles se développe, les fonctions de diffusion et de transfert de masse sont améliorées sous l'impulsion de la tension superficielle, la porosité est considérablement réduite, la couche de frittage a tendance à être proche.

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