Trong quá trình sử dụng lò tần số trung bình, độ dày của vật liệu chịu lửa dùng để lót chỉ là 70-110mm. Mặt trong tiếp xúc với kim loại nóng chảy ở nhiệt độ cao, mặt ngoài gần với cuộn làm mát bằng nước. Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trong và mặt ngoài của vật liệu chịu lửa là lớn. Nó nằm trong một phần tương đối mỏng và trong điều kiện sử dụng của môi trường có tính ăn mòn cao đối với nhiều hoạt động nấu chảy. Các điều kiện quy trình chính ảnh hưởng đến hư hỏng của lớp lót bao gồm: nhiệt độ nấu chảy, thời gian thoát khí, lượng thoát khí một lần, thành phần hóa học của xỉ và loại thép (sắt) được sản xuất. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hư hỏng của lớp lót là: xói mòn hóa học của xỉ, bong tróc cấu trúc vật liệu chịu lửa và xói mòn nhiệt.
Hình 1. Sự xói mòn lớp lót của gang luyện
Hình 2. Sự xói mòn lớp lót của thép đúc đang nấu chảy
1. Lớp lót lò trung tần Lớp lót lò trung tần thường được làm bằng vật liệu chịu lửa có nhiều thông số kỹ thuật và kích thước hạt khác nhau (vật liệu chịu lửa thường dùng chủ yếu là magiê, thạch anh, nhôm và vật liệu composite). Đặc điểm của nó là: liên kết trực tiếp. Do đó, nó có khả năng chống ăn mòn cao, độ bền cơ học cao và khả năng chống sốc nhiệt tốt.
Hình 3, lớp lót lò được thắt nút nghiêm ngặt theo quy trình thắt nút
2. Cơ chế hư hỏng của vật liệu lót lò magiê
Lấy vật liệu chịu lửa magiê làm ví dụ để giải thích cơ chế hư hỏng của vật liệu magiê:
Biểu hiện chính của hư hỏng vật liệu magiê là: xói mòn nhiệt do thép nóng chảy chảy và xói mòn hóa học do các thành phần xỉ thấm vào vật liệu.
Trong quá trình nấu chảy, dung dịch sẽ thâm nhập vào ma trận chịu lửa thông qua các kênh mao dẫn trong ma trận chịu lửa để ăn mòn lớp lót lò. Các thành phần thâm nhập vào ma trận chịu lửa bao gồm; CaO, SiO2, FeO trong xỉ; Fe, Si, Ai, Mn, C trong thép nóng chảy và thậm chí cả hơi kim loại, khí CO, v.v. Các thành phần thâm nhập này được lắng đọng trong các kênh mao dẫn của vật liệu chịu lửa, gây ra sự gián đoạn về tính chất vật lý và hóa học của bề mặt làm việc chịu lửa và ma trận chịu lửa ban đầu. Các vết nứt, bong tróc và cấu trúc lỏng lẻo sẽ xuất hiện dưới sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ vận hành. Nói một cách chính xác, quá trình hư hỏng này nghiêm trọng hơn nhiều so với quá trình hư hỏng hòa tan.
Vật liệu kim loại thêm vào lò sẽ mang theo nhiều loại oxit khác nhau, thành phần xỉ của các vật liệu khác nhau và lò khác nhau cũng khác nhau. Hầu hết các loại oxit, cacbua, sunfua và các dạng hợp chất tổng hợp khác nhau trong xỉ sẽ phản ứng hóa học với lớp lót lò để tạo ra các hợp chất mới có điểm nóng chảy khác nhau.
Một số oxit có điểm nóng chảy thấp được tạo ra trong phản ứng, chẳng hạn như olivin sắt (FeOSiO2) và olivin mangan (MnOSiO2), thường có điểm nóng chảy khoảng 1200 độ. Xỉ có điểm nóng chảy thấp có độ lưu động tuyệt vời và có thể tạo thành chất trợ dung, gây ra sự xói mòn hóa học nghiêm trọng trên lớp lót lò, do đó làm giảm tuổi thọ của lớp lót lò. Xỉ có điểm nóng chảy cao được tạo ra trong phản ứng, chẳng hạn như mullite (3Al2O3•2SiO2), forsterite (2MgO•SiO2), v.v. và một số nguyên tố kim loại có điểm nóng chảy cao có điểm nóng chảy hơn 1800 độ. Có sự thâm nhập lẫn nhau và hòa tan lẫn nhau tương đối phức tạp giữa xỉ có điểm nóng chảy cao và xỉ có điểm nóng chảy thấp lơ lửng trong kim loại nóng chảy. Các loại xỉ này rất dễ bám dính vào thành lò và tích tụ, gây ra tình trạng xỉ bám dính nghiêm trọng, ảnh hưởng đến công suất, tốc độ nóng chảy và khả năng của lò điện, thậm chí ảnh hưởng đến tuổi thọ của lớp lót lò.
Khi công suất lò tăng, tỷ lệ nhiệt mất đi từ bề mặt thép nóng chảy giảm, nhiệt độ xỉ cao hơn lò công suất nhỏ, độ chảy của xỉ tốt hơn lò công suất nhỏ, do đó tình trạng xói mòn lớp lót lò trầm trọng hơn. Các lò cảm ứng lớn chủ yếu sử dụng phương pháp trộn thép và xỉ để taro thép, yêu cầu xỉ phải có độ chảy tốt để thích ứng với điều kiện taro. Do đó, đường xỉ bị xói mòn nghiêm trọng, đây cũng là một lý do khác khiến tuổi thọ của lớp lót lò giảm. Do những lý do trên, tuổi thọ của lớp lót lò cảm ứng lớn thấp hơn so với lò cảm ứng vừa và nhỏ. Để tăng tuổi thọ của lớp lót, cần tăng độ dày của lớp lót một cách thích hợp. Tuy nhiên, khi độ dày của lớp lót lò tăng, giá trị điện trở tăng, tổn thất công suất phản kháng tăng và hiệu suất điện giảm. Do đó, độ dày của lớp lót lò bị giới hạn trong một phạm vi nhất định. Do đó, phải lựa chọn độ dày thành lò hợp lý để đảm bảo hiệu suất điện cao cũng như tuổi thọ của lớp lót lò.
Hình 5, lớp lót lò được phủ xỉ
3. Thiết kế giải pháp
Sự xói mòn trên dẫn đến cái gọi là bong tróc cấu trúc dưới những biến động tuần hoàn của nhiệt độ. Trong quá trình sản xuất, xỉ xâm nhập vào các lỗ rỗng của ma trận chịu lửa, tạo thành một lớp chịu lửa dày lớn. Các tính chất vật lý và hóa học của phần vật liệu chịu lửa bị xỉ thấm sẽ thay đổi. Do hệ số giãn nở nhiệt khác nhau giữa lớp xuyên qua và lớp bất tiện còn lại, khi nhiệt độ thay đổi, một ứng suất lớn xuất hiện tại mối nối của hai lớp, dẫn đến các vết nứt song song với bề mặt làm việc và cuối cùng khiến lớp lót bị bong tróc. Xỉ xâm nhập vào ma trận chịu lửa sẽ hòa tan các hạt vật liệu chịu lửa và làm yếu liên kết giữa các hạt, dẫn đến giảm độ chịu lửa và khả năng chịu nhiệt độ cao của vật liệu. Do đó, lớp vật liệu chịu lửa xuyên qua xỉ bị hư hỏng nhanh hơn dưới sự xói mòn của thép nóng chảy đang chảy.
Độ kiềm của xỉ phải tương thích với vật liệu lót. Vật liệu lót magiê có thể bị ăn mòn bởi xỉ CaO cao và xỉ SiO2. Lượng CaF trong xỉ phải được kiểm soát. CaF quá nhiều sẽ ăn mòn lớp lót kiềm và gây ra sự tan chảy sớm của khu vực đường xỉ. Khi các ion florua và ion kim loại mangan trong xỉ cao hoặc nhiệt độ hồ nóng chảy trên 1700 độ, độ nhớt của dung dịch cũng sẽ giảm mạnh, tốc độ hư hỏng của lớp lót sẽ tăng tốc và tuổi thọ của lớp lót sẽ giảm đáng kể. Khi nấu chảy không xỉ được thực hiện trong điều kiện chân không, tuổi thọ của lớp lót lớn hơn so với nấu chảy không chân không.
Sự xâm nhập của hàm lượng oxit sắt cao trong lớp lót phá hủy cấu trúc vi mô của lớp lót ban đầu, làm giảm khả năng chịu lửa và làm giảm độ nhớt của xỉ CaO-Ai2O3-SiO2, do đó xỉ thấm sâu hơn vào vật liệu. Tuy nhiên, một lượng oxit sắt nhất định trong lớp lót ban đầu có lợi cho quá trình thiêu kết nhanh của lớp lót và làm giảm các lỗ rỗng và độ thấm của vật liệu. Đặc biệt, vật liệu đúc có chứa một lượng oxit sắt nhất định và quá trình thiêu kết nhanh, phun cát và lẫn cát của vật liệu rất nổi bật. Việc tăng hàm lượng oxit magiê và độ nhớt của xỉ có lợi cho việc giảm sự xói mòn của xỉ trên lớp lót lò và cải thiện hiệu quả thu gom xỉ. Khi độ kiềm của xỉ thấp, sự xói mòn của lớp lót magiê nghiêm trọng hơn và tuổi thọ của lớp lót lò bị giảm; ngược lại, khi độ kiềm của xỉ cao, sự xói mòn của lớp lót lò tương đối nhẹ và tuổi thọ của lớp lót lò được cải thiện tương đối. Việc tăng độ kiềm của xỉ và hàm lượng MgO trong xỉ, và giảm hàm lượng FeO trong xỉ có lợi cho việc giảm sự xói mòn của xỉ trên vật liệu chịu lửa.
Do đó, khi sử dụng tác nhân tạo xỉ, cần chú ý lựa chọn vật liệu có hàm lượng oxit magiê cao. Cấu hình hợp lý cấu trúc xỉ, tăng tốc độ hình thành xỉ, rút ngắn thời gian nấu chảy và giảm hàm lượng oxit sắt trong xỉ. Nên lựa chọn xỉ thích hợp theo vật liệu lót lò. Xỉ kiềm thích hợp cho lót magiê, nhưng nó có thể bị ăn mòn bởi xỉ CaO cao và xỉ SiO2. CaF2 quá nhiều cũng sẽ ăn mòn lớp lót kiềm, khiến khu vực đường xỉ nóng chảy sớm. Xỉ axit thích hợp cho lót lò thạch anh, trong khi lớp lót lò magiê-nhôm chỉ có thể được sử dụng cho xỉ kiềm yếu hoặc trung tính. Lớp lót lò nhôm sẽ thể hiện tính chất lưỡng tính điển hình ở các giá trị pH khác nhau ở nhiệt độ cao, có thể thích ứng với xỉ có các giá trị pH khác nhau, nhưng kém hơn một chút so với lớp lót lò axit và kiềm. Vì lý do này, một số người sử dụng cát magnesia có độ tinh khiết cao và thêm một lượng spinel nhất định để thay đổi tính chất nền của vật liệu lót lò magnesia tinh khiết khi lựa chọn vật liệu, nhưng các thí nghiệm cho thấy khả năng chống ăn mòn của vật liệu corundum có độ tinh khiết cao cũng kém hơn đáng kể so với cát magnesia thiêu kết có độ tinh khiết thấp.
Xỉ axit thích hợp cho lớp lót lò thạch anh, trong khi lớp lót lò magnesia-alumina chỉ có thể được sử dụng cho xỉ kiềm yếu hoặc trung tính. Lớp lót lò alumina sẽ thể hiện các tính chất lưỡng tính điển hình ở các giá trị pH khác nhau ở nhiệt độ cao, có thể thích ứng với xỉ có các giá trị pH khác nhau, nhưng kém hơn một chút so với lớp lót lò axit và kiềm. Tóm lại, xét đến cơ chế hư hỏng chính của lớp lót lò magnesia, sau khi tóm tắt và khám phá liên tục, khả năng chống thấm xỉ của vật liệu có thể được cải thiện bằng cách hạn chế các lỗ rỗng và độ thấm hở, và khả năng chống xói mòn ở nhiệt độ cao và khả năng chống bong tróc của ma trận lớp lót lò có thể được cải thiện bằng cách tăng cường độ uốn ở nhiệt độ cao và nhiệt độ làm mềm tới hạn. Hiệu suất của lớp lót lò phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như phân bố kích thước hạt của vật liệu, các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu và nhiệt độ thiêu kết của lớp lót lò.
