أثناء استخدام فرن التردد المتوسط، يبلغ سمك المادة المقاومة للحرارة المستخدمة في البطانة 70-110 ملم فقط. يكون الجزء الداخلي على اتصال بالمعدن المنصهر عالي الحرارة، ويكون الجزء الخارجي قريبًا من ملف التبريد بالماء. يكون فرق درجة الحرارة بين الجزء الداخلي والخارجي للمادة المقاومة للحرارة كبيرًا. وهي في قسم رقيق نسبيًا وفي ظروف استخدام بيئة شديدة التآكل للعديد من عمليات الصهر. تشمل ظروف العملية الرئيسية التي تؤثر على تلف البطانة ما يلي: درجة حرارة الصهر، ووقت إزالة الغاز، وكمية إزالة الغاز لمرة واحدة، والتركيب الكيميائي للخبث ونوع الفولاذ (الحديد) المنتج. العوامل الرئيسية التي تؤثر على تلف البطانة هي: التآكل الكيميائي للخبث، وتقشر الهيكل المقاوم للحرارة والتآكل الحراري.
الشكل 1. تآكل بطانة الحديد الزهر المستخدم في الصهر
الشكل 2. تآكل بطانة فولاذ الصهر المصبوب
1. بطانة فرن التردد المتوسط عادة ما تكون بطانة فرن التردد المتوسط مصنوعة من مواد حرارية بمواصفات وأحجام جزيئات مختلفة (المواد الحرارية المستخدمة بشكل شائع هي بشكل أساسي المغنيسيوم والكوارتز والألمنيوم والمواد المركبة). خصائصها هي: الترابط المباشر. لذلك، تتمتع بمقاومة عالية للتآكل وقوة ميكانيكية عالية ومقاومة جيدة للصدمات الحرارية.
الشكل 3، بطانة الفرن معقودة بدقة وفقًا لعملية العقد
2. آلية تلف مادة بطانة فرن المغنيسيوم
خذ مادة المغنيسيوم المقاومة للحرارة كمثال لشرح آلية تلف مادة المغنيسيوم:
المظاهر الرئيسية لتلف مادة المغنيسيوم هي: التآكل الحراري الناجم عن تدفق الفولاذ المنصهر والتآكل الكيميائي الناجم عن مكونات الخبث التي تخترق المادة.
أثناء عملية الصهر، سوف يخترق المحلول مصفوفة المواد المقاومة للحرارة من خلال القنوات الشعرية في مصفوفة المواد المقاومة للحرارة لتآكل بطانة الفرن. تشمل المكونات التي تخترق مصفوفة المواد المقاومة للحرارة؛ CaO وSiO2 وFeO في الخبث؛ Fe وSi وAi وMn وC في الفولاذ المنصهر، وحتى بخار المعدن وغاز CO، إلخ. تترسب هذه المكونات المتسللة في القنوات الشعرية للمادة المقاومة للحرارة، مما يتسبب في انقطاع الخصائص الفيزيائية والكيميائية لسطح العمل المقاوم للحرارة ومصفوفة المواد المقاومة للحرارة الأصلية. ستظهر الشقوق والتقشير والبنية الفضفاضة تحت التغيير المفاجئ في درجة حرارة التشغيل. بالمعنى الدقيق للكلمة، فإن عملية التلف هذه أكثر خطورة من عملية تلف الذوبان.
إن المواد المعدنية المضافة إلى الفرن ستجلب أكاسيد مختلفة، كما أن تركيب الخبث من مواد مختلفة وأفران مختلفة يختلف أيضًا. تتفاعل معظم الأكاسيد والكربيدات والكبريتيدات والأشكال المختلفة من المركبات المركبة في الخبث كيميائيًا مع بطانة الفرن لتوليد مركبات جديدة بنقاط انصهار مختلفة.
بعض أكاسيد نقطة الانصهار المنخفضة الناتجة عن التفاعل، مثل أوليفين الحديد (FeOSiO2) وأوليفين المنغنيز (MnOSiO2)، لها نقاط انصهار بشكل عام حول 1200 درجة. يتمتع الخبث ذو نقطة الانصهار المنخفضة بسيولة ممتازة وقد يشكل عامل تدفق، مما يتسبب في تآكل كيميائي شديد على بطانة الفرن، وبالتالي تقليل عمر خدمة بطانة الفرن. الخبث ذو نقطة الانصهار العالية الناتج عن التفاعل، مثل الموليت (3Al2O3•2SiO2)، والفورستريت (2MgO•SiO2)، وما إلى ذلك، وبعض العناصر المعدنية ذات نقطة الانصهار العالية لها نقطة انصهار تزيد عن 1800 درجة. هناك تداخل معقد نسبيًا وتفكك متبادل بين الخبث ذو نقطة الانصهار العالية والخبث ذو نقطة الانصهار المنخفضة المعلق في المعدن المنصهر. تلتصق هذه الخبث بسهولة بالغة بجدران الفرن وتتراكم، مما يتسبب في التصاق خطير للخبث، مما يؤثر على قوة وسرعة ذوبان وسعه الفرن الكهربائي، وحتى يؤثر على عمر بطانة الفرن.
مع زيادة سعة الفرن، تقل نسبة الحرارة المفقودة من سطح الفولاذ المنصهر، وتكون درجة حرارة الخبث أعلى من درجة حرارة الفرن ذي السعة الصغيرة، وتكون سيولة الخبث أفضل من سيولة الفرن ذي السعة الصغيرة، وبالتالي تتفاقم تآكل بطانة الفرن. تستخدم أفران الحث الكبيرة في الغالب طريقة خلط الفولاذ والخبث مع فولاذ الصنبور، مما يتطلب أن يكون للخبث سيولة جيدة للتكيف مع ظروف الصنبور. لذلك، يتآكل خط الخبث بشدة، وهو سبب آخر لتقليل عمر خدمة بطانة الفرن. نظرًا للأسباب المذكورة أعلاه، فإن عمر خدمة بطانة فرن الحث الكبير أقل من عمر فرن الحث الصغير والمتوسط. من أجل زيادة عمر خدمة البطانة، يجب زيادة سمك البطانة بشكل مناسب. ومع ذلك، مع زيادة سمك بطانة الفرن، تزداد قيمة المقاومة، ويزداد فقدان القدرة التفاعلية، وتنخفض الكفاءة الكهربائية. لذلك، يقتصر سمك بطانة الفرن على نطاق معين. لذلك، يجب اختيار سمك جدار معقول لضمان الكفاءة الكهربائية العالية وعمر خدمة بطانة الفرن.
الشكل 5، بطانة الفرن مغطاة بالخبث
3. تصميم الحلول
يؤدي التآكل المذكور أعلاه إلى ما يسمى بالتقشير الهيكلي تحت التقلبات الدورية في درجات الحرارة. أثناء عملية الإنتاج، يخترق الخبث مسام مصفوفة المواد المقاومة للحرارة، مكونًا طبقة حرارية سميكة كبيرة. ستتغير الخصائص الفيزيائية والكيميائية للجزء من المواد المقاومة للحرارة الذي ينقعه الخبث. نظرًا لمعاملات التمدد الحراري المختلفة بين طبقة الاختراق والطبقة غير الملائمة المتبقية، فعندما تتغير درجة الحرارة، يظهر إجهاد كبير عند تقاطع الطبقتين، مما يؤدي إلى تشققات موازية لسطح العمل، وفي النهاية يتسبب في تقشير البطانة. سيعمل الخبث الذي يخترق مصفوفة المواد المقاومة للحرارة على إذابة الجسيمات المقاومة للحرارة وإضعاف الترابط بين الجسيمات، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومة المادة للحرارة ومقاومة درجات الحرارة العالية. لذلك، تتلف طبقة اختراق الخبث المقاومة للحرارة بشكل أسرع تحت تآكل الفولاذ المنصهر المتدفق.
يجب أن تكون قاعدية الخبث متوافقة مع مادة البطانة. يمكن أن تتآكل مواد بطانة المغنيسيوم بسبب خبث CaO العالي وخبث SiO2. يجب التحكم في كمية CaF في الخبث. سيؤدي CaF الزائد إلى تآكل البطانة القلوية ويسبب ذوبانًا مبكرًا لمنطقة خط الخبث. عندما تكون أيونات الفلورايد وأيونات المنجنيز المعدنية في الخبث عالية أو تكون درجة حرارة حوض المنصهر أعلى من 1700 درجة ، ستنخفض لزوجة المحلول أيضًا بشكل حاد ، وسيتسارع معدل تلف البطانة ، وستنخفض عمر البطانة بشكل كبير. عند إجراء الصهر بدون خبث تحت الفراغ ، تكون مدة خدمة البطانة أكبر من الصهر بدون فراغ.
يؤدي تسلل محتوى أكسيد الحديد العالي في البطانة إلى تدمير البنية الدقيقة للبطانة الأصلية، وتقليل الانكسار، وتقليل لزوجة خبث CaO-Ai2O3-SiO2، بحيث يخترق الخبث أعمق في المادة. ومع ذلك، فإن كمية معينة من أكسيد الحديد في البطانة الأصلية تساعد على التلبيد السريع للبطانة وتقليل المسام المفتوحة ونفاذية المادة. على وجه الخصوص، تحتوي مادة الصب على كمية معينة من أكسيد الحديد، والتلبيد السريع للمادة، والتفجير الرملي وإدراج الرمل بارز جدًا. إن زيادة محتوى أكسيد المغنيسيوم ولزوجة الخبث مفيد في تقليل تآكل الخبث على بطانة الفرن وتحسين تأثير جمع الخبث. عندما تكون قاعدية الخبث منخفضة، يكون تآكل بطانة المغنيسيوم أكثر خطورة، ويتم تقليل عمر بطانة الفرن؛ على العكس من ذلك، عندما تكون قاعدية الخبث عالية، يكون تآكل بطانة الفرن طفيفًا نسبيًا، ويتحسن عمر بطانة الفرن نسبيًا. إن زيادة قاعدية الخبث ومحتوى MgO في الخبث، وتقليل محتوى FeO في الخبث، مفيد في تقليل تآكل الخبث على المواد المقاومة للحرارة.
لذلك، عند استخدام عوامل صنع الخبث، يجب الانتباه إلى اختيار المواد ذات أكسيد المغنيسيوم العالي. تكوين هيكل الخبث بشكل معقول، وتسريع سرعة تكوين الخبث، وتقصير وقت الصهر، وتقليل محتوى أكسيد الحديد في الخبث. يجب اختيار الخبث المناسب وفقًا لمادة بطانة الفرن. الخبث القلوي مناسب لبطانة المغنيسيوم، ولكن يمكن أن يتآكل بسبب خبث CaO العالي وخبث SiO2. كما أن CaF2 الزائد سيؤدي أيضًا إلى تآكل البطانة القلوية، مما يتسبب في ذوبان مبكر لمنطقة خط الخبث. الخبث الحمضي مناسب لبطانة فرن الكوارتز، بينما لا يمكن استخدام بطانة فرن المغنيسيا والألومينا إلا للخبث القلوي الضعيف أو المحايد. ستظهر بطانة فرن الألومينا خصائص أمفوتيرية نموذجية في قيم الأس الهيدروجيني المختلفة عند درجات الحرارة العالية، والتي يمكن أن تتكيف مع الخبث بقيم الأس الهيدروجيني المختلفة، لكنها أسوأ قليلاً من بطانات الفرن الحمضية والقلوية. لهذا السبب، يستخدم بعض الأشخاص رمل المغنيسيا عالي النقاء ويضيفون كمية معينة من السبينيل لتغيير خصائص المصفوفة لمواد بطانة فرن المغنيسيا النقية عند اختيار المواد، ولكن تظهر التجارب أن مقاومة التآكل لمواد كوروندوم عالية النقاء أقل بكثير أيضًا من رمل المغنيسيا المسحوق ذي النقاء المنخفض.
الخبث الحمضي مناسب لبطانة فرن الكوارتز، بينما يمكن استخدام بطانة فرن المغنيسيوم والألومينا فقط للخبث القلوي الضعيف أو المحايد. ستظهر بطانة فرن الألومينا خصائص أمفوتيرية نموذجية في قيم pH مختلفة عند درجة حرارة عالية، والتي يمكن أن تتكيف مع الخبث بقيم pH مختلفة، لكنها أسوأ قليلاً من بطانات الفرن الحمضية والقلوية. باختصار، بالنظر إلى آلية الضرر الرئيسية لبطانة فرن المغنيسيوم، بعد الملخص والاستكشاف المستمر، يمكن تحسين مقاومة المادة لاختراق الخبث عن طريق الحد من المسام المفتوحة والنفاذية، ويمكن تحسين مقاومة التآكل عالية الحرارة ومقاومة التقشر لمصفوفة بطانة الفرن عن طريق زيادة قوة الانحناء عالية الحرارة ودرجة حرارة التليين الحرجة. يعتمد أداء بطانة الفرن على العديد من العوامل، مثل توزيع حجم الجسيمات للمادة، والخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة، ودرجة حرارة التلبيد لبطانة الفرن.