УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФУТЕРОВКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЕМКОСТЕЙ

Решение относится к области металлургии черных и цветных металлов и сплавов, в частности, получения качественных, надежных огнеупорных покрытий в разливочных и дозирующих устройствах, длительно работающих в контакте с жидкими расплавами.
3
Известно устройство для набивки футеровки (пат. РФ №2195613 Р27Д 1/16, опубл. 27.12.2002). Устройство обеспечивает плотность набивки массы до 2,2 г/см путем применения кольцевого конического вибрирующего уплотнителя, расположенного под углом ~15-20° к шаблону и располагаемому вверх вершиной конуса.
Уплотнение осуществляется за счет механического воздействия. Недостаток - использование футеровки лишь для простых цилиндрических поверхностей.
Сопряжение конусообразных уплотнителей и цилиндрических шаблонов в сочетании не исключает процесс запирания передачи давления на уплотняемую смесь, что приведет к неравномерности плотности слоя по высоте.
В качестве прототипа принято устройство для набивки футеровки (пат. РФ №2089807 Р27Д 1/16, опубл. 10.09.1997), содержащее платформу с вертикальным валом, имеющим привод вращения, на котором установлен колесный бункер с вибратором и приводными уплотняющими элементами, вращающимся вокруг оси вала и перемещающимся вдоль его оси.
Устройство предназначено для футеровки емкостей простой и цилиндрической формы с большой толщиной (0,09-0,1) от наибольшего размера емкости, слоя и осуществляет чисто механическое уплотнение за счет веса бункера и вибрации.
Для сложных фасонных поверхностей нанесение огнеупорного слоя не обеспечит равномерность прочности и толщины покрытия меньших размеров.
Неравномерность уплотнения возможна за счет изменяющегося веса бункера по мере его опустошения, меняется давление на смесь, что влияет на равнопрочность слоя и процесс и процесс доуплотнения может при этом не происходить.
Неравномерность уплотнения по высоте приводит к образованию пограничных, слабо защищенных от гидродинамических воздействий (перегрузок) областей, которые приводят к образованию трещин, вымыванию и разрушению слоя.
Основной недостаток прототипа: необходимость постоянного дозирования футеровочной массы и точного распределения по высоте шаблона.
Устройство не предусматривает обеспечение химико-механических упрочняющих связей между составляющими формовочной смеси, определенной структуры и пористости, которые решают проблему огнеупорности, пористости, теплопроводности и прочности.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Решаемая задача: повышение качества футеровки, ее надежности при разливке высокотемпературных материалов.
Технический результат: регулируемое формирование равнопрочного, устойчивого при термомеханических воздействиях рабочего слоя футеровки технологических емкостей.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве для футеровки технологических емкостей, содержащем вертикальный вал с приводом вращения и уплотнением элемента, вращающегося вокруг оси вала и перемещающийся вдоль его оси. Уплотняющий элемент выполнен в виде электрода, подпружиненного в направлении перпендикулярном валу и вращающимся вокруг своей оси и по поверхности емкости, который является катодом электрохимической ячейки, анодом которой служит сетчатый электрод, установленный на кирпичную кладку емкости, а электролитом является торкретная формовочная смесь, наносимая на анод, при этом катод через зубчатые колеса соединен с асинхронными двигателями, обеспечивающими его вращение вокруг своей оси и оси вала, контроль за токовыми режимами осуществлен с помощью инвертора и преобразователя «ток-напряжение», включенных в цепь управления.
В предлагаемом устройстве формообразование огнеупорного слоя обеспечивается одновременным электрохимико-механическим воздействием на формовочную смесь. Уплотняющими и структурообразующими элементами являются сетчатый анод и вращающийся пористый катод. Скорости вращения катода относительно своей оси и оси технологической емкости обеспечивают формирование структуры слоя, а система подпружинения - давление на смесь. Состав смеси включает компоненты, обеспечивающие формуемость, огнеупорность, проводимость и склонность к образованию упрочняющих комплексов.
Уплотнение формообразующего слоя смеси регулируется скоростями вращения катода, их направлением и системой подпружинения катода.
Равномерность распределения тока по поверхности и объеме смеси обеспечивается ее составом и системой управления: инвертор, преобразователь «ток-напряжение». Рабочая плотность тока назначается оптимальной, согласно скоростей упрочняющих фазовых превращений, протекающих под действием электрического тока: при ускорении - ток увеличивают; при обеспечении равномерности процесса - уменьшают.
В результате действия постоянного электрического тока и механического воздействия 9 деформация торкретной массы) протекают процессы, обеспечивающие образование упрочняющих огнеупорных комплексов и структуры слоя, выдерживающей тепловой удар.
Устройство для футеровки технологических емкостей показано на чертежах: фиг. 1 - общий вид; фиг. 2 - вид сверху.
Торкретная масса создает прочный рабочий слой на границе контакта футеровки с жидким металлом, составом, отвечающим требованиям прочности, электропроводности, огнеупорности.
Кожух 2 выполнен из стали Ст 3, является каркасом футеровки 3, выполненной кирпичной кладкой, и для торкретной массы.
Торкретная масса контактирует с вращающимся электродом 4, выполняющим функции катода и выполнен из пористого материала, который с сетчатым электродом 5 (анодом) составляет электрохимическую ячейку. На стойке 6 установлен вращающийся электрод 4. Сетчатый электрод 5 закреплен в шине 7 по контуру кожуха 2 с помощью зажима 8 типа «аллигатор». Торкретная масса через сетчатый (перфорированный) электрод 5 смачивает швы огнеупорной кладки.
Электрод 4 через зубчатые колеса 9, 10 соединен с асинхронным электродвигателем 11, обеспечивающим вращение электрода 4 вокруг своей оси, и асинхронным электродвигателем 12 планетарного его перемещения по контуру емкости в контакте со слоем.
Асинхронный электродвигатель 12 планетарного перемещения вращающегося электрода 4 связан со стойкой цилиндрическим зубчатым колесом 13.
Вращающийся электрод 4 выполнен из листового пористого алюминия 14, натянутого на керамическую форму (цилиндр) 15, напрессованную на стержень 16.
2
1
1
2
a
к
Напряжение на вращающийся электрод 4 подается через скользящий контакт 17. Планетарное перемещение вращающегося электрода 4 обеспечивается через диэлектрическую подпружиненную втулку 18. Вмонтированную в рычаг 19, планетарное перемещение которого обеспечивается со скоростью ω преобразователем частот 20, синхронно со скоростью вращения электрода 4 вокруг собственной оси ω. Соотношение скоростей ω/ω задается временем преобразования структуры торкретной массы (временем контакта электрохимической ячейки) и соотношением поверхностей анода F и катода F.
Контроль за токовыми режимами, в частности напряжением, осуществляет инвертор 21, а установка «токового диапазона» в пределах допустимых напряжений преобразователь «ток-напряжение» - преобразователь 22, в частности, предохраняет систему от короткого замыкания.
1
2
3
2
3
Переменные сопротивления R, R и R позволяют изменять токовые режимы по ходу электрохимических превращений в ячейке, в частности, по ходу растворения алюминиевого электрода 5 - анода (соответствующее значению перехода анода Al в шпинель AlO), если формирование торкретного слоя этим завершается.
Устройство работает следующим образом.
1
2
1
2
На футеровку 3, выложенную в кожухе 2, устанавливают сетчатый (или перфорированная фольга) электрод 5 и закрепляют в шине 7 зажимом 8. Торкретную массу, приготовленную в конусных смесителях, наносят на электрод 5 любым из известных способов (машинным, ручным, пескодувным и т.д.). В центр устройства устанавливают стойку 6 с укрепленным на ней рычагом 19, который планетарно перемещает электрод 4 со скоростями ω и ω с помощью асинхронных электродвигателей 11 и 12. Скорости вращения ω, ω противоположны по направлению.
Контактируя с торкретной массой, электрод 4 (катод) осуществляет давление на нее не более вязкости торкретной массы, которое обеспечивает система подпружинения электрода 4 (катода).
1
2
Зубчатые колеса 9, 10, 13 обеспечивают вращение катода, а создаваемая разность скоростей ω и ω - механическое уплотнение торкретной массы.
2
2
1
2
1
2
Подача напряжения на электрод 5 (анод) и электрод 4 (катод) в пределах, обеспечивающих протекание электрохимических реакций окисления, восстановления и образование новых упрочняемых компонентов, в пределах 1,25-3,5 В при плотностях тока 0,3-0,5 А/м и соответствующих скоростях ω и ω, ω/ω≈0,01 обеспечивает за 20 мин формирование 1 м поверхности толщиной слоя ≈5 мм и пористостью до 7%.
Время определено для состава, включающего компоненты, обладающие суперионной проводимостью и являющиеся упрочнителями данной торкретной массы.
Для повышения технической эффективности устройства количество электродов увеличивается или увеличивают поверхность катода, или меняют материал катода и анода.
1
2
Переключатели Π и П включают систему преобразователя 22 «ток-напряжение» и инвертора 21, обеспечивая токовые режимы электрохимических превращений в торкретном слое. Настройка преобразователя частот 20 обеспечивает время контакта катода 4 с торкретной массой на локальном участке, и механическое ее упрочнение за счет разных направлений вращения катода 4 и рычага 19.
Материал анода и катода, входящих в электрохимическую ячейку может быть любым (Cu, Al, Pt и т.д.), используется тот, который отвечает задаче структурообразования, ее прочности, огнеупорности и адгезионных свойств.
Пример.
Осуществлен на составе торкретной массы:
2
17
2
3
NaOAlO - 15-14%
2
ΖlΌ - 1-3% фракция менее 0,01 мм
СаО - 3,5-2%
Na2SiO3·9H2O - 6-7%
2
SiO - 60-63% фракция 0,3 мм
Алюмофосфатная связка - 1-2%
2
НО - остальное.
2
2
17
2
3
2
2
3
2
2
a
к
1
2
1
2
-2
2
2
2
Кварцевый песок SiO смешивают с NaOAlO (β - глиноземом) в конусных смесителях, добавляя последовательно ΖrO, CaO, NaSiO·9HO, алюмофосфатную связку, порообразователь и HO, до концентрации ≈13,5%. Смесь в состоянии формуемости (исключение гравитации) наносят на фольгу, которая размещена по контуру емкости и закреплена в верхней части на шине емкости (ковша) ⌀600 мм, в центр его помещают стойку 6, с закрепленным на ней вращающимся электродом 4 (катодом) диаметром ⌀100 мм, высотой 100 мм. Соотношение поверхностей анода и катода 6:1. Давление на торкретную смесь в процессе формообразования структуры колебалось от 10,2·10 до 25,5·10 Па. Анод и катод выполнены из Al. Анод - перфорированная фольга - 0,2 мм, катод - пористый листовой алюминий толщиной - 0,3 мм (площадь анода F=1,884 м, катода F=0,0314 м). Скорости вращения ω=1 об/мин; ω=100 об/мин; ω/ω=0,01. Токовые режимы, напряжение на электрохимическую ячейку 3,5 В. Ток на аноде 0,35 А/м.
2
Время достижения эффекта по структуре, механической прочности и огнеупорности для торкретного слоя толщиной 5 мм составляет 38 мин. Остаточное количество НО<0,01%.
Удаление гидративной и адсорбционной влаги и фиксация структуры осуществлялись при температуре 1100°C со скоростями нагрева 30 град/ч. При этом прочность составляет до 26 МПа (на сжатие) и пористость ≈7%, что достаточно для показателей огнеупорности, способность выдерживать тепловые удары торкретным слоем.
Предлагаемое устройство обеспечивает получение необходимого по структуре, а следовательно, и по свойствам, равнопрочного монолитного рабочего слоя (21-26 МПа) толщиной 4-5 мм при возможности обработки, в том числе, и фасонных поверхностей (управляемость процессом).
Имеется возможность организации рабочего слоя с абсолютной инертностью к жидкому металлу. Устройство для электрохимически-механического торкетирования обеспечивает одновременно формирование структуры, ее упрочнение, снижает время обжига.
Все эти меры увеличивают КПД технологических емкостей на 9-12%.
Количество теплосмен увеличивается на 10%.
Проведенный анализ аналогов показывает, что предлагаемое решение соответствует критерию «новизна», а проведенные эксперименты подтверждают промышленную применимость устройства.