ในระหว่างการใช้งานเตาความถี่กลาง ความหนาของวัสดุทนไฟที่ใช้สำหรับซับในมีเพียง 70-110 มม. ด้านในสัมผัสกับโลหะหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูง และด้านนอกอยู่ใกล้กับคอยล์ระบายความร้อนด้วยน้ำ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างด้านในและด้านนอกของวัสดุทนไฟนั้นมาก วัสดุทนไฟอยู่ในส่วนที่ค่อนข้างบางและอยู่ในสภาพการใช้งานที่มีการกัดกร่อนสูงสำหรับการหลอมโลหะจำนวนมาก เงื่อนไขกระบวนการหลักที่ส่งผลต่อความเสียหายของซับใน ได้แก่ อุณหภูมิการหลอม เวลาในการไล่ก๊าซออก ปริมาณการไล่ก๊าซออกครั้งเดียว องค์ประกอบทางเคมีของตะกรัน และประเภทของเหล็ก (เหล็ก) ที่ผลิตขึ้น ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อความเสียหายของซับใน ได้แก่ การกัดเซาะตะกรันทางเคมี การหลุดลอกของโครงสร้างทนไฟ และการกัดเซาะเนื่องจากความร้อน
รูปที่ 1 การกัดกร่อนของผนังด้านในของเหล็กหล่อที่หลอม
รูปที่ 2 การสึกกร่อนของผนังของเหล็กหล่อที่หลอม
1. การบุผนังเตาความถี่กลาง การบุผนังเตาความถี่กลางมักทำจากวัสดุทนไฟที่มีคุณสมบัติและขนาดอนุภาคต่างๆ กัน (วัสดุทนไฟที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ แมกนีเซียม ควอตซ์ อะลูมิเนียม และวัสดุคอมโพสิต) ลักษณะเด่นคือ การยึดติดโดยตรง ดังนั้นจึงมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง มีความแข็งแรงเชิงกลสูง และทนต่อการกระแทกจากความร้อนได้ดี
รูปที่ 3 ซับเตาเผาผูกปมอย่างเคร่งครัดตามกระบวนการผูกปม
2. กลไกความเสียหายของวัสดุบุเตาแมกนีเซียม
ใช้วัสดุทนไฟแมกนีเซียมเป็นตัวอย่างเพื่ออธิบายกลไกความเสียหายของวัสดุแมกนีเซียม:
อาการแสดงหลักของความเสียหายของวัสดุแมกนีเซียมคือ: การกัดกร่อนจากความร้อนที่เกิดจากการไหลของเหล็กหลอมเหลว และการกัดกร่อนทางเคมีที่เกิดจากส่วนประกอบของตะกรันที่แทรกซึมเข้าไปในวัสดุ
ในระหว่างกระบวนการถลุง สารละลายจะแทรกซึมเข้าไปในเมทริกซ์ทนไฟผ่านช่องแคปิลลารีในเมทริกซ์ทนไฟเพื่อกัดกร่อนซับในเตา ส่วนประกอบที่แทรกซึมเข้าไปในเมทริกซ์ทนไฟ ได้แก่ CaO, SiO2, FeO ในตะกรัน Fe, Si, Ai, Mn, C ในเหล็กหลอมเหลว และแม้แต่ไอโลหะ ก๊าซ CO เป็นต้น ส่วนประกอบที่แทรกซึมเหล่านี้จะสะสมอยู่ในช่องแคปิลลารีของวัสดุทนไฟ ส่งผลให้คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของพื้นผิวการทำงานของวัสดุทนไฟและเมทริกซ์ทนไฟเดิมไม่ต่อเนื่อง รอยแตก การลอก และโครงสร้างที่หลวมจะปรากฏขึ้นภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในการทำงานอย่างกะทันหัน พูดอย่างเคร่งครัด กระบวนการสร้างความเสียหายนี้ร้ายแรงกว่ากระบวนการสร้างความเสียหายจากการละลายมาก
วัสดุโลหะที่เติมลงในเตาเผาจะทำให้เกิดออกไซด์ต่างๆ และองค์ประกอบของตะกรันจากวัสดุต่างๆ และเตาเผาแต่ละแห่งก็แตกต่างกันด้วย ออกไซด์ คาร์ไบด์ ซัลไฟด์ และสารประกอบคอมโพสิตรูปแบบต่างๆ ส่วนใหญ่ในตะกรันจะทำปฏิกิริยาทางเคมีกับวัสดุบุผิวเตาเผาเพื่อสร้างสารประกอบใหม่ที่มีจุดหลอมเหลวต่างกัน
ออกไซด์ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำบางชนิดที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา เช่น เหล็กโอลิวีน (FeOSiO2) และแมงกานีสโอลิวีน (MnOSiO2) โดยทั่วไปจะมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ประมาณ 1,200 องศา ตะกรันที่มีจุดหลอมเหลวต่ำมีการไหลตัวที่ดีเยี่ยมและอาจก่อตัวเป็นตัวทำให้เกิดการกัดเซาะทางเคมีอย่างรุนแรงบนซับในเตาเผา จึงทำให้ซับในเตามีอายุการใช้งานลดลง ตะกรันที่มีจุดหลอมเหลวสูงที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยา เช่น มัลไลต์ (3Al2O3•2SiO2) ฟอร์สเตอไรต์ (2MgO•SiO2) เป็นต้น และธาตุโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงบางชนิดมีจุดหลอมเหลวมากกว่า 1,800 องศา มีการแทรกซึมและการละลายร่วมกันที่ค่อนข้างซับซ้อนระหว่างตะกรันที่มีจุดหลอมเหลวสูงและตะกรันที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่แขวนลอยอยู่ในโลหะหลอมเหลว ตะกรันเหล่านี้เกาะติดกับผนังเตาได้ง่ายมากและสะสมตัวจนทำให้มีตะกรันเกาะติดหนาแน่น ส่งผลกระทบต่อกำลังไฟฟ้า ความเร็วในการหลอมละลาย และความจุของเตาไฟฟ้า และยังส่งผลกระทบต่ออายุการใช้งานของผนังเตาอีกด้วย
เมื่อความจุของเตาเพิ่มขึ้น สัดส่วนของความร้อนที่สูญเสียจากพื้นผิวของเหล็กหลอมเหลวจะลดลง อุณหภูมิของตะกรันจะสูงกว่าเตาที่มีความจุขนาดเล็ก และการไหลของตะกรันจะดีกว่าเตาที่มีความจุขนาดเล็ก ดังนั้นการกัดเซาะของซับในเตาจึงรุนแรงขึ้น เตาเหนี่ยวนำขนาดใหญ่ส่วนใหญ่ใช้วิธีผสมเหล็กและตะกรันเพื่อแตะเหล็ก ซึ่งต้องใช้ตะกรันที่มีการไหลที่ดีเพื่อปรับให้เข้ากับเงื่อนไขของการแตะ ดังนั้น เส้นตะกรันจึงถูกกัดเซาะอย่างรุนแรง ซึ่งเป็นอีกสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ซับในเตามีอายุการใช้งานลดลง ด้วยเหตุผลดังกล่าวข้างต้น อายุการใช้งานของซับในของเตาเหนี่ยวนำขนาดใหญ่จึงต่ำกว่าเตาเหนี่ยวนำขนาดเล็กและขนาดกลาง เพื่อเพิ่มอายุการใช้งานของซับใน ควรเพิ่มความหนาของซับในให้เหมาะสม อย่างไรก็ตาม เมื่อความหนาของซับในเตาเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานจะเพิ่มขึ้น การสูญเสียพลังงานปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น และประสิทธิภาพทางไฟฟ้าจะลดลง ดังนั้น ความหนาของซับในเตาจึงถูกจำกัดไว้ที่ช่วงหนึ่ง ดังนั้นจะต้องเลือกความหนาของผนังที่เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพไฟฟ้าสูงและอายุการใช้งานของผนังเตา
รูปที่ 5 ผนังเตาเผาถูกปกคลุมด้วยตะกรัน
3. การออกแบบโซลูชัน
การกัดกร่อนดังกล่าวจะนำไปสู่การแตกร้าวของโครงสร้างภายใต้ความผันผวนของอุณหภูมิแบบเป็นวัฏจักร ในระหว่างกระบวนการผลิต ตะกรันจะแทรกซึมเข้าไปในรูพรุนของเมทริกซ์วัสดุทนไฟ ทำให้เกิดชั้นวัสดุทนไฟที่หนาขึ้นขนาดใหญ่ คุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของส่วนหนึ่งของวัสดุทนไฟที่ถูกตะกรันซึมเข้าไปจะเปลี่ยนแปลงไป เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่แตกต่างกันระหว่างชั้นที่แทรกซึมและชั้นที่เหลือที่ไม่สะดวก เมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ความเครียดขนาดใหญ่จะปรากฏขึ้นที่จุดเชื่อมต่อของทั้งสองชั้น ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวขนานกับพื้นผิวการทำงาน และในที่สุดทำให้เยื่อบุแตก ตะกรันที่แทรกซึมเข้าไปในเมทริกซ์วัสดุทนไฟจะละลายอนุภาควัสดุทนไฟและทำให้พันธะระหว่างอนุภาคอ่อนแอลง ส่งผลให้ความทนไฟของวัสดุลดลงและทนต่ออุณหภูมิสูง ดังนั้น ชั้นวัสดุทนไฟที่แทรกซึมตะกรันจึงได้รับความเสียหายเร็วขึ้นภายใต้การกัดกร่อนของเหล็กหลอมเหลวที่ไหล
ความเป็นเบสของตะกรันควรเข้ากันได้กับวัสดุบุผิว วัสดุบุผิวแมกนีเซียมอาจกัดกร่อนได้จากตะกรันที่มี CaO สูงและตะกรัน SiO2 ควรควบคุมปริมาณ CaF ในตะกรัน ปริมาณ CaF ที่มากเกินไปจะกัดกร่อนวัสดุบุผิวที่มีฤทธิ์เป็นด่างและทำให้บริเวณแนวตะกรันละลายก่อนเวลาอันควร เมื่อไอออนฟลูออไรด์และไอออนแมงกานีสโลหะในตะกรันสูงหรืออุณหภูมิของแอ่งหลอมเหลวสูงกว่า 1,700 องศา ความหนืดของสารละลายจะลดลงอย่างรวดเร็ว อัตราความเสียหายของวัสดุบุผิวจะเร่งขึ้น และอายุการใช้งานของวัสดุบุผิวจะลดลงอย่างมาก เมื่อทำการหลอมโดยไม่มีตะกรันภายใต้สุญญากาศ อายุการใช้งานของวัสดุบุผิวจะยาวนานกว่าการหลอมแบบไม่ใช้สุญญากาศ
การแทรกซึมของเหล็กออกไซด์ที่มีปริมาณสูงในซับในจะทำลายโครงสร้างจุลภาคของซับในเดิม ลดความหักเหของแสง และลดความหนืดของตะกรัน CaO-Ai2O3-SiO2 ทำให้ตะกรันแทรกซึมลึกเข้าไปในวัสดุได้ อย่างไรก็ตาม เหล็กออกไซด์จำนวนหนึ่งในซับในเดิมนั้นเอื้อต่อการหลอมโลหะอย่างรวดเร็วของซับในและลดรูพรุนที่เปิดอยู่และการซึมผ่านของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง วัสดุหล่อประกอบด้วยเหล็กออกไซด์จำนวนหนึ่ง และการหลอมโลหะอย่างรวดเร็ว การพ่นทราย และการรวมตัวของทรายของวัสดุนั้นโดดเด่นมาก การเพิ่มปริมาณแมกนีเซียมออกไซด์และความหนืดของตะกรันนั้นมีประโยชน์ในการลดการกัดกร่อนของตะกรันบนซับในเตาและปรับปรุงเอฟเฟกต์การรวบรวมตะกรัน เมื่อความเป็นเบสของตะกรันต่ำ การกัดกร่อนของซับในแมกนีเซียมจะรุนแรงขึ้น และอายุการใช้งานของซับในเตาก็ลดลง ในทางกลับกัน เมื่อความเป็นเบสของตะกรันสูง การกัดกร่อนของวัสดุบุผิวเตาจะค่อนข้างเล็กน้อย และอายุการใช้งานของวัสดุบุผิวเตาจะดีขึ้น การเพิ่มความเป็นเบสของตะกรันและปริมาณ MgO ในตะกรัน และการลดปริมาณ FeO ในตะกรัน เป็นประโยชน์ต่อการลดการกัดกร่อนของตะกรันบนวัสดุทนไฟ
ดังนั้น เมื่อใช้สารทำตะกรัน ควรใส่ใจในการเลือกวัสดุที่มีแมกนีเซียมออกไซด์สูง กำหนดค่าโครงสร้างตะกรันอย่างเหมาะสม เร่งความเร็วในการสร้างตะกรัน ลดเวลาการหลอม และลดปริมาณออกไซด์ของเหล็กในตะกรัน ควรเลือกตะกรันที่เหมาะสมตามวัสดุของซับเตา ตะกรันที่เป็นด่างเหมาะสำหรับซับเตาแมกนีเซียม แต่ตะกรันที่มี CaO สูงและตะกรันที่มี SiO2 อาจกัดกร่อนได้ CaF2 ที่มากเกินไปจะกัดกร่อนซับเตาด่าง ทำให้บริเวณแนวตะกรันละลายก่อนเวลาอันควร ตะกรันที่เป็นกรดเหมาะสำหรับซับเตาควอตซ์ ในขณะที่ซับเตาแมกนีเซียม-อะลูมินาสามารถใช้ได้กับตะกรันที่มีค่าด่างอ่อนหรือเป็นกลางเท่านั้น ซับเตาอะลูมินาจะแสดงคุณสมบัติแอมโฟเทอริกทั่วไปในค่า pH ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับตะกรันที่มีค่า pH แตกต่างกันได้ แต่จะแย่กว่าซับเตากรดและด่างเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้ บางคนจึงใช้ทรายแมกนีเซียที่มีความบริสุทธิ์สูงและเติมสปิเนลในปริมาณหนึ่งเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของเมทริกซ์ของวัสดุบุผิวเตาแมกนีเซียบริสุทธิ์เมื่อเลือกวัสดุ แต่การทดลองแสดงให้เห็นว่าความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุคอรันดัมที่มีความบริสุทธิ์สูงนั้นด้อยกว่าทรายแมกนีเซียเผาที่มีความบริสุทธิ์ต่ำอย่างมาก
ตะกรันที่เป็นกรดเหมาะสำหรับซับในเตาควอตซ์ ในขณะที่ซับในเตาแมกนีเซียม-อะลูมินาสามารถใช้ได้กับตะกรันที่มีค่าด่างอ่อนหรือเป็นกลางเท่านั้น ซับในเตาอะลูมินาจะแสดงคุณสมบัติแอมโฟเทอริกทั่วไปในค่า pH ที่แตกต่างกันที่อุณหภูมิสูง ซึ่งสามารถปรับให้เข้ากับตะกรันที่มีค่า pH ที่แตกต่างกันได้ แต่จะแย่กว่าซับในเตากรดและด่างเล็กน้อย โดยสรุป เมื่อพิจารณาถึงกลไกความเสียหายหลักของซับในเตาแมกนีเซียม หลังจากสรุปและสำรวจอย่างต่อเนื่อง ความต้านทานของวัสดุต่อการแทรกซึมของตะกรันสามารถปรับปรุงได้โดยจำกัดรูพรุนที่เปิดอยู่และการซึมผ่าน และความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงและความต้านทานการแตกของเมทริกซ์ซับในเตาสามารถปรับปรุงได้โดยการเพิ่มความแข็งแรงในการดัดงอที่อุณหภูมิสูงและอุณหภูมิการทำให้อ่อนตัวที่สำคัญ ประสิทธิภาพของซับในเตาขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น การกระจายขนาดอนุภาคของวัสดุ คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของวัสดุ และอุณหภูมิการเผาผนึกของซับในเตา
