Повышение надежности высокотемпературных нагревателей в электрических плавильных печах для алюминия

Электрические плавильные печи с нагревательными элементами из карбида кремния (SiC) широко используются более 50 лет, и с момента их создания конструкция изменилась лишь в деталях. Вообще говоря, мощность печи будет варьироваться от нескольких килограмм до нескольких тонн при номинальной мощности от 10 кВт до верхнего предела около 1 МВт. Тем не менее, большинство промышленных установок имеют мощность от 100 до 400 кВт.

Печи нагреваются набором нагревательных элементов из карбида кремния, установленных горизонтально по всей ширине стенки, и они излучают тепло прямо на металлическую поверхность, чтобы передавать энергию расплаву. Также присутствует отражение в полезном направлении излучения от крыши или стенок печи.

Электрическая реверберационная печь, как правило, многофункциональна. Многие печи используются преимущественно для удержания расплавленного металла, который был легирован и дегазирован, в других местах. Основной функцией печи в этом случае является просто поддержание температуры металла и подача чистого металла в литейный цех. Если печи используются непосредственно для плавления, то, конечно, требуются более высокие температуры, что увеличивает требования к нагревательным элементам.

Выход из строя нагревательного элемента

Опыт показывает, что нагревательные элементы в печах поддержания температуры, могут иметь очень долгий срок службы, обычно измеряемый годами. Рабочая температура элементов относительно низкая, обычно ниже 980 ° C (1800 ° F), и если металл чистый, и если в ванне не происходит флюсование, то элементы просто медленно разлагаются из-за эффектов окисления.

Это окисление приводит к хорошо документированному «старению» карбидокремниевых элементов, когда карбид кремния окисляется до кремнезема, и сопротивление элементов со временем увеличивается. Образующийся диоксид кремния действует как защита подложки из карбида кремния, покрывая гранулы пленкой аморфного диоксида кремния, и этот процесс называется «пассивным окислением» из-за защитной природы продукта окисления.

В плавильных печах применяются те же правила, но скорость окисления будет выше из-за более высокой рабочей температуры элементов.

Негативные внешние факторы

Срок службы нагревательного элемента в печи может быть снижен в связи с несколькими факторами, основными из которых являются:

• механические повреждения, вызванные операторами или ростом корунда,

• неправильный режим работы

• химическое воздействие.

Очевидно, что качество и производительность нагревательных элементов становится не важным, когда механическое повреждение или неправильное использование являются основными причинами отказа. В этом случае необходимо принять меры для устранения причины поломки. Механическая поломка может быть уменьшена путем тщательного подбора огнеупорной футеровки, чтобы свести к минимуму или устранить рост корунда.

Это может привести к поломке карбидкремниевого нагревателя из-за его нарастания на элементы или сквозные отверстия печи, либо в случаях попыток операторов удалить корунд механическим способом, что приведет к повреждению нагревательных элементов.

Если же элементы эксплуатируются в соответствии с рекомендациями производителя и предпринимаются шаги для предотвращения случайного повреждения, тогда химическое воздействие становится основным фактором, влияющим на срок службы элемента. Это воздействие связано с использованием агрессивных флюсов в расплаве, которые могут содержать соли щелочных металлов, таких как натрий (Na), калий (K), кальций (Ca) и т. д. Пары этих солей, которые будут плавиться на поверхности металлов или на любой поверхности, на которой они осаждаются внутри печи, легко переносятся на элементы путем конвекции и разбрызгивания металла, при зарядке, или из-за использования грязного лома и т. д., эти материалы вступят в контакт с элементами.

Расплавленный алюминий не будет реагировать с карбидом кремния, но добавление компонентов флюса позволяет расплавленному металлу прилипать к нагревателям, что может привести к электрическим проблемам и содержать загрязнение флюсом на поверхности элемента, где он продолжает воздействовать на структуру элемента. Загрязнения косвенно разлагают элементы и не вступают в непосредственную реакцию с карбидом кремния, из которого изготовлена ​​секция нагрева. Негативное влияние обычно влияет на диоксид кремния, продукт окисления карбида кремния, и такое воздействие может повредить или разрушить защиту, обеспечиваемую слоем диоксида кремния.

Обычный элемент SiC с эродированной поверхностью элемента.

Локализованное влияние химических веществ может привести к локализованным горячим точкам, где сопротивление элемента непропорционально увеличивается в зоне воздействия. Горячая точка явно работает при более высокой температуре, чем объем горячей зоны, и разрушается быстрее, часто приводя к образованию трещин или эрозии поверхности элемента, как показано ниже.

Улучшенная стойкость к химическому воздействию в КЭНах

Карбидкремниевые нагреватели от Полимернагрев имеют ряд защитных свойств, которые повышают их надежность и стойкость к внешним воздействиям:

1. Материал горячей зоны разработан таким образом, чтобы противостоять окислению, используя передовые методы перекристаллизации и технологии с низкой площадью поверхности.

2. Нагреватели защищены сложной силикатной глазурью «А», которая дополнительно снижает скорость окисления и соединяется со щелочными материалами, образуя стекло с более высокой температурой плавления, которое с меньшей вероятностью будет капать.

3. Защитная глазурь обладает высокой устойчивостью к водяному пару, присутствующему в новых и очищенных печах, что в противном случае могло бы привести к сильному окислению карбида кремния, причем водяной пар гораздо более агрессивен к SiC, чем сухой воздух. Поскольку механизм атаки находится на кремнеземе, а не на SiC, то снижение скорости окисления напрямую влияет на скорость атаки переносимых компонентов флюса. Кроме того, защитный характер воздействия глазури на щелочь снижает скорость разложения и продлевает срок службы элементов.

Эксперимент по вычислению срока службы нагревателей в печи

В мировой практике у производителей карбидкремниевых нагревателей был проведен один эксперимент. Были взяты три аналогичные плавильные печи в Японии, Испании и Португалии, которые были оснащены обычными элементами из SiC, и был испытан короткий срок службы, равный шести месяцам или меньше. Во всех трех случаях элементы продемонстрировали классические признаки щелочной атаки, когда защитное кремнеземное покрытие загрязнено оксидами или солями щелочных металлов, которые в сочетании с кремнеземом образуют стеклообразные материалы. Воздействие было наиболее сильным в конце зарядки, когда поток жидкости переносился непосредственно на поверхность элемента путем разбрызгивания, а использование застекленных элементов карбидкремниевых приводило к увеличению срока службы от 25 до 100%.

В наиболее тяжелом случае воздействия  средний срок службы нагревателей был увеличен с трех до шести месяцев, что привело к значительной экономии не только на стоимости элементов, но и на обслуживании печи.

Также были предприняты шаги, чтобы минимизировать чрезмерное использование флюсующих материалов, и была предпринята большая осторожность, чтобы направить флюсы от элементов.

Карбидкремниевые нагреватели рекомендуются для всех электрических реверберационных печей, в которых используются флюсы, а дополнительную информацию можно получить на странице товара.