Окружающей среды и природопользования

Плавка и обработка металла

жүктеу/скачать 9.9 Mb.

бет	5/46
Дата	18.07.2016
өлшемі	9.9 Mb.
	#206774

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 46

6.4 Плавка и обработка металла

6.4.1 Выбор плавильной печи является важным аспектом организации литейного производства. У каждого типа печи имеются свои собственные характеристики, касающиеся требований к загрузке и возможности легирования, которые, в свою очередь, будут сказываться на всем процессе литейного производства. С другой стороны, возможность использования той или иной печи определяет тип металла для плавки. Применимость различных типов печей указана в Таблице 6.4.
Таблица 6.4 - Применимость типов печи для плавки (m) и выдержки (h)

	Вагранка	Электроду-говая	Индукцион-ная канального типа	Индукцион-ная тигельная	Вращаю-щаяся	Подовая	Шахтная	Тигельная / ковш-печь
Чугун	m m m m	m*	h	m, h	m*	m		h
Сталь		m		m				h
Алюминий			m, h	m, h	m	m	m	m, h
Медь			h	m, h		m		m, h
* Менее распространенная

Для чугунных литейных производств требуется металл с контролируемым составом и температурой, поставляемый в объемах, достаточных для удовлетворения варьирующейся потребности формовочной линии. Металлическая часть шихты для плавки обычно состоит из литейного возврата, чугунного и сталелитейного лома и передельного чугуна, с легирующими присадками, такими, например, как ферросилиций, феррофосфор или ферромарганец. Шихта обычно плавится в вагранке или в индукционной электропечи. Индукционные печи постепенно все больше завоевывают рынок в сравнении с вагранным типом. Для плавки используются индукционные тигельные электропечи. Индукционные печи канального типа применяются только для выдержки, они применяются в основном в сочетании с вагранной печью, в так называемой дуплексной конфигурации. Могут использоваться также вращающиеся печи на газовом, печном топливе или мазуте, хотя их применение является менее распространенным. Кратковременная выдержка, транспортировка и обработка металла осуществляются в ковшах.

Сталь плавится в электродуговых и индукционных печах. На крупных сталелитейных предприятиях могут использоваться электродуговые печи, однако чаще применяются индукционные печи. В дуговых печах можно использовать шихту из дешевого лома, поскольку очистка происходит в печи. Однако их ограничением является наличие некоторого углеродного загрязнения графитовыми электродами, поэтому получение низкоуглеродистых нержавеющих сталей (менее 0,03 % C) невозможно. В индукционной печи очистка невозможна, поэтому должна использоваться тщательно подобранная шихта. Тогда можно выплавлять любой тип стали. Кратковременная выдержка, транспортировка и обработка металла осуществляются в ковшах.

Выбор плавильной печи в цветной металлургии зависит от размеров литейного производства. На предприятиях цветной металлургии часто используются разнообразные сплавы и/или присутствует ограничение по производственной мощности. Если плавка осуществляется в печах малого объема, больше всего подходит тигельная печь. Кроме того, основным методом литья является литье в металлические формы. В этом случае часто нет необходимости в централизованной плавке, поскольку плавильная печь (и поворотный миксер) интегрированы в разливочную машину. На предприятиях цветной металлургии большей мощности и с потребностью в централизованной плавке обычно используются индукционные, подовые или шахтные печи, с последующим распределением расплавленного металла в поворотные миксеры и разливочные ковши [3], [10].

6.4.2 Вагранные печи

6.4.2.1 Вагранная печь с холодным дутьем

6.4.2.1.1 Описание

Вагранка представляет собой шахтную печь с огнеупорной футеровкой, которая нагревается горением кокса, происходящим в нижней части шахты (“ванне”). Воздух горения, подаваемый вентиляторами, нагнетается в ванну через ряд выпускных сопел (“фурм”). Кольцевой и регулирующий клапаны обеспечивают контролируемый, равномерно распределяемый поток воздуха горения через фурмы. Металл (передельный чугун, стальной лом, чугунный лом, литейный возврат), кокс, легирующие элементы (например, FeSi, SiC), образующийся шлак (SiO₂) и флюсующие реагенты (например, CaCO₃) добавляются в шахту через загрузочный люк в верхней части шахты. Образующиеся при горении газы поднимаются из ванны и отдают тепло шихте перед тем, как выйти из печи через трубу вагранки.

После достижения предварительно нагретой шихты зоны горения, вследствие высокой температуры, металлическая часть плавится, а загруженный кокс начинает гореть в присутствии кислорода. Расплавленный металл каплями стекает через коксовую колошу и собирается в зоне, называемой горном, которая находится ниже зоны горения. Все загрязнения улавливаются шлаком, который состоит в основном из SiO₂, CaO, Al₂O₃иFeO. Флюсующие реагенты снижают температуру плавления и вязкость шлака. Благодаря его меньшей удельной плотности, шлак плавает в расплавленном металле в горне. После достижения жидким металлом в горне определенного уровня, открывается выпускное отверстие (летка). Металл вытекает неравномерным потоком через летку по каналу с огнеупорной футеровкой или литейному желобу в отдельный сборный приемник или ковш. В качестве альтернативы, расплавленный металл может непрерывно направляться в поворотный миксер.

Шлак выпускается отдельно с помощью перевала и шлаковой течки, расположенной выше. Он собирается периодически в шлаковиках, или непрерывно гранулируется в водяном потоке или в специальном устройстве для сухой грануляции.

В своей базовой конфигурации вагранная печь называется вагранкой с холодным дутьем (CBC). Это вагранка, использующая дутье при атмосферном давлении и обычной температуре окружающей среды (Рисунок. 6.9).

Рисунок 6.9 - Принципиальная схема и миниатюрная модель вагранной печи (с холодным дутьем) [6], [11]
Для снижения выбросов CO и повышения энергоэффективности можно рассмотреть конверсию печей с холодным дутьем в печи с горячим дутьем (см. раздел 8.5.2). Однако для литейных производств средних размеров, перерабатывающих менее 2000 тонн/месяц качественных отливок, преобразование в вагранку с горячим дутьем представляется проблематичным, учитывая необходимость в крупных инвестициях. Использование вагранки с горячим дутьем ограничивается также непрерывной плавкой, в противном случае эксплуатационные расходы оказываются слишком высокими. Вагранка с холодным дутьем превалирует в отдельных типах производства, например, эмалированного чугунного литья, кухонной посуды, нагревательных приборов, противовесов. Данные типы отливок допускают высокий уровень использования в слое расплава чугунного лома;- загрузочного материала, которого все еще достаточно в старой промышленной Европе и который прекрасно подходит для вагранки с холодным дутьем [7], [11], [12]

6.4.2.1.2 Обслуживание

Специфической особенностью вагранной печи является то, что материала футеровки (кварцево-глиняной смеси) в зоне плавления и нагрева хватает лишь на одну кампанию печи. Интенсивный нагрев и присутствие шлага приводит к химическому распаду и механическому износу футеровки, что последовательно превращает ее в шлак. Поэтому вагранные печи строятся обычно парами. Пока одна печь осуществляет плавки, во второй можно выполнить футеровку новым огнеупорным материалом, с началом работы на следующий день после эксплуатации [13].

6.4.2.1.3 Преимущества:

- инвестиционные затраты составляют 125000 – 150000 евро € на установленную тонну в час, включая оборудование для пыле- газоочистки;

- можно использовать различные виды (дешевого) лома благодаря очистке и науглероживанию;

- приемлемая тепловая эффективность при условии принятия соответствующих мер.

6.4.2.1.4 Недостатки:

- негибкий режим производства;

- сложность управления производством из-за медлительности системы;

- высокая стоимость загрузки передельным чугуном и малое количеством стального лома;

- невозможна быстрая смена сплава;

- серное загрязнение/поглощение в вагранке;

- экологическая нагрузка, вызываемая литейным производством, т.е. большое количество пыли, шлака и огнеупорной футеровки;

- необходимость больших установок для пылеудаления из-за больших объемов отходящих газов [13].

6.4.2.2 Вагранная печь с горячим дутьем

6.4.2.2.1 Описание

Для оптимизации эффективности вагранной печи можно предварительно разогреть воздух горения. Этот принцип используется в вагранке с горячим дутьем (HBC), т.е. вагранке, использующей предварительно нагретое дутье.

Существуют два метода нагрева:

- Рекуперативный нагрев. Он основан на передаче остаточного (“латентного”) тепла отходящих газов воздуху горения. Отходящие газы собираются в верхней части печи, смешиваются с достаточным количеством воздуха, а затем сгорают в установке дожигания. Это вызывает экзотермическое окисление CO. Сгоревшие газы выводятся через теплообменник (рекуператор), в котором тепло передается воздуху горения. Обычно воздух дутья нагревается до температур в 500 - 600ºC. При более высоких температурах возникают проблемы спекания печной пыли на поверхности рекуператора.

- Внешний нагрев. Здесь воздух горения нагревается каким-либо внешним источником, например, газовой или топливной горелкой, электрическим сопротивлением или плазменным факелом.

Сочетание этих двух методов нагрева обеспечивает перегрев воздуха дутья до 1000ºC. Для таких высоких температур, однако, требуется применение более дорогих огнеупорных материалов, они могут также приводить к слишком высокой температуре расплава.

Рекуперативные системы обеспечивают повышение энергоэффективности и теплоотдачи. Влияние подогрева воздуха на теплоотдачу и расход кокса представлено на Рисунке 6.10. Следует отметить, что на общую эффективность дутья может влиять качество кокса.

Рисунок 6.10 - Влияние подогрева воздуха на эффективность печи с дутьем [11]

Для литейных производств средних размеров, производящих до 2000 тонн/месяц качественных отливок, установка вагранки с горячим дутьем является проблематичной, в частности, из-за необходимости крупных инвестиций. В таких случаях в отдельных видах производства превалирует вагранка с холодным дутьем. Вагранка с горячим дутьем остается наиболее широко применимым плавильным устройством на литейных предприятиях с массовым производством, например, деталей для автомобильной промышленности, центробежного литья, дорожной арматуры.

Вагранки с горячим дутьем обычно рассчитаны на длительные циклы работы печи до замены футеровки, в целях минимизации переключений процессов, а также времени и затрат на обслуживание [1], [11], [12].

6.6.2.2.2 Преимущества:

- снижение расхода кокса;

- высокая температура выпуска;

- высокая производительность плавки;

- снижение поглощения серы в вагранке;

- возможность использования различных видов дешевого металлического лома низкого качества;

- возможность увеличения использования стального лома благодаря повышению поглощения углерода передельным чугуном.

Следует отметить, что невозможно реализовать все эти преимущества одновременно. Например, увеличение доли стального лома в шихте печи может потребовать увеличение доли кокса для повторного науглероживания; это, в свою очередь, снизит скорость плавки и увеличит поглощение серы.

6.4.2.2.3 Недостатки:

- очень большие инвестиции из-за требующихся дополнительных мер по охране окружающей среды;

- негибкий режим производства;

- сложность управления производством из-за инертности системы;

- ограничение только чугунными сплавами, невозможность быстрого изменения химического сплава;

- экологическая нагрузка, вызываемая литейным производством; т.е. большое количество пыли, шлака и огнеупорной футеровки;

- необходимы большие установки для пылеудаления из-за больших объемов отходящих газов [13].

6.4.2.3 Вагранка длительного действия

Вагранка длительного действия представляет собой обычно вагранную печь с огнеупорной футеровкой и водяным охлаждением, которая может относиться к типу как с холодным, так и с горячим дутьем. Такие вагранки эксплуатируются ежедневно в одну, две или три смены и очень часто используются лишь как отдельная установка. Для данного вида цикл работы печи до замены футеровки печи составляет несколько недель или месяцев. Вагранка без футеровки обеспечивает более длительный цикл работы печи, однако теплопотери через кожух печи могут быть значительными. Постоянно ведутся исследования в области огнеупоров и практики эксплуатации, которые повышают срок эксплуатации и экономическую эффективность вагранки длительного действия. Принципиальная схема вагранки длительного действия с внутришахтной камерой дожига представлена на Рисунке 6.11.

Рисунок 6.11 - Схематическое представление вагранки длительного действия [14]

Для увеличения цикла работы печи необходимо предпринять следующие меры:

- использовать более прочную огнеупорную футеровку шахты, пода и горна;

- применять водяное охлаждение стенок печи: это поддерживает низкую температуру стенок и тем самым предупреждает быстрый износ футеровки горна;

- использовать трубопровод дутья с водяным охлаждением, входящий глубже в шахту печи. Тогда зона горения не вступает в непосредственный контакт с футеровкой печи.

Водяное охлаждение применяется не только по причинам снижения расхода огнеупоров, но и для:

а) увеличения длительности плавки,

б) обеспечения использования возможностией внутреннего диаметра печи, чем достигается более высокая скорость плавки.

При эксплуатации без футеровки шихта находится в непосредственном контакте с водоохлаждаемым стальным кожухом печи. Эксплуатация без футеровки применяется только в вагранках сравнительно большой мощности, с большим циклом работы печи. Это дает следующие преимущества:

- требуется лишь одна вагранка;

- вагранке требуется только внутренний ремонт после одной или нескольких недель эксплуатации;

- сокращается дневной расход холостой колоши кокса;

- упрощается мониторинг в течение цикла работы печи, благодаря постоянному диаметру и более стабильным условиям плавки.

Особым типом вагранки длительного действия является бескоксовая вагранка. Она рассматривается в Разделе 6.2.1.8. [1], [11], [13], [14]

6.4.2.4 Характер выбросов в атмосферный воздух

В вагранки можно загружать широкий спектр материалов, многие из которых могут содержать свободные частицы типа ржавчины, песка и неметаллических материалов. Металлургический кокс может крошиться с образованием мелких кусочков, как и добавляемые флюсующие материалы. При разломах и механическом трении во время подготовки шихты, а также во время самой загрузки образуются частицы, которые могут сразу попадать в окружающую среду.

Во время плавки трение шихты об огнеупорную футеровку также вызывает образование пыли.

Третьим источником частиц является зола кокса, образующаяся в зоне плавки и не улавливаемая шлаковой фазой.

Твердые частицы из различных источников, при достаточно малом весе, могут попадать в дымовые газы вагранки. При определенных условиях в зоне плавки может возникать металлургический дым, образующий видимый дымовой факел из трубы вагранки. Частицы дыма состоят из сверхмалых скоплений сферических сажевых частиц и оксидов металлов типа ZnO, PbO и т.п., если эти металлы присутствуют в загруженном стальном или чугунном ломе, например, в гальванизированном или окрашенном ломе. Выбросы дыма будут возрастать с увеличением доли кокса и загрязнителей в шихте, температуры дутья и нормы инжекции воздуха.

Углеродсодержащий дым является летучим веществом, образующимся при неполном сгорании органических веществ в вагранке. Загрязнители в ломе, типа масла и смазки, древесины, текстиля и резины, будут создавать маслянистые пары в трубных газах. Пары и частично сгоревшие органические вещества могут иметь неприятный запах.

Опять же, чистота лома и его характер значительно влияют на характер выбросов в атмосферный воздух в атмосферный воздух. При горении кокса образуются пахучие газовые выбросы, содержащие CO₂, CO и SO₂. Снижение доли кокса в шихте (посредством увеличения теплоотдачи) или (частичная или полная) замена кокса природным газом может способствовать снижению уровней содержания этих частиц.

6.4.3 Электродуговая печь (EAF)

6.4.3.1 Описание

Электродуговая печь (EAF) представляет собой плавильную печь периодического действия, состоящую из крупногабаритного корпуса цилиндрической формы с огнеупорной футеровкой и чашеобразной ванны. Широкая форма печи позволяет перерабатывать материал шихты крупных размеров и способствует повышению эффективности реакций между шлаком и металлом. Типовой диаметр кожуха составляет от 2 до 4 м. Как показано на Рисунке 6.12, печь накрыта огнеупорным сводом, в котором имеются порты для трех графитовых электродов. Электроды удерживаются штангами, обеспечивающими перемещение по вертикали. В большинстве печей используется загрузка сверху: после смещения свода и электродов в сторону печь можно загружать, используя загрузочную бадью с откидным дном или магнит. Металлическая часть загрузки нагревается электрической дугой, создаваемой трехфазным переменным током между тремя графитовыми электродами. Они располагаются выше шихты, которая сама выступает в роли нейтрали.

Рисунок 6.12 - Электродуговая печь [6]
Печь выгружается посредством ее наклонения, что заставляет металл вытекать через сливной носок. Напротив сливного носка рабочая дверца обеспечивает выполнение перед выпуском операций по удалению шлака и отбору проб.

Футеровка печи может быть кислой (огнеупоры на основе SiO₂) или щелочной (огнеупоры на основе MgO). Щелочная футеровка обеспечивает использование стального лома практически любого рода. Печь можно также использовать для производства высоколегированных и марганцевых сталей. При использовании лома с высоким содержанием фосфора или серы обычно добавляются для дефосфоризации и сероочистки известь и известняк. Кислую футеровку эти компоненты разъедают. Поэтому футеровка кислого типа используется только для плавки лома с низким содержанием серы или фосфора.

Электродуговые печи используются почти исключительно для плавки стали. Лишь в немногих случаях они используются для производства литейного чугуна, которое требует добавления угольной пыли в расплав. Мощность электродуговых печей, предназначенных для сталелитейных предприятий, обычно варьируется в диапазоне от 2 до 50 тонн. Их можно эксплуатировать циклически и они подходят для широкого спектра сортов стали. Они могут давать сталь при высоких температурах с обычным периодом расплавления, примерно, от одного до двух часов, при достижении высокой теплоотдачи, до 80 %^¹. Энергопотребление варьируется от 500 до 800 кВтч/т расплавленной стали в зависимости от мощности печи, потребления горячего металла и метода очистки, температуры выпуска и используемого оборудования для контроля загрязнения. Общее время плавления обычно составляет от 1 до 4 часов.

6.4.3.2 Плавка и очистка в электродуговой печи с кислой футеровкой

^{Из-за химического характера кислой футеровки}⁽^Sⁱ^O₂⁾^{очищающие возможности данного типа печи ограничиваются}обезуглероживанием. Соответственно, необходимо уделять серьезное внимание подбору загрузки согласно приемлемым уровням содержания серы и фосфора, поскольку их невозможно удалить в процессе кислой плавки. Шихта состоит из сбалансированных объемов передельного чугуна, литейного возврата и лома. Содержание углерода в шихте поддерживается на достаточно высоком уровне, чтобы после плавки он был на 0,2 – 0,4 % выше начального уровня.

Обезуглероживание начинается с подачи кислорода в металлическую ванну. При этом возникает сильное перемешивание, во время которого выгорает углерод в расплаве. Одновременно при “кипении” выгорает Si и из металлической ванны вымываются H₂иN₂. Все примеси (оксиды) поглощаются шлаком. Во время плавки может добавляться SiO₂ для поддержания должной консистенции шлака. После достижения нужной концентрации углерода подача кислорода прекращается и добавляются кремний и марганец для остановки реакции кипения.

После удаления шлака проверяется и при необходимости корректируется состав металла. В завершение металл раскисляется добавлением алюминия и других реагентов в расплавленный поток при выпуске, для предупреждения образования пузырей CO во время отвердевания. В конвертере AOD или VODC может осуществляться дополнительная очистка сероочисткой и или дефосфоризацией (смотрите Раздел 6.4.9 и 6.4.10). [1], [15]

6.4.3.3 Плавка и очистка в электродуговой печи со щелочной футеровкой

Щелочная футеровка электродуговой печи на основе MgO делает возможной очистку металла в самой печи. Поэтому можно загружать печь практически любым сочетанием лома и литейного возврата. Технология щелочной футеровки применяется в случаях, когда лом имеет содержание фосфора и/или серы, превышающее желаемое.

Дефосфоризация расплава выполняется периодическим добавлением извести во время расплавления. После подачи кислорода в ванну образуется оксид фосфора, который улавливается шлаком, вместе с оксидами других металлов и примесями. Известь поддерживает в шлаке очень высокий щелочной уровень, стабилизирующий оксид фосфора. Одновременно выгорает углерод. По истечении достаточного для реакции времени подача кислорода прекращается и шлак полностью удаляется.

Десульфурация происходит на втором этапе аналогичным образом, но при более высокой температуре. Вновь в расплав добавляется известь или известняк, вступающие в реакцию с серой с образованием нерастворимого CaS, который поглощается шлаком. Периодическое добавление углерода, алюминия или FeSi снижает содержание оксидов металлов (например, оксидов марганца-, хрома), минимизируя тем самым потери этих элементов из металлической ванны. Все другие примеси (оксиды) поглощаются шлаком и выводятся во время операции по окончательному удалению шлака.

После очистки проверяется и при необходимости корректируется состав металла. В завершение металл раскисляется добавлением алюминия и других реагентов в расплавленный поток при выпуске, для предупреждения образования пузырей CO во время отвердевания. Может применяться последующая обработка металла, с использованием конвертера AOD или VODC (смотрите Раздел 2.4.9 и 2.4.10), если этого требует окончательный состав сплава [1], [15].

6.4.3.4 Характер выбросов в атмосферный воздух

Выбросы от электродуговых печей возникают во время операций по загрузке, плавке и очистке, а также во время выпуска металла из печи.

При загрузке пыль и грязь выбрасываются из корпуса с открытым люком. При загрузке горячей печи (например, при плавке с расплавленным чугунным болотом) все горючие вещества, краски или масла воспламеняются и создают дымовой шлейф из сгоревших и частично сгоревших органических материалов и частиц пыли. При механическом трении о футеровку печи также образуется дополнительная пыль.

Во время плавки при нагреве лома образуются дымы из оксидов металлов, объем которых значительно увеличивается при обработке обезуглероживанием. При подаче газообразного кислорода в расплавленный металл образуется значительное количество дыма из оксида железа. Добавление шлакообразующих материалов увеличивает выбросы из печи, но лишь в малых количествах и только на короткое время.

Менее значительные выбросы происходят при перемещении расплавленного металла в ковш или поворотный миксер.

Выбросы во время самой операции плавки называются первичными выбросами. Вторичными выбросами являются дымы и пыль, образующиеся при загрузке и выпуске^.

При анализе характера и объемов выбросов различные источники выброса пыли и дыма, как описано выше, демонстрируют существование значительных различий между литейными производствами, в зависимости от чистоты загружаемого материала, применяемого порядка загрузки, состава шихты, обработки по очистке и присадок, добавляемых в расплав. Поскольку в печи отсутствует горение угля или топлива, выбросы зависят только от этих параметров.

6.4.4 Индукционная печь (IF)

Индукционные печи применяются для плавки как черных, так и цветных металлов. Существует несколько типов индукционных печей, но все они работают с использованием сильного магнитного поля, создаваемого прохождением электрического тока по катушке. Магнитное поле, в свою очередь, создает напряжение на металле для плавки и, как следствие, прохождение через него электрического тока. Электрическое сопротивление металла генерирует тепло, которое, в свою очередь, расплавляет металл. Индукционные печи выполняются в широком диапазоне размеров. Вследствие отсутствия контакта между шихтой и носителем энергии, индукционная печь подходит для плавки стали, литейного чугуна и цветных металлов, поскольку возможно подобрать подходящий материал футеровки.

Важную роль в предупреждении перегрева катушки играет надежное функционирование контуров водяного охлаждения. Системы водяного охлаждения проектируются с учетом максимального уровня надежности и включают различные термостаты и расходомеры [5], [13], [16].

6.4.4.1 Индукционная тигельная электропечь

6.4.4.1.1 Описание

Индукционная тигельная электропечь представляет собой плавильную печь периодического действия, включающую водоохлаждаемую медную катушку, внутренняя поверхность которой имеет огнеупорную футеровку. Наружная поверхность изолирована и заключена в стальной кожух. Корпус печи устанавливается в конструкции с механизмом опрокидывания. Индукционная тигельная электропечь обычно имеет форму ковша с огнеупорной футеровкой, верх которого открыт для операций по загрузке и удалению шлака (Рисунок 6.13).

Рисунок 6.13 - Общая схема индукционной тигельной электропечи [16]
В зависимости от мощности, печь загружается подъемным магнитом, опрокидываемыми ковшами, с помощью вибрационного транспортера или вручную. На большом числе литейных производств используются индукционные печи для производства относительно небольших партий металла с большим разнообразием составов. Мощность печей варьируется от 10 кг до 30 тонн. Питается от сети переменного тока средней или высокой частоты (50, 250 или 1000 Гц, соответственно).

В зависимости от плотности установленной мощности и метода плавки теплоотдача может превышать 80 %^², но обычно варьируется в диапазоне от 60 до 70 %. Если учитывать эффективность выработки электроэнергии, получается общая эффективность 15 – 20 %, что достаточно мало в сравнении с печами других типов.

Индукционный нагрев жидкого металла создает эффект перемешивания. Чем ниже частота первичного тока, тем интенсивнее перемешивание. Следовательно, в печи с частотой сети, работающей при 50 или 60 Гц, турбулентность выше, чем в печи, работающей при более высокой частоте. Из-за высокой турбулентности мощность на входе у печи ограничивается 250 кВт на тонну производительности. При более высоких частотах плотность мощности может увеличиваться в три-четыре раза в сравнении с этим уровнем.

Рабочая частота влияет также на глубину проникновения тока. Чем выше частота, тем меньше глубина проникновения. Это определяет минимальный размер загружаемых кусков и эффективный размер печи. Печи на 50 Гц не используются для производительности ниже 750 кг. При 10 кГц можно нагревать куски шихты менее 10 мм в диаметре, поэтому можно использовать печи мощностью до 5 кг. Наличие надежных преобразователей частоты позволило разработать установки для конкретных применений, как показано в Таблице 6.4. Частота обычно ограничивается 250 - 350 Гц (в случае переменной частоты), поскольку при больших частотах однородность металла становится недостаточной. Большие частоты используются в специальных случаях, типа очень малых печей. На Рисунке 6.14 показаны индукционные тигельные электропечи различных размеров.

Таблица 6.4- Области применения существующих индукционных печей в зависимости от их частоты [10]

Частота (Гц)	Применение
70	Латунная стружка
100	Алюминиевая обрезь
100 – 150	Стружка литейного чугуна
250	Лом алюминиевого профиля
250	Чугун из литейного возврата и стальной лом
500 и 1000	Стальной расплав и расплав сырой стружки литейного чугуна
1000 и 3000	Широкий диапазон медных сплавов
3000	Прецизионное литье
10000	Ювелирное дело

Рисунок 6.14 - Индукционные тигельные электропечи [6]
Системы водяного охлаждения играют важную роль в эксплуатации индукционной тигельной электропечи. Охлаждение катушки предохраняет катушку и изоляцию от теплового повреждения не только при обычной эксплуатации, но и в период остывания, когда отключается питание и печь опорожняется. Возможно несколько типов охлаждения, с использованием замкнутых контуров с теплообменниками или открытых испарительных систем. Наличие системы охлаждения открывает возможности для внутренней регенерации энергии [1],[7],[10],[13], [16], [17]

6.4.4.1.2 Метод плавки

Индукционная тигельная электропечь применяется для плавки, но не может использоваться для очистки. Поэтому на сталелитейных предприятиях индукционную печь необходимо загружать сырьем с ‘правильным’ химическим составом, т.е. соответствующим требующемуся составу расплава; поэтому в основном используется стальной лом. При необходимости металл можно очищать после плавки в конвертере AOD (аргонокислородного обезуглероживания) или в специальных ковшах для обработки (смотрите Раздел 2.4.12).

Печи высокой мощности обеспечивают плавку по методу “выпуска и загрузки”. В этом случае печь полностью выгружается и загружается холодным материалом для начала нового цикла плавки. Метод “расплавленного болота” используется в печах с малой мощностью питания (с сетевой частотой), в которых выпускается примерно треть расплава перед тем, как добавить холодный шихтовый материал. Благодаря лучшему электромагнитному соединению между жидким расплавом и катушкой в сравнении с менее плотной твердой (холодной) шихтой, скорость производства значительно возрастает при использовании последнего метода на печах малой мощности.

Марки сталей с содержанием более 0.2 % химически активных элементов типа Al, Ti и Zr нельзя плавить в окисляющей среде, например, на воздухе. Для них требуется инертная атмосфера или метод вакуумной плавки и разливки. Это достигается помещением индукционной печи в вакуумную или герметичную камеру. Применение вакуума обеспечивает очень хорошую дегазацию расплава. Высокоактивные окисляющие элементы добавляются в вакууме или после заполнения инертным газом.

Индукционные печи являются превосходными плавильными установками, однако в целом они менее эффективны для выдержки. При их использовании только для плавки расплавленный металл в основном перемещается в эффективный поворотный миксер сразу после достижения им требуемой температуры. Существует множество типов индукционных тигельных электропечей, со стационарными или съемными ковшами. Для алюминия имеются как канальные, так и индукционные тигельные электропечи для плавки и выдержки. Однако печи канального типа используются редко из-за сложности поддержания канала открытым и из-за необходимости в постоянном поддержании расплавленного «болота» [1], [18].

6.4.4.1.3 Преимущества:

Благодаря своим многочисленным преимуществам, индукционная печь находит все более широкое применение. Ее основными преимуществами являются:

- большая гибкость в выборе сплавов и режиме плавки. В этом она является идеальным методом плавки для литейных производств, работающих по контрактам, и специальных сплавов;

- короткие периоды расплавления;

- меньшая экологическая нагрузка, создаваемая литейным производством;

- нетребовательность в обслуживании, зависящем от срока службы огнеупорной футеровки;

- хорошая управляемость процесса: возможна компьютерная поддержка и полностью автоматическая эксплуатация, что обеспечивает оптимальный температурный контроль;

- возможна максимальная теплоотдача, при условии локального расчета и задания технологических параметров;

- интенсивное перемешивание в ванне делает расплав однородным;

- загрузка, отбор проб и удаление шлака при выдержке жидкого металла, хотя и с низкой эффективностью обычно, вместе с тем, для меди и алюминия отмечалась высокая эффективность выдержки.

6.4.4.1.4 Недостатки:

- из-за монополии местного поставщика электроэнергии оператор полностью зависит от условий подключения к местной электросети, стоимости энергии и любых возможных дополнительных затрат (контроль пикового потребления и т.п.);

- затраты на электроэнергию выше стоимости использования ископаемого топлива;

- очистка расплава в индукционной печи ограничена из-за малого количества шлака и сравнительно малой контактной поверхности между шлаком и металлом. Это требует использования высококачественной и, соответственно, более дорогой шихты, чем для вагранки или электродуговых печей;

- установка требует больших инвестиций, хотя оператор может сэкономить на дополнительных природоохранных затратах. Чистые затраты на тонну установленного содержимого печи составляют примерно 375000 евро€;

- для мощностей более 15 тонн в час более подходят другие методы плавки. В зависимости от предполагаемого сплава, может рассматриваться вагранка с горячим дутьем или электродуговая печь;

- имеет низкую эффективность при выдержке из-за теплопотерь в водоохлаждаемой индукционной катушке [13].

6.4.4.2 Канальная индукционная печь

6.4.4.2.1 Описание

Данный тип печи используется в основном в целях выдержки, хотя она может применяться и в качестве комбинированного устройства для плавки и выдержки.

Канальная индукционная печь состоит из большого, термоизолированного ковша, оснащенного изолированной верхней крышкой для загрузки шихты (Рисунок 6.15). В днище имеется один или несколько U-образных каналов. Вокруг этих каналов располагается водоохлаждаемая индукционная катушка, обеспечивающая нагрев и циркуляцию металла. Индукционный ток имеет частоту локальной электрической сети. Печь обычно устанавливается в конструкции с гидравлическим опрокидыванием для осуществления выпуска или работ по техническому обслуживанию. Используются также герметичные печи без опрокидывания.

Рисунок 6.15 - Типовая конструкция ванной канальной печи [19]
Для обеспечения функционирования внутри плавильного тигля и канала должно оставаться минимальное количество расплавленного металла. Плавильный тигель должен оставаться заполненным на треть своего объема. При определении емкости поворотного миксера обычно указываются два значения, общий объем и полезный объем; например, 60/35 тонн. Разница между этими двумя значениями представляет количества металла, которое должно оставаться в печи.

Теплопотери через воду охлаждения и стенку печи малы в сравнении с индукционной тигельной электропечью. Оснащение печи разливочными каналами в соответствии с ‘принципом чайника’ обеспечивает снижение окисления расплава и износа огнеупора.

Благодаря большому объему плавильного тигля, выравниваются любые изменения в составе расплава. Этот принцип, вместе с тем, снижает гибкость режима печи, поскольку для изменения на другой состав расплава требуется длительный переходный период. Поэтому на практике выдерживается в целом постоянный состав расплава.

Рисунок 6.16 - Канальная индукционная печь [6]
Канальная индукционная печь находит основное применение в качестве поворотного миксера на чугунолитейных предприятиях. Примерное изображение приведено на Рисунке 6.16. Это тип печи, избираемый для эксплуатации в дуплексном режиме с вагранными печами. Емкость варьируется в диапазоне от 5 до более 100 тонн. Поворотный миксер служит буфером между плавильным и литейным цехом. Важно в полной мере оценить требования литейного предприятия и производства при решении вопроса об использовании поворотного миксера. Могут существовать более экономичные и энергоэффективные способы удовлетворения этих требований, поэтому рекомендуется тщательно изучить все возможные решения, прежде чем принимать решение. Для алюминия канальный тип используется редко, из-за трудностей с поддержанием канала открытым, а также необходимости постоянного поддержания расплавленного «болота».

Важным моментом при принятии решения относительно размера канальной печи являются требования к выходным характеристикам. Предпочтительным может быть выбор меньшей печи. Несмотря на меньшую эффективность печи меньшего размера, потеря эффективности компенсируется ее меньшим годовым потреблением электроэнергии в сравнении с печами больших размеров [13], [18], [19],

6.4.4.2.2 Преимущества:

- высокая полезная теплоотдача в качестве поворотного миксера;

- минимальное выгорание элементов сплава;

- нетребовательность в обслуживании.

6.4.4.2.3 Недостатки:

- для обеспечения должного функционирования электрооборудования в корпусе печи должно оставаться минимальное количество расплавленного чугуна, которое, однако, может составлять существенную часть емкости печи;

- невозможен холодный пуск печи из-за ограниченной удельной мощности, достижение которой возможно в контуре;

- сложность отслеживания износа каналов;

- потенциальная опасность непреднамеренных утечек из-за индукционной катушки в днище;

- сложность предупреждения контакта между водой охлаждения и металлом [13].

6.4.4.3 Характер выбросов в атмосферный воздух

Поскольку в индукционной печи отсутствует горение угля или топлива и не осуществляются операции по очистке, выбросы зависят исключительно от чистоты и состава загружаемого материала. Можно выделить две основные категории выбросов. Первая, и основная, категория связана с чистотой шихты, например, присутствием ржавчины, грязи, формовочного песка, краски, масла, гальванизированного или напаянного металла; - все эти элементы вызывают выброс пыли. Вторая категория связана с химическими реакциями при высоких температурах (например, при выдержке или корректировке состава металла), которые образуют металлургические дымы вследствие окисления.

Кроме того, небольшое количество частиц пыли в выбросы может добавлять огнеупорная футеровка (кислая на основе SiO₂, нейтральная на основе Al₂O₃ или щелочная на основе MgO).

Получение усредненных данных по выбросам представляет сложность, поскольку чистота шихты, являющаяся доминирующим компонентом образования выбросов, варьируется в зависимости от литейного производства.

6.4.5 Печь с излучающим сводом (с нагревом сопротивлением)

Печь с излучающим сводом представляет собой энергосберегающий поворотный миксер, имеющий конструкцию корпуса с усиленной изоляцией и батареями резистивных нагревательных элементов в изолированном своде на шарнирах. Они применяются в основном в цветной металлургии для литья (алюминия) под давлением в металлические формы в цехах с централизованными плавильными установками. Типовые установки имеют мощность 250 – 1000 кг при подключенной нагрузке от 5 до 12 кВт. Раздаточный и загрузочный колодцы отделены от основной ванны стенками из огнеупоров, соединительные проходы у дна обеспечивают пропуск чистого металла из одной зоны в другую. На Рисунке 6.17 дан схематический вид принципа излучающего свода.

Рисунок 6.17 - Печь с излучающим сводом [18]
Преимущества печей с излучающим сводом:

- не требуется литейный тигель;

- очень низкие энергозатраты;

- точный контроль температуры;

- хорошие условия работы (чистота, прохлада, тишина).

Хотя большинство экономичных поворотных миксеров обслуживают отдельные литейные машины, некоторые модели больших размеров можно использовать в качестве буферов между массовыми плавильными аппаратами и механическими печами. Эксплуатация в таком варианте обеспечивает более эффективное использование плавильного устройства, которое редко бывает эффективным для целей выдержки.

На отдельных литейных производствах используют крупные, более мощные печи с излучающим сводом для плавки, например, для получения расплавленного металла для литья в формы под низким давлением. Отдельные производители создают варианты печей с излучающим сводом, которые можно полностью герметизировать и изолировать газом для эксплуатации в качестве печей-дозаторов. Печи-дозаторы обеспечивают точную подачу металла для литья под давлением или самотеком и конкурируют, в определенной мере, с механическими ковшовыми системами в качестве автоматических систем разлива. При условии качественного обслуживания и эксплуатации печи с излучающим сводом могут обеспечить полезный контроль температуры и массы порции заливки, а также повышение продуктивности.[18]

6.4.6 Роторная печь

6.4.6.1 Описание

Роторная печь состоит из горизонтальной цилиндрической реторты, в которой загрузка нагревается горелкой, расположенной с одной стороны печи. Отходящие газы покидают печь с противоположной стороны. Для получения необходимой теплоты используется печное топливо или природный газ в смеси с воздухом или кислородом.

Опрокидывающий механизм позволяет поднимать печь под определенным углом или в вертикальное положение. Это положение используется для загрузки печи с помощью бадьи с откидным днищем или вибролотка, а также для ремонта или замены футеровки. Во время нагрева и плавки печь медленно вращается, обеспечивая перемещение и распределение тепла. Атмосфера печи регулируется соотношением воздуха (кислорода)/топлива.

После расплавления металла, проверки и корректировки состава в передней части печи открывается выпускное отверстие и расплав выпускается из печи в ковши. Благодаря своей меньшей удельной плотности, шлак плавает поверх металлической ванны в печи и на заключительном этапе собирается через выпускное отверстие в шлаковые чаши.

Цикл плавки составляет от 1½ до нескольких часов. Для непрерывного получения расплавленного металла на литейных предприятиях устанавливаются от 2 до 4 вращающихся печей, которые работают последовательно. Теплоотдача вращающейся печи является очень высокой, от 50 до 65 %^³, в зависимости от емкости. Такой высокий выход достигается за счет использования в качестве среды горения кислорода вместо воздуха.[1]

6.4.6.2 Порядок плавки

Для плавки литейного чугуна в печь загружается передельный чугун, литейный возврат, стальной лом, шлакующие (например, песок, известь) и науглероживающие реагенты (например, графит). Цикл плавки начинается со слабого окислительного короткого факела (воздушный коэффициент, λ = 1.03), который дает максимальное подведение энергии. Печь поворачивается пошагово на 90º, направление вращения периодически изменяется. Таким образом стенки печи могут осуществлять теплообмен с шихтой посредством конвекции. Как только шихта расплавится, факел уменьшается для предупреждения избыточного окисления легирующих элементов. При перегреве и выдержке применяется длинный восстановительный факел (λ = 0,9), а движение печи сменяется на полное постоянное вращение. Слой шлака обеспечивает теплоизоляцию и предупреждает выгорание легирующих элементов. После контроля и корректировки состава расплава и температуры открывается выпускное отверстие и металл выпускается в ковши. Шлак плавает поверх металлической ванны и собирается отдельно после выпуска металла.

Срок эксплуатации огнеупора в значительной мере зависит от температуры перегрева и состава шихты. На этапе загрузки необходимо предупреждать механические удары и холодные пуски. Атмосфера печи, время выдержки, скорость вращения и положение горелки также влияют на срок эксплуатации огнеупора. В нормальных условиях срок эксплуатации огнеупора составляет от 100 до 300 циклов плавки.[1], [13]

6.4.6.3 Металлургия

Вращающаяся печь используется в цветной металлургии многие годы. В данном применении традиционные горелки могут обеспечить относительно низкие температуры плавки. Разработка кислородно-воздушных горелок позволила организовать производство литейного чугуна, используя большую относительную долю стального лома и применяя графит для науглероживания.

Значительным недостатком вращающейся печи является выгорание в ней также Fe, C, Si, Mn. Эти потери необходимо компенсировать добавлением легирующих элементов до и после плавки. Эффективность поглощения этих элементов обычно довольно низкая. Могут возникать перепады концентраций между передней и задней частью металлической ванны из-за отсутствия осевого движения и из-за неоднородности излучения и атмосферы над широкой поверхностью ванны.[13]

6.4.6.4 Применение

Благодаря своему прерывному характеру, вращающаяся печь обеспечивает такую же гибкость, как индукционная тигельная электропечь в производстве литейного чугуна. Однако инвестиционные затраты ниже. 5-тонная печь стоит 500000 – 600000 евро€, из которых 30 % идут на систему вытяжки и удаления пыли. Вращающаяся печь является также хорошей альтернативой для маломощной вагранки с холодным дутьем благодаря своей большей гибкости и меньшим экологическим затратам. Вращающиеся печи используются для плавки объемов от 2 до 20 тонн при производственной мощности от 1 до 6 тонн в час.[13]

6.4.6.5 Преимущества:

- возможна быстрая смена сплава;

- плавка без загрязнения, например, без серного поглощения;

- низкие инвестиционные затраты;

- небольшая система удаления пыли в связи с низкой интенсивностью выделения отходящих газов;

- простота обслуживания.

6.4.6.6 Недостатки:

- легкое выгорание C, Si, Mn;

- расход газа и кислорода может быть высоким при отсутствии постоянной эксплуатации;

- энергопотребление возрастает при добавлении большего количества стали в шихту.[13]

6.4.7 Подовая печь

Подовая печь известна также под названием отражательной или раздаточной печи. Это статическая печь с прямым нагревом. Горячий воздух и газы горения из жидкостных или газовых горелок нагнетаются поверх металла (расплава) и выводятся из печи. Подовая печь находит применение в основном в плавке цветных металлов. Конструкция типовой печи представлена на Рисунке 6.18.

Рисунок 6.18 - Поперечный разрез подовой печи [4]
Это печь с огнеупорной футеровкой и прямоугольной или круглой ванной, нагреваемая горелками, установленными в стенках или в своде. Применяются многие виды топлива, для увеличения скорости плавки могут дополнительно использоваться кислородно-топливные горелки. Обычно осуществляется вывод и обработка газов сгорания, для этого печи изготавливаются частично герметичными. Камины и закрытые желоба обеспечивают отвод при выпуске и загрузке. Печь может быть выполнена в ряде конфигураций, в зависимости от конкретного металла и применения, вариации включают устройство наклонных подов и боковых колодцев для целей конкретных плавок, фурм и фурменных отверстий для подачи газов. Печи иногда могут наклоняться для разлива или дутья металла.

Плавильная мощность подовой печи обычно невелика из-за слабой теплопередачи от горелки. Мощность увеличивается на практике посредством кислородного обогащения или использования комбинаций газового и твердого топлива для увеличения длины факела. Эти печи используются для серийной плавки, очистки и выдержки различных металлов. Подовые печи применяются в основном для плавки больших объемов цветных металлов [20].

Большие подовые печи обеспечивают быструю плавку и могут перерабатывать крупные материалы в шихте, однако непосредственный контакт между пламенем и шихтой может приводить к большим потерям металла, поглощению газов и значительному образованию оксидов. Может быть также затруднен контроль температуры. Эти проблемы можно в определенной степени преодолеть, используя продуманную методику. Например, образование окалины можно предупредить, применяя подходящий порядок флюсования, а использование современных горелок уменьшает проблемы с контролем температуры. После выпуска, фильтрации и дегазации может применяться последующая обработка при перемещении металла в поворотные миксеры. [4], [5], [18], [20]

6.4.8 Шахтная печь

6.4.8.1 Описание

Это - обычная вертикальная печь с подом (внутри или снаружи печи), имеющая систему горелок, расположенных в нижней части печи, и систему загрузки в верхней части. Горелки представляют собой обычные газовые горелки. Металл подается в верхнюю часть печи и плавится при попадании в шахту. Для каждой горелки обеспечивается независимая регулировка топливовоздушной смеси. Для каждого ряда горелок также осуществляется непрерывный контроль CO или водорода, а контроль отходящих газов осуществляется поочередно для каждой горелки. Отходящие газы обычно выводятся и очищаются. Для дожигания на верхних уровнях шахтных или доменных печей используется дополнительный ввод кислорода или воздуха выше зоны плавления.

Печь используется для плавки чистого металла, но иногда ее можно использовать для плавки металла, загрязненного органическими примесями. Если в печь попадает замасленный металл, то он подвергается воздействию градиента температуры, имеющемуся между загрузочной камерой и горелками. При низкой температуре может образовываться туман, обусловленный частично сгоревшими органическими соединениями. Шахтная печь также используется для предварительного подогрева шихты перед плавлением. Типичная схема такой печи представлена на Рисунке 6.19.

Данный тип печи используется только для плавления цветного металла, главным образом для алюминия. Из-за сложности конструкции и трудоемкости процесса восстановления огнеупорного слоя, печь используется только для металлов с низкой точкой плавления. Поэтому, требования к обслуживанию футеровкаи печи ограничены. Обычно срок службы огнеупорного слоя составляет 4 - 8 лет.

Современные плавильные печи, имеющие горелки с компьютерным управлением, достигают мощности 650 кВтч на тонну расплавленного Al (при 720 ºC). Теоретически необходимая энергия составляет 320 кВтч на тонну. Следовательно, термический к.п.д. составляет 50 %.

Шахтная печь представляет собой непрерывную плавильную печь большой емкости, в пределах от 0.5 до 5 тонн в час и имеющая вместимость до 50 тонн. Вследствие наличия эффекта захватывания, изменение состава сплава затруднено.[18],[20].

Рисунок 6.19 - Шахтная печь [18]
6.4.8.2 Преимущества:

- вследствие длительного предварительного подогрева, шихта очень хорошо высушивается до начала процесса плавления. Это дает преимущества при использовании такой печи для плавки Al, вследствие снижения риска поглощения водорода;

- относительно низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Эксплуатационные расходы удерживаются низкими, вследствие эффективного предварительного подогрева, автоматического регулирования и продолжительного срока службы огнеупорного слоя;

- технические преимущества: возможность контроля малых количеств сжигаемого газа, отличная возможность регулировки температуры и низкие потери металла.

6.4.8.3 Недостатки:

- отсутствие гибкости по отношению к возможности изменения сплава. [13]

6.4.9 Тигельная печь

6.4.9.1 Описание

Представляет собой простой тигель, нагреваемый извне газовой горелкой или горелкой, работающей на жидком топливе, электричеством или, для достижения более низких температур, жидким теплоносителем. Для предотвращения образования зон температурного перегрева (локальной ликвации) в основе тигля и для получения возможности хорошей регулировки температуры в расплаве, для предотвращения окисления и испарения металла, следует избегать контакта с прямым пламенем.

Этот тип печей используется только для плавки цветных металлов. Благодаря косвенному нагреву (через стенки тигля) отсутствует выгорание или внедрение газа. Такие печи используются для производства малых количеств расплавленного металла (менее 500 кг за загрузку) и при низких производственных мощностях. Пример таких печей представлен на Рисунке 6.20.

Рисунок 6.20 - Тигельные печи [6]
Тигель наклоняется вручную с помощью крана или автоматически для вывода расплавленного металла в литейную форму. При плавке материалов на основе меди, используются только графитовые тигли или тигли из карборунда (карбид кремния), тогда как для плавки алюминия также можно использовать тигли из литейного чугуна.

Тигли, используемые для приема, переноса и подготовки металла на металлургических заводах для литья стали, называют ковшами. [3], [13], [21]

6.4.9.2 Плавильный процесс

Холодная загрузочная масса помещается в тигель и нагревается при полной мощности до ее расплавления. При 50 - 100 ºC, ниже температуры плавления, нагрев прекращается, и процесс нагрева далее продолжается под действием тепловой инерции тигля. В дальнейшем температура выравнивается с помощью системы управления. После удаления шлака может проводиться подготовка металла. Это включает удаление кислорода, дегазацию, уменьшение зерна и корректировку летучих металлов, таких как цинк и магний. Затем, перед разливом металла, еще раз удаляется шлак.

Кроме регулярного восстановления тигля, никакого другого обслуживания не требуется. Время восстановления, прежде всего, зависит от расплава. Целый ряд расплавов вызывают очень интенсивный износ тигля. Тигли, изготовленные из SiC, используемые для сплавов с низкой температурой плавления, имеют срок службы 130 - 150 загрузок. Для высокотемпературных расплавов срок службы составляет - 50 - 80 загрузок.

Термическая эффективность составляет 750 – 3000 кВтч на тонну алюминия, т.е. КПД - 15 - 30%. [13], [21], [22]

6.4.9.3 Преимущества:

- простая технология;

- низкие эксплуатационные расходы;

- гибкость по отношению к изменению состава сплава.

6.4.9.4 Недостатки:

- низкая эффективность и производительность. [13]

6.4.10 Подготовка расплава

Чтобы гарантировать хорошее качество отливки, расплавленная сталь нуждается в дальнейшей обработке: удалении примесей и возможных причин возникновения дефектов, т.е.:

- Раскисление. Кислород растворяется в жидкой стали, в соединении FeO. Во время отвердевания, кислород может объединяться с углеродом в стали, формируя CO. Таким образом, этот процесс может изменить состав стали и стимулировать образование пористости. Поэтому, всегда необходимо проводить процесс раскисления. Раскисление выполняется с помощью элементов, которые связывают преимущественно кислород. Кремний, силицид кальция, титан, цирконий и алюминий – это элементы, которые можно использовать в качестве раскислителей, причем алюминий является самым сильным из них и, поэтому, чаще всего используется. Алюминий добавляется в форме стержня или провода (Рисунок 6.21). Обработка обычно выполняется в печи и в ковше. Полученный оксид алюминия нерастворим в расплаве и смесях, содержащих шлак.

Рисунок 6.21 - Процесс раскисления, при котором используется алюминиевая проволока [6]
- Образование сульфида. При увеличении предела прочности стали, усиливается вредное воздействие серы. Сера находится в растворенном виде в жидкой стали, но на стадии затвердевания она осаждается как MnS. Осадок может принимать различные формы и оказывать различное влияние. Форма сульфидов связана с остаточным содержанием алюминия после раскисления. Остаточное количество Al должно допускать образования сульфидов типа III. [13], [10]

6.4.11 Подготовка литейного металла

6.4.11.1 Процесс плавления

В процессе плавления некоторые элементы в расплаве окисляются и выпадают в виде шлака. В конце периода плавления точность элементного состава в расплаве нуждается в корректировке, чтобы гарантировать соответствующее качество конечного металла. Для чистого литейного железа это касается: C, Si, Mn, S и P. Если требуется получить специальные свойства металла, то необходима добавка специальных легирующих элементов, от алюминия до циркония, при концентрациях от менее 1 % до более чем 30 %. Обычно они добавляются в виде металлических блоков или гранул. Добавка выполняется в жидкий расплав, так как это снижает риск потерь при окислении.

Ввод присадок выполняется в печи в поток расплавленного металла во время отливки или путем ввода присадки в транспортный ковш перед розливом в него расплавленного металла. [13]

6.4.11.2 Гомогенизация

При добавлении легирующих элементов в расплаве могут образовываться примеси, например, оксиды, сульфиды или карбиды. Чтобы понизить отрицательное влияние этих соединений, металл разогревается до температуры 1480 ºC - 1500 ºC. Однако перегрев может привести к выделению графита в процессе затвердевания. Гомогенизация имеет следующие положительные моменты:

- уменьшение оксидов (FeO, SiO₂, MnO) C, с помощью образования пузырьков CO. При их прохождении через расплав, эти пузырьки удаляют H₂ и N₂ в расплаве;

- при высокой температуре и при интенсивном движении ванны, происходит более быстрая коагуляция примесей и их выход на поверхность расплава, где они затем связываются в шлак. [13]

6.4.11.3 Десульфуризация и рекарбюризация чугуна при плавке в вагранке

Вследствие плотного контакта жидкого металла с коксом, плавка железа в вагранке дает относительно высокое содержание серы. Наличие серы в вагранке уменьшает вязкость жидкого металла, что является полезным в некоторых случаях, например, при более тонких отливках серого чугуна.

Однако, если литейный чугун требуется легировать с помощью Mg (как описано в следующем разделе), для производства качественного чугуна с шаровидным графитом, то необходима нейтрализация серы для предотвращения чрезмерного расхода Mg. Это осуществляется с помощью одного из целого ряда методов. Для перемешивания металла используется азот и к металлу добавляется порошок CaC₂. При контакте с жидким металлом образовывается CaS и удаляется как шлак. Подготовленный металл затем заливается в ковш, в котором он переносится для дальнейшей работы.

6.4.11.4 Образование в расплаве шаровидного графита

Чугун с шаровидным графитом получается с помощью добавления к расплавленному металлу Mg, либо чистого, либо в виде легирующей присадки FeSiMg или NiMg. До этого может понадобиться предварительная десульфуризация, чтобы гарантировать успешное осуществление процесса образования шаровидного графита. Наличие в расплаве Mg вызывает затвердевание графитовой фазы в форме микроскопических сфер. Это повышает механические свойства металла, например, нагрузочную способность и пластичность.

Существует несколько методик, которые могут применяться для введения Mg в жидкий металл:

- Метод доливки. Это самый простой метод, с помощью которого жидкий металл заливается в ковш, на дне которого находится легирующая присадка Mg.

- Двухслойный метод. В этом методе легирующая присадка, содержащая Mg, размещается в нижней части специально изготовленного ковша и покрывается стальными листами или FeSi, как показано на Рисунке 6.22. Металл заливается в ковш и, после расплавления покрытия, происходит взаимодействие с Mg.

- Промежуточное покрытие. Эта методика представляет собой улучшенный двухслойный метод, в котором ковш закрывается крышкой после размещения легирующей присадки, содержащей Mg, на дне ковша. Металл заливается в вогнутую крышку и протекает через отверстие в ковш, где и происходит реакция.

- Метод погружения. Используя конусообразный плунжер, присадка Mg вводится в жидкий металл до завершения реакции. Во время процесса легирования крышка ковша закрывается, чтобы предотвратить выбросы твердых частиц MgO.

- Конвертер G Fischer. В этом процессе используется специальный ковш, крышка которого плотно закрывается после заливки металла в конвертер в горизонтальном положении. Конвертер затем переводится в вертикальное положение, позволяя легирующей присадке, содержащей Mg, взаимодействовать с металлом. Как только реакция завершится, конвертер возвращается в горизонтальное положение и опорожняется после открытия крышки

- Инжекция с помощью проволоки. В этом методе очищенная присадка Mg, используемая в виде порошка, заворачивается в луженый стальной лист, формируя тем самым “заполненную трубку” (проволока с наполнителем). Затем, с помощью управляемой подачи эта проволока вводится в узкий ковш, в котором Mg переходит в расплав.

- Прохождение через присадку. В данном методе металл заливается в специально изготовленную реакторную камеру, в которой заранее размещается присадка, содержащая Mg.

- Завихритель. В этом методе металл заливается в реакторную камеру, в которой поток заливаемого металла завихряется. Легирующая присадка Mg вводится в вихревой поток с помощью инертного газа, используемого в качестве носителя. Легирование может выполняться для больших количеств металла или во время заполнения литейной формы.

- Процесс формовки. В этом процессе легирующая присадка Mg, сформированная в виде таблетки, помещается непосредственно в пустой литейной форме (с литниковой системой). Реакция происходит во время заполнения литейной формы, гарантируя высокую производительность.

Рисунок 6.22 - Двухслойный метод, используемых для образования шаровидного графита [6]
После легирования металл требуется залить в литейную форму в течение заданного промежутка времени, так как воздействие Mg быстро уменьшается, требуя нового легирования, если указанный промежуток времени (10 - 15 минут) превышен.

6.4.11.5 Модифицирование расплава

Присутствие грубого сформированного графита в металлической матрице приводит к неудовлетворительным механическим свойствам материала. Чтобы получить отличную кристаллическую металлографическую структуру, до разлива металла необходимо провести процедуру модифицирования. В этом процессе в расплав металла добавляются ядра для роста кристаллов. Обычно, для этих целей используются присадки FeSi. В модификатор часто добавляются Ca, Al, и редкоземельные металлы.

Точно также, для модифицирования расплавленного металла можно использовать несколько методик:

- Ввод присадки во время выпуска расплава. В этом методе модификатор вводится непосредственно в поток металла во время выпуска плавки.

- Ввод присадки во время разлива металла. В этом методе модификатор вводится непосредственно в поток металла во время заливки в литейную форму (Рисунок 6.23)

- Ввод в расплав проволоки с наполнителем, содержащим легирующую присадку (раздел 6.4.11.4)

- Процесс формовки (раздел 6.4.11.4).

Рисунок 6.23 - Модифицирование в процессе заливки [6]

6.4.12 Легирование цветных металлов

Существует три основных операции подготовки (или легирования) металлов, выполняемых в процессе плавки алюминия:

- Дегазация. В расплавленном алюминии растворяется водород, который затем выводится после охлаждения расплава и, таким образом, может привести к пористости в конечной отливке. Водород, поэтому, должен быть удален. Это осуществляется путем пропускания инертного газа через расплав. При использовании хороших методов дегазации пузырьки имеют большое время жизни и большую площадь поверхности. Дегазация алюминия выполняется, главным образом, используя центробежные методики. В этом методе используется быстро вращающаяся мешалка, а в расплав вводится азот. Дегазация часто объединяется с очисткой расплава. Очистка выполняется для удаления щелочных или щёлочноземельных металлов, например, Ca. Очистка может осуществляться с помощью газа Cl₂. Использование HCE для таких целей запрещено в ЕС (Директива 97/16/EC). Для проведения одновременной дегазации и очистки обычно используется смесь азота с 3%-ым Cl₂. При других методах дегазации используются таблетки, трубка для подачи газа с пористой головкой, или пористый камень в раздаточной печи.

- Модификация и измельчение зерна. При легировании алюминиевых сплавов в расплав обычно вводятся небольшие количества металла. Эти добавки контролируют размер зерна и модифицируют микроструктуру затвердевающего металла и, таким образом, улучшают механические свойства отливки. Натрий или стронций используются для модификации, в то время как модификация зерна выполняется с помощью титана, борида титана, циркония или углерода.

- Добавление флюса. Эта операция обычно включает добавку в расплав основных флюсов на основе твердого фторида, которые служат для удаления твердых загрязняющих примесей. [4], [23], [24]

жүктеу/скачать 9.9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 ... 46