2.13.8. Плавка литейных сплавов

Плавкой называется комплекс физико-химических процессов, протекающих в плавильных печах при переработке заранее подготовленных (шихтовых) материалов. Целью плавки является получение при определенной температуре сплава в жидком состоянии заданного химического состава, обладающего необходимыми литейными свойствами. Технология плавки содержит различные операции, проводимые в течение времени, регламентируемого типом плавильной печи, еë вместимостью и составом сплава. Плавку ведут в одной печи (монопроцесс), двух (дуплекс-процесс) или в трёх печах (триплекс-процесс). Полипроцессы применяют при высоких требованиях к сплаву по наличию в нем вредных примесей.

Параметрами процесса плавки являются температура и давление, которые зависят от типа плавильного агрегата и назначения (химического состава) сплава. Следует запомнить, что температура плавки, при которой проводят необходимые металлургические процессы, как правило, выше температуры плавления сплава. Расплав перегревают выше температуры плавления из необходимости учета его охлаждения во время перелива из печи в ковш, его транспортировки к форме и для обеспечения необходимой жидкотекучести. Т.е. выполняют старое правило литейщиков: «Плавь горячо – лей холодно». Температурные интервалы плавки некоторых сплавов: на основе цинка 420 … 480 ºС, магния 650 … 720ºС, алюминия 720 … 780ºС, меди 1000 … 1250ºС, чугуна 1160 … 1450ºС, никеля 1400 … 1650^оС, стали 1400 … 1700^оС, титана 1650 … 1800ºС. Для создания необходимой температуры применяют плавильные печи различной конструкции, использующие разные виды источников тепловой энергии:

1. Топливные - работающие на топливе: твердом (кокс), жидком (мазут, дизельное топливо) или газообразном (природный или искусственный газ).

2. Электрические, в которых электроэнергия преобразуется в тепловую (печи сопротивления, индукционные, электродуговые, плазменные, электрошлаковые, электроннолучевые).

Наиболее распространенной топливной печью является вагранка, в которой выплавляют чугун из шихты, используя в качестве топлива кокс и (или) газ, для сгорания которого через специальные отверстия (фурмы) подают воздух (дутье). Вагранка является печью шахтного типа, в которой шихта, флюс, кокс, расположенные слоями по высоте вагранки, движутся сверху вниз навстречу поднимающимся горячим газам. Это обеспечивает высокий (до 45%) тепловой к.п.д. при нагреве и расплавлении чугуна (рис. 2.58).

Вновь построенная или отремонтированная коксовая вагранка должна быть хорошо просушена. После просушки в нее загружают слой кокса высотой 500 … 1500 мм, который называется холостой колошей. Этот кокс служит для разогрева вагранки и поддерживает расплавляемые шихтовые материалы в зоне наиболее высоких температур, что способствует ускорению процесса плавки. После разогрева кокса холостой колоши на него загружают рабочую коксовую колошу, флюс и первую порцию металлической шихты. Таким образом, загрузка происходит слоями: кокс – флюс – металл и далее в той же последовательности. Загрузку шихты обычно осуществляют с помощью бадьи, вводимой в вагранку наклонным (скиповым) подъемником.

П

Рис. 2.58. Вагранка с копильником:

1 - летка для выпуска чугуна на вагранки, 2 - дверцы, 3 - холостая колоша кокса, 4 - чугунные колонны, 5 - подовая плита, 6 - под, 7 - выходные отверстия фурм, 8 - фурмы, 9 - шамотная футеровка, 10 - кожух, 11 - чугунные кирпичи, 12 - загрузочное окно, 13 - искрогаситель, 14 - дымовая труба, 15 - бадья для загрузки шихты, 16 - топливная ифлюсовая колоши, 17 - металлическая колоша, 18 - копильник, 19 - летка для выпуска чугуна из копильника, 20 - желоб

осле загрузки материалов открывают фурмы и дают дутье – воздух, необходимый для горения топлива, а летку оставляют открытой до тех пор, пока не появятся капли расплавленного чугуна. В плавильном поясе чугун и шлаки расплавляются и стекают в горн вагранки. Образующиеся при этом газы поднимаются вверх и по пути своим теплом нагревают металлическую шихту и топливо, а затем уходят в систему подогрева дутья. По мере сгорания кокса и плавления чугуна загружаемая в вагранку шихта опускается, а на ее место загружают новые порции шихтовых материалов. В процессе плавки жидкий чугун скапливается в горне вагранки. Шлак же, имеющий более низкую плотность, располагается на поверхности чугуна. По мере скопления шлак выпускают через верхнюю – шлаковую летку. Накопившийся чугун выпускается из вагранки через нижнюю летку, а затем по желобу направляется в разливочный ковш. При выпуске чугуна отверстие летки пробивают железным ломиком, а после выпуска чугуна его заделывают пробкой из огнеупорной глины. После окончания плавки остатки шлака и металла удаляют из вагранки через крышку в днище.

Во время плавки чугуна в вагранке происходит изменение химического состава сплава. При этом кремний и марганец выгорают (кремний на 15%, а марганец на 20%), содержание фосфора остается без изменения, а количество серы и углерода увеличивается за счет выделений из кокса. Чугун выпускается из вагранки при температуре 1400 … 1420 °С. Для повышения производительности вагранок в них вводят подогретое дутье или дутье, обогащенное кислородом.

В последние годы освоены более экономичные, чем коксовые, коксо-газовые и газовые вагранки, созданы вагранки закрытого типа с дожиганием и очисткой отработанных газов, внедрена система централизованного автоматизированного управления и регулирования работы вагранок.

Печи жидко- и газотопливные других конструкций применяют для выплавки цветных сплавов. Однако они вытесняются электрическими печами, из которых большее распространение получили печи сопротивления, индукционные и дуговые. Печи сопротивления применяют преимущественно для плавки легкоплавких сплавов с температурой плавления до 800 ºС - свинцовых, оловянных, цинковых, магниевых и алюминиевых. Они бывают тигельные и камерные (отражательные) (рис. 2.59, а, б). У тигельных нагревательные элементы окружают тигель сбоку, а у камерных они расположены на потолке камеры, от которого тепловое излучение как бы отражается и направляется на расплавление.

В индукционных печах нагревают переменным электромагнитным полем только электропроводящие материалы, в которых оно наводит индукционные вихревые токи, являющиеся источником тепла. Чем выше частота изменения поля, тем выше температура и скорость нагрева. По конструктивному исполнению печи подразделяются на тигельные и канальные (рис. 2.59, в, г). В тигельных печах поле создаётся с помощью индуктора из медных водоохлаждаемых трубок, на который подается переменный ток частотой 50 Гц и более. В канальных печах поле создается с помощью трансформаторного магнитопровода, на котором расположена первичная обмотка, вторичным короткозамкнутым витком является расплав, в котором и наводятся вихревые токи.

Электродуговые печи по принципу передачи тепла подразделяются на печи прямого (непосредственного) и косвенного нагрева. В печах косвенного нагрева теплота передается излучением непосредственно от дуги и футеровки, а в печах прямого нагрева только от дуги (рис. 2.59, д, е). Первые печи применяют для плавки медных сплавов, а вторые - для плавки сталей и чугунов.

Д

Рис. 2.59. Схемы электрических плавильных печей:

а - тигельная сопротивления, б - камерная отражательная сопротивления, в - тигельная индукционная, г - канальная индукционная, д - дуговая однофазная барабанная, е - дуговая трехфазная,

1 - футеровка, 2 - электронагревательные элементы, 3 - тигель, 4 - индуктор, 5 - магнитопровод, 6 - электроды, 7 - электрическая дуга

ля выплавления чугуна и стали в качестве шихтовых материалов применяют литейные или передельные доменные чугуны, чугунный и стальной лом, отходы собственного производства (бракованные отливки, литники, прибыли и т.д.) и ферросплавы, а также флюсы (известняк, доломит), служащие для понижения температуры плавления образующихся шлаков. Для выплавления цветных сплавов в качестве шихтовых материалов используют как первичные (полученные из руды на металлургических заводах), так и вторичные (после переплавки цветного лома) металлы и сплавы. Кроме того, применяют лигатуры, т.е. специально приготовленные сплавы из двух или нескольких металлов, и флюсы, обычно хлористые и фтористые соли щелочных и щелочноземельных металлов.

Ферросплавы и лигатуры необходимы для получения заданного химического состава и определенных свойств сплава. Их вводят в шихту и в расплав. Помимо основного элемента (например, железа в ферросплавах) они содержат специальные легирующие элементы (например, никель, титан, молибден, вольфрам и т.д.). Эти элементы можно вводить и в чистом виде, однако при этом, как правило, увеличивается их угар. Для размельчения структурных составляющих и равномерного их распределения по всему объему литого металла в расплав вводят малые добавки различных элементов - модификаторов (натрий, цинк, магний, кальций). Для уменьшения газонасыщенности некоторых сплавов их плавку ведут в вакууме в специальных печах.