Способ и технология для плавки металла в индукционной печи

Перемешивание металла в тигельных индукционных печах Агентство Литьё

Индукционные тигельные печи длительное время пользовались популярностью на чугунолитейных и цветнолитейных заводах, а в последнее время начали получать признание на сталелитейных заводах. По сравнению с печами, работающими на топливе, и электродуговыми печами, индукционные тигельные печи обеспечивают более мощное перемешивание жидкого металла и более однородную температуру металла, более низкое загрязнение окружающей среды и более низкий уровень шума, более низкие затраты на футеровочные материалы и выполнение футеровочных работ.

Поскольку физика электромагнитного поля сложна, индукционные печи все еще часто неправильно понимают. Хотя точный количественный анализ магнитогидродинамических моделей, которые определяют поток металла в индукционных печах утомителен, качественное объяснение может быть представлено довольно четко.

Перемешивание металла в индукционной тигельной печи было мало изучено, до проведения Inductotherm в середине 1970-х годов исследований, которые позволили сформировать науку о силах перемешивания. До этого времени считалось, что индуктивное перемешивание в индукционной печи линейно связано с высотой мениска в печи. Эта линейная зависимость представлена на рис. 1.

Рис. 1: Высота мениска расплавленного металла

Высота мениска прямо пропорциональна мощности и ​​обратно пропорциональна квадратному корню из значения частоты. Однако в реальных процессах плавления стало очевидно, что этот упрощенный подход не является точной мерой перемешивания. Печи, содержащие одинаковое количество одного и того же металла, но работающие на разных частотах, не перемешивались одинаково, даже если высота мениска была одинаковой.

Ток, текущий в поверхностном слое расплава, проникает на глубину, определяемую частотой тока, протекающего в индукционной катушке, и типом металла. Этот поверхностный слой называется «глубиной проникновения» и описывается формулой, представленной на рис. 2.

Рис. 2: Распределение тока и глубина проникновения в индукционную тигельную печь

Было обнаружено, что высота мениска обусловлена взаимодействием магнитного поля от индукционной катушки и тока, протекающего в расплавленном металле. Эта сила равна векторному произведению плотности магнитного потока и плотности тока расплава (JxB) и приложена к окружности расплава.

Эта сила, действующая на окружность расплава, сжимает жидкость, в результате чего часть жидкости отрывается от стенки и поднимается вверх (см. рис. 3). Поскольку J и B пропорциональны току, протекающему через катушку, высота мениска пропорциональна в квадрате току, протекающему через катушку.

Рис. 3: Взаимодействие электромагнитных и ферростатических сил в индукционной печи

Так как kW = I²R, где R — сопротивление катушки и расплава, то высота мениска пропорциональна мощности, приложенной к печи, и обратно пропорциональна сопротивлению катушки печи и расплава. Высота мениска (MH) представляет потенциальную энергию расплава так же, как высота воды в резервуаре (WH) представляет потенциальную энергию / давление воды в этом резервуаре (см. рис. 4).

Рис. 4: Высота мениска

В печи поток металла ускоряется только тогда, когда в расплаве течет ток. Таким образом, ускоренный поток возникает только в области, определяемой как глубина проникновения тока. Эта глубина проникновения приравнивается к размеру трубы, соединенной с резервуаром. Большая глубина проникновения тока будет большой трубой, а очень малая глубина проникновения тока будет очень маленькой трубой (см. рис. 5).

Рис. 5: Влияние частоты на глубину проникновения

Очевидно, что для той же высоты мениска (или водяного столба в резервуаре определенной высоты), чем больше глубина проникновения тока (чем больше диаметр трубы), тем больше будет перемешивание (более мощный поток воды).

Когда вы проведете математические расчеты этого процесса, вы обнаруживаете, что перемешивание не линейно пропорционально высоте мениска, а гораздо больше зависит от самой частоты тока. Формула на рис. 6 позволяет рассчитать интенсивность перемешивания в данной системе, используя следующие параметры: мощность, частота, размеры печи и характеристики расплавляемого сплава.

Рис. 6: Индекс перемешивания

Рис. 7 наглядно иллюстрирует доминирование частоты тока над другими параметрами влияющими на интенсивность перемешивания расплава в индукционной тигельной печи.

Рис. 7: Эффект увеличения частоты

Примеры перемешивания

Плавка чугуна

Чугунолитейные заводы обычно нуждаются в среднем уровне перемешивания расплава, чтобы правильно растворить добавки и получить гомогенный сплав. Один чугунолитейный завод производящий высокопрочный чугун с шаровидным графитом достиг желаемого уровня перемешивания с помощью индукционного плавильного агрегата мощностью 9000 кВт, работающего на печи вместимостью 12,5 т. Эта система работала при 210 Гц со средним индексом перемешивания 42,3.

Более крупный литейный завод, производящий серый чугун, использует свою индукционную плавильную систему мощностью 20 500 кВт при частоте 180 Гц для достижения умеренного показателя перемешивания 47,9.

Плавка алюминия

Плавка алюминия требует более высокого уровня перемешивания для плавления стружки и легких материалов. Один производитель алюминиевых сплавов достиг требуемой интенсивности перемешивания с помощью индукционного источника питания мощностью 300 кВт, работающего на печи емкостью 0,8 т. Работая при 60 Гц, он давал очень сильный индекс перемешивания — 117,27.

Другой производитель алюминиевых сплавов, плавивший алюминиевый лом, эксплуатировал свою 1500-киловаттную 7-ми тонную систему плавления алюминия на частоте 60 Гц, чтобы достичь индекса интенсивного перемешивания 75,7.

Плавка стали

Сталелитейные заводы обычно выплавляют свои сплавы при высоких температурах и используют низкий уровень перемешивания, чтобы максимально продлить срок службы футеровки. К примеру, сталелитейный абразивный завод работал с индукционным источником питания мощностью 1500 кВт и индукционной печью вместимостью 2,2 т на частоте 590 Гц для достижения показателя легкого перемешивания — 22,6.

На литейном заводе по выплавке стали, на котором плавили различные стальные сплавы, работала система индукционной плавки мощностью 175 кВт, обслуживая печь вместимостью 75 кг, на частоте 2800 Гц для достижения показателя легкого перемешивания — 25,7.

Индукционная печь с принудительным перемешиванием металла

Перемешивание расплавленного металла в индукционной печи может быть достаточным для большинства металлургических практик. Однако в некоторых случаях различные схемы перемешивания, в дополнение к обычному перемешиванию с «двойным пончиком», могут способствовать процессам плавления, рафинирования или легирования в индукционных печах. Это усиленное перемешивание может быть выполнено с помощью частотно-модулированного перемешивания или многофазного перемешивания с бегущей волной, описанного ниже.

Частотно-модулированное перемешивание

При частотно-модулированном перемешивании мощность и частота в индукционной печи изменяются (варьируются) с низкочастотными интервалами. Изменение тока и частоты изменяет мениск, перемещая его вверх и вниз. Движение мениска посылает волны давления в ванну расплава, которая, отражаясь от дна печи, распространяется обратно на поверхность печи. При правильном выборе частоты модуляции в расплавленной ванне могут образовываться стоячие волны. Эти волны вызывают значительное перемещение металла вверх и вниз внутри печи. В сочетании с естественным круговым движением металла этот тип улучшенного перемешивания обеспечивает отличное перемешивание расплавленной ванны.

Перемешивание бегущей электромагнитной волной

Рис. 8: Однонаправленное перемешивание в двухфазной индукционной печи

Бегущие магнитные волны всегда требуют реализации нескольких катушек и фазового сдвига между токами, протекающими в каждой катушке. Подобно асинхронному двигателю, многофазная печь заставляет металл двигаться в одном направлении вдоль стенки корпуса печи , создавая однонаправленное перемешивание. Изменение последовательности фаз изменяет направление потока расплавленного металла.

Однонаправленное перемешивание осуществляется путем подачи двухфазного тока, сдвинутого на 90° для каждой катушки (см. рис. 8). Также возможен трехфазный ток, смещенный на 120 ° или четырехфазный ток.

Ниже приведены практические электрические схемы для возбуждения однонаправленного перемешивания бегущей волны:

1. Один плавильный и один трехфазный источник перемешивания могут быть подключены к одной трехсекционной катушке, как показано на рис. 9. Эта схема использует один среднечастотный инвертор для нагрева / плавления и трехфазный линейный преобразователь частоты для перемешивания.

Рис. 9: Один источник питания с трехсекционной катушкой подключен к главному преобразователю частоты с помощью механических переключателей

2. Трехфазный инвертор, подключенный к трехсекционной катушке, показан на рис. 10. Выходы инвертора могут работать с управлением в однофазном режиме для плавления или в трехфазном режиме для перемешивания. В режиме плавления ток во всех катушках имеет одинаковую фазу. В режиме перемешивания ток в катушках B и C смещается на 120° и 240° соответственно. Эта схема является более надежной, чем другие, потому что она не требует больших переключателей тока для переключения с расплава на однонаправленное перемешивание или наоборот.

Читайте также:  Pandora dxl 5000 установка своими руками

Рис. 10: Система Uni-Stir с тремя независимыми инверторами

3. Двухфазный инвертор, показанный на рис. 11, с фазовым сдвигом от 0 до 90° также может производить однонаправленное перемешивание. Хотя интенсивность перемешивания на 25% меньше, чем трехфазное однонаправленное перемешивание, этого достаточно для создания непрерывного однонаправленного потока. Направление потока может быть изменено, когда фаза второго инвертора изменяется от + 90° до -90°.

Рис. 11: Система Uni-Stir с двумя независимыми инверторами

Технология моделирования

Современные компьютерные технологии позволяют моделировать распределение электромагнитных полей и магнитогидродинамических процессов в индукционных печах. Результаты этого моделирования показывают закономерность движения металла.

На рис. 12 показано типичное компьютерное моделирование перемешивания металла в стандартной индукционной плавильной печи. На рис. 13 показано движение металла в той же печи с двухфазным инвертором, вызывающим однонаправленное перемешивание.

Рис. 12: Схема движения металла в плавильной печи

Рис. 13: Схема движения металла в двухфазной перемешивающей печи

Для многих применений может быть достаточно однофазной индукционной печи с естественным перемешиванием. В таких применениях, как вакуумная очистка, специальное легирование, позднее добавление или трудно расплавляемый лом, могут потребоваться улучшенные методы перемешивания. Двух- или трехфазные инверторы предпочтительны для однонаправленного перемешивания, потому что они не требуют переключателей печи с высоким уровнем обслуживания. Трехфазные инверторы могут использоваться в случаях, когда требуется более интенсивное перемешивание.

Рис. 14: Поверхность ванны расплава при обратном однонаправленном перемешивании

На рис. 14 показана поверхность расплава цинка в индукционной плавильной печи, работающей в режиме двухфазного обратного перемешивания. На ней четко видны нити металла, поднимающиеся по стенкам тигля и спускающиеся по центру ванны, образуя воронку. Когда в расплавленную ванну добавляют металлическую стружку из легкого материала, такого как алюминий, она быстро затягивается в ванну и растворяется.

Применение однонаправленного перемешивания позволяет получать сплавы более высокого качества, с более жесткими допусками по химическому составу. Детали, изготовленные из таких качественных сплавов, могут быть меньше и легче при соблюдении необходимых требований к прочности и физическим характеристикам.

Современные технологии предлагают ряд интересных возможностей и решений. Индукционные плавильные / перемешивающие установки должны быть тщательно подобраны для обеспечения наилучшей производительности для конкретных условий клиентов. Назначение процесса и материал сплава определяют размер печи, тип, оптимальную частоту и мощность.

Автор

Satyen N. Prabhu (Сатьен Н. Прабху) — президент и генеральный директор Inductotherm Corp.

Перевод

Олег Виноградов — технический директор Агентства Литье++, г. Киев

Справка

Inductotherm Corp. разрабатывает и производит самые современные системы индукционной плавки, нагрева, выдержки и разливки практически для всех видов обработки металлов и материалов. К ним относятся оборудование для серого и ковкого чугуна, стали, меди и сплавов на основе меди, алюминия, цинка, химически активных металлов, драгоценных металлов, кремния и графита, а также множество других специальных применений. Как ведущий мировой производитель систем индукционной плавки металлов, на сегодняшний день Inductotherm построила более 36500 систем плавки и нагрева для производителей металла и металлообработки по всему миру.

Выплавка стали в индукционных печах

В литейных цехах для плавки стали применяют мартеновские, дуговые и индукционные печи. Мартеновские и электродуговые печи непосредственно в литейном производстве применяют достаточно редко, т.к. они применяются для плавки большого количества металла. Такие печи используют в металлургической отрасли.

В зависимости от требований, предъявляемых к стали, и качества шихтовых материалов применяют печи с основной и кислой футеровкой, определяющей характер плавки.

Печи с основной футеровкой

В подобных печах плавка стали производится с использованием шлака, который содержит большое количество CaO. Оксид кальция необходим для того, чтобы вредные примеси (сера и фосфор ) соединялись и образовывали прочные, безвредные соединения.

Печи с кислой футеровкой

В печах с кислой футеровкой образующиеся шлаки состоят преимущественно из SiO2 и практически не вступают во взаимодействие с серой и фосфором, поэтому необходимо применять шихту с низким содержанием этих элементов.

Какие материалы применяются при плавке стали ?

Чушковый чугун – это чугун в виде бруска, который отливается в горизонтальном положении в изложницу.

Стальной лом – детали, пришедшие в негодность. Отходы сталеплавильного, кузнечного, прессового производства.

Ферросплавы – для выплавки обычных сталей применяются ферромарганец и ферросилиций, а легированных – феррохром, никель, ферротитан, феррованадий, ферромолибден и др. Ферросплавы используются для раскисления и легирования, они должны быть сухими, желательно прокалёнными.

Флюсы – в качестве флюсов применяют известняк, плавиковый шпат, шамотный бой. Последние два используются для разжигания густых известковых шлаков, что способствует обессериванию сырья. В качестве окислителей используется железная и марганцовая руды, а также окалины.

Огнеупорные материалы – при основном процессе печи футеруются магнезитным кирпичом. При кислом – динасовым кирпичом.

Преимущества: возможность плавки в любой среде, отсутствие электрической дуги, которая науглероживает металл или насыщает его ненужными газами. В индукционных печах происходит непрерывное перемешивание жидкого металла, что способствует выравниванию химического состава, облегчает дегазацию и всплывание неметаллических включений, простота регулирования температуры металлы.

Недостатки: в индукционных тигельных печах мала интенсивность взаимодействия шлаков с металлом, что приводит к ограниченным возможностям управления процессом плавки, путём изменения состава шлака.

Принцип работы индукционной печи основан на явлении электромагнитной индукции. По нагреваемому телу проходят вихревые электрические токи, которые и оказывают тепловое воздействие на металл.

Основным элементом индукционной печи является индуктор, который и индуцирует ток. Обычно индуктор водоохлаждаемый. Тигель печи футеруют. Индукционные печи применяют как для плавки стали и чугуна, так и для цветных сплавов.

Мартеновский способ выплавки может быть основным и кислотным (см. выше). Выбор футеровки зависит от состава шлака.

Принцип действия печи очень прост: в рабочую камеру печи вдувается смесь горючего газа и воздуха, которые нагреваются за счёт прохождения через уже нагретый регенератор. (Регенератор — камера, в которой каналы выложены огнеупорным кирпичом). Рабочая камера имеет низкий сводчатый потолок, благодаря чему жар отражается вниз на расплав.

Поочерёдно происходит нагрев регенератора печными газами, затем продувка холодным воздухом.

Regenerative chabmers — регенератор

Fuel gas pipe — труба для печного газа

Air pipe — труба для дутья воздуха

Brick checker — шлаковик

Steell with slag layer — сталь со слоем шлака

Charging doors — загрузочное отверстие

Refractory lining — огнеупорный слой

Combustion chamber — камера сгорания

Принцип работы электродуговой печи — расплавление металла под действием теплоты электрической дуги. Электрическая дуга образуется при подводе к трём графитовым электродам электрического тока. Данный тип печи имеет собственный трансформатор, подключённый к высоковольтной линии. Существуют электродуговые печи постоянного и переменного тока. Обычно стенки печи являются водоохлаждаемые. Свод печи может быть набран из огнеупорного кирпича.

Процесс изготовления стальных слитков

1-ый этап — загрузка стального лома, скрапа, и другой шихты в печь.

2-ой этап — плавка металлического лома, «приготовление» стали, снятие пробы для анализа состава полученной стали. На крупных предприятиях образцы по пневмопочте отправляют в лабораторию.

3-ий этап — когда получена сталь нужного состава, её заливают в ковш, в данном случае в стопорный. Большинство электродуговых печей оснащены поворотным механизмом, который значительно упрощает процесс разливки стали.

4-ый этап — заливка стали из стопорного ковша в формы для получения слитков.

5-ый этап — прокатка слитков.

6-ой этап — обрезка слитков.

Применение печей

Плавка чугуна

Плавка стали

Плавка цветных сплавов

Тигельные с металлическим тиглем

Баббиты, цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы

Тигельные с графитовым или шамотным тиглем

Для отдельных отливок в производстве небольшого масштаба

Для отдельных отливок в производстве небольшого масштаба

Все цветные сплавы в производстве небольшого масштаба

Пламенные

Ковкий чугун в мелкосерийном производстве, Белый чугун для крупных отливок валков, изредка серый чугун в производстве небольшого масштаба

Углеродистая и низколегированная сталь для средних и крупных отливок (мартеновские печи)

Медные и алюминиевые сплавы для средних и крупных отливок; при плавке большой угар сплава

Шахтные (вагранки)

Серый и ковкий чугун для разнообразных отливок

При триплекс-процессе с конвертером и электропечью и дуплекс-процессе с конвертером

Конвертеры с боковым дутьём

Низкоуглеродистая сталь для несоответственных отливок

Читайте также:  Крышка расширительного бачка - проверка неисправностей, устройство и доработка Видео

Однофазные дуговые электропечи

В производстве небольшого масштаба

Медные и никелевые сплавы

Трёхфазные дуговые электропечи

Для рафинирования жидкого чугуна и плавки на твёрдой завалке для ответственных отливок

Углеродистая и легированная сталь для ответственных отливок

Печи сопротивления тигельные и с ванной

Алюминиевые и магниевые сплавы – в тигельных печах и алюминиевые в печах с ванной

Индукционные с сердечником

Индукционные без сердечника

Преимущественно легированные для ответственных отливок

Углеродистая и легированная сталь для ответственных отливок

Сплавы никелевые, медные, благородных и редких металлов

Электродуговые переменного тока

Для выплавки стали и чугуна

Электродуговые постоянного тока

Плавильные печи сопротивления

Легкоплавкие металлы (олово, свинец, цинк и сплавы на их основе), а также алюминиевые и магниевые

Плазменные электропечи

Высоколегированные и малоуглеродистые стали, жаропрочные сплавы

Редкие и тугоплавкие материалы

Электронно-лучевые

Тугоплавкие металлы (ниобий, цирконий, тантал, титан, молибден, вольфрам), медь никель, чистое железо и т.д.

Электрошлаковые

Применяется для отливки слитков

Мартеновские

Для крупногабаритных стальных отливок, переработка чугуна в сталь

Вакумные дуговые печи

Фасонные отливки из высоколегированной стали

Тугоплавкие и химически активные металлы (ниобий, цирконий, тантал, титан, молибден, вольфрам)

Газопламенная вращающаяся

Технология выплавки чугуна в индукционной электропечи

Технология выплавки чугуна в индукционной электропечи

    Специалист Литература0 Комментариев

Технология выплавки чугуна в индукционной электропечи

Загрузка и расплавление.

В крупных зарубежных литейных цехах, где смонтированы индукционные установки для плавки чугуна, как уже указывалось выше, операции загрузки шихты в печи механизированы и автоматизированы.

Подача материалов в печь производится в определённой последовательности. Например, через каждые 20 минут в печь загружается 200 кг стального скрапа, 160 кг возврата и чушкового чугуна, через каждые 40 минут в печь вводится 22 кг кокса до тех пор, пока в чугуне не будет обеспечено требуемое содержание углерода.

Шихта не должна падать в тигель с большей высоты во избежание его повреждения. Лучше, если шихта сползает. Сползание шихты может быть обеспечено с помощью склизов, вибрационных конвейеров, бадьёй специальных конструкций. Удар шихты о футеровку должен быть боковым, а не верхним, так как в первом случае футеровка работает на сжатие, а во втором на срез, причём при этом ударной нагрузке подвергается наиболее хрупкая ошлакованная часть футеровки. Шихта перед загрузкой, как правило, подогревается, но если этого нет шихта влажная и загрязнена маслом, эмульсиями, то рекомендуется наполнять её так, чтобы влажный лом не погружался сразу же в жидкий металл во избежание выбросов. Вообще же первую порцию сырого материала следует загружать при отключенной печи, когда движения металла в ней нет.
Плавка в индукционной печи может быть прерывной и непрерывной. При непрерывной плавке количество жидкого металла, выдаваемого из печи за один раз, составляет 70-80%, а иногда и 100%. Преимуществом этого способа плавки является малое время реакции между расплавом и огнеупорной футеровкой при высоких температурах. Благодаря тому типичная реакция SiO2+2C_←^→2CO+Si не получает должного развития. Другим преимуществом этого вида плавки является возможность сокращения количества проб металла для химического анализа и уменьшения времени на сопутствующие операции. Существенным недостатком прерывной плавки является уменьшение мощности печи при периодическом опорожнении. Вследствие этого при режиме плавки ёмкость печи выбирается несколько большей, чем она была бы выбрана при другом режиме и при одинаковой потребности в металле за определённый промежуток времени.
При непрерывной плавке (из печи за один раз выдаётся не более 1^10всего металла) уменьшение потребляемой мощности не наблюдается. Замеры температуры и определение химического состава делаются через более длительные промежутки времени. При таком способе плавке можно автоматизировать работу печи и добиться оптимальной работы агрегата. При непрерывной плавке металла в печи величина кусков шихты должна быть не особенно мала, чтобы не наблюдалось очень быстрого растворения. Это необходимо для того, чтобы обслуживающий персонал смог за это время ввести легирующие, науглероживающие, раскисляющие и другие добавки с учётом температуры металла.
Большое значение при плавке чугуна в индукционной печи имеет правильный выбор режима в зависимости от ёмкости печи, производительности, величины кусков шихты, потребности в металле и т.д.

При выборе частоты тока в индукционной печи необходимо учитывать ёмкость печи, величину кусков шихты и т.д. Так, например, печь малой ёмкости имеет лучшее показатели при высоких частотах, а печь большей ёмкости – при низких. Если же печь работает на частотах меньших, чем оптимальная (при данных размерах печи), то будет наблюдаться сильное перемешивание металла, что может привести к увеличению количества неметаллических включений в металле. Кроме того, наблюдается большая потеря металла за счёт его окисления. В этом случае некоторые виды скрапа (например, стружка, если в печи нет жидкого металла) не могут быть применены, а срок службы футеровки сокращается втрое. При частоте, выше оптимальной, перемешивание ванны металла очень слабое, что отражается на гомогенности металла, находящегося в печи.

С повышением частоты можно применять более мелкие куски шихты. Если, однако, в печи есть жидкий металл, то это условие можно не соблюдать. При данной требуемой производительности печи с понижением частоты тока потребляемая мощность становится меньше. С увеличением ёмкости эта разность увеличивается. Удельный расход энергии у печей промышленной частоты меньше, чем у высокочастотных печей . Исключением являются печи ёмкостью менее 1т. Рекомендуется вести плавку в печи только тогда, когда она заполнена металлом не менее, чем на ⅔ высоты. В этом случае процент используемой энергии близок к 100.
Перегрев металла в печах промышленной и промежуточной частоты протекает быстро. Скорость перегрева в первых 10°С /мин, во вторых — 30°С/мин. После достижения в печи необходимой температуры металла следует подавать ток небольшой силы. В печах большой ёмкости (10-15т) для поддержания температуры металла постоянной требуется 20-30 кВт•ч на тонну жидкого металла в час. Для нагрева чугуна до 1200°С необходимо 410-430 кВт•ч на тонну.

Получение синтетического чугуна. Синтетическим называют чугун, получаемый в индукционных печах путём переплавки стружки, стальной обрези и других малоценных отходов с дальнейшим науглероживанием расплава и доведением его химсостава до заданного. В работе приведены результаты исследований процесса получения синтетического чугуна из стружки в индукционной высокочастотной печи с кислым тиглем ёмкостью 150кг.

Установлено, что общий угар металла определяется номенклатурой шихтовых материалов и их окисленностью, способом ввода ферросплавов и карбюризатора, температурой нагрева и выдержкой металла. При выплавке чугунов из стальной стружки угар металла меньше по сравнению с выплавкой из чугунной в 2-2,5 раза; при вводе ферросплавов и карбюризатора в завалку он меньше примерно в 1,5 раза, чем при вводе в жидкий металл. Так как стружка всегда в какой-то степени загрязнена, различают весовой и истинный угар металла. Для определения последнего весь образующийся шлак собирали, взвешивали и анализировали. По этим данным рассчитывали количество в нём окислов Fe,Mn,Cr,Si, вносимых шихтой, а разницу относили на засоренность шихты. Истинный угар металла меньше весового на 20-25%. Истинный угар при выплавке синтетических чугунов из стальной стружки составлял от 0,3 до 6,2%, а из чугунной 5,3-9,0%. Авторы это объясняют большей поверхностью и окисленностью чугунной стружки по сравнению со стальной, что подтверждается и количеством образующегося шлака и содержанием в нём окислов Fe, Mn, Si.

Степень и скорость усвоения ферросплавов и карбюризатора, равно как и угар элементов, зависят от способа их ввода, температуры нагрева и выдержки металла. В качестве карбюризатора использовали бой графитовых электродов. Степень и скорость усвоения углерода зависят ещё от размера кусков карбюризатора: если они больше 40мм-скорость усвоения углерода уменьшается на 20-25%. Скорость усвоения углерода жидким металлом с 1,3-1,62%С, 0,15-0,46%Si при 1400-1470°С достигает 0,12% в минуту, в среднем 0,09%, продолжительность науглероживания до 3,2-3,6%С составляет 22-34 минуты, усвояемость углерода из электродного боя – 80-85%.

Для ввода в расплав Si использовали Cu45. Угар Si при вводе Cu45 в жидкий металл выше, чем при вводе в завалку, в 1,4-1,5 раза, он почти не зависит от выдержки металла, но изменяется с нагревом. Кремний выгорает только до 1420-1450°С, а при дальнейшем нагреве восстанавливается углеродом, и при 1500-1550°С наблюдается его пригар с образованием окиси углерода. Скорость усвоения Si малоуглеродистым жидким чугуном с 1,3-1,62%С 0,15-0,46%Si при 1420-1460°C составляет в среднем 0,1% в минуту, а высокоуглеродистым чугуном при этой же температуре – только 0,04% в минуту. Общий угар Si не превышает 25%, а при вводе ферросилиция в жидкий малоуглеродистый чугун составляет в среднем 14,1%.

Читайте также:  Лучший цвет для Шкоды Октавии

Марганец усваивается из Mn 1 на 80-90% со скоростью (при 1460°С) 0,1% в минуту; угар Mn для большинства плавок не превышает 18% и зависит от способа ввода ферромарганца, от температуры нагрева и почти не зависит от выдержки. При вводе ферромарганца в жидкий металл одновременно с ферросилицием и боем электродов Mn горит меньше, чем при вводе в заливку. Степень и скорость усвоения Cr жидким чугуном определяется температурой и при 1365°С составляет 0,08%, а при 1470°С-0,18% в минуту, угар равен 31,5 и 5,5% соответственно.
Максимальное содержание серы в чугунах, выплавленных из стальной стружки, составляет 0,055%, а для большинства плавок не превышает 0,03%. При выдержке чугуна количество серы почти не изменяется, а при нагреве выше 1450°С несколько понижается. При 0,093% S в чугунной стружке содержание S в чугуне не превышает 0,07%. Содержание фосфора в чугунах выплавленных из стальной стружки, очень низкое, но несколько выше, чем в самой стружке; при нагреве металла содержание фосфора увеличивается в результате восстановления углеродом из окислов.

Механические свойства синтетических чугунов несколько выше ваграночных с равным углеродным эквивалентом C_э, зависят от исходных шихтовых материалов, состава, температуры нагрева и выдержки металла. Структура синтетических чугунов при близких температурах заливки зависит не только от их состава, но и от исходных шихтовых материалов. У чугунов с равным C_э структура металлической основы примерно одинаковая, но форма и количество графита зависят от исходных шихтовых материалов. Так, у чугунов, полученных из стальной стружки, включения графита крупные, изолированные и компактные, либо это очень длинные слабо завихренные пластины с притупленными окончаниями. Напротив, у чугунов, полученных из чугунной стружки, пластины графита мелкие и средние, сильно завихренные, пересекающиеся между собой. Разница в количестве и форме графита при равном C_э и близких температурах заливки сказывается на механических свойствах: у чугунов, выплавленных из стальной стружки, они более высокие, чем у чугунов из чугунной стружки. Прочность при разрыве и изгибе и твёрдость с увеличением C_э уменьшаются, а стрела прогиба увеличивается в связи с появлением феррита в структуре. При перегреве чугуна снижается твёрдость, увеличивается прочность при изгибе и стрела прогиба, но почти не изменяется прочность при разрыве. Это связанно с уменьшением в металле газов, особенно азота, и неметаллических включений.

Содержание азота в чугунах из стальной стружки несколько выше, чем в ваграночных и синтетических, выплавленных из чугунной стружки. Это объясняется болеем высоким процентом азота в самой стружке и внесением его ферросплавами, которых при этом вводится в несколько раз больше. Кислорода во всех синтетических чугунах почти столько же, сколько и в ваграночных, а в некоторых случаях даже значительно меньше. Содержание водорода несколько выше.

Наиболее важным металлургическим процессом при плавке синтетического чугуна в индукционной электропечи является науглероживание расплава, так как вся технико-экономическая целесообразность применения индукционных электропечей основана на применении в качестве шихтовых материалов стружки и других малоценных отходов. Науглероживание металла можно производить загрузкой углеродосодержащих добавок прямо в шихту, что, например, часто наблюдается в американской практике. На одном из заводов науглероживание проводится коксом, загружаемым или в шихту, или непосредственно в жидкий металл. При науглероживании коксом усвоение углерода в металле ниже требуемого, то в ванну металла вводят графит, а если оно завышено – добавляется стальной скрап. Дополнительное науглероживание, как правило, приходится производить в среднем для одной плавки из десяти. При надлежащем уровне шихтовки обеспечивается постоянный состав чугуна с заданным содержанием углерода в течение всей смены независимо от остатка металла в печи. Рекомендуется также вводить пылевидный графит в струе газа на зеркало металла с последующей продувкой газа. Можно вводить углеродосодержащие добавки в специальном встряхивающем ковше. После того как содержание углерода поднялось до необходимого значения, целесообразно довести и содержание кремния до желаемого. Усвоение углерода металла в значительной степени зависит от времени его растворения, температуры металла и химического состава исходного металла. Растворение углерода – процесс, идущий с поглощением тепла. Поэтому в период науглероживания необходимо поддерживать температуру металла. Если науглероживание вещества вводятся на ванну жидкого металла, то предварительно необходимо тщательно очистить зеркало металла от шлака.

Большая работа по изучению процессов науглероживания проведена в институте проблем литья АН УССР.
Экспериментальная работа большей частью проводилась в литейном цехе каунасского завода «Центролит » . Опытные плавки вели в тигельных индукционных электропечах с кислой футеровкой ИЧМ-1А, ИЧТ-6, ASEA-8, ёмкостью 1,6, и 8т. В качестве шихтовых материалов применяли дроблёную стальную и чугунную стружку, ферросилиций Cu45 и Cu75, науглероживающие реагенты: бой электродов, электродный порошок, сланцевый кокс, графит.
Электромагнитное перемешивание жидкого сплава в электропечах промышленной частоты оказывает сильное влияние на процесс науглероживания. Установлено, что высокая интенсивность перемешивания в значительной степени способствует быстрому и полному усвоению карбюризатора(рис. 1а). науглероживание является эндотермическим процессом. Поэтому происходит падение температуры в среднем на 50°С на 1% усвоенного углерода.

В результате исследования четырёх карбюризаторов: боя электродов, сланцевого кокса, тигельного графита, электродного порошка – и обработки опубликованных данных по растворимости углеродосодержащих материалов установлена общая для карбюризаторов зависимость усвоения углерода жидким сплавом от содержания углерода в реагенте (рис. 1б). усвоение науглероживателя в печах промышленной частоты вследствие электромагнитного перемешивания на 7-8% выше, чем в высокочастотных печах. Размер частиц реагента для печей ёмкостью 6-8т рекомендуется в пределах 5-10мм, так как более мелкие частицы и пылевидная фракция подвергаются распылению и окислению, а крупные частицы растворяются в металле длительное время.

Сравнение технологических режимов загрузки карбюризатора по двум вариантам: 1 — периодическое введение вместе с шихтой и 2 — введение карбюризатора в конце плавки – показало, что периодическое добавление науглероживателя сокращает продолжительность плавки в среднем на 5 минут на 1т выплавляемого чугуна, снижает расход электроэнергии в среднем на 38 кВт•ч/т, хотя даёт несколько меньшее усвоение реагента жидким сплавом (3,71% против 3,85%). Способ периодического введения карбюризатора признан более экономичным.

Десульфурация чугуна. Если чугун из индукционной печи идёт на переработку в высокопрочный, то необходимо проводить десульфурацию металла. Десульфурация ведётся различными реагентами, вводимыми в металл в струе газа, или другими способами. Весьма эффективно, как уже отмечалось, вести десульфурацию карбидом кальция CaC2, вводимым в металл. Рекомендуется также в металл вводить соду в парообразном или измельчённом состоянии. После обработки металла десульфурирующими реагентами содержание серы в печи снижается до 0,001-0,015%. Степень десульфурации увеличивается с повышением температуры металла, что объясняется уменьшением его вязкости и увеличением скорости диффузии. При очень высоких температурах, около 1600°С, наблюдается частичное снижение степени десульфурации как вследствие реакции карбида кальция с кислородом воздуха и с футеровкой тигля, так и вследствие спекания карбида кальция при 1550°С.
Степень десульфурации зависит и от первоначального содержания серы в чугуне, с понижением которого требуется относительно большой расход карбида кальция. Если серы в исходном чугуне менее 0,04%, то расход обессеривающей добавки очень велик. Чем выше содержание углерода в чугуне, теми лучше обессеривающие действие карбида кальция. Образующийся под действием карбида кальция свободный углерод растворяется в жидком чугуне или выделяется из него в зависимости от его эвтектичности и температуры; практически науглероживание чугуна не наблюдается или эффект его невелик.

В ванну индукционной печи карбид кальция вводится порциями. Крупные зёрна обессеривают чугун лучше, чем мелкие, в противоположность другим способам десульфурации. При постоянном применении карбида кальция следует учитывать понижение стойкости кислой футеровки.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector