Оборудование и технология плавки алюминиевых сплавов

К конструкции печей для плавки алюминиевых сплавов предъ­являют ряд требований: печи должны обеспечивать максимальную производитель­ность и наименьший удельный расход топлива; широкая механизация работ по загрузке шихты и по всем трудоемким операциям приготовления расплава и обслуживания плавильной ванны; равномерный прогрев ванны с тем, чтобы исключить недо­пустимые перегревы; максимальная скорость расплавления шихты; оптимальные геометрические характеристики рабочего про­странства – увеличение отношения глубины ванны к поверхности расплава (с целью уменьшения поверхности контакта печной атмосферы с зеркалом расплавленного металла); получение высоких технико-экономических показателей: минимальных безвозвратных потерь металла, удельных расходов топлива, удельного использования производственных площадей, удельной трудоемкости, минимальных себестоимостей тонны литья и ряд других.

Подавляющее большинство печей, применяемых в отечествен­ной металлургии алюминиевых сплавов, имеет принципиально одинаковую конструктивную схему. Печи состоят из следующих основных частей: рабочего пространства (ванны), сжигательных устройств и установки для использования тепла отходящих про­дуктов горения – рекупе­ратора. Рабочее простран­ство и рекуператор соеди­нены вертикальными дымо­отводами – опусками. Большинство плавильных печей, применяемых в отечественной металлургии алюминиевых сплавов, работает на природном газе. В отдельных случаях применяют мазут и генераторный газ.

На рис. 1 показана плавильная отражательная печь емкостью 30 т, обогреваемая мазутом. Печь обслуживается с плавильной площадки, а ниже уровня пола цеха в приямке располагается керамический рекуператор. На фронтовой стенке рабочего про­странства (ванны печи) размещены окна, через которые загружают шихту и чистят ванну, Размеры окон рассчитаны на проход мульды. На противоположной стенке находится карман, куда вводится сифон, передающий металл в миксер.

Применение отражательных печей большой емкости с откры­вающимся полностью фронтом позволило механизировать загрузку шихты с помощью мульдозавалочных машин, снятие шлака и чистку ванны.

Для выполнения операций, связанных с приготовлением рас­плава, например, перемешиванием, необходимо обеспечить переме­щение хобота по всей длине ванны печи.

Специальное внимание уделяют выбору типа рекуператора для установки на крупные плавильные печи. В спусках печей температура отходящих газов в период плавки и перегрева металла составляет 1150-1180 °С. Следовательно, рекуператоры должны удовлетворять двум требованиям: обла­дать устойчивостью против воздействия флюсов, содержащихся в дымовых газах, и высокой теплостойкостью. Общим этим требованиям в условиях крупных плавильных печей наилучшим образом удовлетворяют керамические рекуператоры. Поэтому большинство печей оснащено рекуператорами этого типа, несмотря на их известные недостатки: большие раз­меры и вес, малую газоплотность, меньшие по сравнению с метал­лическими значения коэффициентов теплопередачи и необходи­мость работы дутьевых вентиляторов на отсосе, т. е. на горячем воздухе.

Рис.4.4. Плавильная отражательная печь емкостью 30 т, обогреваемая мазутом: 1 – ванна печи; 2 – керамический рекуператор и блоков; 3 – загрузочные окна; 4 – переливной карман; 5 – форсунки

Кладка стенок и подины ванны должна обладать достаточной механической прочностью, плотностью, химической пассивностью при взаимодействии с расплавом.

Для футеровки ванн до последнего времени применяли два вида материалов: шамот и магнезит. Весьма широко использо­вали шамотный кирпич, отличающийся невысокой стоимостью и большой термической стойкостью. Однако его серьезные недо­статки как футеровочного материала привели к необходимости поисков и применения других видов огнеупоров. Шамот вступает в химическое взаимодействие с алюминиевым расплавом. В резуль­тате восстановления алюминием кремнезема футеровки повы­шается содержание кремния в металле, что крайне нежелательно для ряда сплавов.

Алюминий способен глубоко проникать в шамотную футеровку ванны. Проникновение металла и его химическое взаимодействие с кладкой приводят к повреждениям ее отдельных участков, росту безвозвратных потерь алюминия и металлизации подины с пре­вращением ее в массивный монолит. Это значительно затрудняет ремонт печи и увеличивает потери тепла. Наконец, при шамотной футеровке ванна сравнительно быстро зарастает окислами ме­талла, что уменьшает ее полезный объем.

Второй футеровочный материал – магнезит из-за большой плотности препятствует проникновению алюминиевого расплава и не вступает с ним в химические реакции. Недостаток магнезита – его сравнительно низкая термостойкость. Более высокую термо­стойкость имеет хромомагнезит. Он хорошо препятствует про­никновению алюминия в кладку ванны. Но при хромомагнезитовых футеровках повышается содержание в расплаве хрома.

Для предотвращения прорыва металла через кладку в любых по конструкции и размерам ваннах плавильных печей необходимо укладывать по всей площади подины и стенок засыпку толщиной 60-70 мм из мелкого магнезитового порошка.

Индукционные плавильные печи. Индукционный нагрев металлов основан на том, что тело, по­мещенное в переменное магнитное поле, нагревается индуктируе­мыми в нем токами. В зависимости от взаимного расположения индуктора и нагреваемого металла печи конструктивно могут быть выполнены в двух вариантах:

1. нагреваемый металл находится в кольцевом желобе или каналах, расположенных вокруг индуктора с сердечником, и является вторичным контуром;

2. нагреваемый металл находится в тигле, помещенном в по­лость индуктора.

Первый тип носит название индукционных печей с сердечни­ком (канальные печи); второй – индукционных печей без сердеч­ника (тигельные печи).

В зависимости от частоты питающего тока индукционные печи могут быть низкой (промышленной), повышенной и высокой час­тоты.

Плавление в индукционных канальных печах по сравнению с плавлением в отражательных печах имеет некоторые особен­ности.

В индукционной канальной печи в отличие от пламенной шихта плавится под слоем расплава, защищенного с поверхности окисной пленкой, что полностью исключает соприкосновение рас­плавляющегося металла с атмосферой печи.

Температура металла, проходящего через каналы печи, в не­которых случаях достигает 900-1000 °С, однако температура по­тока металла, вышедшего из канала, резко снижается вследствие высокой теплопроводности и интенсивного перемешивания рас­плава. Поверхностные слои металла работающей печи либо по­крыты коркой (в период расплавления шихты), либо имеют наи­более низкую температуру.

Индукционные канальные печи обеспечивают перемешивание расплава, что улучшает теплообмен и гомогенность расплава.

В отличие от применявшихся ранее печей с вертикальными каналами в настоящее время работают печи, имеющие горизон­тальные каналы с небольшим наклоном. Замена вертикальных каналов горизонтальными снижает гидростатическое давление и, таким образом, облегчает условия работы подового камня. Однако с уменьшением гидростатического давления облегчается возникно­вение так называемого сжимающего эффекта, т.е. уменьшение сечения металла в каналах под действием электродинамических сил.

Возникновение сжимающего эффекта нежелательно по ряду причин. Разрыв витка в канале приводит к прекращению действия сжимающего эффекта. Поскольку уровень металла в ванне зна­чительно выше уровня каналов, то после окончания действия сжи­мающего эффекта под действием гидростатического давления по­токи металла в канале устремляются навстречу один другому, что приводит к появлению резких «толчков» давления, действие которых усугубляется многократным и частым их повторением. При определенных величине тока в канале и высоте уровня ме­талла в ванне, его температуре и сечении каналов металл в канале пережимается не полностью, а возникает лишь частичное умень­шение сечения, что приводит к увеличению сопротивления витка из расплавленного металла. Это вызывает резкое местное повыше­ние температуры металла в канале, чрезмерный перегрев футеровки и может служить причиной ее оплавления.

Практика эксплуатации показывает, что на вероятность воз­никновения сжимающего эффекта большое влияние оказывает тем­пература металла.

Поскольку вторичная обмотка печного трансформатора пред­ставлена витком из расплавленного металла, находящегося в ка­налах и ваннах печи, то объем металла, заключенный в канале под действием электродинамических сил, приобретает направленное движение. По мере движения по каналу металл нагревается и наиболее высокую температуру приобретает на выходе из него.

Индукционные канальные печи. В России индукционные плавильные печи с сердечником и закры­тыми каналами начали строиться с 1930 г. первоначально для плавки латуни, а затем для плавки других металлов. По мере совершенствования печей возрастала их емкость.

Конструктивно печь представляет собой корпус прямоуголь­ной формы из профильной и листовой стали (рис.4.5).

Рис.4.5. Индукционная канальная печь: 1 – загрузочная ванна; 2 – сливная ванна; 3 – каналы; 4 – подовый камень

Основные части печи: две ванны — загрузочная и сливная, соединенные между собой прямоугольными каналами, выполнен­ными в подовом камне, а также средняя камера, предназначенная для установки печного трансформатора.

Печной трансформатор состоит из магнитопровода, выполненного в виде верхнего и нижнего ярма и трех кернов, на которые надеты индукторы, служащие первичной обмоткой трансформатора. Вто­ричный контур – расплавленный металл, находящийся в каналах и ваннах, причем при сливе готовой плавки часть расплава, не­обходимая для создания вторичного витка (т. н. «болото»), всегда остается в печи

Индукторы имеют водяное охлаждение, в рабочем режиме со­единяются по схеме треугольника, а при сушке и спекании футе­ровки, производящихся сразу же после пуска печи. Цапфами печь опирается на четыре специальных подшипника, причем передние цапфы расположены на уровне сливного носка.

Печь питается от силового трансформатора. На низкой стороне транс­форматор имеет семь ступеней напряжения в диапазоне от 910 до 1114 в для регулирования снимаемой мощности. Для сушки футеровки и поддержания «болота» в жидком состоянии печь снабжена автотрансформатором мощностью 220 кВа с напряже­нием на вводе 380 в и пятью ступенями напряжения в диапазоне от 76 до 456 в. Для компенсации коэффициента мощности парал­лельно индукторам подключена конденсаторная батарея мощно­стью 2880 кВа. Для сливки металла печь наклоняется гидравлической установкой.

Футеровка печи состоит из двух частей: подового камня с кана­лами, изготовляемого набивкой из специальной огнеупорной массы, и выкладываемых из кирпича стенок ванн. Конструктивно подовой камень представляет собой монолитный блок с тремя вер­тикальными прямоугольными отверстиями для индукторов и четырьмя горизонтальными прямоугольными каналами сечением 60×120 мм, длиной 1700-1800 мм (большая длина относится к крайним каналам), расположенными между отверстиями для ин­дукторов.

Подовый камень работает в наиболее тяжелых условиях, по­скольку для уменьшения магнитного потока рассеяния стенки каналов изготовляют возможно меньшей толщины, в результате чего создается значительный температурный градиент.

Одним из основных препятствий, долгое время затруднявших применение индукционных канальных печей для плавки алюми­ния, была склонность к так называемому зарастанию каналов, т.е. постепенному осаждению окислов и шлаков на стенках с уменьшением их живого сечения. Зарастание каналов ускоряется при высоком содержании в расплаве кремния, железа и магния, при плавлении сильно окисленной шихты и низком уровне «болота», а также при работе на пониженной мощности, что ведет к снижению скорости движения металла в каналах.

Шлаки и окислы удаляют со стенок каналов с целью восста­новления их первоначального сечения с помощью специальных машин.

Индукционные тигельные печи промышленной частоты. Индукционные плавильные тигельные печи промышленной час­тоты в настоящее время применяют для переплава отходов алю­миния и его сплавов.

Конструктивно печь (рис.4.6) представляет собой тигель из огнеупорного материала, окруженный индуктором и установ­ленный на подине, укрепленной в металлическом каркасе. Вся печь с помощью гидравлических цилиндров может повора­чиваться для слива металла вокруг оси.

Рис.4.6. Индукционная тигельная печь: 1 – тигель; 2 – индуктор; 3 – подина; 4 – каркас; 5 – гидравлические цилиндры; 6 – ось поворота печи

Состояние тигля и наличие утечек на землю контролируется сигнализатором утечки, позволяющим своевременно определять сроки ремонтов. Тигель печи изготовляют из жаростойкого бетона или набивной массы.

Высокая производительность ин­дукционных печей при небольшой производственной площади, занимае­мой печью, обеспечивает получение наиболее высокого съема металла с единицы производственной площади.

Для обеспечения дальнейшего повышения технологических показателей работы и качества выплавляемого металла конструк­ция индукционных канальных печей должна совершенствоваться в следующих направлениях:

а) создание однованных со съемными индукционными едини­цами печей и миксеров с обеспечением эффективного рафинирова­ния и разлива под слоем нейтральной газовой среды;

б) создание и внедрение высокопрочных и термически стойких составов футеровочных масс, не смачиваемых алюминием и его окислами, что в свою очередь позволит значительно упростить и улучшить конструктивное решение узла – подовый камень – магнитная система;

в) разработка оптимальных компоновок плавильно-литейных агрегатов и внедрение в производство более современных способов перелива металла.

Электрические плавильные печи сопротивления и литейные миксеры. Преимущество печей типа САН: получение металла достаточно высокого качества и сравнительно высокий к.п.д. – 55-60 % (при правильно выбранной конструкции и хорошем монтаже).

Однако эти печи отличаются рядом недостатков:

а) нагреватели могут размещаться только на своде и иметь небольшую удельную мощность, составляющую 30-35 кВт/м². Это приводит к увеличению размеров зеркала ванны при малой ее глубине, а также площади, занимаемой всей печью;

б) низкой производительностью, не превышающей для печей емкостью 7 т 800-900 кг/ч;

в) трудностями эксплуатации, связанными с частым выходом из строя нагревательных элементов из-за попадания на них частиц расплавленного металла и флюсов, и невозможностью механизи­ровать процессы загрузки и приготовления расплава;

г) по перечисленным причинам нецелесообразно строить печи большой емкости, так как они будут иметь низкие технико-эконо­мические показатели: удельный съем металла с 1 м² площади и высокую трудоемкость работ при эксплуатации.

Перечисленные недостатки печей типа САН привели к прак­тически полной замене их пламенными отражательными печами.

Литейные миксеры. Качество расплава во многом зависит от литейных миксеров. Их атмосфера должна содержать минимальное количество водяных паров. Глубина ванны желательна возможно большая. Заданную температуру металла необходимо поддерживать с достаточной точностью, а перепад температур по объему расплава должен быть минимальным.

В настоящее время миксеры работают на двух видах обогрева – пламенном и электрическом. Электрические миксеры имеют существенное преимущество, по­скольку они частично дегазируют и, во всяком случае, не увеличи­вают газонасыщенности металла.

Но вместе с тем у них есть и эксплуатационные недостатки. Нагревательные элементы в электрических миксерах могут рас­полагаться только на своде. Размещение их в пазах кладки свода создает большую степень экранизации, что в сочетании с воздей­ствием на них рафинирующих средств и частиц металла приводит к сравнительно частому выходу их из строя. Смена и обслуживание нагревателей связаны с определенными трудностями.

На рис. 10 показан электрический миксер агрегата для отливки круглых слитков, представляющий собой электрическую печь сопротивления, в которой в значительной мере сохранились кон­структивные элементы печи САН-7.

В условиях эксплуатации весьма ответственная часть миксера – узел электронагревателей. Способы их размещения определяют также и конструкцию свода.

Рабочее пространство по ширине перекрыто двумя рядами бло­ков, каждый из которых на тягах подвешен к двутавровой балке. Балка несет четыре блока и опирается на металлоконструкцию каркаса миксера.

При выборе мощностей электронагревателей миксеров следует учитывать условия компенсации тепловых потерь. Но в процессе приготовления расплава в ряде случаев возникает необходимость поднять температуру ванны миксера на 40-50° С в сравнительно короткие промежутки времени. Поэтому нагреватели рассчиты­вают на мощности выше тех, которые необходимы для компенсации тепловых потерь. Практически миксеры с емкостями ванн 25-35 т имеют тепловую мощность 400-500 кВт. Удельный расход элек­троэнергии на 1 т расплава составляет 80-85 кВт*ч/т.

Рис.4.7. Электрический миксер: 1 – ванна; 2 – подвесной свод; 3 – нагреватели; 4 – летки для выдачи металла

Дата добавления: 2014-01-03