Технология плавки в индукционной печи

Физико-химические особенности плавки в индукционных печах

Плавка в индукционных печах ведется с болотом – шихта загружается в жидкий металл, оставшийся от предыдущей плавки. В связи с этим нагрев и расплавление шихты связаны с растворением ее компонентов в жидком металле, которое сопровождается массопереносом между фазами и поглощением теплоты не только на нагрев, но и на растворение.

Из приведенных данных видно, что растворение углерода протекает со значительным поглощением теплоты, а растворение кремния – с выделением. Отсюда следует важный вывод, что в индукционных печах энергетически выгоднее использовать низкокремнистые шихтовые материалы, а содержание кремния доводить до требуемого при помощи ферросплавов.

Таблица – Тепловые эффекты растворения

Растворитель	Растворяемый компонент	Изменение энтальпии ∆Н, Дж/(г∙атом)
Чугун:	Сталь (0,6% С)
3,3% С	Кокс
3% С	ФС75

Второй важной особенностью плавки чугуна в индукционной печи является протекание тигельной реакции.

Угары элементов и весь процесс плавки в индукционной печи с кислой футеровкой тесно связаны с равновесием тигельной реакции. Диаграмма равновесных концентраций углерода и кремния при различных температурах. Если в индукционной печи плавить чугун с низким содержанием кремния и высоким содержанием углерода, то при достижении равновесной для данных концентраций кремния и углерода температуры начнет протекать тигельная реакция, что приведет к повышенному износу тигля печи и быстрому выходу ее из строя. В связи с этим температурный режим плавки в печи с кислой футеровкой необходимо выбирать в зависимости от химического состава перегреваемого жидкого чугуна.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузку шихты, нагрев и расплавление ее, перегрев, науглероживание и доведение химического состава чугуна до заданного, а также термовременную обработку (выдержку). Загружаемая шихта частично погружается в расплав, создавая сплошную электропроводную среду, в которой индуктором наводятся вихревые токи. Загрузка в жидкий металл (остаток от предыдущей плавки, называемый зумпфом или «болотом») необходима потому, что при использовании электрического тока промышленной частоты в дискретных элементах шихты наведение вихревых токов малоэффективно. Вихревые токи разогревают металл, и он плавится. Масса зумпфа доходит до 50% от общей массы металла в печи (емкости печи) и соответственно влияет на длительность периодов плавки. При этом загрузка в «болото» может осуществляться в несколько стадий. Так, при плавке в печи с массой садки 12 т и зумпфе массой 5 т соблюдается такая последовательность и длительность периодов: загрузка 5–6 т шихты (кроме возврата) 15 мин; расплавление 1 ч 5 мин; доводка химического состава 40 мин; загрузка возврата (2 т) 10 мин; расплавление возврата 15 мин; доводка по температуре, скачивание шлака 25 мин. В результате получается, что часовая производительность печи составляет около 1/3 от ее массы садки.

Иногда цикл плавки значительно отличается от приведенного выше. Например, при плавке в индукционных тигельных печах с массой садки 65 т загрузка осуществляется порциями по 7 т в «болото» массой 58 т. Загружаемые 7 т твердого металла, подогретого до 500 °С, быстро расплавляются, и через 10 мин уже производится выдача 7 т жидкого металла с температурой 1550°С.

Во время нагрева и плавления шихты происходят процессы окисления железа. Кислород воздуха окисляет также примеси железа. Окислы железа, кремния, марганца образуют шлак. Закись железа окисляет элементы чугуна.

При плавке чугуна в индукционных печах для восстановления железа из FeO целесообразно расходовать карбюризатор и экономить ферросплавы. Плавку необходимо вести при низком содержании кремния и марганца в расплаве и высоком содержании углерода. Для этого карбюризатор необходимо вводить на дно тигля в завалку, а ферросилиций и ферромарганец – в жидкий чугун после его расплавления и перегрева. При загрузке углеродсодержащих присадок ФС75 и ФМн5 в завалку угар С, Si и Мn составляет соответственно 18–25, 30–32 и 52–55%. Наоборот, при вводе карбюризатора в завалку, а ФС75 и ФМп5 после перегрева до 1550 °С и охлаждения в печи до 1440–1460 °С угар углерода увеличивается до 30–35%, а угар кремния и марганца резко снижается и составляет 5–7 и 18–24% соответственно. В связи с этим, а также учитывая тепловые эффекты растворения компонентов, в первую очередь необходимо загружать карбюризатор и стальной лом. После их расплавления и растворения следует производить загрузку чугунного лома и возврата, ферросплавы вводить в последнюю очередь (при доводке).

Шлаки индукционной плавки обладают большой вязкостью, так как содержат 60–70% SiО₂ и имеют низкую температуру, что может привести к значительным потерям металла со шлаком. Их состав связан с режимом плавки, угаром элементов и переходом окислов из поверхностного слоя футеровки в шлак. Кислотность шлаков возрастает от 0,9–1,1 в начале плавки до 6–8 при достижении температуры 1500 °С, содержание окислов железа в шлаке уменьшается с 40 до 10%, соответственно увеличивается содержание SiO₂ с 40 до 70%. Содержание остальных компонентов изменяется незначительно (2–3% СаО, 0,5–2,5% МnО, 7–14% А1₂0₃). Увеличение содержания Si0₂ объясняется переходом ее из футеровки в результате образования сложных соединений типа SiO₂∙nFeO∙mMnO, имеющих низкую температуру плавления, а также повышением ее удельной доли в шлаке вследствие снижения содержания FeO, которая восстанавливается при высокой температуре преимущественно углеродом чугуна.

Науглероживание чугуна и доведение его до определенного химического состава является одной из основных операций индукционной плавки чугуна.

Заключительной операцией индукционной плавки чугуна является термовременная обработка, которую проводят с целью гомогенизации расплава и уменьшения вредного влияния наследственности исходных шихтовых материалов. Термовременная обработка представляет собой выдержку при температуре на 50 °С превышающей равновесную температуру тигельной реакции. Длительность выдержки от 5 мин для СЧ 18 до 20 мин для СЧ 45.

Дата добавления: 2014-01-06