Способы плавки цветных металлов

Топливные печи для плавки цветных металлов подразделяются на тигельные, отражательные и шахтно-ванные (рис. 3.3).

В попливных тигельных печах используют графитовые графито-шамотные, а также литые чугунные или сварные стальные тигли. В качестве топлива применяют газ, реже – мазут. Тигельные топливные печи целесообразны при небольших объемах металла и частой смене типа сплава (на основе Al, Mg, Cu, Zn). Емкость топливных тигельных печей от 150 до 500 кг. Достоинства таких печей – простота и надежность в эксплуатации, отсутствие непосредственного контакта металла с продуктами горения топлива, небольшой угар, удобство проведения модифицирования, рафинирования, дегазации, легирования. Недостатки: ограниченная емкость тигля, низкий тепловой КПД (н.б. 10%), большой расход тиглей, низкая производительность.

Недостатком металлических тиглей является растворение железа и переход его в состав сплава, что ухудшает свойства последнего.

Топливные отражательные печи имеют емкость от 1,5 до 30 т. Используются для сплавов на основе Al, Mg, и Cu. Длительность плавки – 3,5–5,5 ч. Достоинства отражательных печей – высокая производительность, возможность использования крупногабаритной шихты, простота обслуживания. Недостатки: возможность прямого контакта продуктов горения с металлом, большой угар полезных примесей, низкий тепловой КПД (н.б. 30%).

Шахтнованные печи включают зону нагрева твердой шихты, зону плавления и зону сбора и перегрева жидкого металла. Такая схема значительно повышает тепловой КПД (до 60%). К достоинствам процесса можно также отнести высокую производительность, непрерывность технологического процесса, возможность полной автоматизации процесса плавки. Недостатки – прямой контакт металла с продуктами горения топлива, значительный угар полезных примесей.

В электрических тигельных и отражательных печах сопротивления применяют проволочные нихромовые или карборундовые электронагреватели (рис. 3.4.). В отражательных печах нагревательные элементы расположены у свода печи. Шихту загружают через окна в стенах печи. После расплавления металл сливают путем наклона печи. В этих печах плавят только цветные сплавы на основе Al, Mg и Zn. Тигельные электропечи сопротивления используют, когда требуется небольшой выпуск при большом разнообразии сплавов.

Емкость тигельных электропечей составляет от 150 до 550 кг (по Al), мощность – от 40 до 80 кВт. Печи просты по конструкции, обеспечивают получение сплавов высокой чистоты. К их недостаткам следует отнести низкий тепловой КПД, а также низкую производительность.

Отражательные электропечи имеют широкое применение как для плавки цветных сплавов, так и для их миксирования (накопления, выравнивания химсостава и температуры сплава). Емкость – от 5 до 30 т, мощность – до 500 кВт.

Индукционные тигельные и канальные печи для плавки цветных сплавов по принципу действия не отличаются от индукционных печей для плавки черных сплавов. В них плавят цветные сплавы на основе Zn, Al, Cu.

Для плавки магниевых сплавов используют стальные тигли. Частота тока – 50 гц. При этом тепло выделяется как в кусочках металла шихты, так и в стенках тигля. Для плавки магниевых сплавов плавильные печи снабжают герметичной крышкой, которая позволяет вести плавку в нейтральной или защитной атмосфере. Для плавки сплавов на основе меди применяют графитовые тигли.

Канальные индукционные печи используют для непрерывной (3-х сменной) работы, их емкость – от 0,4 до 40 т. К достоинствам индукционных канальных печей можно отнести минимальную окисляемость и испаряемость металла, высокий КПД, однородность химсостава. К недостаткам – низкая стойкость футеровки (из-за перегрева на 100–200 °С), быстрое зарастание каналов оксидами и шлаками, необходимость постоянно держать металл в расплавленном состоянии.

Электродуговые печи для плавки цветных металлов подразделяются на печи косвенного и прямого нагрева (рис. 3.5.).

В печах косвенного нагрева (обычно – барабанного типа) бόльшая часть тепла от электрической дуги к расплавляемому металлу передается излучением. Печи этого типа применяются для плавки только сплавов на основе меди и крайне ограниченно.

Электродуговые печи прямого нагрева используются для плавки тугоплавких, химичски активных металлов и сплавов (на основе Ni, Ti, а также легированных сталей). Это – электродуговые вакуумные печи с расходуемым электродом, а также печи для плавки в гарнисажном тигле.

В качестве примера на рис. 3.6. приведены схемы вакуумно-дуговой гарнисажной плавки сплавов на сонове титана, Тигель 3 изготовлен из плотных сортов электродного графита. Для предотвращения растворения углерода в титане на внутреннюю поверхность тигля намораживают слой металла 1 (гарнисажа), оптимальная толщина которого составляет 50…60 мм в донной части и 12–16 мм по стенкам. Снаружи тигель интенсивно охлаждают водой (5). Помимо графитовых тиглей используют и медные гарнисажные тигли.

Сущность гарнисажного способа плавки (на примере плавки Ti) заключается в том, что сначала на стенки гарнисажного плавильного тигля 3 наплавляется защитный слой жидкого металла 2 за счет нагрева и расплавления торцевой части расходуемого электрода 4 и стекания капель жидкого металла на дно тигля. После этого на дно гарнисажного тигля загружают до 30% крупнокусковых отходов собственного производства (прибыли, брак отливок), прошедших механическую и химическую очистку. Между расходуемым электродом и кусками шихты зажигают электрическую дугу. Расходуемый электрод и кусковые отходы плавятся и жидкий металл накапливается в гарнисажном тигле. В процессе плавки толщина гарнисажа 1 не должна меняться существенно.

Электронно-лучевые, плазменные и электрошлаковые плавильные печи используются для получения особо высококачественных слитков и отливок из сплавов на основе Cu, Ni, Ti и других активных металлов. Однако в традиционном машиностроении применяется очень редко.

При выборе способа плавки необходимо учитывать прежде всего химическую активность составляющих конкретного литейного сплава. Кратко рассмотрим особенности плавки только сплавов на основе магния и титана. При плавке магниевых сплавов их необходимо защищать от окисления и насыщения водородом. При окислении на поверхности расплава образуется пористая рыхлая пленка оксида магния (MgO), не предохраняющая его от дальнейшего окисления и загрязнения. Окисление замедляется в атмосфере сернистого газа (SO₂ образует пленку MgSO₄), или углекислоты (СО₂). Магниевые сплавы при расплавлении интенсивно поглощают водород, что приводит к микропористости в отливках. С учетом этого плавку магниевых сплавов ведут под флюсом (MgCl₂ · KCl – карналит и CaCl₂) в среде защитных газов (смесь SO₂ или CO₂ с воздухом в присутствии до 0,1% SF₆). Магний склонен также к возгоранию. В этой связи недопустим контакт металла, флюсов и тиглей с влагой.

После расплавления магниевые сплавы подвергают рафинированию и модифицированию.

Рафинирование производится с целью удаления из расплава неметаллических включений, водорода и железа: за счет отстаивания в печи при температуре 750˚ до 30 мин, обработки флюсами (MgCl₂ · 5MgO), продувки инертными и активными газами (азот, аргон, хлор, углекислый газ) в течение 15–30 мин, фильтрования через сетчатые или зернистые фильтры.

Модифицирование – это введение в расплав модификаторов (циркония 0,3–1%, углеродосодержащих веществ, мрамора, мела, магнезита, гексахлор-этана) с целью измельчения зерна и повышения механических свойств расплава.

К особенностям плавки титановых сплавов можно отнести высокую температуру плавления (порядка 1665º С) и высокую химическую активность при нагревании свыше 500º С. Сплавы титана в жидком виде взаимодейтсвуют со всеми газами, а также со всеми огнеупорными материалами, используемыми для футеровки плавильных печей. При взаимодейтсвии с кислородом образуется плотный наружный слой оксида титана (TiO₂) и рыхлая газонасыщенная прослойка. С увеличением содержания кислорода растут прочность и твердость сплава, но резко уменьшается его пластичность. Высокая химическая активность титана обуславливает необходимость плавки в вакууме или атмосфере инертных газов по специальной схеме – вакуумно дуговой гарнисажной плвки (рис. 3.6.) Вакуум – на уровне 0,13–1,33 Па, напряжение тока – 30–60 в, сила тока 14–35 кА, длина дуги – 50–60 мм. Потери титана в процессе плавки – 0,1–0,2%. В качестве расходуемого электрода применяют прессованную титановую губку с добавлением легирующих элементов.

Рис. 3.1. Оборудование для плавки чугуна и стали:

а) вагранка (1 – копильник, 2– шлаковая летка, 3– летка для металла, 4– переходная летка, 5– днище, 6 – колонны, 7 – опорное кольцо, 8 – лещадь, 9 – горн, 10 – фурма,

11 – воздушная коробка, 12 – огнеупорный кирпич, 13 – кожух, 14 – загрузочная площадка, 15 – чугунный «кирпич», 16 – загрузочное окно, 17 – загрузочный кран,

18 – искрогаситель, 19 – бадья, 20, 21 – рабочая калоша)

Рис. 3.1. Оборудование для плавки чугуна и стали (продолжение):

б) дуговая электропечь для плавки стали или чугуна (1 – огнеупорный кирпич,

2 – желоб, 3 – шихта металлическая, 4 – кожух, 5 – стенка, 6 – свод, 7 – кабель,

8 – электродержатель, 9 – электрод, 10 – рабочее окно, 11 – механизм наклона,

12 – подина); в) индукционная электропечь высокой частоты

(1 – водоохлаждаемый индуктор, 2 – металл жидкий,

3 – графитовый или набивной тигель)

Рис. 3.2. Индукционная канальная печь: 1– сердечник, 2 – канал

Рис. 3.3. Топливные плавильные печи:

а) тигельная, б) отражательная, в) шахтно-ванная

Рис. 3.4. Электрические печи сопротивления: а) тигельная, б) отражательная

Рис. 3.5. Электродуговые и электрошлаковые печи: а) электродуговая косвенного действия, б) электродуговая для плавки в кристаллизаторе,

в) для электрошлаковой плавки

Рис. 3.6. Схема вакуумно-дуговой гарнисажной плавки: 1 – гарнисаж, 2 – жидкий металл, 3 – тигель, 4 – расходуемый электрод, 5 – система охлаждения тигля

Дата добавления: 2014-01-11