Особенности технологии и оборудование для получения цинковых сплавов

Электроннолучевые вакуумные печи.В печах этого типа источником теплоты является энергия электронного луча, который представляет собой поток электронов, эмитированных ка­тодом и ускоренных в электрическом поле высокого напряжения.

Кинетическая энергия электронов при попадании их на рас­плавляемый металл превращается в тепловую энергию. Металл за счет выделяющейся теплоты нагревается до температуры плавления, плавится и значительно перегревается. Принципиаль­ная схема электроннолучевой вакуумной печи с аксиальной пушкой показана на рис.4.3. Переплавляемый металл в виде штанг загружают в печь, в которой они последовательно расплавляются. Подачу штанг под электронный пучок, фокусировку и отключение пучка с по­мощью электромагнитных систем производят автоматически. По­добные печи имеют электронные пушки мощностью до 1700 кВт. Вакуум в плавильном пространстве регулируют в зависимости от свойств расплавляемого материала в пределах от 10² до 10⁵ тор. При электроннолучевой плавке резко снижается содер­жание в металле газов, неметаллических включений и нежела­тельных микропримесей цветных металлов.

Рис.4.3. Схема электроннолучевой печи: 1 – катод; 2 – магнитные линзы; 3 – система отклонения пучка; 4 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 5 – слиток на подвижном поддоне; 6 – плавильная камера; 7 – слиток; 8 – камеры промежу­точной электронной пушки

Особенности плавки титановых сплавов. При нагреве на воздухе титан взаимодействует со всеми газами. Взаимодействие твердого титана с кислородом сопровождается образованием оксидов TiO₂, Ti₂О₃ и TiO. С повышением темпера­туры кислород диффундирует внутрь металла, образуя твердые растворы внедрения. Жидкий титан растворяет кислород. При кристаллизации титан с кислородом образует ряд твердых раство­ров. С увеличением содержания кислорода ухудшается технологи­ческая пластичность, резко падает ударная вязкость, относитель­ное удлинение и сужение, повышаются прочность и твердость. В пределах до 0,2 % (по массе) каждая сотая доля процента кисло­рода повышает предел прочности на 12,3 МПа, твердость на 39 МПа и снижает относительное удлинение и сужение на 1-1,2 %. Азот также образует с титаном растворы внедрения и упрочняет его. Каждая сотая доля процента азота повышает предел прочности титана на 19,6 МПа и твердость на 59 МПа. При содержании 0,2 % азота титан становится хрупким. Растворение кислорода и азота в титане является необрати­мым процессом.

Растворимость водорода в титане (до 400 см³/г) на четыре по­рядка выше, чем в алюминии. С повышением температуры раство­римость снижается. Водород снижает тем­пературу полиморфного превращения. Присутствуя в виде гидрида титана ТH₂, водород резко снижает пластические характери­стики, особенно ударную вязкость. Водород – одна из наиболее вредных примесей титана.

Углерод с титаном образует стойкий карбид ТiС, повышает температуру его полиморфного превращения, и в области малых концентраций каждая сотая доля процента углерода увеличивает предел прочности на 7 МПа и твердость на 19 МПа.

Титан активно взаимодействует с парами воды, оксидом и ди­оксидом углерода, углеводородами и другими газами. Результатом взаимодействия является обогащение расплава кислородом, водо­родом, углеродом.

Наряду с газами титан взаимодействует со всеми огнеупорными материалами, восстанавливая окислы и растворяя углерод.

Высокая химическая активность обусловливает необходимость плавки титана и сплавов на его основе в вакууме или атмосфере инертных газов — аргона и гелия. В практике отечественных заводов преимущественно используют вакуумную плавку при остаточном давлении в печи 1,33-0,13 Па.

Для изготовления фасонных отливок плавку ведут в дуговых гарниссажных печах с расходуемым электродом в графитовых тиглях при плотности тока 10-30 А/см². Для изготовления тиглей используют плотные сорта электродного графита. Насыщение сплавов углеродом предотвращают намораживанием на внутрен­нюю поверхность тиглей слоя металла (гарниссажа) толщиной 50-60 мм в донной части и 12-16 мм по стенкам. В качестве рас­ходуемого электрода применяют слитки первого переплава диа­метром 170-300 мм и длиной 500 мм. При выплавке сплавов в шихте используют до 30 % крупнокусковых отходов собствен­ного производства (прибыли, бтряки, брак отливок), прошедших очистку в галтовочных барабанах. Отходы загружают на дно тигля до начала плавки. Режим плавки: сила тока 14-35 кА; напряжение 30-50 В; скорость наплавления сплава 0,7-1,34 кг/кВт*ч (8-15 кг/мин); длина дуги 60-80 мм. Расплав пере­мешивают с помощью соленоида.

Шихтовые материалы. Шихтовыми материалами для производства слитков из титановых сплавов являются титановая губка, легирующие элементы в виде чистых металлов и лигатур, отходы собственного производства.

Титановая губка представляет пористую металлическую массу серого цвета с размером кусков от 2 до 70 мм в поперечнике.

Для проведения плавки из шихтовых материалов изготав­ливают расходуемые электроды. В чистом виде в шихту вводят алюминий, хром, медь, марганец, ванадий, цирконий, железо, кремний. Молибден и олово вводят в виде лигатур с алюминием. Все хрупкие шихтовые материалы размельчают на дробилках в куски размером не более 15 мм в поперечнике, а затем просеи­вают через сито; с размером ячейки 2×2 мм. Мелкую фракцию во избежание её потерь вводят при прессовании расходуемого электрода завернутой в мягкую алюминиевую ленту.

Для плавки цинковых сплавов в зависимости от масштабов производства применяют тигельные печи, отражательные печи, печи сопротивления и индукционные канальные печи.

В качестве плавильных и раздаточных печей применяют преимущественно тигельные печи, работающие на жидком или газообразном топливе, электрические печи сопротивления и отражательные пламенные печи. Наиболее экономически выгодной печью, обеспечивающей постоянство температуры металла и наименьшие потери на угар, является электрическая печь сопротивления.

Тигельные печи целесообразно применять при больших скоростях плавки и разливки для получения большого количества металла, но их не следует использовать, если разливку производят не сразу после приготовления расплава, так как в процессе плавки тигель, разогреваясь до высокой температуры (900-1000 °С), отдает теплоту жидкому металлу, который может значительно перегреться. Металл перегревается (свыше 450-480°С), что ухудшает его качества и увеличивает угар.

Для переплавки и рафинирования разнообразных отходов цинка, а также для плавки полиграфического цинка часто применяют электрические печи САН. Они имеют две-три камеры: одну-две наклонные форкамеры, на которых расплавляется металл, и металлосборник, в котором расплав отстаивается для удаления примесей свинца и железа. Весовая емкость печей типа САН для плавки цинка больше, чем для плавки алюминия.

В сухом воздухе чистый цинк не взаимодействует с газами, но в атмосфере влажного воздуха цинк и его сплавы легко окисляются. Их поверхность покрывается пленкой, которая хорошо предохраняет слиток от дальнейшего окисления. При составлении шихты необходимо использовать только сухие материалы, наличие влаги на них приводит к повышенному окислению.

По мере нагревания шихтовых материалов создаются благоприятные условия для окисления цинка.

Плавку цинка для меньшего его окисления следует проводить в нейтральной или слабовосстановительной атмосфере. В качестве защитной атмосферы при плавке цинка можно применять азот. Давление азота в печном пространстве печи поддерживают равным 1,2-1,5 ат, чтобы избежать подсоса воздуха.

Цинк и его сплавы не оказывают заметного разрушающего воздействия на материал футеровки и тиглей, если температура жидкого металла не превышает 480°С.

Если плавку проводят в чугунных или стальных тиглях при 480-500°С и выше, наблюдается насыщение сплава железом. Чтобы предохранить цинк от окисления, температура в течение всего процесса плавки не должна превышать 460-480 °С. Отличительная особенность плавки цинка от плавки других металлов заключается в том, что при обработке флюсами удается разрушить, но не восстановить пленку окиси цинка. Температура восстановления цинка (1100°С) выше температуры его кипения (907 °С), поэтому восстановленный цинк в отличие от других металлов получается в парообразном, а не в жидком состоянии. Таким образом, в обычных плавильных цехах фасонного литья, где нет специального оборудования для переплава окисленного цинка, все окислы уходят в шлак и являются необратимыми потерями.

При загрязнении сплава и шихтовых материалов примесями проводить рафинировочные плавки в литейных цехах также не представляется возможным. Такой цинк и сплавы подлежат сдаче на металлургические завода для ректификации.

В условиях литейного цеха можно производить частичное рафинирование цинка и его сплавов от свинца и железа.

При охлаждении цинка до 430-450°С наблюдается ликвидация жидкого сплава, в котором находится свинец. Чем ниже температура жидкого сплава, тем полнее происходит ликвидация, т.е. разделение сплава на слои – нижнего слоя, содержащего свинец, от верхнего, содержащего остальные компоненты. Если при этом осторожно слить из тигля две трети жидкого сплава, то остаток его будет содержать сплав, загрязненный свинцом, который можно сдать для металлургического передела на завод вторичных металлов, а чистый металл использовать по назначению.

Электрические печи сопротивления. Электрические печи сопротивления (тигельные и отражательные) находят широкое применение для плавки алюминиевых, магниевых и цинковых сплавов. Тигельные печи применяют в цехах с небольшим выпуском отливок, а также в тех случаях, когда производят отливки из большого числа разнообразных по химическому составу сплавов.

Отражательные печи широко используют для плавки алюминиевых сплавов в цехах фасонного и заготовительного литья. В цехах заготовительного литья эти печи применяют также в качестве миксеров емкостью 5-30 т жидкого металла.

Электрические тигельные печи сопротивления просты по конструкции, удобны в эксплуатации, позволяют получать сплавы высокой степени чистоты. Однако эти печи имеют низкую производительность и невысокий тепловой коэффициент полезного действия.

Печи САТ выпускают трех видов: поворотные плавильные САТ-А стационарные плавильные САТ-Б и стационарные раздаточные САТ-В. Печи состоят из цилиндрического стального кожуха, футеровки из огнеупорного шамотного кирпича, нагревательных элементов, изготовленных из нихромовой ленты или проволоки, теплоизоляционного слоя, находящегося между корпусом печи и футеровкой. Концы нагревательных элементов выводятся в коробку для подключения к сети. Чугунный или стальной тигель опирается на плиту, укрепленную на кожухе печи. Печь оборудована вытяжным зонтом.

Электрические отражательные печи сопротивления применяют в качестве плавильных, плавильно-раздаточных и раздаточных (миксеры). Широко распространены плавильные наклоняющиеся электрические печи сопротивления типа САН для плавки алюминиевых сплавов емкостью 500-3000 кг до 7000 кг – в цехах заготовительного литья.

Электропечь типа САН состоит из сварного стального кожуха, футеровки. Свод печи перекрыт специальными шамотными изделиями с пазами для укладки в них нагревательных элементов,изготовленных из нихромовой проволоки в виде спиралей. Рабочее пространство печи разбито на три зоны: две зоны – плавильные и одна – металлосборник (ванна). Со стороны плавильных камер имеются окна для загрузки шихты. Для слива металла печь поворачивается на роликах в сторону сливного носка.

Плавильно-раздаточные печи типа САК – печи сопротивления, алюминиевые, камерные – имеют емкость до 650 кг и применяются обычно для кокильного литья. Плавильная камера печи имеет две рабочие зоны: плавильную и металлосборник. Разбор жидкого металла осуществляется через окно. Нагревательные элементы установлены в своде печи. Загрузка шихты производится через окно.

В цехах заготовительного литья применяют электрические печи сопротивления в качестве миксеров большой емкости. Конструкция миксера несколько отличается от конструкции плавильной печи. Миксер не имеет плавильных камер. Он оборудован карманом для разбора металла с помощью насоса или сифона. Электронагревательные элементы помещены в трубы, изготовленные из жаростойких сплавов. В связи со все возрастающими требованиями к качеству металла применяются герметичные миксеры для проведения вакуумной обработки алюминиевых сплавов. Емкость вакуумных миксеров достигает 20т и более. Для обеспечения необходимого остаточного давления (порядка 133-1330 Па) миксеры оснащаются вакуумными системами, позволяющими достигать указанное давление за 10 мин.

Индукционные тигельные печи. Емкость тигельных печей колеблется от долей килограммов (лабораторные печи) до нескольких десятков тонн.

Преимущества тигельных индукционных печей:

- высокая производительность, достигаемая благодаря большим значениям удельной мощности;

- интенсивная циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая выравнивание температуры по объему ванны и получение однородных по химическому составу сплавов;

- возможность быстрого перехода с выплавки сплава одной марки на другую;

- широкое (100%) использование в шихте низкосортных материалов – стружки и отходов;

- возможность проведения плавки при любом давлении (вакуумные печи) и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной, нейтральной);

- простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процесса плавки; широкие возможности для механизации и автоматизации загрузки шихты и разливки металла, хорошие санитарно-гигиенические условия.

К недостаткам тигельных печей следует отнести невысокую стойкость футеровки тигля и относительно низкую температуру металла на поверхности жидкой ванны, которая не позволяет эффективно использовать флюсы для металлургической обработки сплавов. Однако преимущества тигельных печей настолько значительны, что они находят все большее распространение. Различают печи открытые (плавка на воздухе) и вакуумные (плавка в вакууме).

Тигли печей для плавки алюминиевых и медных сплавов изготавливают путем набивки и спекания огнеупорных масс, а печи для плавки магниевых сплавов оборудованы стальным тиглем сварной или литой конструкции. Индукционные тигельные печи применяют как для фасонного, так и для заготовительного литья.

К футеровке индукционных тигельных печей предъявляются очень высокие требования. Плавильный тигель должен обладать высокой термостойкостью, не разрушаться от механического воздействия загружаемой шихты, не вступать в химическое взаимодействие с жидким металлом, шлаками и флюсами. С целью повышения КПД печи и увеличения производительности стенки плавильного тигля должны при этом иметь небольшую толщину.

Футеровкой индукционных печей для плавки цинковых сплавов выполняется набивкой из жаростойких бетонов на жидком стекле. Бетоны содержат вяжущие вещества и приобретают прочность в результате воздушного или химического твердения.

Высокую прочность жаростойкий бетон приобретает после обжига при температурах несколько выше 800°С.

Индукционные канальные печи. Индукционные канальные печи применяют в цехах заготовительного и фасонного литья. Полезная емкость печей, 4-40 т. Основные преимущества канальных индукционных печей:

- наименьшая по сравнению с другими печами окисляемость металла и испаряемость основного и легирующих элементов;

- высокий электрический и тепловой КПД;

- однородность химического состава выплавляемого сплава.

Основные недостатки:

- в связи с повышенной (на 100-200°С) температурой металла в канале печи стойкость футеровки металла снижается;

необходимость постоянно держать в печи сравнительно большое количество расплавленного метала. Полный слив металла ведет к резкому охлаждению футеровки и к ее растрескиванию.

Канальные печи предназначены для непрерывного режима работы. В случае перерыва в работе в печи всегда оставляют такое количество металла, которое обеспечивает полное заполнение каналов. Этот металл поддерживают в расплавленном состоянии. Применение канальных печей не рекомендуется при использовании загрязненной шихты, при использовании в качестве шихты отходов и стружки, особенно при выплавке всевозможных лигатур и сплавов на медной основе, содержащих свинец и олово, т.к. при этом резко снижается срок службы футеровки канальной части печи.

Индукционные канальные печи по сравнению с индукционными тигельными имеют более высокий КПД. Они дешевле тигельных и занимают меньшую площадь. Как правило, современные индукционные канальные печи снабжаются съемными унифицированными индукционными единицами, которые можно заменять в случае выхода их из строя новыми без остановки печи.

Индукционная канальная печь представляет собой футерованную ванну шахтного или барабанного типа, заключенную в металлический кожух и снабженную одной или несколькими индукционными единицами. Индукционная единица – это электромагнитная система, состоящая из индуктора, магнитопровода, футеровки с плавильным каналом. Эти элементы заключены в металлический кожух, который присоединен к печи.

Футеровка канальной части печи работает в тяжелых условиях. Она должна выдерживать высокую температуру, механические нагрузки, а также противостоять вибрации и физико-химическому взаимодействию расплава и шлака. Футеровка канальной части в зависимости от марки выплавляемого сплава и мощности имеет толщину 65-120 мм. Загрузку печей шихтой производят сверху через проемы, перекрываемые футерованными крышками. Крышки снабжены механизмами открывания. Слив металла из печи производится через сливной носок или летку поворотом печи с помощью гидравлического, зубчатого или цепного механизма.

Особенности технологии плавки. Плавка цинка и сплавов на его основе ввиду их низкой температуры плавления не представляет особых затруднений. Для плавки применяют различные по конструкции печи. В литейных цехах, производящих слитки, для плавки используют электрические индукционные и отражательные печи. В цехах литья под давлением плавку ведут в тигельных печах в чугунных тиглях.

Цинк легко окисляется. Особенно интенсивно окисление идет в присутствии паров воды. Обогащению расплавов оксидными пленами в большой мере способствует использование некомпактных шихтовых материалов (литников, стружки, сплесов).

Для того чтобы исключить обогащение расплавов железом и повысить стойкость режущего инструмента, плавку цинковых сплавов необходимо вести в индукционных тигельных или канальных печах и использовать для разливки керамические тигли.

Цинк и его сплавы весьма чувствительны к перегреву, что может привести к значительным потерям цинка на испарение и к обогащению расплавов оксидами и интерметаллами. По этой причине цинк не перегревают выше 500°С, а сплавы ЦАМ – выше 550°С.

Для повышения свойств отливок цинковые расплавы подвергают очистке от металлических и неметаллических примесей. Для этого используют отстаивание, обработку хлоридами, продувку инертными газами, фильтрование.

Дата добавления: 2014-01-03