Преимущества и недостатки индукционных канальных печей.

К их преимуществам относятся:

• низкие капитальные затраты, составляющие 50...70 % от сто­имости тигельной печи той же мощности;

• высокий электрический КПД печи, достигающий 96...97%;

• высокий тепловой КПД — 85...90%, что объясняется воз­можностью выполнения толстой теплоизолирующей футеровки без ухудшения электрического КПД печи;

• минимальный угар металла;

• возможность использования легковесной низкосортной шихты и эффективного науглероживания благодаря интенсивному пере­мешиванию металла;

• минимальные пылегазовыделения на плавильной площадке и в окружающую среду.

Недостатками индукционных канальных печей как плавильно­го агрегата для чугуна являются трудности перехода с одного хи­мического состава выплавляемого металла на другой, а также «хо­лодный» малоактивный шлак.

12.9. Сравнительный анализ процессов плавки чугуна в современных чугуноплавильных печах

Приведенный в табл. 12.2 анализ является попыткой система­тизировать имеющиеся в настоящее время данные (часто проти­воречивые) по опыту эксплуатации наиболее распространенных чугуноплавильных агрегатов.

Технологические особенности плавки различных сортов чугуна

13.1. Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом

Требования к жидкому чугуну. Отливки, используемые в совре­менном машиностроении, должны обладать стабильно высокими механическими свойствами.

Так, например, в автомобилестроении в основном использу­ются отливки серого чугуна, временное сопротивление при рас­тяжении которого а_в = 200...300 МПа и твердость НВ 190...240. Для значительной части ответственных автомобильных отливок технические условия предусматривают преимущественно перлит­ную структуру с максимальным содержанием феррита до 5 %. Меха­нические условия определяют также характер и размеры включе­ний пластинчатого графита.

Получение высококачественного чугуна связано с применени­ем внепечной обработки расплава — модифицирования. Однако для эффективного модифицирования выплавленный чугун должен удовлетворять определенным требованиям.

Как известно, для получения чугуна с высокими прочностью и твердостью необходимо выплавить металл с пониженным со­держанием углерода и кремния при некотором повышении со­держания марганца. Для получения чугунов марок СЧ40 и СЧ45 необходимо, кроме того, снизить содержание серы и фосфора.

На первый взгляд пониженное содержание углерода и крем­ния упрощает задачи плавки, так как для этого требуется меньше дорогостоящего ферросилиция, существенно уменьшается время на науглероживание металла. В этой связи существует присущий только плавке серого чугуна парадокс — чем выше марка чугуна, тем дешевле шихта для его выплавки.

Однако на практике получение отливок серого чугуна высо­ких марок сопряжено с опасностью получения отбела. Это объяс­няется тем, что структура таких отливок должна быть по пре­имуществу перлитная, на грани отбела. Поэтому даже небольшие отклонения в минус по содержанию углерода и кремния, свя­занные, например, с неточностью дозирования шихты или на­рушениями принятого режима плавки и модифицирования, при­водят к получению половинчатого или белого чугуна. Этот вид брака неизбежно вскрывается в процессе механической обработ­ки и никогда, в отличие от других видов брака, не остается неза­меченным. Очевиден в данном случае и виновник брака — пла­вильное отделение.

Из этих рассуждений следует важнейшее требование к жидкому металлу при получении отливок высококачественного серого чу­гуна — стабильность химического состава.

Кроме того, пониженный углеродный эквивалент приводит к понижению жидкотекучести и требует повышенной температуры заливки.

Содержание вредных примесей — серы и фосфора, допусти­мое для чугунов вплоть до СЧ35, составляет соответственно 0,12 и 0,3 %. Оно обеспечивается при плавке на обычной шихте в печах с кислой футеровкой. Для получения СЧ40 и СЧ45, содержащих серы и фосфора не более 0,02 % каждого, необходимы специальные приемы плавки и внепечной обработки.

Поэтому для получения серого чугуна высокого качества необ­ходимо:

• использовать шихту стабильного состава и обеспечить точ­ность дозирования ее компонентов;

• обеспечить оптимальные уровни перегрева и продолжитель­ности выдержки в условиях применения электроплавильных агре­гатов;

• обеспечить надежность контроля процесса плавки на всех его этапах и возможность оперативного воздействия на него;

• использовать внепечную обработку.

Технология модифицирования. Модифицирование являет­ся наиболее простым, эффективным и, поэтому, самым распрос­траненным способом повышения прочностных свойств чугуна.

В качестве модификатора при производстве отливок серого чу­гуна чаще всего используют ферросилиций ФС75, обладающий одновременно раскисляющей и графитизирующей способностя­ми. За счет его свойств можно получить мелкозернистую структу­ру отливки, снизить отбел и повысить механические свойства металла. Количество модификатора зависит от различных произ­водственных условий и увеличивается от 0,2...0,4 % для СЧ25 до 1,5...2% для СЧ45.

Обычно модификатор вводят в ковш под струю металла, на желоб, в литниковую чашу или в форму. Размер зерен модифика­тора составляет 2...5 мм при обработке жидкого металла массой до 2 т и 5... 15 мм при обработке больших количеств.

В зависимости от способа ввода модификатора может усваи­ваться 70...90% (кремния).

Перед употреблением модификатор прокаливают при 300... 400 °С в течение 1...2 ч. Пылевидные фракции размером менее 0,5 мм отсеивают.

Температура металла при выпуске из печи составляет обычно 1420... 1460°С, она должна быть тем большей, чем выше марка чугуна. После ввода модификатора металл целесообразно переме­шать для равномерного распределения его в объеме ковша. Во из­бежание потери эффекта модифицирования выдержка чугуна после добавки модификатора не должна превышать его живучести. Эта величина для ферросилиция ФС75 в зависимости от емкости ков­ша составляет:

Масса металла в ковше, т До 0,5 0,5...2 2... 10

Допустимая выдержка, мин 3...5 5...8 8...10

В настоящее время для получения высококачественного серого чугуна применяются разнообразные модификаторы и способы их ввода. Эффективность их применения в большой степени зависит от разнообразных условий производства, поэтому имеющиеся дан­ные позволяют лишь отметить наиболее характерные особенности различных модификаторов, не давая оснований для сравнитель­ной оценки эффективности их использования.

Силикокальций может использоваться самостоятельно в количестве 0,3 ...0,6 % от массы жидкого чугуна, а также в смеси с ферросилицием ФС75 в соотношении 1:1 или с ФС75 и графитом в зернах.

Алюминий в смеси с ферросилицием или с графитом эф­фективно предотвращает отбел чугуна.

Графит черный — наиболее простой и дешевый модифика­тор, предотвращающий отбел на тонкостенных отливках.

Силикобарий является комплексным модификатором с по­вышенной живучестью.

Важно отметить, что для достижения максимального эффекта модифицирования исходный чугун должен иметь пониженный углеродный эквивалент и при затвердевании без модифицирова­ния образовывать структуру белого или половинчатого чугуна. Модификатор вводится в таком количестве, что углеродный эк­вивалент модифицированного чугуна оказывается равным его ве­личине в немодифицированном чугуне, имеющем структуру на грани отбела для данной толщины стенки отливки.

Жидкое модифицирование. При производстве крупных толстостенных отливок температура заливки обычно не превы­шает 1250 °С. Введение твердых модификаторов в такой «холод­ный» чугун не дает положительных результатов. В этих случаях ока­зывается эффективным жидкое модифицирование, которое осу­ществляют путем смешивания жидкого чугуна с расплавленным модификатором — расплавленной сталью или жидким чугуном с высоким углеродным эквивалентом. Такая операция не является Простым смешиванием и усреднением химического состава и тем­пературы расплава, при этом происходят процессы, по результа­там аналогичные модифицированию, — структура чугуна измель­чается.

Существенное влияние на результат жидкого модифицирова­ния оказывает продолжительность выдержки полученного метал­ла до его заливки в форму. Модифицирующее воздействие жидко­го модификатора так же, как и при введении твердого модифика­тора, спустя 20 мин исчезает.

Недостатком метода жидкого модифицирования является не­обходимость использования двух одновременно работающих пла­вильных печей.

Кроме модифицирования разработаны многочисленные мето­ды внепечной обработки, из которых для получения высококаче­ственного серого чугуна в настоящее время наибольшее практи­ческое значение имеет о б р а б о т к а чугуна жидкими син­тетическими шлаками с целью снижения содержания серы, фосфора, неметаллических и газовых включений.

Синтетический шлак на основе извести (60...70 %) и плавико­вого шпата (5... 10 %) приготовляют в специальной шлаковой печи, затем сливают в ковш и заливают в него жидкий чугун. При этом происходит эмульгирование мельчайших капель шлака в чугуне и существенно возрастает величина межфазной поверхности металл- шлак. В результате такой обработки содержание серы в чугуне сни­жается на 90 % от первоначального. Этот метод целесообразно ис­пользовать в тех случаях поставок шихты с повышенным содержа­нием серы, которые не носят систематического характера.

Выбор плавильного агрегата для плавки высококачественного серого чугуна. Отечественный и зарубежный опыт представляет большое разнообразие моно- и дуплекс-процессов, использую­щихся при плавке высококачественного серого чугуна.

ИЧТ - ИЧКМ. Этот вид дуплекс-процесса⁶хорошо зарекомен­довал себя в крупных литейных цехах и центролитах. На Ярцевском Центролите были установлены восемь 60-тонных печей промыш­ленной частоты ИЧТ-60/20 производительностью 24 т/ч. Каждые 30 мин из печи сливали 12 т в один из семи миксеров ИЧКМ-40/1. Загрузку шихты в плавильную печь осуществляли после каждого слива двумя бадьями по 6 т. Таким образом, садка каждой печи содержала в себе 10 бадей шихты. При этом взаимно компенсиро­вались погрешности набора шихты каждой из бадей. Дополнитель­ным фактором стабилизации состава металла являлись 40-тонные миксеры.

На ВАЗе первоначально для плавки чугуна марки Gh26 (соот­ветствующего СЧ25...СЧ30) были установлены две печи ИЧТ ем­костью по 25 т каждая и два миксера ИЧКМ емкостью по 57 т. Загрузку шихты в печь осуществляли порциями по 6 т, причем каждая порция представляла собой Полностью сбалансированную шихту. Таким образом, в каждом блоке ИЧТ-ИЧКМ усреднялся химический состав 13 порций шихты. Дополнительные меры по стабилизации свойств чугуна состояли в ужесточении требований к поставщикам по химическому составу шихтовых материалов. Выбор электропечного способа выплавки серого чугуна по мне­нию разработчиков проекта литейного цеха определялся наличи­ем мощной энергетической базы и большим объемом образую­щихся отходов кузнечно-прессового и механосборочного произ­водства и возможностью их полного использования в шихте. Кро­ме того, технико-экономический анализ однозначно указывал на необходимость электроплавки высокопрочного и ковкого чугунов. Поэтому применение электроплавки серого чугуна способствова­ло типизации всех процессов плавки чугуна, объединенных в од­ном здании.

ЭДП плавильная —ЭДП печь выдержки. Этот вид дуплекс-процесса⁷использовали на КамАЗе в цехе серого и высо­копрочного чугунов. Плавку вели в восьми 50-тонных печах с удель­ной мощностью 700 кВт/т. Загрузку полностью сбалансированной шихты осуществляли 50-тонной бадьей. Выплавленный металл пе­реливали в восемь 75-тонных печей выдержки пониженной удель­ной мощности. Усреднение химического состава и температуры выплавленного металла достигалось путем перелива из плавиль­ной печи в печь выдержки. Футеровка печей — основная. Выбор этого вида дуплекс-процесса объясняется стремлением к типиза­ции плавильного оборудования для плавки высокопрочного и се­рого чугунов. Рассмотренный процесс не отвечает современным требованиям к условиям труда в рабочей зоне и экологии. При плавке серого чугуна не используется главное металлургическое преимущество дуговой плавки — возможность глубокой десуль­фурации металла.

Вагранка горячего дутья (открытая) —ИЧТ-31/7. Этот дуплекс-процесс применили на ЗИЛе при реконструкции литейного цеха получения серого чугуна. Вагранка производитель­ностью 25 т/ч с барабанным 5-тонным копильником не обеспечи­вала требуемых стабильности химического состава и перегрева чу­гуна. Поэтому выплавленный в ней чугун переливали 2-тонным ковшом в печь ИЧТ, предварительно слив из нее 2 т металла на заливку. По соображениям экологии использование вагранок от­крытого типа крайне нежелательно. Кроме того, печь ИЧТ в роли миксера значительно уступает ИЧКМ.

Вагранка закрытого типа —ИЧКМ. На Саранском Центролите плавку вели в трех вагранках закрытого типа произ­водительностью по 20 т/ч. Усреднение химического состава и пе­регрев проводили в четырех миксерах ИЧКМ-40 вертикального исполнения фирмы ASEA. В условиях Центролита, не имеющего собственных отходов кузнечно-прессового и механосборочного производства, рассматриваемый дуплекс-процесс при наличии относительно дешевого кокса представляется рациональным.

ЭДП — ИЧКМ. На Саранском Центролите плавку вели в вось­ми 5-тонных дуговых печах, откуда чугун переливали в два миксе­ра ИЧКМ-40. Очевидным недостатком этого процесса является повышенное выделение пыли, газов и шум при работе дуговых печей. Кроме того, не используется главное преимущество дуго­вых печей — возможность глубокой десульфурации металла.

ИЧК—ИЧКМ. Для устранения недостатка предыдущего ва­рианта дуплекс-процесса на Саранском Центролите предпринята попытка замены ЭДП на канальные плавильные печи (ИЧК), ко­торая не была завершена в связи с развалом социалистической эко­номики.

На Новокаховском электромашиностроительном заводе экс­плуатировался плавильный комплекс, состоящий из двух печей ИЧК-40/3 производительностью 7 т/ч каждая и миксера ИЧКМ-10 мощностью 490 кВт.

Этот вариант дуплекс-процесса представляется весьма удачным для выплавки высококачественного серого чугуна в крупных ли­тейных цехах, где не требуется частого перехода на другую марку чугуна.

Монопроцесс в ИЧТ. Широко использовался и исполь­зуется в отечественной и зарубежной практике в литейных цехах средней мощности. Надлежащее качество металла обеспечивает­ся только при условии корректировки химического состава по результатам предварительного анализа. В процессе раздачи гото­вого металла трансформатор печи загружен лишь на 1/10 мощ­ности. Недостатки связаны также с необходимостью работы с «болотом».

Индукционные тигельные печи средней частоты. Преимущества этих печей, рассмотренные в подразд. 12.7, опыт их эксплуатации (главным образом зарубежный) и стремительное расширение их применения свидетельствуют о том, что они явля­ются оптимальным вариантом плавки высококачественного чугу­на во всем диапазоне производительности.