книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

упорную футеровку: первый наружный слой стенки выкладывается термоизоляционным кирпичом, затем несколькими рядами шамот­ ного кирпича; рабочая часть ванны набивается огнеупорной мас­ сой по шаблону. В лобовых стенках имеются каналы 8 для выпу­ ска металла, отбора проб и замера температуры. Для соединения канальных блоков с ванной печи в нижней части цилиндра имеют­ ся отверстия 9 для металлических мундштуков канальных блоков. Канальный блок закреплен на корпусе печи болтами. Нагрев метал­ ла основан на принципе однофазного трансформатора: этот ин­ дуктор имеет сердечник 10 с первичными обмотками И, окружен­ ными W- или V-образными каналами 12, являющимися вторичными обмотками, в которых индуцируется вторичный ток, нагревающий металл. Плавильный канал выполнен в монолитной футеровке. Благодаря взаимозаменяемости канальных блоков и возможности их замены даже без опорожнения печи, а лишь при освобождении каналов заменяемого блока от металла индукционные канальные печи этой фирмы сейчас нашли широкое распространение [104].

В США барабанные канальные индукционные печи наиболее распространены, хотя для плавки металлов одинарным процессом или в дуплексе используются также печи других типов. Барабан­ ная форма в течение ряда лет оправдала себя в раздаточных печах и в контейнерах для транспортирования жидкого металла. В США строятся канальные индукционные печи барабанного типа, монти­ руемые на цапфах и катках. К первым относятся печи «Атепсап 42/30» с наибольшей емкостью 42 т и используемой 30 т, так как 12 г составляет постоянный остаток жидкого металла в печи. Под печью смонтирован двухкатушечный индуктор мощностью 110 кет.

на катках, металл поступает с одного конца, а выпускается с дру­ гого; водоохлаждаемый двухкатушечный индуктор, в который не­

гидропроводе. Набивная футеровка индуктора выдерживается от че­ тырех месяцев до двух лет эксплуатации. Применение новых высо­ кокачественных огнеупоров и усовершенствование конструкции ин­ дуктора и канала позволяют существенно повысить мощность и эко­ номичность канальных индукционных печей.

В ФРГ изготовляются канальные индукционные печи типа IRV, используемые для дуплекс-процесса, в качестве копильников или раздаточных печей, и печи IRS, используемые также для дуплекспроцесса и в качестве копильников. Печи типа IRV относятся к вертикальным ковшового типа с каналом внизу (они известны по опыту плавки нежелезистых металлов), а типа IRS — к канальным барабанным печам, которые нашли сейчас особенно большое рас-

192

пространение в США и Швеции [105]. Для перегрева чугуна приме­ няются как барабанные, так и ковшовые индукционные печи.

Крупнейшей в мире установкой индукционных печей является блок из пяти 30-тонных печей фирмы ВВС, производящих до 13,5 т чугуна в час каждая, или в сумме до 65 т чугуна в час. Блок непре­ рывно питает металлом два конвейера, производящих черносердечный ковкий чугун.

Индукционные барабанные канальные печи промышленной ча­ стоты типов IRS, IRSV производительностью 12—47 т/час, ем­ костью 16—65 т обеспечивают перегрев на 100°. В табл. 49 приве­ дена техническая характеристика индукционных барабанных ка­ нальных печей.

Индукционные печи для непрерывной плавки

Одним из недостатков индукционных печей является дискрет­ ность их работы.

Фирмой «Brown Boverb запатентована [106] индукционная ти­ гельная печь для перегрева и обработки чугуна (легирования, мо­ дифицирования), расплавленного в вагранке. Она позволяет вести процесс непрерывно (рис. 57).

Одной из новинок фирмы «Ajaks» (США) [107] является индук­ ционная плавильная печь для непрерывной выдачи металла, дейст­ вие которой напоминает работу вагранки. На рис. 60 показан про­

тушки индукторов 3 и 5. Футеровка этой зоны выполнена огнеупор­ ным кирпичом 8. Футеровка зон / и / / / монолитная. Основным пре­ имуществом новой печи является снижение на 15—20% потребной мощности для достижения одинаковой с печами обычной конструк-

ж

3 5 3

Рис. 60. Индукционная печь непрерывного действия фирмы Ajaks.

ции производительности, при этом размеры печи могут быть зна­ чительно уменьшены, так как по сравнению с обычными печами новая печь допускает более высокую удельную мощность. Стой­ кость футеровки печи повышается благодаря уменьшению термиче­ ских ударов, агрессивного действия шлака и исключению напря­ жений в тигле, связанных с наклоном печи, поскольку новая печь стационарна. Отсутствует надобность и в гидравлической системе наклона печи, что уменьшает стоимость ее монтажа. При установке печи не требуется дополнительных агрегатов для улавливания от­ ходящих газов. Важным достоинством новой печи является непре­ рывность выдачи металла в течение всей смены, относительно лег­ кий запуск в работу, низкие потери металла и высокое усвоение ле­ гирующих добавок. По сравнению с обычными печами значительно облегчено скачивание шлака. Конструкция печи непрерывного дей­ ствия с горизонтально расположенным индуктором несомненно вызовет большой интерес и будет способствовать дальнейшему раз­ витию индукционной плавки.

В ФРГ запатентована [108] конструкция раздаточной печи с ин­ дукционным подогревом металла для непрерывной заливки, снаб­ женной устройством для механизированного выливания расплава.

194

той или иной конструкции.

Футеровка индукционных электропечей

Футеровка плавильной печи является одним из основных и от­ ветственных ее элементов, определяющих длительность работы и экономичность процесса. Для индукционных печей в основном при­ меняются набивные футеровки. Повышение качества набивных футеровок в значительной степени определяет надежную эксплуатацию и дальнейшее расширение использования индукционных печей для плавки чугуна. Высокотемпературная временная обработка рас­ плава, использование высечки, выштамповки и стружки усугубляет тяжелые рабочие условия футеровки, воспринимающей силы элек­

объема, устойчивостью против растрескивания, эрозий и разъеда­ ния шлаком и способностью к спеканию. При этом, поскольку тем­ пература нагрева рабочего слоя не превышает температуру метал­ ла, огнеупорность материала футеровки не должна быть излишне высокой, как это имеет место в других печах, где эта разница сос­ тавляет несколько сот градусов. Однако материал должен хорошо противостоять агрессивному действию шлаков и быть термически устойчивым в условиях большого перепада температуры по сече­ нию стенки футеровки.

Материалы для футеровки достаточно разнообразны. Огнеупор­ ные материалы, которые могли бы найти применение в качестве футеровки индукционных печей, можно разделить на следующие группы: окислы, карбиды, нитриды, сульфиды, бориды и чистые химические элементы [109]. Однако, за исключением окислов, их использование очень ограничено, так как часть из них окисляется при высоких температурах; если плавка чугуна ведется в окисли­ тельной атмосфере, часть растворяется в металле или образует с железом и его окислами легкоплавкие соединения, другие восста­ навливаются углеродом и железом.

Из окислов, которых насчитывается 17 056 [ПО], только 53 имеют температуру плавления свыше 1700°С, выше 2225°С — 27, а выше 2727°С— лишь Th02 , MgO, HFO2. Некоторые из окислов также должны быть исключены из рассмотрения, так как они склонны к нежелательным восстановительным реакциям при высоких темпера­ турах и к гидратации при низких. Применение окислов V2O3, HF0 2 , Ce02 , Zr02 и ряда других ограничено дефицитностью и дороговиз­ ной, V 0 2 и Th0 2 — радиоактивностью, ВеО — токсичностью. Таким образом, только небольшое число простых окислов с температурой плавления выше 1700°С можно считать приемлемым для использо­ вания в качестве материала футеровки. К ним относятся окислы алюминия, кремния и магния. Эти три окисла различны по своей природе: кремнезем (Si02 ) является кислым, глинозем (А12 0з) —• нейтральным, а окись магния (MgO) —основным окислом.

Наибольшее распространение при изготовлении тиглей получи­ ла сухая набивная масса, основой которой являются молотые квар­ циты или кварцевые пески с высоким содержанием двуокиси крем­ ния, Si0 2 — не менее 97%. Спекание сухой набивной массы дости­ гается обычно за счет добавок борной кислоты в количестве 1,'5— 2,0% от веса огнеупорного материала. Достоинство кислой футе­ ровки — ее невысокая стоимость и хорошая спекаемость.

Футеровки стенок тигля индукционных печей на Каунасском за­ воде «Центролит» приготовляются на основе огнеупорных материа­

ются довольно жесткие требования. Прежде всего необходимо при-

196

менять такие кварциты, в которых процент Si0 2 предельно высок, а следовательно, процент вредных составляющих, таких как различ­ ные щелочеобразующие ( К 2 0 , Na 2 0), предельно мал. Высокое содержание щелочеобразующих в кварците, как правило, приво­ дит к низкой огнеупорности футеровки. Не менее важным факто­ ром является гранулометрический состав кварцитов. Известно, что

чей применяются молотые 'кварциты скальных пород или кварце­ вые пески.

В Европе лучшими кварцитами являются шведские кварциты скальных пород (SiO2 ~99,00%). Используя их, можно составить футеровочную смесь с оптимальным зерновым составом зерен.

Для изготовления футеровки печей желательно применять квар- ' цит одного месторождения, т. е. одного химического и минералоги­ ческого состава, во избежание необходимости изменения техноло­ гии приготовления футеровки каждый раз, когда будет изменяться поставщик кварцита.

На каунасском заводе «Центролит» футеровочная масса изго­

более 0,63 мм. Поэтому завод «Центролит» наладил получение от­ ходов стекольного производства, содержащих более 60% зерен Si02 , величиной от 0,63 до 2,5 мм. Кроме того, на каунасском заводе «Центролит» не употребляются фракции Аникшяйского месторож­ дения, величина которых менее 0,1 мм. Это в основном глинистые составляющие. Вместо них в смесь вводят маршалит с величиной зерна менее 0,1 мм (Si0 2 >98%), получаемый с Урала.

Поступивший на завод песок проходит обязательный предвари­ тельный обжиг при температуре 1200—1500°С. При нагреве р-кварц при 573°С иереходит в а-кварц (увеличение объема до 0,83%), а дальнейший нагрев приводит к переходу а-кварц в а-мриетобалит. За время выдержки, равное 3 часам, и при температуре 1300°С в а-криетобалит переходит 25—30% кварцита. Кристобалит имеет меньший коэффициент линейного расширения по сравнению с дру­ гими модификациями кварцита. Следовательно, чем больше в фу-

197

На заводе «Центролит» применяли для футеровки тигля огне­ упорную массу следующего гранулометрического состава [111]:

По данным В. С. Шумихина {114], оптимальным в результате ис­ следований получился состав: 40% фракции 1,6—0,63 мм, 20% фракции 0,63—0,16 и 40°/о фракции 0,16—0,05.

Приведенные гранулометрические составы обеспечивают высо­ кую однородность и максимальную плотность футеровки.

Для остеклования и спекания футеровочной массы при сушке и прокалке в нее вводят борную кислоту. Количество борной кисло­ ты, вводимое в огнеупорную массу, зависит от температуры, при которой футеровка будет работать. Чем выше температура, тем меньше кислоты вводят в смесь.

На заводе «Центролит» в формовочную массу, предназначен­

Борная кислота вводится в смесь непосредственно перед нача­ лом формовки футеровки. Перед употреблением бореую кислоту следует размельчить, просушить при температуре 40—60°С в тече­ ние 1—2 суток и просеять через сито с ячейкой 0,5 мм.

После того как все составляющие, необходимые для приготов­ ления футеровки, подготовлены, нужное количество каждой фрак­ ции кварцита засыпают в смеситель и перемешивают в течение

198

На заводе «Центролит» стенки тигля формуются по-сухому, а носок печи—обмазкой его огнеупорной массой на основе MgO или А1 2 0 3 после добавления в нее 3,5—4 л воды на 10 дм3 сухой массы.

При формовке вручную применяются сварной металлический шаблон из малоуглеродистой стали (сварка ведется изнутри, а швы тщательно зачищаются, эллипоноеть шаблона не должна пре­ вышать 10 мм), специальный шаблон для выполнения гнезда под дно основного шаблона, плоская ручная или пневматическая трам­ бовка для набивки днища тигля, острая ручная или пневматическая трамбовка для набивки стенок тигля, скошенный брусок, применяе­ мый для лучшего уплотнения футеровочной массы у выпуклостей шаблона (переход из сферической части в цилиндрическую).

Кроме металлического шаблона известны случаи применения шаблонов из дерева, графита или какого-либо материала, перехо­ дящего после начала плавки в тигле металла в шлак. Графитовые и в некоторых случаях металлические шаблоны удаляются из тигля перед плавкой в нем металла, и, таким образом, они могут упот­ ребляться несколько раз.

Футеровка тигля начинается с изоляции индуктора печи асбе­ стовым листом, оптимальная величина которого рекомендуется 10 мм [115]. При меньшей толщине изоляции чрезмерно велики потери тепла металлом через стенки тигля, что ведет к снижению термического к. п. д. печи. При большей толщине изоляции имеет место меньший температурный градиент в стенках тигля и в ре­ зультате глубокое спекание формовочной массы. Последнее при­ водит к увеличению термических напряжений в футеровке и умень­ шает сроки ее службы.

Изоляция индуктора от тигля существенно влияет на его стой­ кость и рентабельность. На тигельных печах емкостью до 6 т хо­ рошие результаты показала двухкомпонентная изоляция; два ас­ бестовых листа толщиной 2—5 мм и 1-миллиметровый лист мика­ нита между ними оклеивают накрест, как фанеру, и сгибают по цилиндру с продольным пазом [116].

На заводе «Центролит» толщина асбестовой изоляции 5—7 мм [ Ш ] .

После изоляции индуктора начинается формовка дна тигля. На асбестовый картон, положенный на подину печи, засыпается смесь фракций песка без борной кислоты слоем 40—60 мм и тща­ тельно уплотняется. Затем поверхность уплотненного слоя взрых­

199

совмещенной с центральной осью индуктора, дну тигля придают форму дна сварного шаблона. При помощи рейки проверяют рас­ стояние от кромки тигля до его дна (толщину набивки тигля). По­ сле набивки дна тигля начинается набивка его стенок.

В тигель устанавливают сварной шаблон, тщательно притира­ емый к дну и центрируемый при помощи клиньев. После центриро­ вания на дно шаблона укладывают груз весом 400—500 кг и при­ ступают к набивке стенок. В зазор между индуктором и шаблоном засыпают футеровочную массу я тщательно уплотняют. Набивка проводится до тех.пор, пока не будет ясно слышен «металлический» звук удара трамбовки. Окончив формовать стенки тигля, начинают кладку воротника печи и обмазку сливного носка.

Сушка и спекание футеровки являются ответственной операци­ ей, от которой в большей степени зависит долговечность огнеупо­ ров тигля. Равномерность нагрева футеровки должна быть как можно выше.

Известны [117] два различных процесса спекания футеровки ин­ дукционных тигельных печей: с холодной садкой и с жидкой. При пуске печи с холодной садкой, т. е. с загруженными в печь мас­ сивными металлическими дисками, температура в печи вначале доводится за б—8 часов до 800—900°С (температура красного ка­ ления). При этом важно, чтобы в первые 2 часа спекания скорость нагрева была минимальной. После предварительного нагрева тигля мощность печи устанавливается такой, чтобы пусковые диски пере­ шли в тестообразное состояние. При появлении в тигле жидкого металла мощность вновь медленно повышается. Как только тигель наполнится жидким металлом, необходимо по возможности быст­ рее достичь температуры спекания, равной рабочей температуре в печи. Длительность выдержки тигля с металлом при этой темпе­ ратуре 1 час, после чего печь готова к эксплуатации.

При спекании футеровки печи с жидкой садкой рабочую темпе­ ратуру в тигле можно получить при помощи газовых горелок или форсунок, которые вводятся в печь сверху. Длительность прогрева до температуры 800—900°С 6—8 часов. После прогрева до требу­ емых температур заливают жидкий металл с температурой поряд­ ка 1350°С. Металл выдерживают в тигле без пуска трансформатора 20—30 минут. Затем печь включается на малую мощность для до­ стижения рабочей температуры при постоянном увеличении мощ­ ности. Интервал температур от 1350°С до рабочей следует проходить по возможности быстро. Время выдержки при рабочей температуре

1час.

Квыходу футеровок из строя приводят следующие факторы: плохое местное уплотнение футеровки вследствие некачественной формовки; перегрев металла в тигле при остекловочной плавке и в связи с этим некачественное спекание футеровки; чрезмерная теп-

200

ловая выдержка металла; плохая (неосторожная) заброска шихты в тигель при начале плавки; химическое взаимодействие между ме­ таллом и шлаком в печи и ее футеровкой.

Металлическая шихта может содержать такие элементы, как алюминий, свинец, цинк. Эти элементы могут взаимодействовать с футеровкой (с Si0 2 ), разрушая ее. Кроме этих элементов, присутст­ вие которых в чугуне не является обязательным, с футеровкой мо­ гут реагировать постоянные примеси чугуна. Поэтому при футе­ ровке из SiCb содержание Мп должно быть менее 2%. Углерод рас­

ется футеровка, поскольку равновесие этой реакции при повыше­ нии температуры сдвигается вправо. Углеродосодержание металла зависит от его кремнийсодержания, и чем больше кремния в ме­ талле, тем меньше опасность разрушения футеровки, так как про­ текание при этом реакции вправо окажется затрудненным. При длительной выдержке металла в печи рекомендуется снизить тем­ пературу металла в ней до температуры, при которой эта реакция будет находиться в равновесии при данных концентрациях углеро­ да и кремния в чугуне. Разъедание футеровки при этом будет мини­ мальным.

Углерод вредно действует на остеклование футеровки, поэтому следует избегать его высоких концентраций в металле в ходе остекловочной плавки. Однако, с другой стороны, реакции между Сг, Мп и Si02 из футеровки замедляются с ростом количества углерода в металле.

Помимо влияния на футеровку металла в печи и растворенных в нем элементов футеровка подвергается воздействию шлака, при­ чем возможно не только разъедание верха тигля, но и его зараста­ ние. Последнее может иметь место у печей, работающих при 1380— 1450°С, в которые вводятся с шихтой вещества, содержащие или об­ разующие AI2O3. Однако чаще всего взаимодействие шлака (осо­ бенно если шлак в жидком состоянии и температура в печи выше

1200°С. Во избежание сильного разъедания верхней трети футеров­ ки тигля следует производить подварку тигля в этой части и усили­ вать ее охлаждение. Файялит особенно сильно образуется при вво­ де в печь ржавой шихты. Окисленный лом должен составлять не более 10—15% общего количества шихты. При вводе в шихту стружки также велика опасность образования большого количества FeO.

201