Печи / Моргунов Печи литейных цехов

По принципу действия они подразделяются (см.рис. 2.34):

-на ИКРП с выдачей расплава созданием повышенного давления в рабочем пространстве печи (системы PRESSPOUR или POUROMAT);

-на чайниковые ИКРП с выдачей расплава поворотом печи.

Рис. 2.34. Схемы индукционных канальных раздаточных печей (ИКРП):

а– с выдачей расплава созданием повышенного давления в печи;

б– с выдачей расплава поворотом печи

ИКРП системы PRESSPOUR представляют собой футерованный герметичный цилиндрический кожух. Наполнение и разливка осуществляется через каналы в форме сифонов. Нижние концы сифонов расположены у основания печи. Такое расположение обеспечивает разливку без шлака. Инертный газ под давлением подает расплавленный металл в разливочный носок печи из которого происходит его разлива через стопорное устройство. Давление газа также поддерживается постоянный уровень расплава в разливочном носке печи. Скорость разливки регулируется стопором стопорного устройства.

ИКРП чайникового типа производит разливку расплава, при повороте печи, в промежуточный ковш, в котором установлено стопорное устройство.

Печи сопротивления

В электрических печах сопротивления теплогенерация производится в твердом проводнике тока, имеющем определенное электросопротивление (т.е. в резисторе), при приложении к нему разности электрических

112

потенциалов (напряжения). Данные твердые проводники - резисторы называются нагревательными элементами электросопротивления.

Все печи электросопротивления в литейном производстве относятся к печам косвенного действия (т.е. теплогенерация в них производится не в рабочем материале, а в отдельном нагревательном элементе).

По назначению печи электросопротивления могут быть плавильными, нагревательными и сушильными. По форме рабочего пространства они могут быть тигельными, ванными и камерного типа, как горизонтального, так и вертикального исполнения.

На рис. 2.35 представлены схемы плавильных электрических печей сопротивления тигельных и ванных. Эти печи сопротивления нашли широкое распространение для плавки и выдержки цветных легкоплавких сплавов, а также как раздаточные печи.

Рис. 2.35. Схемы плавильных печей электросопротивления: а – тигельных; б – ванных; 1 – расплав; 2 – электронагреватель (резистор, ТЭН и т.п.)

Печи сопротивления камерного типа, как вертикальные, так и горизонтальные, получили достаточно широкое распространение при нагреве и термообработке отливок. Иногда их применяют для сушки литейных форм и стержней.

113

рабочий флюс-затравка-кристаллизатор. Рабочий флюс расплавляется, образуя жидкую шлаковую ванну. В последующем жидкий шлак играет роль элекросопротивления, в котором происходит генерация теплоты. Температура шлаковой ванны имеет значения от 1873 до 2273 К (1600-20000С). В зависимости от цели переплава состав шлаковой ванны можно изменить. Конец переплавного электрода всегда погружен в шлаковую ванну. При плавлении капли металла с электрода проходят шлаковую ванну и, под ее воздействием, рафинируются. Постепенно под шлаковой ванной образуется слой расплава, который постоянно увеличивается. Под воздействием кристаллизатора происходит направленная кристаллизация расплава в слиток или отливку.

Печи ЭШП выпускаются как с одним электродом, так и многоэлектродные. По способу выплавки слитка они бывают с неподвижным глухим и со сквозным кристаллизаторами. В первом случае высота кристаллизатора равна высоте переплавляемого слитка, а во втором – кристаллизатор перемещается относительно слитка. Наиболее важным узлом ЭШП является кристаллизатор. Его изготавливают из меди или хромистой бронзы, а наружный кожух – из немагнитной стали.

Если вместо кристаллизатора для слитка установить водоохлаждаемую литейную форму, то получим одну из разновидностей электрошлакового литья (ЭШЛ). В данном случае жидкий металл с электрода поступает через шлак в водоохлаждаемую литейную форму.

Вторая разновидность ЭШЛ реализована в ЭШП с накоплением расплава в гарнисажном тигле (см.рис. 2.37,в). Затем накопленный расплав из тигля сливают в литейные формы. Литейными формами могут быть:

-кокиль, тогда этот процесс называется электрошлаковое кокильное литье (ЭКЛ);

-центробежная установка, тогда процесс называется центробежное электрошлаковое литье (ЦЭШЛ).

Главным компонентом ЭШП является шлак, к которому предъявляются следующие требования:

-должен обеспечивать эффективное рафинирование сплава;

-при рабочих температурах должен иметь стабильную электропроводность (в пределах 0,001-0,005 Ом·м);

-должен иметь низкую температуру плавления и высокую температуру кипения;

-должен иметь стабильную вязкость при рабочих температурах;

-должен обеспечивать высокое межфазовое натяжение на границе с металлом и обладать высокой адгезией к неметаллическим включениям;

-не должен быть дефицитным и гигроскопичным;

-должен быть экологически чистым.

116

Наиболее распространенными шлаками для ЭШП являются шлаки на основе фтористого кальция (СаF2), который обеспечивает достаточную температуру плавления и кипения, хорошее удаление неметаллических включений и защиту металла от окисления. Кроме этого в шлак добавляют следующие материалы: СаО, Al2O3, MgO и др., Каждый из них выполняет ту или иную функцию, способствующую улучшению качества металла. В промышленности в основном используют готовые флюсы (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Состав и свойства флюсов для ЭШП

Солевые печи

Электрические солевые печи или печи с жидким теплоносителем можно отнести к печам сопротивления косвенного действия.

В отличие от обычных печей рабочее пространство в данных печах заполняется жидким теплоносителем, в качестве которого используются расплавленные соли. Нагрев изделий осуществляется погружением их в расплав соли. Выбор состава теплоносителя зависит от технологических целей нагрева (типа сплава и температуры нагрева). В табл. 2.3 приведены наиболее распространенные составы жидких теплоносителей и температурные области их применения.

Применение солевых печей обеспечивает высокую равномерность нагрева отливок. Главное достоинство солевых печей заключается в высо-

117

кой точности нагрева. Перепад температур в объеме жидкой среды не превышает 3-5 градусов, а при применении электромагнитного перемешивания уменьшается до 1 градуса. Немаловажное преимущество солевых печей проявляется в сохранении поверхности отливок от окисления.

В зависимости от способа нагрева расплава соли в печи они подразделяются (см.рис. 2.38):

-на тигельные с внешним источником тепловой энергии (электронагревателем);

-на ванные с погружным электронагревателем (ТЭНом);

-на ванные электродные, где генерация теплоты происходит в самом расплаве соли.

Рис. 2.38. Схемы электрических солевых печей: а – тигельных электросопротивления; б – ванных с погружными электронагревателями (ТЭНами); в – ванные с погружными электродами;

1 – расплав соли; 2 – отливка; 3 – электронагреватель; 4 – ТЭН погружной; 5 – погружные электроды

Солевые тигельные печи с внешним электронагревателем (см.рис. 2.38,а) имеют огнеупорный тигель с расплавом соли. Вокруг тигля с внешней его стороны располагают электронагревательные элементы. В печах

данной конструкции рабочая температура среды может достигать 1123 К (8500С).

В солевых ванных печах с погружными электронагревателями на-

грев расплава соли осуществляется ТЭНом, которые располагают возле внутренних боковых стенок ванны (рис. 2.38,б). Печи данной конструкции более компактны по сравнению с тигельными.

Солевые ванные печи с погружными электродами (рис. 2.38,в)

представляют собой печи сопротивления с жидким нагревательным элементом (т.е. расплавом соли).

118

В данных печах нерасходуемые электроды из жаропрочных сталей погружаются в расплав соли на небольшом расстоянии друг от друга (2550 мм). К электродам подводят электрический ток напряжением 5-25 В. Между электродами через расплав соли начинает протекать ток порядка 5000-10000 А. Высокая плотность тока обеспечивает интенсивную циркуляцию расплава и равномерный его перегрев.

Печи данной конструкции позволяют осуществить нагрев изделий до 1573 К (13000С).

Печи аэродинамического нагрева

Печи аэродинамического нагрева или рециркуляционные нагревательные установки (РНУ) основаны на принципе аэродинамического теплового эффекта, который возникает при нагнетании газового потока ротором центробежного вентилятора в замкнутом циркуляционном контуре (рис. 2.39). Ротор в этом случае служит одновременно нагнетателем и генератором теплоты.

Рис. 2.39. Схема печи аэродинамического нагрева: 1 – ротор; 2 – экран; 3 – изделие; 4 – корпус печи

Замкнутый циркуляционный контур в этих печах создается специальным экраном, установленным внутрь корпуса печи. Между стенками корпуса и экраном образуются каналы, которые совместно с рабочей камерой составляют замкнутый тракт, замыкающийся на роторе. Основное требование к данным печам – герметичность пространства. РНУ нашли применение для термообработки отливок из цветных сплавов нагрев до 773823 К. Преимущества данного способа нагрева заключается в возможности

119

точного регулирования температуры (скоростью ротора), создании любых контролируемых атмосфер.

Электронно-лучевые печи

Электронно-лучевые печи (ЭЛП) работают на принципе превращения кинетической энергии быстро летящих электронов в тепловую энергию, выделяющуюся при ударе электронов о поверхность нагреваемого металла.

ЭЛП целесообразно применять для производства (переплава) тугоплавких, высококачественных сплавов или особо чистых металлов (титана, вольфрама, молибдена, ниобия, титана, циркония, урана, высококачественных сталей и т.п.).

Для осуществления работы ЭЛП необходимо иметь:

-герметичную камеру, в которой необходимо создавать вакуум (добавлением не более 0,07 Па);

-поток свободных электронов, направленный на нагреваемый материал;

-ускоряющее электрическое поле (разность потенциалов).

Источником свободных электронов служит специальный термокатод, который представляет собой металлический материал, характеризующийся низкой работой выхода электронов и нагретый до высокой температуры. В качестве такой материала используется вольфрам.

Электроны вылетают из нагретого вольфрамового катода и ускоряются приложенным между анодом и катодом ускоряющим напряжением.

Следует отметить, что с увеличением ускоряющего напряжения коротковолновая часть спектра излучения смещается в область ренгеновкого излучения. Мощность ренгеновского излучения в ЭЛП не превышает 0,6% общей мощности электронного луча. Но даже такая величина ренгеновского излучения представляет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Поэтому величину ускоряющего напряжения в ЭЛП ограничивают до 30-35 кВ. В то же время, даже при значении ускоряющего напряжения равном 10 кВ, скорость электронов достигает значения 60 км/с.

Печи работают при постоянном токе. Для обеспечения достаточно плотного потока электронов применяются специальные сложные фокусирующие устройства и магнитные линзы.

Комплекс излучателя электронов, устройств для их ускорения и фокусирования называется электронной пушкой. По принципу действия электронные пушки делятся на электростатические и магнетронные. Электростатические электронные пушки, в свою очередь по конструктивным особенностям делятся на пушки с кольцевым катодом, радиальные и аксиальные.

120