Печи / Моргунов Печи литейных цехов

футеровки составляет 40-65 плавок, а для печей вместимостью более 2 т стойкость футеровки меньше 30 плавок.

Тигли обычно изготавливают из магнезита и диоксида циркония. В качестве связующих используются борная кислота или жидкое стекло. В малых печах материалами тигля являются: графит, кварц, корунд и т.п.

Плавка в вакуумных индукционных печах производится при давлениях от 0,01 до 0,001 мм рт.ст. Такие давления обеспечивают полноту удаления большей части летучих примесей. Вакуумные системы печей состоят из механических насосов, двухроторных насосов, пароструйных масляных диффузионных и бустерных насосов, пароводяных эжекторных насосов. Схема вакуумной откачки печи представлена на рис. 2.60.

Рис. 2.60. Схема вакуумной откачки индукционной печи: 1 – вакуумный корпус; 2 – устройство для термопары; 3 – устройство для пробника; 4 – подача инертного газа; 5 – кран для напуска воздуха; 6 – вакуумные шиберы; 7 - масляный диффузионный насос; 8 – механические бустерные насосы; 9 – фильтры; 10 –

вакуумные механические насосы

Вакуумные дуговые печи

ВДП нашли широкое распространение при производстве тугоплавких и реакционно-активных сплавов на основе титана, ниобия, тантала, молибдена и т.д.

143

ВДП, как и другие дуговые плавильные печи, могут работать, как на постоянном, так и на переменном электрическом токе. Однако применение переменного тока часто не обеспечивает стабильного горения дуги (она гаснет в периоды, когда величина напряжения близка к нулю). Поэтому чаще используется постоянный ток. Причем в схеме электрической дуги постоянного тока катодом служит электрод, а анодом – ванна расплава (такую полярность дуги называют прямой). Именно при плавке в дуговых печах с дугой прямой полярности обеспечивается более высокая температура расплава.

На форму и устойчивость электродугового разряда большое влияние оказывает остаточное давление газов в вакуумной камере печи. При давлении в диапазоне от 0,13 Па до 26,6 кПа электрическая дуга может иметь следующие формы: отшнурованную, диффузную, переходную.

Отшнурованная дуга существует при давлении более 6-13 кПа (0,06-0,13 атм). Она характерна тем, что ее столб представляет собой яркий шнур, постоянно меняющий свое положение в дуговом промежутке. Катодное пятно дуги сравнительно большого диметра. Оно рывками перемещается по торцу электрода.

Дуга диффузного характера возникает при остаточном давлении 0,13-13,3 Па. Она имеет несколько небольших катодных пятен, которые периодически образуются и быстро перемещаются по торцу и боковой поверхности катода, где происходит их распад. Количество катодных пятен растет с увеличением силы тока. Столб диффузной дуги имеет относительно небольшую яркость и занимает практически весь объем под торцом электрода.

Дуга переходной формы – это промежуточное явление перехода дуги от диффузного характера к отшнурованному разряду при давлениях

0,014-6,0 кПа.

Отшнурованный и диффузный разряды наиболее эффективны при нагреве и плавлении металлов и сплавов.

Переходный разряд сопровождается большими потерями энергии на нагрев стенки тигля и непосредственно в вакуумную камеру печи, что снижает скорость и равномерность плавления.

Вдиапазоне остаточных давлений от 66 до 133 Па может возникать "тлеющий" разряд. Дуга становится размытой, а анодное пятно исчезает, плавление прекращается.

Всвязи с выше изложенным эффективная и устойчивая дуга, например при плавке титановых сплавов, может быть обеспечена в вакууме с остаточным давлением от 0,13 до 13,3 Па, а в среде аргона с остаточным давлением от 6,6 до 26,6 кПа.

144

Исходя из применяемого состава исходных шихтовых материалов, ВДП делятся (см.рис. 2.61):

-на печи с нерасходуемым электродом (как правило, графитовым);

-на печи с расходуемым электродом, выполняемым из переплавного болвана.

Рис. 2.61. Классификация вакуумных дуговых печей

ВДП с не расходуемым электродом применяются для выплавки тугоплавких металлов и сплавов из шихты в гарнисажном тигле. Они имеют сравнительно небольшие размеры.

ВДП с расходуемым электродом, в зависимости от назначения переплава, подразделяются на:

-печи с переплавом в водоохлаждаемый кристаллизатор, для изготовления сверхкачественных и сверхчистых заготовок;

145

-печи с переплавом в охлаждаемый гарнисажный тигель (графитовый, стальной, медный) с последующей разливкой в литейные формы.

Расходуемый электрод должен изготавливаться из того же сплава,

который необходимо получить. Исключение составляют сплавы, в которых есть содержание легко испаряющихся элементов. При переплаве данных сплавов в расходуемом электроде необходимо увеличить содержание легко испаряющихся элементов на 20-25% по сравнению с требуемым содержанием в готовом.

Следует отметить, что применение гарнисажных тиглей в настоящее время является одним из самых основных направлений развития вакуумных печей. Известно, что, для сохранения гарнисажа на стенках тигля необходимо, чтобы их температура была ниже температуры кристаллизации выплавляемого сплава. Поэтому целесообразно выбирать такие источники теплоты, которые обеспечивали бы подвод тепловой энергии непосредственно к открытому зеркалу ванны в тигле, а не стенкам тигля. К этим источникам энергии можно отнести: электрическую дугу, электронный луч и поток плазмы. В вакуумных печах наибольшее применение, как источник тепловой энергии, получила электрическая дуга, из-за простоты преобразования электрической энергии в тепловую. Именно подвод тепловой энергии непосредственно зеркалу металла в тигле является основным преимуществом ВДП по сравнению с ВИП. В данном случае упрощается охлаждение стенок тигля и наблюдается устойчивость сохранения гарнисажа в процессе плавки. Термический к.п.д. ВДП с гарнисажным тиглем составляет 30-40%. Удельный расход технологической электро-

ВДП с переплавом расходуемого электрода в кристаллизатор работают следующим образом. На водоохлаждаемом поддоне кристаллизатора располагают металлическую "затравку", которая служит для первоначального зажигания дуги. Затем капли металла с расходуемого электрода проходят через высокотемпературную зону под воздействием вакуума рафинируются. Быстрое охлаждение в кристаллизаторе позволяет получать слитки химически однородные, с мелкозернистой структурой.

ВДП с переплавом расходуемого электрода в гарнисажный тигель большое распространение нашли для производства титановых сплавов. В

146

зависимости от способа разливки расплава из тигля в литейную форму ВДП данного типа подразделяют на две группы:

-печи с разливкой расплава при горящей дуге (разливка "из-под дуги");

-печи с разливкой расплава после выключения дуги.

Впечах с разливкой расплава при горящей дуге не происходит охлаждение ванны при сливе его в форму. Это является преимуществом, т.к. сохраняется жидкотекучесть расплава и, соответственно, хорошая заполняемость форм. Однако эти печи менее надежны в эксплуатации. В промышленных ВДП разливка металла может производится (см.рис. 2.62):

-наклоном узла тигель-электрод внутри неподвижной вакуумной камеры

(рис. 2.62,а);

-поворотом специально выполненного коробчатого гарнисажного тигля,

сзатопляемой металлической леткой (рис. 2.62,б).

Рис. 2.62. Схемы разливки расплава "из-под дуги" в ВДП: 1 - расходуемый электрод; 2 – гарнисажный тигель; 3 – форма; 4 – тигель с затопляемой леткой; а – с наклоном узла тигель-электрод; б – с наклоном специального тигля с

затопляемой металлической леткой

Во втором случае металлическая летка располагается в боковой стенке тигля (см.рис. 2.62,б) таким образом, чтобы до нее не доходил уровень расплава во время плавки. При разливке тигель поворачивается на 900 и металлическая летка оказывается напротив заливочной воронки формы, причем под слоем расплава.

В ВДП с разливкой после выключения дуги остаток электрода поднимается и беспрепятственно производится поворот тигля. В этих печах может происходить охлаждение расплава. Однако значительное охлажде-

147

ние происходит только в случае малой скорости подъема электрода или медленного поворота тигля печи.

Рис. 2.63. Вакуумная дуговая плавильно-заливочная установка 833Д: 1 – вакуумная камера; 2 – плавильный тигель; 3 – механизм подачи электрода; 4 – приемно-направляющий лоток; 5 – контейнер с литейными формами; 6 – гляделка; 7 – поворотный кран; 8 – привод центробежной машины; 9 – контактная пло-

щадка для приварки электрода

На рис. 2.63 приведена принципиальная схема вакуумной дуговой плавильно-заливочной установки с центробежной заливкой форм, предназначенной для мелкосерийного производства титановых отливок небольших и средних габаритов (833Д). Основной узел печи – водоохлаждаемый графитовый гарнисажный тигель расположен внутри цилиндрической вакуумной камеры. Снаружи камеры на верхнем фланце установлен механизм подачи электрода, состоящий из электродвигателя постоянного тока для рабочей подачи во время плавления и пневмоцилиндра для отброса электрода перед сливом металла из тигля. Контейнер с литейными формами загружают на центробежный стол с помощью поворотного крана. Этим

148

же краном устанавливают на контактную площадку новый расходуемый электрод с целью его приварки к огарку ранее расплавленного электрода.

Разливка металла после выключения дуги и отброса электрода производится поворотом тигля с помощью гидропривода вокруг оси, проходящей через сливной носок. Расплав к форме подается по приемнонаправляющему лотку. Привод центробежной машины вынесен за пределы вакуумной камеры, он состоит из электродвигателя постоянного тока, редуктора и рамы. Скорость вращения стола диаметром 1000 мм регулируется бесступенчато и составляет 200-600 об/мин. Емкость тигля – до 130 кг (по жидкому титану), максимальная сила тока дуги 16 кА. Рабочий вакуум

0,67 Па.

2.8. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ ПО СПОСОБАМ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТРАБОТАННЫХ ПЕЧНЫХ ГА-

ЗОВ

Уже отмечалось, что любая печь выбрасывает в атмосферу печные газы нагретые до достаточно высоких температур. Согласно технологии нагрева любого материала печные газы, выходящие из рабочего пространства, должны при выходе иметь температуру выше, чем значение конечной

температуры нагрева (Тк). Поэтому температура отходящих газов из рабочего пространства может достигать значений 1700К и выше (например, в сталеплавильных топливных печах).

Выброс в атмосферу печных газов с такой температурой недопустим, как с экологической точки зрения, так и с экономической точки зрения (неэкономичность использования тепловой энергии). В связи с этим любая высокотемпературная печь должна иметь устройство для утилизации тепла отходящих газов. Только в низкотемпературных печах применение устройств может быть неэффективно.

Утилизация теплоты отходящих газов может производиться различными способами:

-возвратом отработанных печных газов в рабочее пространство специальными устройствами;

-нагревом воздуха, который используется для сжигания технологического топлива в данных же печах, в специальных теплообменниках (рекуператорах или регенераторах);

-нагревом воды в котлах-утилизаторах, через которые протекают отходящие продукты сгорания.

Исходя из вышесказанного все печи по способам утилизации теплоты отходящих печных газов можно классифицировать следующим образом:

149

-без утилизации теплоты отходящих газов;

-рециркуляционные, т.е. с возвратом печных газов в рабочее пространство;

-с рекуперацией или регенерацией теплоты отходящих газов в воздухонагревателях (теплообменниках);

-с рекуперацией теплоты отходящих газов в котлах-утилизаторах.

На рис. 2.64 представлены схемы печей без использования теплообменных устройств для утилизации теплоты отходящих газов. В первом случае (см.рис. 2.64,а) отработанные печные газы выбрасываются полностью в атмосферу без какой-либо утилизации теплоты. Это свойственно только низкотемпературным печам.

Рис. 2.64. Схемы печей без применения теплообменников для утилизации теплоты отходящих газов: а – с полным выбросом отработанных газов в атмосфе-

ру; б – с рециркуляцией газов

Во втором случае (см.рис. 2.64,б) отработанные печные газы, выходящие из рабочего пространства, полностью или частично возвращаются в рабочее пространство, где происходит сжигание топлива или электроподогрев газов. В данном случае используется теплота возвращенных газов. Это ведет к снижению расхода технологического топлива или электроэнергии и, соответственно, к повышению теплового к.п.д. печей. Такие конструктивные схемы нашли большое распространение в сушильных и термических печах.

На рис. 2.65 показаны схемы печей с использованием теплообменников для утилизации теплоты отходящих газов.

150