5.3. Совершенствование конструкции плавильных печей, новые технологии плавки
Оборудование и технологии литейного производства большинства предприятий России в значительной степени устарели, характеризуются низкими показателями рентабельности и качества выпускаемой продукции, не отвечают современным требованиям экологов, что относится и к плавильному оборудованию, физическая и моральная старость которого крайне отрицательно сказывается на основных показателях производства отливок. Поэтому перед многими машиностроительными предприятиями стоит проблема скорейшей реконструкции, а правильный выбор нового оборудования и технологий определяет их эффективность.
Индукционные плавильные печи (ИПП) и миксеры длительное время по ряду показателей не имели конкурентоспособных аналогов среди других типов печей, включая дуговые сталеплавильные печи (ДСП), и получили широкое развитие несмотря на явные, очень серьёзные недостатки.
Главный недостаток ИПП – принципиальная их взрывоопасность, так как металл в печах плавится внутри водоохлаждаемой ёмкости, стенки которой отделены от расплава тонким слоем футеровки. В процессе работы всегда существует возможность взрыва, поэтому развивать и эксплуатировать заведомо опасное оборудование допустимо только в случае крайней необходимости, например, при отсутствии других взрывобезопасных типов печей, которые к тому же не обладают технологическими и прочими возможностями, присущими ИПП. Если же эксплуатационные и технологические характеристики взрывобезопасных печей приближаются к характеристикам ИПП, то основным критерием выбора должна быть охрана труда.
Другой серьёзный недостаток ИПП – технологическая пассивность, связанная с невозможностью работы с горячими шлаками, ведения окислительного процесса, широкого выбора материалов футеровки, определяемых не безопасностью эксплуатации, а требованиями технологического процесса.
Ещё один существенный недостаток ИПП – необходимость множества подзавалок шихты в расплав. В печах промышленной частоты плавки ведут с «болотом» и не допускают полного слива расплава, в ИПП средней частоты полный слив проводят, однако в «сухую» печь загружают только первую порцию шихты, а остальные материалы загружают уже в расплав, так как плавильный объём ИПП приблизительно равен объёму расплава по окончанию плавки, а объём шихты (навалом) значительно больше объёма расплава.
Для плавления и выдержки стали, специальных сплавов, синтетического чугуна, а также высокопрочных и серых чугунов с высокими механическими свойствами, сплавов на основе алюминия и меди НТФ «ЭКТА» разработала ряд дуговых печей постоянного тока нового поколения (ДППТНП) вместимостью 0,5 –
– 40,0 т и разрабатывает и поставляет печи и миксеры большой вместимости.
ДППТНП позволяет использовать практически все классические методы обработки расплава – дефосфорацию, десульфурацию, управляемое легирование (в том числе чугуна углеродом), дегазацию, управляемое насыщением металла газами, обезуглероживание, удаление из металла неметаллических включений, диспергирование остающихся включений, рафинирование. Все процессы ведут с мощным и управляемым перемешиванием, обеспечивающим усреднение химсостава и температуры по объёму расплава, высокую эффективную поверхность взаимодействия металла и горячего шлака.
Но главное экономическое преимущество ДППТНП – возможность выплавки любых марок стали, чугуна, алюминиевых и медных сплавов из рядовой шихты, т.е. не требуются, как для выплавки в ИПП, дорогие, чистые, специально подготовленные материалы.
Способы загрузки шихты в ИПП и ДППТНП принципиально отличаются и в значительной мере влияют на безопасность работы, энергозатраты, подготовку шихты, экологию. В ДППТНП объём печного пространства соответствует объёму переплавляемой шихты, поэтому обычно завалку печи ведут в один приём, и только при очень легковесной шихте проводят одну или несколько подзавалок в период, когда в печи мало расплава. При такой схеме загрузки не нужна специальная подготовка шихты. Также не вызывает опасений завалка влажной шихты с кусками льда, СОЖ или шихты больших габаритов и ультравесной, т.е. не требуются затраты энергии на подогрев шихты, её резку, прессование.
В отличие от ИПП в ДППТНП печные газы внутри печи разогреты до высокой температуры, не разбавлены воздухом и при выходе из печного пространства самовоспламеняются. В ИПП при наличии в шихте органических элементов отходящие газы необходимо подогревать для их дожигания. При плавлении твёрдой шихты атмосфера печи содержит большое количество возгонов органики и монооксида углерода, защищающих металл от окисления, кроме того, расплав закрыт шлаком. В этих условиях угар шихты значительно, в 3 – 4 раза, ниже угара шихты в ИПП, в которых поверхность твердой шихты в процессе расплавления не защищена от взаимодействия с воздухом, а расплав не защищён шлаком. При плавке в ДППТНП многие оксиды, ушедшие в шлак, восстанавливаются из металла или специально загруженным карбюризатором.
При нагреве шихты в ДППТНП с поверхности, а не изнутри, как в ИПП, в направлении перепада температур из металла уходят газы, а неметаллические включения при стекании капель расплава через шлак в основном остаются в нем. Эти процессы, особенно при плавлении алюминиевых сплавов, способствуют глубокому удалению водорода из металла, тогда как при плавлении в ИПП, как и в печах других типов, алюминий, наоборот, насыщается водородом.
Производительность плавки в печах определяется возможностями рационального ввода энергии высокой удельной мощности. В ИПП промышленной частоты мощность ограничена чрезмерным перемешиванием и составляет 300 – 360 кВт. В ИПП средней частоты этот недостаток отсутствует, и скорость плавления определяется не только технико-экономическими показателями. В ДППТНП ограничение подведенной мощности также отсутствует, и параметры источников электропитания задают, исходя из условий обеспечения продолжительности плавки чёрных металлов35 – 45 мин, а алюминиевых сплавов 15 – 20 мин.
Особенности процесса плавки в ДППТНП (низкий уровень угара шихты, высокая температура отходящих газов и высокая концентрация углеводородов в них) обеспечивают меньшие затраты на пылегазоочистку по сравнению с ИПП. Отсутствие операций подогрева и резки шихты также снижают затраты на очистку. К загрязнению окружающей среды приводит использование фтор- и хлорсодержащих элементов, редкоземельных и других металлов и соединений, которые применяют в ИПП для дегазации расплава при производстве алюминия, для удаления серы при получении чугуна, для внепечной обработки стали и сплавов.
При производстве высококачественных сплавов в ДППТНП такие технологические операции и материалы не применяют. В ДППТНП вредные примеси удаляют, используя классические технологии.
Отходы производства, особенно при выплавке алюминиевых сплавов, в ИПП содержат хлор- и фторсодержащие элементы, кроме того, со шлаком теряется значительное количество переплавляемого металла. Эти недостатки практически отсутствуют в ДППТНП.
Эффективность работы подтверждена опытом промышленной эксплуатации на машиностроительных предприятиях. Так, на ОАО «Курганмашзавод» более 1,5 лет работает дуговая установка постоянного тока (ДППТ), ДППТ–5АГ, состоящая из двух плавильных агрегатов и одного источника электропитания, выполненная переводом на постоянный ток двух печей ДС–5М вместимостью 5 т. На ней освоен серийный выпуск ряда марок стали и чугуна. После перевода печи ДС–5М на питание постоянным током угар шихты уменьшился с 6,0 – 6,5 до 0,5 – 1 %, что даёт экономию металла 50 – 609 кг/т, ферромарганца 11,6 т.
При выплавке сталей типа 30XMЛ процессы рафинирования протекают стандартно, но с более высокими скоростями удаления фосфора и серы. Особенно высока скорость обезуглероживания при рудном кипе, которая составляет 0,1 % в течение 3 –
– 5 мин. Эти преимущества значительно повысили механические свойства литых заготовок для нефтегазовой арматуры.
На ДППТ освоена выплавка более 150 марок стали и сплавов различного назначения. Из наиболее сложных сталей следует выделить сталь 02Х8Н22С6, высокопрочную сталь 03Н17К10В10Н–ПД, дисковый жаропрочный сплав третьего поколения. Технические возможности печи позволили впервые в мире освоить выплавку в них высококачественных алюминиевых сплавов. Так, на Ковровском электромеханическом заводе с 1987 года работает печь ДППТ–0,5 вместимостью 0,5 т, которая заменила четыре печи ИАТ–0,4.
Применение ДППТ на предприятиях позволяет повысить показатели плавки, снижать затраты на производство, улучшать экологию, проводить ресурсосберегающую политику. Однако не все технологии отработаны, открыт путь для разработки новых технологических процессов и расширения возможностей ДППТНП.
В настоящее время главное условие изготовления современного плавильного и термического оборудования – разработка или обновление документации на него с учетом требований новых отечественных и международных стандартов, любых специфических требований заказчика и снижения затрат производства. Сегодня самым распространённым плавильным оборудованием в литейном производстве остаются, как и прежде, дуговые и индукционные (тигельные и канальные) печи, работающие на постоянном или переменном токах, промышленнной, средней и высокой частоты тока.
На рис. 5.4 – 5.9 показаны новейшие разработки компании Inductotherm в области плавильного оборудования. Сотни плавильных цехов во всём мире экономят электроэнергию, используя сдвоенные плавильные системы VIP.
В 1991 году Inductotherm первый в мире внедрил индукционную плавку в двух печах, снабжаемых электроэнергией от одного источника питания. Входная мощность трансформатора и выпрямителя, равная мощности одной печи, может плавно перераспределяться в любой пропорции между двумя печами. Это позволяет плавить металл в одной печи и одновременно подогревать в другой. За счёт лучшего использования оборудования система DUAL–Trak увеличивает производство металла на 20 % при том же удельном потреблении электроэнергии. В определенных случаях принцип DUAL–Trak может быть расширен и применён к системе, в которой любое количество плавильных печей подключается к общему выпрямителю. Сумма номинальных мощностей всех печей системы значительно превосходит входную мощность. Это позволяет плавить в одних печах и выдерживать и легировать металл в других, постоянно используя входную мощность практически на 100 %. Преимущества данной системы: возможность производства различных сплавов в одной печи, увеличение производства металла без увеличения потребления электроэнергии, прогревание и спекание футеровки и выплавки формы в одной печи с одновременной плавкой в другой печи, минимальная удельная стоимость производимого металла.
Рис. 5.4. Две печи по 12,5 т с двумя источниками
питания 9000 кВт (Великобритания)
Рис. 5.5. Две печи по 6 т с одним источником питания
DUAL–Trak 4500 кВт (Великобритания)
Потери излучением составляют самую большую часть тепловых потерь. Но печи (рис. 5.9) уменьшают эти потери до минимума, за счёт плотно сидящих крышек, футерованных изнутри. Силовой механизм легко открывает и отворачивает их для удаления шлака и загрузки печи. Тяжёлый стальной корпус обеспечивает максимальную жёсткость и прочность печи, приводящий к увеличению срока службы тигля и к повышению эффективности работы. Также снижается шум от работающей печи. Толстостенный водоохлаждаемый удлиненный индуктор максимально увеличивает коэффициент использования металла.
Рис. 5.6. Четыре печи по 12,5 т с двумя источниками питания
DUAL–Trak по 7000 кВт (Испания)
Рис. 5.7. Две печи по 7,5 т с одним источником
питания 7000 кВт (Нидерланды)
Рис. 5.8. Три печи по 4 т с двумя источниками
питания 3500 кВт (Великобритания)
Рис. 5.9. Печь в стальном корпусе и со стальной крышкой,
ёмкостью до 100 т