Бездоменное производство чугуна

В настоящее время накоплен большой опыт по плавке и внепечной обработке чугуна. Чугун выплавляют в индукционных и электропечах.

В индукционных печах металл нагревается токами, возбуждаемыми в нем переменным полем индуктора. При индукционном нагреве теплота выделяется непосредственно в нагреваемом металле, поэтому ее использование оказывается наиболее полным.

Различают следующие типы индукционных печей:

1) по конструктивному исполнению – тигельные и канальные;

2) по частоте электрического тока – промышленной частоты (50 Гц), повышенной (150–450 Гц), средней (до 10 тыс. Гц) и высокой (свыше 10 тыс. Гц) частоты.

Тигельные печи применяют для плавки и миксерования, т.е. накопления, чугуна, а канальные – в основном для миксерования.

В индукционной тигельной бессердечниковой печи металл расплавляют в огнеупорном тигле, расположенном внутри индуктора. Пропускаемый через индуктор переменный ток создает внутри индуктора переменный магнитный поток, наводящий в металле вихревые токи, которые обеспечивают нагрев и плавление металла. Для плавки чугуна чаще всего применяются индукционные тигельные печи промышленной (50–60 Гц) или средней (2400–10000 Гц) частоты.

Во избежание чрезмерного увеличения мощности питающего печь генератора в схему печи включают конденсаторы, компенсирующие индуктивное сопротивление индуктора. Как известно, наличие индуктивного сопротивления в цепи переменного тока вызывает сдвиг фаз (величина силы тока отстает от величины напряжения), в результате чего снижается коэффициент мощности cos  установки. Емкость вызывает обратный сдвиг фаз; подбирая емкость конденсаторов, добиваются настройки установки в резонанс, когда угол сдвига фаз  приближается к нулю, а cos  – к единице. Чем выше частота, тем меньше требуется емкость конденсаторной батареи.

Важной особенностью индукционных печей промышленной частоты является интенсивная циркуляция жидкого металла, вызываемая взаимодействием электромагнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, токами, проходящими по индуктору, с другой – вихревыми токами в металле.

Особенностью индукционных печей является также и то, что плотность индуктируемых токов достигает максимума на поверхности металла у стенок тигля и снижается по направлению к его оси. В этом поверхностном слое выделяется наибольшее количество теплоты, за счет которой плавится шихта.

Недостатком индукционных печей является низкая температура и активность шлака, поскольку он нагревается от металла.

Основными элементами индукционной тигельной плавильной установки являются печь с механизмом наклона и питающее электрооборудования электрооборудование (генератор повышенной частоты или трансформатор, батарея конденсаторов, щит управления и на крупных печах – автоматический регулятор электрического режима). Основные элементы печи – корпус (каркас), индуктор и огнеупорный тигель, закрываемый в больших печах крышкой.

Каркас небольших печей выполняют комбинированным, на больших печах – из стальных конструкций с немагнитными прокладками. В каркасе жестко крепят индуктор и подовую плиту. Как уже было сказано, для уменьшения электромагнитного поля рассеивания, предохранения металлических конструкций от перегрева и увеличения жесткости конструкции печи между каркасом и индуктором размещают магнитопроводы в виде пакетов из трансформаторной стали или изготовляют каркас из немагнитной стали. К передней части каркаса на уровне сливного носка прикреплены две цапфы для наклона печи с помощью гидравлического механизма при сливе металла.

Водоохлаждаемые индукторы являются основным рабочим органом индукционной печи. Их изготавливают из медных трубок в виде многовитковой спирали. Профиль и сечение медных трубок должны обеспечить прохождение необходимого для охлаждения количества воды, а также минимум электрических потерь. При изготовлении индуктора необходимо обеспечивать параллельность витков. Витки изолируют друг от друга стекло- или асболентами, электроизоляционными лаками; во избежание смещения витков их крепят к вертикальным стойкам, выполненным из изоляционного материала, и скрепляют стяжными болтами. В последнее время применяют монолитные конструкции: витки покрывают изоляционным лаком, а зазоры между ними заполняют бетоном или полимерными материалами, которые после затвердевания образуют с индуктором монолит.

Число витков индуктора определяют расчетом, при этом энергия, превращающаяся в садке в теплоту, пропорциональна квадрату ампер-витков. Плотность тока в индукторе достигает 20–40 А/мм².

С целью обеспечения равномерного охлаждения и необходимой пропускной способности при небольшом начальном давлении охлаждающей воды индуктор часто охлаждается секционно. Его делят на несколько секций с самостоятельным подводом воды в каждую из них; секционирование электропитания при этом не обязательно. Поступление воды контролируется водяным реле, отключающим питание печи при перерыве в подаче воды. Температура охлаждающей воды в медных трубках индуктора не должна превышать 50–60 ⁰С.

Можно выделить следующие основные металлургические особенности индукционной плавки:

1) индукционная плавильная печь является "чистым" агрегатом для переплавки металлов. Загружаемые металлы и добавки вступают во взаимодействие в зависимости от времени и температуры;

2) температуру и характер ее изменения можно регулировать в широких пределах;

3) интенсивное движение расплава обусловливает его глубокое перемешивание, в результате чего выравниваются состав и температура расплава;

4) температуры поверхностей расплава в режиме поддержания печи в разогретом состоянии или при подаче незначительной мощности немного ниже температуры расплава;

5) электромагнитные силы воздействуют только на металл. Нетокопроводящие включения выталкиваются, происходит самоочистка расплавленного металла;

6) отношение поверхности печи к ее общей вместимости может свободно варьировать в широких пределах; в промышленной практике используются лишь экономически оптимальные соотношения;

7) химический состав футеровки тигля может выбираться произвольно, керамический тигель в основном удовлетворяет механическим и термическим требованиям;

8) влияние состава атмосферы может быть исключено наведением шлаков или проведением плавки в условиях контролируемой атмосферы;

9) металлургические процессы при плавке в индукционной печи зависят от многих факторов.

Реакции расплава с предусмотренными и случайными добавками, шлаком, атмосферой и набивочной массой зависят от следующих величин: температуры, степени концентрации и насыщения, поверхности реакции, продолжительности реакции, состава сплава, степени теплового эффекта реакции.

При индукционной плавке температура загружаемого материала и продолжительность реакции могут быть выбраны. Степень перемешивания обусловливается значениями рабочей частоты и удельной мощности. Эффективная поверхность реакции зависит от величины контактной площади расплава и скорости его перемещения, которая вызвана электромагнитным движением жидкой ванны в индукционных печах.

Желательные и нежелательные реакции протекающие во время плавки и в режиме поддержания печи в разогретом состоянии, могут быть предсказаны средствами физической химии.

Следует отметить важность применения физико-химических расчетов реакций для металлургии индукционной плавки, поскольку именно в условиях индукционной плавки благодаря принципу нагрева и интенсивному перемешиванию могут быть относительно точно предсказаны температуры реакций, что является необходимым условием правильного назначения режимов плавки.

В дуговых печах преобразование электрической энергии в тепловую происходит в электрической дуге, являющейся одной из форм разряда в газах. Нагрев металла дугой можно осуществить непосредственно, если дуга горит между электродом и расплавляемым металлом, или излучением, когда дуга горит между двумя электродами. Печи первого типа называют печами прямого нагрева, второго – печами косвенного нагрева.

Для плавки чугуна применяют печи прямого нагрева, поскольку очаг высоких температур в них максимально приближен к поверхности металла, и поэтому условия передачи теплоты от дуги к металлу значительно лучше. Наиболее распространены трехфазные печи, в которых имеются рабочее пространство (собственно печь) с электродами и токоподводами и механизмы, обеспечивающие наклон печи, удержание и перемещение электродов и загрузку шихты.

Рабочее пространство печи ограничено сверху куполообразным сводом, снизу – сферическим подом и с боков – стенками. Огнеупорная кладка пода и стен заключена в металлический кожух.

Съемный свод выполнен из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное сводовое кольцо. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токоподводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Шихтовые материалы загружают на под печи; после их расплавления в печи образуются слои металла и шлака. Плавление и нагрев осуществляются за счет теплоты электрических дуг, возникающих между электродами и металлической шихтой или жидким металлом. Расплавленный металл и шлак выпускают через желоб, наклоняя печь. Загрузку шихты производят сверху, через открытый свод, бадьями с раскрывающимся днищем или через завалочное окно в стенке печи с помощью мульд.

Металловыпускное отверстие делают круглого или прямоугольного сечения; его располагают напротив рабочего окна выше уровня металла и шлака, нижнюю кромку – на уровне порога рабочего окна. Примыкающий к отверстию желоб футеруют шамотным кирпичом.

Футеровка дуговой печи подвергается воздействию излучения электрических дуг, разъедающему действию шлака и металла, а также воздействию термических напряжений, возникающих при резких колебаниях температур во время завалки. Футеровка свода испытывает дополнительные нагрузки, вызываемые распорными усилиями арочного свода. Поэтому применяемые огнеупоры должны обладать высокой огнеупорностью, термостойкостью и шлакоустойчивостью.

Дуговые печи выпускаются серийно, вместимостью 0,5; 1,5; 3; 6; 25; 50; 100 и 200 т. В чугунолитейном производстве применяют обычно печи вместимостью до 50 т.