Технологии » 2011 » Октябрь » 1 » Индукционная плавка металла.Ред.
20:51
Индукционная плавка металла.Ред.
Достоинства индукционных плавильных печей:
1.Выделение энергии непосредственно в загрузке, без промежуточных нагревательных элементов;
2.Интенсивная электродинамическая циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая быстрое плавление мелкой шихты, отходов, выравнивание температуры по объёму ванны и отсутствие местных перегревов, гарантирующая получение многокомпонентных сплавов, однородных по химическому составу;
3.Принципиальная возможность создания в печи любой атмосферы (окислительной, восстановительной или нейтральной) при любом давлении;
4.Высокая производительность, достигаемая благодаря высоким значениям удельной мощности, особенно на средних частотах;
5.Возможность полного слива металла из тигля и относительно малая масса футеровки печи, что создаёт условия для снижения тепловой инерции печи благодаря уменьшению тепла, аккумулируемого футеровкой. Печи этого типа удобны для периодической работы с перерывами между плавками и обеспечивают возможность быстрого перехода с одной марки сплава на другую;
6.Простота и удобство обслуживания печи, управления и регулировки процесса плавки, широкие возможности для механизации и автоматизации процесса;
7.Высокая гигиеничность процесса плавки и малое загрязнение воздуха.

К недостаткам тигельных печей относятся относительно низкая температура шлаков, наводимых на зеркало расплава с целью его технологической обработки.
Шлак в ИТП разогревается от металла, поэтому его температура всегда ниже, а также сравнительно низкая стойкость футеровки при высоких температурах расплава и наличие теплосмен (резких колебаний температуры футеровки при полном сливе металла).
Однако преимущества ИТП перед другими плавильными агрегатами значительны, и они нашли широкое применение в самых разных отраслях промышленности.

В зависимости от того, идёт ли процесс плавки на воздухе или в защитной атмосфере, различают печи:
открытые (плавка на воздухе),
вакуумные (плавка в вакууме),
компрессорные (плавка под избыточным давлением).
По организации процесса во времени:
периодического действия
полунепрерывного действия
непрерывного действия
По конструкции плавильного тигля:
с керамическим (футерованным) тиглем,
с проводящим металлическим тиглем,
с проводящим графитовым тиглем,
с холодным (водоохлаждаемым) металлическим тиглем.
Футеровка тигельной печи состоит из плавильного тигля со сливным носком, так называемым «воротником», подины, крышки и слоя тепловой изоляции. Плавильный тигель является одним из самых ответственных узлов печи, в значительной степени определяющим её эксплуатационную надежность.
 
Поэтому к тиглю и к используемым футеровочным материалам предъявляются следующие требования:
  • материал тигля должен быть «прозрачен» для электромагнитного поля, нагревающего металл. В противном случае нагреваться будет не расплавляемый металл, а тигль;
  • огнеупорные материалы должны обладать высокой теплостойкостью и огнеупорностью, а также химической стойкостью по отношению к расплавленному металлу и шлаку при рабочих температурах;
  • материал тигля должен сохранять изоляционные свойства (то есть иметь минимальную электропроводность) во всем диапазоне температур (1600—1700 °C) для черных металлов);
  • тигель должен иметь минимальную толщину стенки для получения высокого значения электрического коэффициента полезного действия;
  • тигель должен быть механически прочным в условиях воздействия высоких температур, большого металлостатического воздействия, значительных механических усилий, возникающих при наклонах печи, ударных нагрузках, возникающих при загрузке и осаждении шихты и чистке тигля;
  • материал тигля должен иметь малый коэффициент линейного (объемного) расширения для исключения возникновения трещин в тигле в условиях высокого значения градиента температур в стенке (до 30 тыс. °C/м) и для снижения термических напряжений в тигле;
  • технология конструкции и изготовления футеровки и тепловой изоляции печи должны обеспечивать условия для осуществления в течение всей кампании печи неспекшегося (буферного) наружного слоя, прилегающего к индуктору, и исключающего образование сквозных трещин и проникновение расплава к виткам индуктора.
Открыть | Закрыть
  • Видеоролик.Индукционный генератор и трансформатор.
      Embed:
В настоящее время в практике изготовления ИТП используют следующие методы:
1.Набивку по шаблону непосредственно в печи, когда сваренный из листовой стали шаблон по форме внутренней поверхности тигля устанавливают на подине точно на оси печи, порошкообразные огнеупорные массы засыпают в зазор между индуктором и шаблоном, и послойно трамбуют пневматической или электрической трамбовкой.
2.Изготовление футеровки внепечным методом: тигли прессуют, трамбуют или формуют в специальных разборных пресс-формах, затем тигли устанавливают в индуктор печи и засыпают боковое пространство порошкообразным огнеупорным материалом, что предупреждает прорыв жидкого металла к индуктору через сквозные трещины, которые могут образоваться в предварительно обожженных тиглях.
Смену футеровки при таком методе можно осуществить быстрее, что сокращает время простоя печи.
3.Выполнение футеровки из фасонных огнеупорных изделий.
Толщина изделий (кольца, блоки, секционные шпунтовые изделия, стандартные кирпичи клиновидной формы) должна быть такой, чтобы при кладке не образовалось пространство (кольцевой зазор) размером 25—30 мм между наружной стенкой кладки и витками индуктора для создания буферного слоя из порошкообразных материалов.
4.Прослойную наварку футеровки путем торкретирования или плазменным напылением контактных рабочих слоев на изготовленную любым методом футеровку.
Метод напыления позволяет выполнить химически чистую и высокоогнеупорную контактную поверхность футеровки, в соответствии с требованиями к выплавляемым сплавам.

Для ИТП применяют кислую, основную и нейтральную футеровку, состав которых очень разнообразен.
Это позволяет для данного технологического процесса плавки подобрать соответствующие футеровочные материалы, рецептуру огнеупорных масс и технологию изготовления в соответствии с ранее перечисленными требованиями.

    Кислую футеровку изготовляют из кремнезёмистых огнеупорных материалов (кварцевого песка, кварцита, молотого динасового кирпича) с содержанием окиси кремния не менее 93—98 % (кварц -  химическая формула: SiO2 (диоксид кремния)).
В качестве связующего (упрочняющего) материала применяют сульфитно-целлюлозный экстракт, а в качестве минерализатора добавляют 1—1,5 % раствор борной кислоты.
Зерновой состав огнеупорной массы: 5 % зёрен 3—2 мм, 50 % зёрен 2—0,5 мм, 45 % зёрен < 0,5 мм.
Кислая футеровка выдерживает 80-100 плавок.

    Основную футеровку изготовляют из магнезитовых (магнезит — распространённый минерал, карбонат магния MgCO3) огнеупоров в предварительно спечённом или сплавленном состоянии, то есть обладающих наибольшим постоянством объёма.
Для уменьшения усадки при высоких температурах (1500—1600 °C) и обеспечения некоторого роста при средних (1150—1400 °C), что предотвращает образование усадочных трещин, применяют такие минерализаторы, как храновая руда, кварцевых песок или кварциты.
В качестве связующих используют глину (до 3 % от массы магнезита) с увлажнением её водным раствором жидкого стекла или патоки (до 12 %).
 
Лучшей огнеупорной массой по зерновому составу считают: 50 % зёрен 6—0,5 мм, 15 % зёрен 0,5—0,18 мм, 35 % зёрен < 0,18 мм.
Данные о продолжительности службы основной футеровки крайне противоречивые и колеблются для тиглей разной ёмкости.
Следует отметить, что стойкость основной футеровки ниже стойкости кислой, причём существует ещё и недостаток: образование трещин.

    Нейтральная футеровка характеризуется большим содержанием амфотерных окислов (Al2O3, ZnO2, Cr2O3).
Она во многих случаях обладает более высокими огнеупорными характеристиками, чем кислая или основная, и даёт возможность выплавлять в ИТП жаропрочные сплавы и тугоплавкие металлы.
В настоящее время нейтральную футеровку изготовляют из магнезитохромитовых огнеупоров, электрокорунда, двуокиси циркония и циркона (ортосиликат циркония ZrSiO4).
Возможно также изготовление тиглей нейтрального состава из некоторых тугоплавких соединений (нитридов, карбидов, силицидов, боридов, сульфидов), которые могут быть перспективными для плавки небольших количеств химически чистых тугоплавких металлов в вакууме и в восстановительных или нейтральных средах.

Плавку в тиглях большой ёмкости, которая бы оправдала применение таких дорогостоящих футеровочных материалов, пока не применяют.

Крышка печи, служащая для уменьшения тепловых потерь излучением, выполняется из конструкционной стали и футеруется изнутри.
Открывание крышки осуществляется вручную или с помощью системы рычагов (на малых печах), либо с помощью специального привода (гидро- или электромеханического).

Подина печи, служащая основанием, на которое устанавливают тигель, обычно выполняется из шамотных кирпичей или блоков (для больших печей) или из асбоцементных плит, уложенных одна на другую (для малых печей небольшой ёмкости).
 
Выплавка стали в индукционных печах.
 
Выплавку стали в индукционных печах применяют в черной металлургии значительно реже, чем в дуговых, и используют обычно печи без железного сердечника, состоящие из индуктора в виде катушки (из медной трубки, охлаждаемой водой), которая служит первичной обмоткой, окружающей огнеупорный тигель, куда загружают плавящийся металл.
 
При пропускании тока через индуктор в металле, находящемся в тигле, индуктируются мощные вихревые токи, что обеспечивает нагрев и плавление металла.
Шихтовые материалы загружают сверху.
Для выпуска плавки печи наклоняют в сторону сливного желоба. 
Так как в индукционных печах теплота возникает в металле, шлак в них нагревается только через металл
 
Вместимость современных индукционных печей достигает в отдельных случаях 15 т.
Плавку проводят методом переплава, используя отходы соответствующих легированных сталей или чистый по сере и фосфору углеродистый скрап и ферросплавы.

В конце периода плавления на металл загружают флюс, необходимый для образования шлакового покрова.
В кислых печах в качестве флюса используют бой стекла и другие материалы, богатые SiO2.
В основных печах применяют известь и плавиковый шпат.
 
Шлаковый покров защищает металл от окисления и насыщения газами атмосферы, уменьшает потери тепла.

Крупные печи могут работать на переменном токе с промышленной частотой 50 периодов; для более мелких необходимы генераторы, работающие на частоте 500—2500 периодов в секунду.
 
Выплавка стали из чугуна в индукционных печах распространения не получила, так как окисление и рафинирование с помощью шлака в них почти невозможно.
Эти печи с успехом используют для переплавки чистых легированных сталей, так как высокая температура, возможность работы в вакууме и отсутствие науглероживания металла электродами дают возможность получить в них стали с малым содержанием углерода и различные сложные сплавы, к которым предъявляются повышенные требования.
 
Расплавление.
 
После окончания завалки тигель плотно закрывают керамической крышкой и включают ток.
В течение первых 5—10 мин до прекращения толчков тока генератор работает на малой мощности.
Затем расплавление проводится на максимальной мощности генератора.
Наивысшая температура металла достигается в нижней части тигля, где тепловые потери имеют минимальную величину.
 
В процессе расплавления нужно обеспечить свободное опускание верхних кусков шихты в зону высоких температур.
Если образуются «мосты» или зависания, шихту необходимо осадить.
 
Когда задерживается опускание шихты, нижний слой металла перегревается и вскипает, что приводит к разрушению футеровки.
После окончания расплавления на поверхность жидкого металла заваливают шлаковую смесь, состоящую из боя стекла для кислого тигля и извести с 20% плавикового шпата для основного тигля.
 
Шлаковый покров предохраняет металл от угара легирующих примесей и насыщения его газами.
 
Для поддержания сплошного шлакового покрова в тигель по мере надобности забрасывают дополнительные порции шлакообразующей смеси.
После окончания расплавления берут пробу для экспресс-анализа металла.

После расплавления печь наклоняется, через носок скачивается шлак и наводится новый.
 
В кислых тиглях иногда вместо стекла для наводки шлака используют смесь, состоящую из песка, молотого полевого шпата и извести.
Состав такого шлака следующий: 41,0% Si02; 6,0% А1203; 7,0% СаО.
 
Для наводки основного шлака применяют смесь из известняка, плавикового шпата, молотого кокса, ферросилиция и порошка алюминия.
Состав шлака: 40% СаО; 25% Si02; 35% А1203.
 
Процесс можно вести без окисления и с окислением.
 
Состав металла корректируют обычно присадкой ферросплавов.
Ферромарганец дают в два приема: основную часть — в завалку и для корректировки состава — на оголенную поверхность металла за 10 мин до выпуска.
 
Угар ферромарганца равен 25—30>%.
Ферросилиций, практически не угорающий в кислой печи, вводится в печь за 10 мин до выпуска.
Алюминий дается в ковш.
 
Перед сливом металла в ковш его выдерживают в печи без тока в течение 8—10 мин.

Для более энергичного окисления примесей поверхность ванны, покрытой шлаком из извести и плавикового шпата, обдувают воздухом либо вводят в шлак железную руду, окалину или железную руду и шлакообразующие, которые загружают в печь вместе с шихтой.
Для этой же цели можно использовать кислород.
 
Во всех случаях процесс окисления примесей протекает очень быстро и сопровождается бурным кипением металла, что приводит к сильному и быстрому разрушению футеровки тигля.
 
В некоторых случаях скорость окисления углерода достигает 3% в час, что в пять раз больше скорости окисления его в электродуговой печи.
 
Содержание фосфора снижается за 15 мин с 0,13 до 0,02% при содержании в шлаке 51% СаО и 13% Si02.
Одновременно с дефосфорацией происходит десульфурация металла.

Существенным недостатком процесса с окислением является слабая стойкость футеровки тигля.
 
По мере освоения новых методов изготовления основных тиглей плавка стали в индукционной печи найдет более широкое применение.
В настоящее же время плавка стали в кислом тигле обычно ведется без окисления.
Существенным в совершенствовании выплавки стали в индукционных печах является продувка ее порошкообразными материалами в струе кислорода, воздуха и инертных газов.
Применение этого метода дает возможность нейтрализовать основной недостаток индукционных печей — сложность рафинирования металла (десульфурации и дефосфорации).

Расход электроэнергии в зависимости от емкости печи (90— 5400 кг) равен 2430-100—3040-106 дж/т (675—850 квт-ч/т).
 
Продолжительность плавки для этой же группы печей равна 40 мин — 2 ч 30 мин при мощности генератора 1750 квт.
 
Выход годной жидкой стали равен 95%.
 
Производительность печи промышленной частоты емкостью 1 т составляет 400 кг/ч, емкостью 1 т— 2500 кг/ч.

Стали – железоуглеродистые сплавы, содержащие практически до 1,5% углерода, при большем его содержании значительно увеличиваются твердость и хрупкость сталей и они не находят широкого применения (теоретически до 2,14%).
Основными исходными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап).

Содержание углерода и примесей в стали значительно ниже, чем в чугуне.
Поэтому сущность любого металлургического передела чугуна в сталь – снижение содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и газы в процессе плавки.

Железо окисляется в первую очередь при взаимодействии чугуна с кислородом в сталеплавильных печах:
2Fe + O2 = 2FeO + Q
Одновременно с железом окисляются кремний, фосфор, марганец и углерод.
Образующийся оксид железа при высоких температурах отдает свой кислород более активным примесям в чугуне, окисляя их.

Процессы выплавки стали осуществляют в три этапа.
1.Первый этап – расплавление шихты и нагрев ванны жидкого металла.
Температура металла сравнительно невысокая, интенсивно происходит окисление железа, образование оксида железа и окисление примесей: кремния, марганца и фосфора.
Наиболее важная задача этапа – удаление фосфора.
Для этого желательно проведение плавки в основной печи, где шлак содержит CaO.
Фосфорный ангидрид P2O5 образует с оксидом железа нестойкое соединение (FeO)3 x P2O5.
Оксид кальция CaO – более сильное основание, чем оксид железа, поэтому при невысоких температурах связывает P2O5 и переводит его в шлак:
2P + 5FeO + 4CaO = (CaO)4 x P2O5 + 5Fe

Для удаления фосфора необходимы невысокие температура ванны металла и шлака, достаточное содержание в шлаке FeO.
Для повышения содержания FeO в шлаке и ускорения окисления примесей в печь добавляют железную руду и окалину, наводя железистый шлак.
По мере удаления фосфора из металла в шлак, содержание фосфора в шлаке увеличивается.
Поэтому необходимо убрать этот шлак с зеркала металла и заменить его новым со свежими добавками CaO.

2.Второй этап – кипение металлической ванны.
Начинается по мере прогрева до более высоких температур.
При повышении температуры более интенсивно протекает реакция окисления углерода, происходящая с поглощением теплоты:
FeO + C = CO + Fe – Q

Для окисления углерода в металл вводят незначительное количество руды, окалины или вдувают кислород.
При реакции оксида железа с углеродом, пузырьки оксида углерода CO выделяются из жидкого металла, вызывая «кипение ванны».
При «кипении» уменьшается содержание углерода в металле до требуемого, выравнивается температура по объему ванны, частично удаляются неметаллические включения, прилипающие к всплывающим пузырькам CO, а также газы, проникающие в пузырьки CO.
Все это способствует повышению качества металла.
Следовательно, этот этап – основной в процессе выплавки стали.

Также создаются условия для удаления серы.
Сера в стали находится в виде сульфида (FeS), который растворяется также в основном шлаке.
Чем выше температура, тем большее количество сульфида железа FeS растворяется в шлаке и взаимодействует с оксидом кальция CaO:
FeS + CaO = CaS + FeO

Образующееся соединение CaS растворяется в шлаке, но не растворяется в железе, поэтому сера удаляется в шлак.

3.Третий этап – раскисление стали.
Заключается в восстановлении оксида железа, растворённого в жидком металле.
При плавке повышение содержания кислорода в металле необходимо для окисления примесей, но в готовой стали кислород – вредная примесь, так как понижает механические свойства стали, особенно при высоких температурах.

Сталь раскисляют двумя способами: осаждающим и диффузионным.

    Осаждающее раскисление осуществляется введением в жидкую сталь растворимых раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия), содержащих элементы, которые обладают большим сродством к кислороду, чем железо.
В результате раскисления восстанавливается железо и образуются оксиды: MnO, SiO2, Al2O5, которые имеют меньшую плотность, чем сталь, и удаляются в шлак.

    Диффузионное раскисление осуществляется раскислением шлака.
Ферромарганец, ферросилиций и алюминий в измельчённом виде загружают на поверхность шлака.
Раскислители, восстанавливая оксид железа, уменьшают его содержание в шлаке.
Следовательно, оксид железа, растворённый в стали переходит в шлак.
Образующиеся при этом процессе оксиды остаются в шлаке, а восстановленное железо переходит в сталь, при этом в стали снижается содержание неметаллических включений и повышается ее качество.

В зависимости от степени раскисления выплавляют стали:
1.спокойные – спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.
2.кипящие – кипящая сталь раскислена в печи неполностью.
Ее раскисление продолжается в изложнице при затвердевании слитка, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода:
FeO + C = Fe + CO.
Образующийся оксид углерода CO выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение.
Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.
3.полуспокойные – полуспокойная сталь имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей.
Частично она раскисляется в печи и в ковше, а частично – в изложнице, благодаря взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

Легирование стали осуществляется введением ферросплавов или чистых металлов в необходимом количестве в расплав.
Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду меньше, чем у железа (Ni, Co, Mo, Cu), при плавке и разливке не окисляются, поэтому их вводят в любое время плавки.
Легирующие элементы, у которых сродство к кислороду больше, чем у железа (Si, Mn, Al, Cr, V, Ti), вводят в металл после раскисления или одновременно с ним в конце плавки, а иногда в ковш.

Материал изложен с учетом чтения лекций студентам  Южно-Уральского государственного университета.
 
ЮУрГУ - центр образовательной, научной, культурной и спортивной жизни Челябинска и региона. В вузе обучается более 50 тысяч студентов, работает свыше 6 тысяч сотрудников. Среди профессорско-преподавательского состава более 350 профессоров и 1500 доцентов. В универ­ситете работают 5 академиков и 9 членов-корреспондентов Российской академии наук, 2 академика и 4 членов-корреспондентов других государственных академий, более 150 академиков различных общественных и иностранных академий. 162 преподавателя вуза имеют почетные государственные звания.

» Индукционная плавка металла. Реферат.
Категория: Печное оборудование | Просмотров: 3767 | Добавил: semglass | Теги: тигель, Печи, плавка металла, технология, индукция
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: