Оборудования для плавки сплавов в литейном производстве Исполнитель

Оборудования для плавки сплавов в литейном производстве

План.

1. Принцип работы и структура Вагранки.
2. Электродуговые и тигельные печи.
3. Оборудования для автоматического литья.

 {spoiler=Подробнее}

устройство и работа вагранки

         Наиболее распространенным плавильным агрегатом для получе­ния жидкого чугуна в литейных цехах является вагранка, печь шахтного типа, в которой топливом служит литейный кокс. Ваг­ранка обеспечивает расплавление и достаточный перегрев жидкого чугуна требуемого химического состава при минимальном угаре и экономном расходе топлива.

         На рис. 4 изображена вагранка цилиндрической формы. Ва­гранка опирается на фундамент 1 и на чугунные колонны 2. Кожух 8 вагранки изготовлен из листового железа толщиной 8–20 мм. Стены 7 вагранки выложены огнеупорным кирпичом. Ко­жух установлен на массив­ную чугунную или стальную плиту с крышкой 3. Лещадь 4 вагранки набивают смесью из песка и формовочной земли с наклоном в сторону летки 14 для выпуска жидкого чу­гуна.

         Воздух, нагнетаемый вен­тилятором 6, поступает через воздушное кольцо и фур­мы 5 в вагранку. Современные вагранки чаще всего имеют три ряда фурм, расположен­ных в шахматном порядке.

         Нижнюю часть вагранки от лещади до воздушных фурм называют горном.

         Шихту загружают в ваг­ранку через окно 10 бадьей 13. Пространство над горном до загрузочного окна назы­вают шахтой печи. Футеров­ку верхней части шахты пре­дохраняют от ударов кусками шихты чугунные плиты 9.         Продукты горения и частицы раскаленного кокса удаляют­ся через дымовую трубу 12 и искрогаситель 11.

         Вагранка обычно имеет копильник 15 для сбора жидкого чугу­на, который выпускается через летку 17 непрерывно или периоди­чески в ковш 18. Шлак выпускают через отверстие 16. Диаметр копильника в свету принимают несколько больше диаметра вагранки; высота копильника равна его диаметру.

         Основные размеры вагранок рассчитывают на основе установ­ленных практикой соотношений. Площадь поперечного сечения ва­гранки определяют по формуле

где d – диаметр вагранки, м;

П – часовая  производительность вагранки, т/ч;

П₁ – удельная  производительность на 1 м² поперечного сече­ния шахты [обычно 6 – 8 т /(ч× м²)

         Полезная высота вагранки (расстояние от оси основных фурм до нижнего уровня загрузочного окна)

Н = (4 ¸ 5) d

где d — диаметр вагранки,  мм.

         Высота вагранки влияет на скорость плавки, расход топлива, температуру и качество жидкого чугуна.

         Суммарная площадь сечения фурм составляет от 1/6 до 1/4 пло­щади поперечного сечения вагранки.                                                                                                                                                                                                     

Рис. 4. Схема устройства вагранки

         В вагранке с копильником фурмы располагают по возможности ближе к лещади (130–150 мм до нижней кромки фурм). В вагран­ках без копильников положение фурм определяется количеством жидкого металла, которое необходимо накопить перед выпуском; обычно расстояние от лещади до нижней кромки фурм составляет 500—600 мм. Указанные размеры определяют высоту горна для ваг­ранок с копильником и без него.

         Вагранка потребляет 100–150 м³/мин воздуха на 1 м² попереч­ного сечения. Давление дутья можно определить по эмпирической формуле

где Q - количество воздуха, подаваемого на 1 м² поперечного се­чения вагранки при нормальных условиях, м³.

         Вентилятор располагают так, чтобы трубопровод имел наимень­шее число перегибов и потери воздуха были минимальными. Диа­метр воздухопровода рассчитывают в зависимости от его длины и диаметра вагранки.

         Шихтовые материалы. Шихта для получения жидкого чугуна состоит из металлических материалов, флюсов и топлива.

         В качестве металлических материалов применяют литейный и передельный чушковой чугун, металлический лом, оборотный металл, т. е. бракованные отливки, литники, всплески, стружка, сплавы – раскислители  и присадки-модификаторы.

         Соотношение различных составляющих металлической шихты зависит от требований, предъявляемых к отливкам. Обычно она состоит из 25— 40% литейных и передельных доменных чугунов, 60-40% машинного лома и возврата своего производства, 10-20% стального лома и различных ферросплавов.

         Для образования шлака необходимой консистенции добавляют флюсы (известняк, доломит, плавиковый шпат), которые понижают температуру плавления шлаков и обеспечивают нормальный про­цесс плавки.

         Основным топливом для вагранки является литейный каменно­угольный кокс.

         Технология плавки чугуна в вагранке. Вновь построенную или отремонтированную вагранку перед эксплуатацией хорошо просу­шивают форсунками или газовыми горелками. Затем в горн в не­сколько приемов насыпают кокс несколько выше фурм и пускают слабое дутье, вследствие чего кокс разгорается. При этом загру­жают новые порции кокса до тех пор, пока его уровень не подни­мется над верхним рядом фурм примерно на 700-800 мм. Слой кокса, загруженный на лещадь вагранки перед началом плавки, называют холостой колошей.

         Высота холостой колоши влияет на температуру, скорость плав­ления и химический состав выпускаемого чугуна.

         После разогрева холостой колоши в вагранку загружают первый слой металлической части шихты, состоящей из штыкового чугуна и лома. Масса металлической колоши равна примерно 10-15% ча­совой производительности вагранки. На эту колошу загружают известняк в количестве примерно 5% всего металла. Известняк при нагревании в вагранке разлагается на известь СаО и двуокись угле­рода СО₂. Известь, являясь флюсом, нейтрализует (связывает) кремнезем, который вносится в вагранку с золой кокса и песком или образуется при окислении кремния, а СО₂ входит в состав отходя­щих газов. Вследствие взаимодействия кремнезема и извести пони­жается температура плавления шлака и увеличивается его жидкотекучесть.

         Затем в вагранку подают первую рабочую колошу кокса, сос­тавляющую 8-12% массы металлической колоши. Рабочая коло­ша опускается по мере сгорания кокса холостой колоши и расплав­ления находящихся под ней материалов.

         Шихту поочередно загружают в вагранку до завалочного окна, и далее в процессе работы вагранки шихта поддерживается на этом уровне.

         Вагранку можно разделить на несколько зон в зависимости от развивающихся в этих зонах температур и протекающих процессов. В верхней части вагранки твердая шихта нагревается, влага и летучие вещества выделяются из топлива, известняк частично разла­гается на СаО и СО₂.

         При соприкосновении с холодной шихтой газы в верхней части шахты несколько охлаждаются, но химический состав их изменя­ется незначительно.

         Плавление металлической части шихты происходит в плавиль­ной зоне вагранки, расположенной в верхней части холостой коло­ши. Здесь образуется жидкий металл, который стекает на лещадь вагранки. По пути жидкий металл проходит через слой раскален­ного кокса; при этом происходит реакция

СО₂ + С_кокса = 2СО.

         Двуокись углерода СО₂ поступает в холостую колошу вагран­ки из зоны фурм, где происходит горение кокса за счет кислорода воздуха по реакции

С_кокса + О₂ = СО₂.

         Эта реакция идет с выделением большого количества тепла и способствует перегреву расплавленного металла и образованию жидко­го шлака из флюсов, золы кокса и окислов железа, кремния и мар­ганца. Стекающий на лещадь жидкий металл при контакте с раска­ленным коксом поглощает из него некоторое количество углерода и серы; вблизи фурм, где имеется свободный кислород воздуха, на­блюдается частичное окисление жидкого металла. Из него выгорает некоторое количество железа, марганца и кремния, окислы которых переходят в шлак, стекающий в горн.

         В горне вагранки процесс окисления металла прекращается, так как сюда не проникает подаваемое дутье; жидкий металл несколь­ко охлаждается и может дополнительно насыщаться углеродом и серой.

         Во время плавки чугуна в вагранке содержание кремния умень­шается примерно на 15%, марганца на 20%; содержание углерода и фосфора практически остается постоянным, а содержание серы уве­личивается на 30-60%.

         В вагранках с копильником сокращается продолжительность соприкосновения чугуна с раскаленным коксом, в результате получа­ется чугун с меньшим содержанием углерода и серы; однако жид­кий чугун несколько охлаждается, что не всегда   желательно.

         В некоторых случаях футеровку вагранки выполняют из маг­незитового кирпича, что позволяет вести плавку на основных шла­ках и этим уменьшить переход серы в чугун из кокса.

         Ваграночный процесс поддается регулированию, следовательно его можно автоматизировать и вагранку включить в автоматиче­ские линии для производства литья.

         Интенсификация процесса плавки в вагранке. Повышения тем­пературы жидкого чугуна, производительности вагранки и снижения расхода топлива можно достигнуть подогревом воздушного дутья и обогащением его кислородом.

         Повышение температуры чугуна позволяет снизить брак, полу­чить высокопрочный чугун.

         Подогрев дутья в современных вагранках осуществляется за счет использования физического тепла отходящих газов, теплоты реакции горения окиси углерода. Температура дутья достигает 400—500° С.

         Существуют различные установки для частичной или полной утилизации тепла отходящих газов.

         Для экономии кокса начинают применять коксогазовые вагран­ки, в которых до 50% кокса заменяют природным газом. В таких вагранках при подогретом дутье можно получить чугун, перегретый до 1450—1500° С.

         Вдуванием кислорода в вагранку можно получить чугун с высо­кой степенью перегрева. Для экономии кислорода рекомендуется его использовать периодически, например, в начале плавки, при случайных остановках вагранки и т.д. При плавке с кислородным дутьем можно увеличить производительность вагранки, повысить температуру выпускаемого чугуна на 80—100° С и снизить расход кокса до 30—50%. В вагранку кислород вводят в смеси с воздухом и отдельно через вставленные в фурмы сопла непосредственно в зону горения топлива. Кислород поступает из баллонов, установ­ленных в отдельных помещениях.

         Плавильное отделение литейного цеха потребляет огромное ко­личество шихтовых материалов, поэтому трудоемкие процессы взве­шивания шихты и загрузки ее в вагранку механизируют.

 Для плавления стали и чугуна широко применяют индук­ционные высокочастотные печи (рис. 5, а), позволяющие нагревать металл до высокой температуры, регулировать состав газовой атмосферы, создавать вакуум для получения металла высокого качества с минимальными затратами. Для размещения расплава 1 предназначен тигель 2, выполненный из кварца или магнезита с последующим спеканием. Нагрев производится при помощи мед­ного или алюминиевого водоохлаждаемого индуктора 3. При пропускании тока высокой частоты через индуктор в шихте, за­груженной в тигель, наводятся вихревые токи, выделяется большое количество теплоты, расплавляющей шихту и нагревающей расплав до нужной температуры.

Рис. 5. Схемы устройства плавильных печей:

Для плавления цветных сплавов широко применяют индук­ционные печи промышленной частоты, электрические печи сопро­тивления (рис. 5, б) и др. Электрическая' печь сопротивления выполнена в виде сварного цилиндрического кожуха 3, облицо­ванного (футерованного) шамотным кирпичом 4. Между кожухом и футеровкой предусмотрена теплоизоляционная набивка 5 из легковесных материалов и асбестовых листов. В качестве нагрева­телей 6 используют нихромовые спирали. Сплав приготовляют в литом тигле 2 из жаропрочного чугуна. Сверху печь закры­вается крышкой 1.

         Наиболее совершенными агрегатами для расплавления стали являются электрические печи, в которых электрическая энергия превращается в тепло, необходимое для нагрева и расплавления металла.

         Для выплавки стали используют электрические дуговые печи, которые получили более широкое применение в литейной промыш­ленности.

         Дуговые печи имеют емкость 3—80 т и более. На металлурги­ческих заводах чаще всего устанавливают печи емкостью 30—80 т. Имеются печи емкостью 400 т.

         Электроплавка стали имеет ряд преимуществ перед мартеновс­кими и другими сталеплавильными процессами. В электрических печах можно получать очень высокие температуры (до 2000° С), расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких ком­понентов (Сг, W, Мо и др.), иметь основной шлак (до 55—60% СаО), хорошо очищать металл от вредных примесей (5 и Р), создавать восстановительную атмосферу или вакуум (индукционные печи) и достигать хорошего раскисления и дегазации металла.

         В электрических печах выплавляют качественные стали с низ­ким содержанием вредных примесей (особенно серы), включая вы­соколегированные и специальные стали.

         Устройство и работа дуговых электрических печей. На рис. 6 показано устройство дуговой электрической печи для выплавки стали. Нагревание и расплавление шихты осуществляется за счет тепла, излучаемого тремя электрическими дугами (по числу фаз переменного электрического тока). Электрические дуги образуются в плавильном пространстве печи между вертикально подвешенными электродами 5 и металлической шихтой 8.

         Дуговая печь имеет следующие основные части: сварной или клепанный кожух 9 цилиндрической формы со сфероидальным днищем; подины 2 и стенок; съемный арочный свод 4, с отверстиями для электродов 5; механизм 6 для закрепления и вертикального пере­мещения электродов; две опорные станины /; механизм наклона 10 печи, позволяющий поворачивать печь при выпуске стали по жело­бу 3 и в сторону загрузочного окна 7 для скачивания шлака.

         Свод печи обычно выполняют из динасовых кирпичей, но иногда из хромомагиезитовых. Подина печи может быть кислой (использу­ют динасовые кирпичи), но чаще делают основной (применяют маг­незитовые кирпичи). Верх­нюю часть подины навари­вают порошкообразными огнеупорными материалами (кварцевый песок с добав­лением жидкого стекла или обожженный магнезит со связкой в виде каменноу­гольной смолы).

         В сталеплавильных пе­чах применяют угольные и графитированные электро­ды. Применение последних для выплавки стали целе­сообразно, но они дороже угольных.

         Диаметр электродов определяется мощностью потребляемого тока и составляет    350—550 мм.

Рис. 6. Схема устройства дуговой сталеплавильной печи

         В процессе плавки нижние концы электродов сгорают. Поэтому электроды постепенно опускают и в необходимых случаях наращивают сверху (свинчивают с новыми электро­дами). Электроды зажимают в контактных щеках металли­ческого электрододержателя, к которому посредством медных шин и гибкого кабеля подводят электрический ток от вторичной обмотки печного трансформатора. Первичная обмотка печного трансформа­тора питается током высокого напряжения (6000—30000 в), который преобразуется в ток низкого напряжения (90—230 в) в зависимости от выбранной ступени вторичного напряжения. Мощность печного трансформатора зависит от емкости печи, технологического процес­са и составляет 25 000—40 000 ква.

         Расход электроэнергии в дуговых печах при работе на твердой шихте составляет 600—950 кВт /т стали, расход электродов 6-9 кг/т стали.

         В электрических дуговых печах выплавляют главным образом высококачественную углеродистую или легированную сталь. Обычно для выплавки стали применяют шихту в твердом состоянии.

Контрольные вопросы

1. Расскажите принцип работы Вагранки.
2. Какие сплавы расплавляют в индукционных печах?
3. Чем отличаются Электродуговые печи от индукционных?

{/spoilers}