Какие устройства используют для плавки чугуна и стали кратко

Обновлено: 30.06.2024

1) Железняки – источник железа. 2) Кокс – топливо и восстановитель. 3) Известняк – при высокой температуре разлагается в образованием СаО, который действует как флюс и переводит кремнистые пустые породы в шлак CaSiO3. 4) Воздух – поддерживает горение кокса с выделением тепла. Удаляет некоторые неметаллические примеси (кремний, мышьяк) в виде летучих оксидов. Окисляет окись железа FeO в руде до Fe2O3, что способствует сохранению железа в руде. Окись железа FeO, основная по природе, реагирует с SiO2 c образованием шлака FeSiO3. Воздух делает руду пористой, что способствует однородному восстановлению железа.

Понятие доменной печи и плавки

Современная цивилизация неразрывно связана с развитием техники производства, невозможной без совершенствования орудий труда и материалов, используемых для их изготовления.

Среди всех материалов природного происхождения или созданных человеком, самое значимое место занимают черные металлы – сплав железа и углерода с присутствием других элементов.

Сплавы, в составе которых часть углерода составляет 2 – 5%, относятся к чугунам, при наличии углерода менее 2% сплав относится к сталям. Для плавки металлов используется специальная технология доменного производства.

Доменная плавка – это процесс производства чугуна из железной руды, перерабатываемой в доменных печах или, как их еще называют, домнах.

Основными материалами, необходимыми в процессе такого производства, являются:

топливо, в виде получаемого из каменного угля кокса;
железная руда, являющаяся непосредственным сырьем для производства;
флюс – специальные добавки из известняка, песка, а также других материалов.

Доменная печь — устройство для производства чугуна восстановительной плавкой железных руд или концентратов.

Основное оборудование доменного цеха — доменная печь — это круглая шахтная печь, футерованная огнеупорной кладкой.

Для защиты кожуха печи от разгара используют холодильные устройства. Кожух печи и колошниковое устройство установлены на фундаменте и удерживаются колоннами.

Исходный материал для плавки называется шихтой и состоит из железной руды, марганцевой руды, агломерата, окатышей. Шихта на колошник печи подается скипами или ленточным конвейером. Через приемную воронку скипы разгружаются в печь. Воздух подается через воздухонагреватели, продукт плавки выходит через летки в ковши, находящиеся в нижней части.

Современные доменные печи оснащены системой централизованного управления и контроля, обеспечивающей регистрацию показателей приборов и комплексных показателей работы доменной печи — расхода кокса на 1 т чугуна и суточной производительности доменной печи в тоннах.

Применяется дополнительное топливо, что снижает расход кокса и себестоимость чугуна. Усовершенствование конструкции доменной печи направлено на увеличение ее мощности (объема), улучшение подготовки сырья, внедрение новых прогрессивных, высокопроизводительных технологий.

Чугун выплавляют в доменных печах, представляющих собой шахтную печь. Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, газообразными (СO, Н2) и твердым (С) восстановителями, образующимися при сгорании топлива в печи.

Процесс доменной плавки является непрерывным. Сверху в печь загружают исходные материалы (агломерат, окатыши, кокс), а в нижнюю часть подают нагретый воздух и газообразное, жидкое или пылевидное топливо.

Газы, полученные от сжигания топлива, проходят через столб шихты и отдают ей свою тепловую энергию. Опускающаяся шихта нагревается, восстанавливается, а затем плавится.

Большая часть кокса сгорает в нижней половине печи, являясь источником тепла, а часть кокса расходуется на восстановление и науглероживание железа.

Доменная печь является мощным и высокопроизводительным агрегатом, в котором расходуется огромное количество материалов. Современная доменная печь расходует около 20000 тонн шихты в сутки и выдает ежесуточно около 12000 тонн чугуна.

Подготовка руды для производства чугуна

Для нормальной работы доменной печи она должна загружаться кусковым материалом оптимальных размеров. Слишком крупные куски руды и других материалов не успеют должным образом прореагировать, и часть материала уйдет бесполезно. Слишком мелкие куски слишком плотно прилегают друг к другу, не оставляя необходимых проходов для прохождения газов, что затрудняет работу печи.

Оптимальными считают размер кусков шихты 30-80 мм. Более крупные куски измельчают до оптимального размера.

С другой стороны, при дроблении материалов и при добыче руды наряду с крупными кусками образуется мелочь, также не пригодная к плавке. Такие материалы окусковывают до нужных размеров методами агломерации и скатывания.

Кроме агломерации и скатывания производят обогащение руды. Обогащением называют предварительную обработку руды без изменения химического состава основных минералов и их агрегатного состояния. Обогащение руды производят для повышения содержания в ней железа. При этом из руды удаляется значительная часть пустой породы. При обогащении руд применяют различные методы: промывание руды, метод флотации, гравитационный метод и магнитное обогащение.

Обслуживание и ремонт доменной печи

Любому оборудованию, работающему в круглосуточном режиме, требуется постоянное обслуживание. Регламенты закладываются в технический паспорт оборудования. Несоблюдение графика технического обслуживания влечет за собой сокращение срока эксплуатации.

Работы по техническому обслуживанию доменных печей делятся на периодические и капитальные ремонты. Периодические работы проводятся без остановки рабочего процесса.

Капитальный же ремонт по объему выполняемых работ делится на три разряда. Во время первого разряда производится осмотр всего оборудования, при этом из шахты извлекаются расплавы. Во время второго разряда производится ремонт футеровки, замена вышедших из строя элементов оборудования. При третьем разряде производится полная замена агрегата. Обычно такой ремонт совмещают с модернизацией или реконструкцией домны.

Конструкция доменной печи

Доменная печь представляет собой печь шахтного типа. Типичная доменная имеет внизу диаметр 6-8 м и высоту 20-36 м. Самая большая домна, японская, имеет диаметр 14,9 м. Профиль доменной печи и ее температурные зоны показаны на рисунке 1.

Рисунок 1 – Профиль доменной печи. Материалы на входе и выходе. Основные химические реакции

Доменная плавка

Доменная плавка заключается в раздельной загрузке в верхнюю часть печи (колошник) офлюсованного агломерата и кокса. Их располагают в печи слоями. Шихта нагревается за счет тепла горения кокса в горячем воздухе, который вдувается в нижней части домны. Шихта постепенно опускается вниз. В результате физико-химического взаимодействия компонентов шихты и поднимающихся газов в нижней части печи – горне – образуются два несмешивающихся жидких слоя – чугун на лещади горна и шлак – над чугуном.

Жидкий чугун выпускают каждые 2-3 часа, в больших печах – каждый час. Шлак из печи выпускают вместе с чугуном. Их разделяют с помощью специальных затворов.

Доменная печь обычно работает непрерывно в течение нескольких лет — до 10 лет.

Продукты доменного производства

Продуктами доменной плавки являются:

чугун;
шлак;
доменный (колошниковый) газ.

Чугун

Чугун является основным продуктом доменного производства, а шлак и доменный газ – побочными.
Выплавляемые в доменных печах чугуны в зависимости от способа дальнейшего использования делятся на три группы:

передельные идущие на передел в сталь;
литейные предназначенные для получения отливок из чугуна в машиностроении;
специальные (ферросплавы), используемые для раскисления стали в сталеплавильном производстве.

Чугун представляет собой многокомпонентный сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором и серой.

В чугуне также содержится незначительные количества водорода, азота и кислорода. В легированном чугуне могут быть хром, никель, ванадий, вольфрам и титан, количество которых зависит от состава проплавляемых руд.

Предельный чугун предназначается для переработки в сталь.

Такой чугун характерен тем, что углерод в нем (2,2—4%) находится в химически связанном состоянии.

Поверхность излома чугуна имеет белый цвет.

В зависимости от состава и способа переработки различают:

мартеновский чугун, содержащий фосфора от 0,15 до 0,30% и серы до 0,07%;
бессемеровский, содержащий фосфора 0,07% и серы до 0,069%;
томасовский, содержащий фосфора 1,6% и серы до 0,08%.

Передельный чугун подразделяют на три вида:

Передельный коксовый (марки М1, М2, М3, Б1, Б2).
Передельный коксовый фосфористый (МФ1, МФ2, МФ3).
Передельный коксовый высококачественный (ПВК1, ПВК2, ПВК3).

Литейный чугун после выпуска из доменной печи разливают в чушки и в холодном виде направляют на машиностроительные заводы, где для отливки деталей машин его вторично подвергают расплавлению в специальных печах-вагранках.

Литейный коксовый чугун выплавляют семи марок: ЛК1-ЛК7.

Каждую марку подразделяют на три группы по содержанию марганца, пять классов по содержанию фосфора и на пять категорий по содержанию серы.

Особую группу составляют фосфористые чугуны, содержащие до 2% Р, в зависимости от содержания фосфора применяются различные технологии передела таких чугунов в сталь.

Литейные чугуны.

Этот вид чугунов предназначен для производства литых изделий в чугуноплавильных цехах. Характерной особенностью этих чугунов является высокое содержание кремния (2,75 – 3,75% Si), а в некоторых случаях и фосфора. Объясняется это тем, что эти элементы придают расплавленному чугуну высокую жидкоподвижность или способность хорошо заполнять литейную форму.

Литейный чугун применяется после переплава на машиностроительных заводах для получения фасонных отливок.

Литейный чугун применяется для изготовления литых изделий:

труб;
радиаторов;
водопроводной арматуры;
станин;
блоков;
шестерен и т. п.

Такой чугун в изломе имеет серый цвет. В нем часть углерода находится в свободном состоянии, в виде графита. В сером чугуне обычно содержится кремния 1,25-4,25%, углерода 2,5—4%, марганца 0,5—1,3%, фосфора 0,1— 1,2% и небольшое количество серы.

Марганец придает чугуну твердость и хрупкость.

Кремнии, наоборот, снижает твердость чугуна, благодаря чему отливки из такого чугуна легко поддаются механической обработке.

Фосфор делает чугун жидкоплавким, хорошо заполняющим тонкие сечения форм.

Отливки из чугуна, содержащего повышенное количество фосфора, хорошо сопротивляются истиранию, но вместе с тем обладают повышенной хрупкостью.

Восстановление окислов железа

Главная задача доменного процесса – восстановление железа из его оксидов. Основную роль в восстановлении железа играют окись углерода и атомарный сажистый углерод, которые образуются в результате доменного процесса.

Зоны реакций восстановления и их температуры в доменной печи показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема восстановления окислов железа при производстве чугуна в доменной печи

Восстановление окислов железа идет в следующей последовательности:

Основными реакциями восстановления

В восстановлении железа также участвует водород, который образуется из воды, которая содержится в шихте.

Доменный процесс

Общая схема доменной печи с обслуживающими системами дана на рис. Литейный двор – принадлежность небольших доменных печей, дающих в основном литейный чугун. Большие домны дают свыше 80% переделочного чугуна, который чугуновоз с разливочной площадки тут же увозит в конверторные, мартеновские или электроплавильные цеха для передела в сталь. Из литейного чугуна отливают в земляные формы-опоки, как правило, болванки – чушки – которые отправляются производителям металлоизделий, где переплавляются для отливки в изделия и детали в печах-вагранках. Чугун и шлак традиционно выпускаются через отдельные отверстия – летки, но домны новой постройки все чаще снабжаются общим летком, разделенным на чугунный и шлаковый жароупорной плитой.

Общая схема устройства доменной печи

Примечание: болванки сырого железа без избытка углерода, полученного из чугуна и предназначенного для передела в высококачественную конструкционную или спецсталь (второй-четвертый переделы) называются слябами. В металлургии профессиональная терминология разработана не менее детально и точно, чем в морском деле.

В настоящее время запасов угля и коксовых печей при домнах, похоже, вовсе не осталось. Современная доменная печь работает на привозном коксе. Коксовый газ – смертельно ядовитый убийца экологии, но он же ценнейшее химическое сырье, которое нужно использовать немедленно, еще горячим. Поэтому коксохимическое производство давно уже выделилось в отдельную отрасль, а кокс металлургам поставляют транспортом. Что, кстати, гарантирует стабильность его качества.

Как работает домна

Непременное условие успешной работы доменной печи – избыток углерода в ней в течение всего доменного процесса. Термохимическую (выделена красным) и технико-экономическую схему доменного процесса см. на рис; выплавка чугуна в доменной печи происходит след. образом. Новую домну или реконструированную после капремонта 3-го разряда (см. ниже) заполняют материалами и разжигают газом; также разогревают один из кауперов (см. далее). Затем начинают дуть воздух. Сразу же усиливается горение кокса, повышающее температуру в домне, начинается разложение флюса с выделением углекислого газа. Его избыток в атмосфере печи при достатке вдуваемого воздуха не дает коксу догореть полностью, и в больших количествах образуется монооксид углерода – угарный газ. Он в данном случае не яд, а энергичный восстановитель, жадно отнимающий кислород у окислов железа, составляющих руду. Восстановление железа газообразным моноокислом, вместо менее активного твердого свободного углерода – принципиальное отличие домны от домницы.

Ключевые слова конспекта: производство чугуна, производство стали, железная руда, чугун, сталь, руда, кокс, силикат кальция, пирит, доменная печь.

ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА. ДОМЕННАЯ ПЕЧЬ

По объёму производства и потребления железо является важнейшим металлом. Обычно железо используется в виде сплавов. Отрасль промышленности, производящая железо и его сплавы, – чёрная металлургия.

Источником получения железа является железная руда. В руде основными компонентами являются соединения железа:

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк),
Fe₂O₃ – гематит (красный железняк),
Fe₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк),
FeS₂ – пирит (железный колчедан, серный колчедан).

Пирит сначала обжигают (в ходе производства серной кислоты), а огарок (Fe₂O₃) используют в производстве чугуна.

Продуктами производства являются чугун и сталь.

Чугун – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет более 2%, а также имеются примеси кремния, фосфора, серы и марганца.

Производство чугуна осуществляют в доменных печах (см. рис). Сырьём для производства являются железная руда, кокс, известняк и горячий воздух.

Руда последовательно претерпевает превращения:

В руде присутствует также пустая порода, которую образует главным образом кремнезём – SiO₂. Это тугоплавкое вещество. Для превращения его в легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно это известняк. При взаимодействии его с кремнезёмом (SiO₂) образуется силикат кальция:

СаСO₃ + SiO₂ = CaSiO₃ + CO₂↑ (800 °С)

Образующийся силикат легко отделяется в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твёрдом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод. Образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть домны, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки периодически выпускают через особые отверстия.

Когда металлическое железо выделяется в жидком состоянии, в нём сравнительно хорошо растворяется углерод. При кристаллизации такого раствора образуется чугун – сплав железа с углеродом. Он обладает высокой хрупкостью из-за большого содержания в нём карбида железа Fe₃C (цементита), который образуется в результате побочных реакций:

3Fe + С = Fe₃C
3Fe + 2СО = Fe₃C + СO₂

В чугуне содержатся примеси фосфора, серы. Сера ухудшает текучесть чугуна и вызывает красноломкость стали – хрупкость при нагревании до температуры красного каления. Фосфор вызывает хладноломкость стали – хрупкость при обычной температуре.

ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ

Сталь – сплав железа с углеродом, в котором массовая доля углерода составляет менее 2%.

Сущность получения стали из чугуна заключается в уменьшении содержания углерода в металле и возможно более полном удалении примесей – серы и фосфора, а также в доведении содержания кремния, марганца и других элементов до требуемых пределов.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь : мартеновский, бессемеровский и томасовский. Они различаются методами окисления.

В бессемеровском и томасовском способах окисление осуществляется кислородом воздуха, продуваемого через расплавленный металл. Во всех процессах углерод, содержащийся в металле, окисляется до СО и СO₂, удаляемых из реакционной зоны. Кремний Si, марганец Мn, хром Сг и другие металлы, окисляясь, переходят в шлак в виде SiO₂, МnО и т. д.

Механизм процесса окисления может быть представлен следующим образом. В первую очередь окисляется часть железа. Часть образующихся оксидов растворяется в металле и взаимодействует с примесями:

С + FeO ⇆ Fe + СО
Si + 2FeO ⇆ 2Fe + SiO₂
2P + 5FeO ⇆ 5Fe + P₂O₅

Для максимального удаления примесей серы и фосфора необходимо, чтобы в процессе передела чугуна получались основные шлаки; это достигается путём добавления известняка или извести. Сера, содержащаяся в чугуне в виде FeS, реагирует с оксидом кальция СаО:

FeS + СаО = CaS + FeO

Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Образовавшийся P₂O₅ также взаимодействует с известью, образуя фосфат кальция, переходящий в шлак:

3СаО + P₂O₅ = Са₃(РO₄)₂

Бессемеровский и томасовский способы осуществляют в конвертерах. Конвертеры – аппараты грушевидной формы, изготовленные из специальной котельной стали (кожух) и футерованные изнутри огнеупорными материалами.

В литейных цехах для плавки стали применяют мартеновские, дуговые и индукционные печи. Мартеновские и электродуговые печи непосредственно в литейном производстве применяют достаточно редко, т.к. они применяются для плавки большого количества металла. Такие печи используют в металлургической отрасли.

В зависимости от требований, предъявляемых к стали, и качества шихтовых материалов применяют печи с основной и кислой футеровкой, определяющей характер плавки.

Печи с основной футеровкой

В подобных печах плавка стали производится с использованием шлака, который содержит большое количество CaO. Оксид кальция необходим для того, чтобы вредные примеси (сера и фосфор ) соединялись и образовывали прочные, безвредные соединения.

Печи с кислой футеровкой

В печах с кислой футеровкой образующиеся шлаки состоят преимущественно из SiO₂ и практически не вступают во взаимодействие с серой и фосфором, поэтому необходимо применять шихту с низким содержанием этих элементов.

Какие материалы применяются при плавке стали ?

Чушковый чугун – это чугун в виде бруска, который отливается в горизонтальном положении в изложницу.

Стальной лом – детали, пришедшие в негодность. Отходы сталеплавильного, кузнечного, прессового производства.

Ферросплавы – для выплавки обычных сталей применяются ферромарганец и ферросилиций, а легированных – феррохром, никель, ферротитан, феррованадий, ферромолибден и др. Ферросплавы используются для раскисления и легирования, они должны быть сухими, желательно прокалёнными.

Флюсы – в качестве флюсов применяют известняк, плавиковый шпат, шамотный бой. Последние два используются для разжигания густых известковых шлаков, что способствует обессериванию сырья. В качестве окислителей используется железная и марганцовая руды, а также окалины.

Огнеупорные материалы – при основном процессе печи футеруются магнезитным кирпичом. При кислом – динасовым кирпичом.

Преимущества: возможность плавки в любой среде, отсутствие электрической дуги, которая науглероживает металл или насыщает его ненужными газами. В индукционных печах происходит непрерывное перемешивание жидкого металла, что способствует выравниванию химического состава, облегчает дегазацию и всплывание неметаллических включений, простота регулирования температуры металлы.

Недостатки: в индукционных тигельных печах мала интенсивность взаимодействия шлаков с металлом, что приводит к ограниченным возможностям управления процессом плавки, путём изменения состава шлака.

Принцип работы индукционной печи основан на явлении электромагнитной индукции. По нагреваемому телу проходят вихревые электрические токи, которые и оказывают тепловое воздействие на металл.

Основным элементом индукционной печи является индуктор, который и индуцирует ток. Обычно индуктор водоохлаждаемый. Тигель печи футеруют. Индукционные печи применяют как для плавки стали и чугуна, так и для цветных сплавов.

Мартеновский способ выплавки может быть основным и кислотным (см. выше). Выбор футеровки зависит от состава шлака.

Принцип действия печи очень прост: в рабочую камеру печи вдувается смесь горючего газа и воздуха, которые нагреваются за счёт прохождения через уже нагретый регенератор. (Регенератор — камера, в которой каналы выложены огнеупорным кирпичом). Рабочая камера имеет низкий сводчатый потолок, благодаря чему жар отражается вниз на расплав.

Поочерёдно происходит нагрев регенератора печными газами, затем продувка холодным воздухом.

Regenerative chabmers — регенератор

Fuel gas pipe — труба для печного газа

Air pipe — труба для дутья воздуха

Brick checker — шлаковик

Steell with slag layer — сталь со слоем шлака

Charging doors — загрузочное отверстие

Refractory lining — огнеупорный слой

Combustion chamber — камера сгорания

Принцип работы электродуговой печи — расплавление металла под действием теплоты электрической дуги. Электрическая дуга образуется при подводе к трём графитовым электродам электрического тока. Данный тип печи имеет собственный трансформатор, подключённый к высоковольтной линии. Существуют электродуговые печи постоянного и переменного тока. Обычно стенки печи являются водоохлаждаемые. Свод печи может быть набран из огнеупорного кирпича.

Процесс изготовления стальных слитков

1-ый этап — загрузка стального лома, скрапа, и другой шихты в печь.

3-ий этап — когда получена сталь нужного состава, её заливают в ковш, в данном случае в стопорный. Большинство электродуговых печей оснащены поворотным механизмом, который значительно упрощает процесс разливки стали.

4-ый этап — заливка стали из стопорного ковша в формы для получения слитков.

5-ый этап — прокатка слитков.

6-ой этап — обрезка слитков.

Применение печей

Плавка чугуна

Плавка стали

Плавка цветных сплавов

Тигельные с металлическим тиглем

Баббиты, цинковые, алюминиевые и магниевые сплавы

Тигельные с графитовым или шамотным тиглем

Для отдельных отливок в производстве небольшого масштаба

Все цветные сплавы в производстве небольшого масштаба

Пламенные

Ковкий чугун в мелкосерийном производстве, Белый чугун для крупных отливок валков, изредка серый чугун в производстве небольшого масштаба

Углеродистая и низколегированная сталь для средних и крупных отливок (мартеновские печи)

Медные и алюминиевые сплавы для средних и крупных отливок; при плавке большой угар сплава

Шахтные (вагранки)

Серый и ковкий чугун для разнообразных отливок

При триплекс-процессе с конвертером и электропечью и дуплекс-процессе с конвертером

Конвертеры с боковым дутьём

Низкоуглеродистая сталь для несоответственных отливок

Однофазные дуговые электропечи

В производстве небольшого масштаба

Медные и никелевые сплавы

Трёхфазные дуговые электропечи

Для рафинирования жидкого чугуна и плавки на твёрдой завалке для ответственных отливок

Углеродистая и легированная сталь для ответственных отливок

Печи сопротивления тигельные и с ванной

Алюминиевые и магниевые сплавы – в тигельных печах и алюминиевые в печах с ванной

Индукционные с сердечником

Индукционные без сердечника

Преимущественно легированные для ответственных отливок

Углеродистая и легированная сталь для ответственных отливок

Сплавы никелевые, медные, благородных и редких металлов

Электродуговые переменного тока

Для выплавки стали и чугуна

Электродуговые постоянного тока

Плавильные печи сопротивления

Легкоплавкие металлы (олово, свинец, цинк и сплавы на их основе), а также алюминиевые и магниевые

Плазменные электропечи

Высоколегированные и малоуглеродистые стали, жаропрочные сплавы

Редкие и тугоплавкие материалы

Электронно-лучевые

Тугоплавкие металлы (ниобий, цирконий, тантал, титан, молибден, вольфрам), медь никель, чистое железо и т.д.

Электрошлаковые

Применяется для отливки слитков

Мартеновские

Для крупногабаритных стальных отливок, переработка чугуна в сталь

Вакумные дуговые печи

Фасонные отливки из высоколегированной стали

Тугоплавкие и химически активные металлы (ниобий, цирконий, тантал, титан, молибден, вольфрам)

Древние гончары, обжигавшие керамические изделия в горнах, иногда находили на их дне блестящие твердые кусочки с необычными свойствами. С того самого момента, когда они стали задумываться, что это за чудные вещества, как они там появились, а также куда их можно применить с пользой, и родилась металлургия — ремесло и искусство обработки металлов.

А основным инструментом для извлечения из руды новых чрезвычайно полезных материалов стали термоплавильные горны. Конструкции их прошли долгий путь развития: от примитивных одноразовых куполов из глины, разогреваемых дровами до современных электропечей с автоматическим управлением процессом плавления.

Основные виды плавильных печей

В металлоплавильных агрегатах нуждаются не только гиганты черной металлургии, использующие вагранки, домны, мартены и регенераторные конвертеры с выработкой за один цикл в несколько сотен тонн. Такие величины характерны для выплавки чугуна и стали, на долю которых приходится до 90% промышленного производства всех металлов. В цветной же металлургии и во вторичной переработке — объемы значительно меньшие. А мировые обороты производства редкоземельных металлов и вообще исчисляются несколькими килограммами в год.

Но потребность в плавке металлопродукции возникает не только при ее массовом производстве. Значительный сектор рынка металлообработки занимает литейное производство, где требуются металлоплавильные агрегаты сравнительно небольшой выработки — от нескольких тонн до десятков килограммов. А для штучного ремесленного и декоративно‑прикладного производства и ювелирного дела находят применение плавильные аппараты с выработкой в несколько килограммов.

Все виды металлоплавильных устройств можно поделить по типу источника энергии для них:

Термические. Теплоноситель — топочный газ либо сильно разогретый воздух.
Электрические. Используют различные тепловые действия электрического тока:
Сопротивления. Нагрев образца прохождением через него тока большой величины.
Дуговые. Используют высокую температуру электрической дуги.
Индукционные. Плавление металлического сырья внутренним теплом от действия вихревых токов.
Потоковые. Экзотические плазменные и электронно‑лучевые аппараты.

Поточная электронно‑лучевая плавильная печь Термическая мартеновская печь Электро-дуговая печь

При небольших объемах выработки наиболее целесообразным и экономичным оказывается использование электрических, в особенности, индукционных плавильных печей (ИПП).

Вакуумные плавильные печи

Область применения таких агрегатов достаточно широка. Их используют в машиностроении, в строительстве и на многих других производствах. Применяют для плавки высококачественных сталей и жаропрочных сплавов на основе железа, никеля и кобальта, а также цветных металлов и сплавов. Кроме того, эти печи могут быть использованы для зонной очистки, термообработки металлических деталей, варки стекла, получения монокристаллов. Идеальная печь для плавки стали, в ней можно получить низкоуглеродистую сталь, которая не загрязнена азотом, водородом и кислородом.

Устройство индукционных электропечей

Если говорить кратко, то действие их основана на явлении токов Фуко — вихревых индукционных токов в проводнике. В большинстве случаев инженеры‑электротехники борются с ними, как с вредным явлением. Например, именно из‑за них сердечники трансформаторов выполняются из стальных пластин или ленты: в сплошном куске металла эти токи могут достигать значительных величин, приводящим к бесполезным потерям энергии на его нагревание.

В индукционно‑плавильной электропечи это явление применяется с пользой. По сути она и представляет собой своеобразный трансформатор, в котором роль короткозамкнутой вторичной обмотки, а в некоторых случаях и сердечника выполняет расплавляемый металлический образец. Именно металлический — нагревать в ней можно только проводящие электричество материалы, диэлектрики же будут оставаться холодными. Роль индуктора — первичной обмотки трансформатора выполняют несколько витков толстой свернутой в катушку медной трубки, по которой циркулирует охлаждающая жидкость.

Кстати, на том же принципе действуют ставшие чрезвычайно популярными кухонные варочные поверхности с индукционным высокочастотным нагревом. Положенный на них кусок льда даже не растает, а поставленная металлическая посуда нагреется почти мгновенно.

Особенности конструкции индукционных термопечей

Существует два основных типа ИПП:

Канальные. Роль вторичного витка высокочастотного трансформатора выполняет кольцевой короткозамкнутый канал с расплавленным металлом. Источником энергии обычно служит переменный ток промышленной частоты, либо 400‑Гц генератор. Достоинство таких устройств в том, что плавление может выполняться непрерывно с подачей сырья и забором расплавленного материала. Недостаток — сложность начального запуска: требуется предварительное заполнение канала расплавом.

Еще одним преимуществом является высокий кпд, так как передача высокочастотного поля производится через имеющий малое рассеяние энергии стальной или ферритовый сердечник.

Преимущество такой конструкции — высокая скорость нагрева и плавления, т. к. потери тепла в тигле очень малы.

Для обоих видов металлоплавильных агрегатов нет принципиальных различий в типе рабочего сырья: они с успехом плавят и черные и цветные металлы. Необходимо только выбрать соответствующий рабочий режим и тип тигля.

Индукционная печь

Наиболее востребованными печами для плавления металлов на небольших производствах являются индукционные плавильные печи.

Данные печи применяют для плавки таких материалов, как

Преимущество данного вида печей заключаются в том, что, работая на индукторах, они имеют способность розлива жидкого металла в специальную ковшовую емкость. Это происходит посредством работы гидравлической системы или механической системы.

Устройства печи

корпус из асбоцимента;
индуктор (катушка со множеством витков);
узел для осуществления плавки с тигелем изтолстого стройматериала (при выборе печи следует учитывать размер тигель, так как от этого будет зависить конечное количество продукции, получаемой за один плавильный цикл);
шинопроводы;
батареи компенсирующих конденсаторов;
водоохлаждаемые катушки редукторов.

Посредством возникновения потоков, имеющих вихревой тип, происходит накаливание и плавка металла, который закладывается в специальный тигель, выполненный из графита. В данном тигле и происходит весь плавильный процесс и перемешивание массы металла, которое происходит под действием электродинамических сил. Электрическая энергия выдается на индукторную установку посредством специальных двух кабелей, которые используются как водоохлаждение. Питание всей конструкции осуществляется посредством работы специального устройства, такого как преобразователь частоты.

Управление печью для плавки металлов может осуществляться двумя способами:

механическим способом,
посредством дистанционного управления.

Индукционные печи литейные являются достаточно производительным и высококачественным оборудованием, которое способно выдавать большие объемы готовой продукции.

Существуют различные модификации данных печей, которые подходят для любых производств, специализирующихся на выплавке разного рода металлов. Популярны такие виды электрических приборов, как муфельная плавильная печь, сталеплавильная печь и дуговая сталеплавильная печь. Первые являются очень эффективными и безопасными в использовании. Очень важную роль для металлургии сыграло такое изобретение как сталеплавильная печь. С ее помощью, стало возможным нагревать любые материалы.

В индукционных печах выплавку такой стали, как

латуни,
чугуна,
меди,
стали,
палладия,
титана,
бронзы,
серебра.
силуминов.

В особую группу можно выделить индукционные тигельные печи. Они позволяют загружать большое количество материалов (до двух и более тонн). В России достаточно много заводов-производителей индукционных тигельных печей. Качество их продукции всегда очень высокое. Важно помнить, что рекомендуются покупка индукционных тигельных печей именно от производителя.

Преимущества использования индукционных печей состоит в том, что данный вид плавки металла является экономичным. Накаливание металла приводит к выделению большого количества тепла, которое позволяет разогреть печь быстрее. Как правило, широко распространены печи с возможностью разогрева до температуры тысяча двести градусов в среднем. Как правило, цена индукционной плавильной печи достаточно высока, так как их производство трудоемко, но данные аппараты оправдывают такую стоимость долгой службой.

Параметры выбора

Таким образом, основными критериями выбора того или иного вида термопечи являются объемы и непрерывность производства. Для небольшой литейной мастерской, например, в большинстве случаев подойдет тигельная электропечь, а предприятию по переработке вторсырья — канальная.

Кроме того, в числе основных параметром тигельной термопечи — объем одной плавки, исходя из которого и следует выбирать конкретную модель. Немаловажными характеристиками являются также максимальная рабочая мощность и тип тока: однофазный или трехфазный.

Камера тепла холода влаги

Климатическая камера тепло холод влага используется для испытания веществ на устойчивость к климатическим условиям (температура и влажность).

Выбор места для монтажа

Размещение индукционной печи в цехе или мастерской должно обеспечивать свободный подход к ней для безопасного выполнения всех технологический операций в процессе плавки:

загрузки сырья;
манипуляций во время рабочего цикла;
выгрузки готового расплава.

Место установки должно быть обеспечено необходимыми электрическими сетями с требуемым рабочим напряжением и количеством фаз, защитным заземлением с возможностью быстрого аварийного отключения агрегата. Также установку нужно обеспечить подводом воды для охлаждения.

Настольные конструкции небольших габаритов должны тем не менее устанавливаться на прочные и надежные индивидуальные основания, не предназначенные для других операций. Напольным аппаратам также необходимо обеспечить прочный укрепленный фундамент.

В районе выгрузки расплава запрещено располагать пожаро‑ и взрывоопасные материалы. Рядом с местом размещения печи необходимо повесить пожарный щит со средствами тушения.

Вакуумные печи

Практически все современные печи оснащены вакуумной системой, которая способствует качественной обработке сырья. Основным элементом данной системы является вакуумный насос, нагнетающий вакуум и создающий давление внутри рабочей камеры. Вспомогательным устройством, помещённым внутрь вакуумной печи для термообработки, является вентилятор, благодаря которому жар равномерно циркулирует по всей камере и способствует равномерному накалу всего содержимого вакуумной печи.

Следовательно, каждая промышленная индукционная печь (или любая другая вакуумная печь) по-своему будет полезна металлургическому предприятию или литейному цеху, поэтому выбирая себе такое устройство следует определить, какие материалы будут подвергаться обработке и, какое количество сырья нужно перерабатывать ежедневно. Однако многие предприятия устанавливают сразу несколько установок, работающих по разным принципам, чтобы в случае необходимости можно было выполнять объём работы больше или меньше запланированного.

Инструкция по монтажу

Промышленные термоплавильные агрегаты — устройства с большим энергопотреблением. Их установка и электромонтаж должны проводиться квалифицированными специалистами. Подключение небольших агрегатов с загрузкой до 150 кг может быть выполнено квалифицированным электриком с соблюдением обычных правил монтажа электроустановок.

Например, печь ИПП‑35, мощностью 35 кВт с объемом выработки черных металлов 12 кг, а цветных — до 40 имеет массу 140 кг. Соответственно, установка ее будет заключаться в следующих шагах:

Выбор подходящего места размещения с прочным основанием для термоплавильного узла и высоковольтного индукционного блока с водяным охлаждением и конденсаторной батареей. Расположение агрегата должно соответствовать всем эксплуатационным требованиям и правилам электро‑ и пожарной безопасности.
Обеспечение установки линией водоохлаждения. Описываемая электроплавильная печь в комплекте поставки не имеет средств охлаждения, которые нужно приобрести дополнительно. Лучшим решением для нее будет двухконтурная градирня с замкнутым циклом.
Подключение защитного заземления.
Функционирование любых электроплавильных печей без заземления категорически запрещена.
Подведению отдельной электрической линии с кабелем, сечение которого обеспечивает соответствующую нагрузку. Силовой щит также должен обеспечивать требуемую нагрузку с запасом по мощности

Для маленьких мастерских и домашнего применения выпускаются мини‑печи, например, УПИ‑60‑2, мощностью 2 кВт с объемом тигля 60 см³ для плавления цветных металлов: меди, латуни, бронзы ~ 0,6 кг, серебра ~ 0,9 кг, золота ~ 1,2 кг. Вес самой установки — 11 кг, габариты — 40х25х25 см. Ее монтаж заключается в размещении на металлическом верстаке, подведении проточного водяного охлаждения и включении в розетку.

Камера соляного тумана

Камера соляного тумана предназначена для определения коррозионной стойкости материалов при воздействии соляного тумана.

Испытания в камере соляного тумана происходят до 30 суток, в течении которых на материал воздействует солевой туман, равномерно распыляющийся по всей его поверхности. Камера соляного тумана КСТ позволяет максимально воспроизвести условия эксплуатации и добиться необходимых антикоррозийных характеристик.

Аттестация камеры соляного тумана предусматривает определение дисперсности и водности раствора. Методика аттестации камеры соляного тумана подробно изложена в соответствующих нормативных документах.

Согласно аттестации, самые распространенные типы камер имеют следующие характеристики:

камера соляного тумана КСТ 2 — дисперсность 1-10 мкм, водностью 1-2,5 мл/ч;
камера соляного тумана КСТ 1м – дисперсность 1-10 мкм, водность 2-3 г/куб.м;

Мировым лидером по разработкам новых технологий является компания Atlas Material Testing Technology, поэтому камера соляного тумана Atlas пользуется успехом в различных отраслях промышленности из-за качества и долговечности.

Камера соляного тумана (цена зависит от конструкции и производителя) полностью автоматизирована, регулируются лишь режимы работы. В процессе эксперимента постоянно контролируется и поддерживается состав раствора и чистота воды. Если есть необходимость, камера соляного тумана, купить которую можно на территории России, может также изменить положение в пространстве образца.

Технология использования

Перед началом работы с тигельной электропечью следует обязательно проверить состояние тиглей и футеровки — внутренней защитной теплоизоляции. Если она рассчитана на применение двух видов тиглей: керамических и графитовых, необходимо выбрать по инструкции соответствующий загружаемому материалу.

Обычно керамические тигли используются для черных металлов, графитовые — для цветных.

Порядок работы:

Тигель вставить внутрь индуктора и, загрузив рабочим материалом, накрыть теплоизоляционной крышкой.
Включить водяное охлаждение. Многие модели электроплавильных агрегатов не запустятся, если нет необходимого давления воды.

Процесс плавки в тигельной ИПП начинается с ее включения и выхода на рабочий режим. Если есть регулятор мощности, перед включением установить его в минимальное положение.
Плавно поднять мощность до рабочей, соответствующей загруженному материалу.
После расплавления металла мощность снизить до четверти от рабочей для поддержания материала в расплавленном состоянии.
Перед разливом убрать регулятор до минимума.
По окончании плавки — обесточить установку. Водяное охлаждение отключить после ее остывания.

Все время плавки агрегат должен находиться под наблюдением. Любые манипуляции с тиглями нужно производить с помощью щипцов и в защитных рукавицах. В случае возгорания установку следует немедленно обесточить и сбить пламя брезентом либо затушить любым огнетушителем, кроме кислотного. Заливать же водой категорически запрещено.

Плавильная печь для алюминия

Алюминий плавится при температуре 600 градусов по Цельсию, этот факт даёт возможность провести процесс плавки в домашних условиях. С этой целью можно произвести мини плавильную печь из колёсного диска. Такую конструкцию выполнить несложно. Первым делом следует выбрать диск соответствующего размера и вкопать его в землю таким образом, чтобы он не выходил за поверхность земли. Помещаем изогнутый патрубок в отверстие, находящееся в середине диска. Снаружи, на трубу, помещаем небольшой кулер. Он будет служить нагнетателем. После этого в нашу мини плавильню можно засыпать угли и подавать воздух, постепенно увеличивая их градус. В тигле алюминиевый лом размещается среди углей. Промышленные плавильные печи — конструкции, которые потребляют большое количество электроэнергии. Установка, монтаж и подключение должны выполняться исключительно квалифицированными специалистами. Лабораторные печи используются в лабораторных условиях, они более компактные. У них малое энергопотребление, а нагрев осуществляется стремительно.

При выборе нужного типа плавильной печи следует внимательно изучить все предложения рынка. Плавильные печи цена немаловажный критерий. Поэтому, принимая решение плавильная печь купить, стоит обдумать на какой срок и для каких действий она вам необходима.

Производство чугуна из железосодержащих материалов производят путем выплавки в специальных шахтных печах (домнах) и называют доменным процессом.

Важная роль чугуна в металлургии и вообще в экономике страны определяется тем, что он является первичным продуктом переработки железных руд. Свыше 80 % чугуна, выплавляемого в доменных печах, в дальнейшем перерабатывается в сталь. Эти чугуны называются передельными.

Чугуны, предназначенные для получения фасонного литья в машиностроительном производстве, называют литейными. Для повышения качества отливок применяют небольшие количества добавок для модифицирования и легирования (хром, никель и др.). Введение в расплавы модификаторов (например, магния, ферросилиция, силикокальция, алюминия, титана) способствует кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме. Легирование также способствует улучшению механических свойств путем изменения строения и структуры сплавов.

Специальные чугуны (доменные ферросплавы) выплавляют в небольших количествах и применяют для раскисления и легирования стали.

Для выплавки чугуна используют железную руду, а также марганцевые, хромовые и комплексные руды, топливо и флюсы, которые в необходимой пропорции образуют шихту. Железные руды содержат железо в виде оксидов, например Fe₂0₃ (красный железняк), Fe₃0₄ (магнитный железняк). В 2002 г. в России добыто примерно 84,2 млн т железных руд.

Для повышения производительности доменной печи, экономии кокса, улучшения качества чугуна железные руды предварительно дробят, сортируют для получения кусков требуемой величины и обогащают, отделяя и устраняя пустую породу. Для удаления вредных примесей и улучшения металлургических свойств шихту, состоящую из железной руды и флюса, спекают в агломерационных машинах при температуре 1300. 1500° С, подвергают окатыванию и обжигу при температуре 1200. 1 350 °С. Результатом такой обработки являются прочные, пористые окатыши диаметром до 30 мм.

Флюсы — это материалы преимущественно минерального происхождения, вводимые в шихту для образования шлака и для регулирования его состава, в частности для связывания пустой породы, продуктов раскисления металла, а также уменьшения процентного содержания вредных примесей. По химическому составу флюсы подразделяют на основные (известняк СаС0₃), кислые (кремнезем) и нейтральные (глинозем).

Шлаком называют расплав, покрывающий поверхность жидкого металла, который после затвердевания представляет собой камневидное или стекловидное вещество.

В качестве основного топлива для доменной плавки служит кокс. Кокс представляет собой твердый углеродистый остаток, образующийся при нагревании каменного угля без доступа воздуха до температуры 950. 1 050º С. Содержание углерода в коксе — 96. 98 %. Теплота сгорания кокса — 29 МДж/кг.

Доменная печь (рис. 2.1) — шахтная печь для выплавки чугуна из железной руды. Она устанавливается на бетонном фундаменте, имеет стальной кожух, выложенный внутри огнеупорным кирпичом.

Рис. 2.1. Схема доменной печи: 1 - горн; 2 - фурма; 3 - заплечики; 4 - распар; 5 - шахта; 6 - колошник; 7,8 - шлаковая и чугунная летка соответственно; H - высота.

В верхней части печи, называемой колошником, находится засыпной аппарат, предназначенный для загрузки шихты. Под (дно) доменной печи расположен над бетонным фундаментом и называется лещадь. Поскольку на лещади скапливается расплавленный чугун, ее выкладывают углеродистым кирпичом и блоками, содержащими до 92 % углерода в виде графита и обладающими высокой огнеупорностью.

В нижней части печи — горне — имеются отверстия для выпуска расплавленного чугуна (чугунная летка) и шлака (шлаковая летка). Чугун выпускают из печи через каждые 3. 4 ч, а шлак — через 1. 1,5 ч и сливают в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши. Чугунную летку открывают бурильной машиной. После каждого выпуска чугунную летку заделывают огнеупорной массой, а шлаковую летку обычно закрывают металлической пробкой.

В верхней части горна находятся устройства — фурмы, через которые в печь поступает воздух, необходимый для горения топлива. Вблизи фурм кокс, взаимодействуя с кислородом нагретого воздуха, сгорает, образуя газовый поток, содержащий угарный газ (оксид углерода) СО, углекислый газ (диоксид углерода) С0₂, азот N₂, метан СН₄и др. Следует иметь в виду, что некоторые из образующихся газов — вредные и опасные. Так, например, в производственных помещениях не допускается содержание угарного газа более чем 0,03 мг/л. Наличие метана в воздухе в пределах 5. 15 об. % и более приводит к образованию взрывчатой смеси.

Воздух поступает в доменную печь из воздухонагревателей. Подогрев воздуха снижает расход топлива. Внутри воздухонагревателей имеются насадки из огнеупорных кирпичей и камеры сгорания.

В камеру сгорания подают доменный газ, который, сгорая, проходит через насадку и нагревает ее. Затем подача газа прекращается и через нагретую насадку пропускается воздух, который при этом нагревается до 1 200 "С. Наличие нескольких воздухонагревателей, работающих попеременно, обеспечивает непрерывную подачу в рабочее пространство печи нагретого воздуха.

Температура рабочего пространства печи выше зоны подачи воздуха (выше уровня фурм) составляет 2 000 °С. Эта часть печи выполняется наиболее широкой и называется распаром. Ниже распара расположены заплечики с сужающимся книзу поперечным сечением. Они замедляют опускание шихты. Выше распара поперечное сечение шахты также уменьшается, что способствует свободному опусканию шихты.

Производство стали представляет собой передел чугуна в сталь и состоит в снижении содержания углерода и примесей путем их избирательного окисления (табл. 2.6).

Окисление железа, кремния, фосфора и марганца в сталеплавильной печи происходит с вьщелением теплоты Q (экзотермическая реакция) при этом окисление кремния, фосфора и марганца происходит в начале плавки:

Fe + 1/20₂ = FeO + Q

2FeO + Si = Si0₂ + 2Fe + Q

5FeO + 2P = P₂0₅ + 5Fe + Q

FeO + Mn = MnO + Fe + Q

1.6. Сопоставление содержания, %, углерода и примесей

Читайте также: