3.2. Технологические особенности плавки
Знание перечисленных физико-химических особенностей алюминия позволяет составить общую схему технологического процесса плавки: выбрать плавильный агрегат, шихтовые материалы, способы рафинирования и модифицирования расплава, установить температурный режим плавки
3.2.1. Печи для плавки алюминиевых сплавов
Выбор типа печей осуществляется в зависимости от масштабов производства, характера литья (требований к качеству отливки) и энергетических возможностей. Плавка алюминиевых сплавов может производиться в разнообразных электрических и топливных печах.
Топливные печи могут быть тигельными, отражательными и шахтно-ванными. Наибольшее применение для алюминиевых сплавов нашли тигельные и ванные печи на газовом и жидком топливе.
При небольших объемах производства удобно использовать тигельные поворотные печи с мазутным или газовым обогревом. В них можно легко перейти от приготовления одного сплава к другому, провести рафинирование и модифицирование. В этих печах происходит минимальный угар металла (0,5 – 1,0 %). К недостаткам можно отнести малый тепловой кпд и необходимость частой замены тиглей. Тигельные топливные печи (рис. 10) состоят из следующих элементов: металлического корпуса 1, горелок или форсунок 2 и плавильного тигля 3. Корпус печи защищен теплоизоляционным слоем и огнеупорной кладкой. Над печью устанавливают вытяжной зонт для отвода дымовых газов. Для слива металла корпус имеет ручное поворотное устройство.
Тигельные топливные печи также применяют для плавки магниевых, медных, цинковых и других сплавов.
Из электрических печей для плавки алюминиевых сплавов подходят тигельные или отражательные печи электросопротивления) и индукционные печи.
Тигельные печи сопротивления типа САТ (рис. 11, а) используют для плавки небольших количеств (до 250 кг) алюминиевых сплавов. Чаще всего их применяют в качестве плавильно-раздаточных для поддержания температуры металла во время разливки по формам. Нагреватели печей САТ изготовляют из нихромовой проволоки.
В камерных отражательных печах типа САК (рис. 11,б) емкостью до 650 кг нагревательные элементы из нихрома или карборунда установлены в своде печи. Разбор металла производится через рабочее окно. Шихта загружается с противоположной стороны.
Рис. 10. Поворотная тигельная печь
Электропечи типа САН (рис. 11,в) наиболее металлоемкие (до 3000 кг). Они имеют механизм наклона для слива металла через сливной носок. Нагреватели изготовляют из нихромовой проволоки. Эти печи отличаются большой производительностью. Их экономически выгодно использовать при крупносерийном и массовом производстве, а также при переплаве отходов. Доводку и рафинирование сплавов осуществляют в раздаточных печах малой емкости.
Наиболее прогрессивным способом плавки алюминиевых сплавов в литейных цехах с серийным производством является индукционный нагрев токами промышленной, средней и высокой частоты. Для алюминиевых сплавов наиболее подходят открытые индукционные тигельные печи. Они имеют следующие преимущества:
высокая производительность;
интенсивная циркуляция расплава в тигле, обеспечивающая выравнивание температуры и химического состава по всему объему ванны;
возможность проведения плавки при любом давлении (от атмосферного до вакуума) и в любой атмосфере (окислительной, восстановительной или нейтральной);
простота и удобство обслуживания печи, управления и регулирования процессом плавки;
хорошие санитарно – гигиенические условия труда.
Рис. 11. Электрические печи сопротивления для плавки алюминиевых сплавов: а – тигельная печь типа САТ; б – отражательная печь типа САК; в – отражательная печь типа САН; 1 – термопара; 2 – крышка; 3 – нагреватели; 4 – тигель; 5 – вытяжной зонт
В настоящее время ряд специализированных отечественных и зарубежных фирм поставляет комплектные индукционные плавильные установки (УИП). Так отечественная группа компаний РЭЛТЕК поставляет установки в состав которых входят: одна или две индукционные плавильные печи (ППИ), двухконтурная станция охлаждения индуктора с ионно-обменным фильтром, пульт дистанционного управления, гидропривод поворота печи, системы контроля футеровки тигля и охлаждающей воды.
Если в состав УИП входит одна печь, то комплект электрооборудования (рис. 12) включает в себя: устройство ввода высокого напряжения (УВН), силовой трансформатор (Тр), тиристорный преобразователь частоты (ТПЧП) и блок компенсирующих конденсаторов (БК).
Рис. 12. Схемы комплектования электрооборудования индукционных плавильных печей
Для более гибкого снабжения литейного цеха жидким металлом, повышения коэффициента использования печей и повышения производительности можно реализовать двухпостовую тандемную схему плавки. В этом случае в состав УИП входят две печи. Возможны три варианта электроснабжения тандемной плавки. Наиболее простой из них предусматривает один ТПЧП и дополнительное силовое переключающее устройство (СПУ). Когда в одной печи подготовлен расплав, то электроснабжение переключается на вторую печь. Такая система способствует снижению простоя УИП, производительность возрастает незначительно.
Более производительная работа УИП достигается при наличии второго ТПЧП малой мощности не более 10 % основного канала или при использовании двухэнергоканальных преобразователей частоты, которые дополнительно включают в себя дроссели (ДР) и инверторы (И).
Современные УИП позволяют автоматизировать процесс плавки и вести статистическую обработку параметров процесса плавки. С этой целью предусмотрена возможность постоянного точного взвешивания расплава в печи на любой стадии работы, а значит, регулировать химический состав и осуществлять учет загружаемой шихты и слитого металла.
Печи, входящие в состав УИП, могут иметь емкость от нескольких килограммов до нескольких тонн. Независимо от емкости индукционные тигельные печи имеют одинаковые конструктивные узлы и отличаются мощностью электрооборудования и производительностью. На рис. 13 показана печь ИАТ – 2,5 емкостью 2,5 т.
В связи с высокой химической активностью алюминиевого расплава большое значение уделяется материалам для футеровки и тиглей.
Футеровку отражательных печей выполняют из магнезита или шамота. Для уменьшения взаимодействия с расплавом футеровку покрывают обмазкой из флюса (23 - 25 % Na3AlF6, 20 – 27 % B2O3, ост. NaCl), смешанного с жидкой глиной. Обмазку прокаливают при 900 – 950 оС.
Тигли для плавки алюминиевых сплавов изготовляют из серого или легированного чугуна. Можно использовать и графитошамотные тигли, предназначенные для плавки меди и медных сплавов. Их емкость от 0,5 до 500 марок. Условная единица емкости – марка, показывает объем, занимаемый 1 кг расплавленной меди. Зная плотности меди и сплава, можно определить массу сплава в тигле.
Рис.13. Индукционная тигельная печь ИАТ – 2,5 для плавки алюминиевых сплавов: 1 – магнитопроводы; 2 – индуктор; 3 – набивной тигель; 4 – каркас печи; 5 – рабочая площадка; 6 – сливной носок; 7 – ось поворотного устройства
Для защиты от насыщения расплава железом рабочие поверхности литых чугунных тиглей покрывают защитными огнеупорными обмазками, а весь плавильный инструмент – огнеупорными красками.
Для чугунных тиглей применяют обмазку, состоящую из (%, по массе): 17 – графита; 18 – огнеупорной глины; 5 – жидкого стекла и 60 – воды. Обмазку наносят слоем толщиной не менее 5 мм
В состав красок для инструмента входят мел, оксид цинка, огнеупорная глина, тальк, коллоидный графит и другие вещества. Чаще всего используют краску, состоящую из 50 частей (по массе) отмученного мела, 50 ч оксида цинка, 5 ч жидкого стекла, 100 ч воды или краску из 32,5 ч отмученного мела или окиси цинка, 1,5 ч жидкого стекла и 66 ч воды. Краску наносят на подогретые до 90 – 150 оС поверхности при помощи распылителя или кистью.
Футеровку индукционных тигельных печей для алюминиевых сплавов рекомендуется выполнять набивкой из жаростойких бетонов. Хорошо зарекомендовали себя бетоны на жидком стекле с кремнефтористым натрием. Они имеют следующий состав, %: 28,8 - тонкомолотый магнезит; 25,0 - шамотная крошка размером 0,15 – 0,50 мм; 30,0 – шамотная крошка размером 5 – 10 мм; 15 – жидкое стекло с плотностью 1,36 – 1,38 и 1,2 – кремнефтористый натрий. Высокую прочность жаропрочный бетон приобретает после обжига при температуре выше 800 оС.