§ 1. Плавильные печи

Для приготовления расплавов, применяемых для заливки форм художественных и архитектурных отливок, используют различные плавильные печи. В процессе работы плавильные печи должны обеспечивать получение расплава заданного хими­ческого состава, соответствующей температуры и жидкотекучести; минимальный угар расплава и минимальное насыщение его вред­ными примесями; низкий расход топлива и максимальную произ­водительность. Кроме того, плавильные печи по типу и произ­водительности должны быть приспособлены к режиму литейного цеха.

Наиболее широкое применение нашли вагранки, дуговые и индукционные электрические печи, пламенные и тигельные печи, электрические печи сопротивления. В производстве литья по выплавляемым моделям используют электрические высоко­частотные печи.

Вагранки. Для плавки чугуна наиболее удобными являются вагранки, особенно если необходимо иметь значительное коли­чество металла постоянного химического состава. Высокая произ­водительность вагранок объясняется тем, что они являются печами непрерывного действия.

Вагранка представляет собой шахтную плавильную печь, внутри выложенную огнеупорным кирпичом 2 (рис. 127), снаружи обтянутую сваренным или клепаным металлическим кожухом 10. Печь смонтирована на колонках 7. В опорной плите 4 имеется люк 5, который во время работы вагранки закрывается створчатой дверцей, подпираемой подставкой 6. Дно вагранки, называемое лещадью, набивается огнеупорными материалами с наклоном в сторону отверстия 8 для выпуска чугуна (чугунной летки). В противоположной стороне от чугунной летки, выше ее, устроено отверстие 3 для выпуска шлака (шлаковая летка). Выше шлаковой летки в стенках вагранки расположены сквозные отверстия 9 для вдувания воздуха — фурмы.

В современных вагранках фурмы делают в два или три ряда, нижние называют основными, верхние — вспомогательными.

249

Рис. 127. Вагранка без копильяика (а) и коптильник (б)

Часть вагранки, расположенная ниже фурм, называется горном, а часть вагранки, расположенная выше фурм, — шахтой. Шахта вверху, на уровне колошниковой площадки имеет завалочное окно 1. Верхняя часть вагранки заканчивается трубой с искро­уловителем 11.

Чтобы накопить металл для заливки крупных форм, вагранки делают с копильником 13 (рис. 127, б). Копильник представляет собой дополнительный горн вагранки, пристроенной к ней сбоку, ниже чугунной летки в виде цилиндра, внутри выложенного, как и вагранка, огнеупорным кирпичом. Расплавленный металл, попадая на лещадь вагранки, стекает через переходную летку 8 в полость копильника, откуда по мере накопления через летку 12 выпускается в ковш для заливки. Недостатком вагранок с ко­пильником является снижение температуры металла на 20—25 °С.

Вагранка приспособлена для плавки чушкового чугуна и металлических отходов собственного производства — литников, прибылей и бракованных отливок. Недостатком плавки чугуна в вагранке является увеличение в расплаве серы вследствие перехода ее из кокса.

Шихтовые материалы и их подготовка. Исходные материалы, идущие в печь для плавки, называют шихтовыми материалами, а мерная их доза, идущая на загрузку

250

вагранку, —колошей. Для получения чугуна в качестве шихто-?1ИЫХ материалов в литейных цехах применяют чушковый чугун, |$угунный и стальной лом, возврат собственного производства. |Материалы для присадки — ферросплавы (ферросилиций, ферро-|«арганец).

Топливом при плавке чугуна является кокс — продукт пере­работки коксующихся каменных углей. Кроме металла и кокса В состав шихтовых материалов входит флюс (известняк), необхо­димый для образования легкоплавкого шлака, с помощью кото­рого из металла удаляются неметаллические включения.

Перед загрузкой в вагранку чушки чугуна ломают на чушко-ломах, крупные куски металлического лома дробят с помощью копров, флюсы измельчают в дробилках. Возврат (литники, прибыли, бракованные отливки) очищают от формовочной смеси в специальных барабанах. Кокс просеивают, чтобы отделить мелкие куски.

Плавка чугуна в вагранках. Подготовку ваг­ранки к плавке производят в следующем порядке.

На лещади вагранки разжигают дрова для сушки ее стенок. После того как дрова разгорятся, на них загружают кокс холостой колоши (слой кокса без металла). Шихту в вагранку загружают с помощью бадьи, вводимой в шахту вагранки через загрузочное окно. Когда кокс холостой колоши разгорится, начинают по­очередно загружать металлические, коксовые колоши и флюс до уровня завалочного окна. Такой уровень материалов в шахте вагранки поддерживается до конца плавки. К концу завалки шихты включают вентилятор и подают воздух через фурмы в зону горения. По мере сгорания топливных колош металл в вагранке подогревается, спускается ниже и, попадая в пояс плавления (верхняя часть холостой колоши), плавится. Расплавленный металл, каплями проходя через раскаленный слой холостой колоши, науглероживается за счет кокса и опускается в горн на лещадь. Из горна чугун по мере накопления выпускается через чугунную летку в разливочный ковш. Шлак, получающийся в вагранке от плавления флюса, скапливается в горне на поверх­ности чугуна и выпускается из вагранки через шлаковую летку.

Для окончания процесса плавки прекращают завалку мате­риала и дают расплавиться ранее загруженному. Затем выключают вентилятор, раскрывают дверки опорной плиты, остатки кокса холостой колоши высыпаются из вагранки, где их заливают водой.

После охлаждения вагранки ее внутреннюю часть ремонти­руют: исправляют выгоревшие места огнеупорной кладки, на­бивают лещадь и готовят вагранку к следующей плавке. Произ­водительность вагранки в зависимости от ее внутреннего диаметра может быть от 3 до 30 т/ч. Расход топлива от 10 до 16 кг на 100 кг расплавленного чугуна.

В последние годы конструкции вагранок были значительно усовершенствованы. Созданы и освоены новые конструкции более

251

лЪ род **Щ,

Рис. 128. Стационарная пламенная печь

э кономичных коксогазо­вых вагранок, вагранок закрытого типа, с очист­кой и дожиганием отхо­дящих газов. Для увели­чения производительности в вагранках используют подогретое дутье и дутье, обогащенное кислородом. При заливке форм для архитектурных отливок

в целях повышения механических свойств расплава серый чугун подвергают модифицированию—на желоб вагранки (при выпуске чугуна)^из вибрирующего совка подают мелкораздробленный ферро­силиций. Такая операция позволяет измельчать пластинчатые включения графита в чугуне, в результате чего прочность чугуна повышается.

Пламенные печи. При производстве крупных художественных отливок для плавки чугуна и цветных сплавов применяют пла­менные печи.

Стационарная пламенная печь (рис. 128) представляет собой камеру, кожух которой собран из литых чугунных плит, укреплен­ных на стойках. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом. Под печи набивают из кварцевого песка и огнеупорной глины в форме ванны 3, ограниченной передним 2 и задним 5 порогами. Перед передним порогом в печи расположена топка / для сжигания твердого, жидкого или пылевидного топлива. За задним порогом печи расположена труба 6 для отвода дымовых газов. В передней стенке печи перед ванной имеется окно 4 для загрузки шихты. Крупногабаритные материалы закладывают в печь через съемный свод. Расплавленный металл по мере готовности выпускают в ковш через летку.

Пламенные печи могут быть стационарными и поворотными. Поворотная барабанная печь устанавливается на роликах, приводимых в движение электродвигателем. Покачивание на роликах позволяет в процессе плавки хорошо перемешивать металл, и за счет использования теплоты стенок сокращать продолжительность плавки.

Преимущество плавки чугуна в пламенных печах — возмож­ность получения перегретого чугуна с меньшим содержанием вредных примесей, использование для плавки крупногабаритного лома. По сравнению с вагранками пламенные печи менее эконо­мичны и менее удобны в работе. Они выдают металл периодически, требуют большего расхода топлива, имеют продолжительный период плавки (4—7 ч) и большой угар металла (5—8 %).

Тигельные печи. По виду применяемой для плавки энергии тигельные печи подразделяются на коксовые и электрические. В производстве художественных отливок тигельные печи исполь-

252

зуют для плавки бронз и латуней. Тигельные печи могут быть стацио­нарными и поворотными.

Рис. 129. Стационарная Тигельная печь

Стационарные печи (рис. 129) устраивают в полу литейного цеха в виде колодца, с одной стороны кото­рого делается небольшая шахта 2 с колосниковой решеткой внизу. Вторая часть 1 колодца служит для уборки золы из-под колосниковой решетки и естественной тяги при плавке. В верхней части шахты имеется дымоход 3. На уровне пола цеха шахта закрывается шарнир­ной крышкой 5 с противовесом для удобства ее открывания. Материалы для плавки загружают в графито­вый тигель 6, установленный на колосниковой решетке шахты печи. Заполненный тигель сверху закры­вают крышкой, предохраняющей металл от воздействия газо_в образующихся при горении топлива. После загрузки тиг_ля пространство между стенками тигля и шахты заполняют коксом и разжигают его. Горящий кокс разогревает тигель с материалами и затем расплавляет металл. Для заливки форм тигель с расплав­ленным металлом извлекают из печи специальными клещащ_и. захватом 4.

В поворотных тигельных печах графитовые тигли закреплены а металл выливают из тигля при повороте печи на цапфах.

Тигельные печи работают с естественной тягой или вентиля­торами. Преимуществом плавки в тигельных печах является возможность получения расплава однородного состава с малу_м содержанием серы. Кроме того, тигельные печи, работающие _На коксе, просты по конструкции, поэтому не требуется болыц_их затрат на их изготовление. Недостаток тигельной плавки _на коксе —высокий расход топлива (30—120 % массы металла), малая производительность (50—150 кг за плавку), высокая сто­имость графитовых тиглей.

Электрические печи. Электрические плавильные печи в про­изводстве художественного литья применяют чаще для плавки бронз и латуней, реже —для чугуна. В производстве машино­строительных отливок электрические печи используют для полу­чения качественного чугуна, идущего на отливки ответственного назначения.

Для плавки чугуна электрические печи используют как само­стоятельный плавильный агрегат, работающий на твердой за­валке, так и агрегат для доводки до необходимого состава жидкого чугуна, расплавленного в вагранке. Такой процесс получения

253

Рис. 130. Дуговая электрическая печь

Рис. 131. Индукционная тигельная печь вместимостью 8 т

расплава с применением двух плавильных печей (вагранка + + электропечь) называют дуплекс-процессом.

Электрические плавильные печи подразделяют на дуговые, индукционные и печи сопротивления. Источником теплоты для плавки в дуговых печах является электрическая дуга, возника­ющая между графитовыми электродами и массой металла в печи. Дуговые однофазные электрические печи типа ДМК вместимостью до 1 т с двумя горизонтально расположенными гр афитовыми электродами применяют для плавки латуни и бронзы.

Дуговая электрическая печь (рис. 130) пред­ставляет собой стальной сварной барабан / с огнеупорной футе­ровкой 2 внутри. Барабан опирается на роликовые опоры 4, с помощью которых осуществляется поворот печи для выливания готового расплава. Графитовые электроды 3 вводятся в рабочее пространство печи через торцы.

Шихта для медных сплавов, чушковый материал, лигатуры, машинный лом и отходы производства загружают в печь через рабочее окно, снабженное желобом для выпуска готового рас­плава. После расплавления шихты сплав перемешивается, пере­гревается, доводится до требуемого химического состава и тем­пературы.

Среди плавильных агрегатов периодического действия наи­более экономичны и производительны электрические индукционные тигельные печи промышленной ча­стоты (50 Гц), применяемые в литейных цехах для плавки серого чугуна на твердой завалке. Создаваемое индуктором / печи (рис. 131) электромагнитное переменное поле индуктирует вихре­вые токи в металле, при этом электрическая энергия переходит в тепловую. Тигель 2 печи футерован массой, состоящей из 48 % кварца (с размером зерен 0,6—1,6 мм) с содержанием SiO₂ не менее 95 %; 50 % пылевидного кварца КП-3 (с размером зерен

254

V/ //// //// 777/ /777 7777 77/7 ///,

v/7 7777 7777 7777 /'/// //// /,

Рис. 132. Электрическая печь сопротивления;

/ — форкамеры для исходных шихтовых материалов; 2 — электрические спирали; 3 *— металлосборник; 4 — шамотная футеровка; В — желоб; 6 — роликовые опоры; 7 —

механизм поворота печи

не более 0,5 мм) и 1,8 % борной кислоты. Футеровочную массу приготовляют в смесителе в сухом виде. Набивку тигля произ­водят слоями толщиной 50—70 мм, обеспечивая между ними хорошую связь, после чего футеровку сушат. Шихту в тигель загружают осторожно без ударов о стенку и как можно плотнее, что способствует быстрому расплавлению металла в тигле и умень­шению расхода электроэнергии. Плавку ведут при закрытом тигле. Готовый расплав выливают из тигля в ковш 3 путем на­клона печи механизмом поворота 4.

Основными преимуществами индукционной электрической тигельной печи являются возможность более строго выдерживать химический состав металла, небольшой угар металла, не превы­шающий 2—3 %, и улучшение условий труда.

Электрические печи сопротивления (ста­ционарные и качающиеся) применяют для плавки алюминиевых сплавов. Металл в печах сопротивления плавится теплотой, выделяемой нихромовыми нагревателями, заделанными в фасон­ные кирпичи стенок печи. Схема устройства качающейся печи сопротивления мод. САН показана на рис. 132.