Введение
Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала.
Металлы разделяют на две основные группы: черные и цветные. К группе черных металлов относятся железо, марганец, хром и их сплавы. К цветным относятся все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.
Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его сплавы составляют более 90 % всех металлов, применяемых в современном производстве.
Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14 %, а сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 %. Сталь – важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта и т. д.
В настоящее время в чугунолитейном производстве России насчитывается порядка 3000 плавильных агрегатов, в том числе 76 % вагранок, 23 % – индукционных электропечей и миксеров и около 1 % – электродуговых печей переменного и постоянного тока.
Для плавки чугуна и стали наибольшее распространение получили плавильные агрегаты, использующие огневые методы – печи-вагранки и электронагрев – индукционные и дуговые печи.
Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами сталеплавильного производства меняется.
Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, т. к. сталь получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью сталеплавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.
1. Выбор плавильного агрегата
Мировая тенденция развития плавильных агрегатов для производства сплавов черных и цветных металлов характеризуется следующими положениями:
– печи на коксе практически не используются из-за высокого загрязнения сплавов, трудности получения отливок высокого качества, низкой экологичности и высокого энергопотребления;
– сокращается использование пламенных отражательных печей ввиду повышения угара металла и насыщения его газами, особенно при использовании легковесной садки и существенного загрязнения продуктами сгорания топлива;
– снизилось применение электродуговых печей также по причине большого угара металла, трудности регулирования химического состава и гомогенности сплава, а также из-за больших затрат энергии при теплосохранении расплава;
– печи сопротивления используются только как теплосохраняющие и практически не применяются как плавильные агрегаты из-за низкой производительности;
– быстро расширяется сфера применения индукционных печей: тигельных и канальных на промышленной частоте, тигельных плавильных на средней частоте и тигельных с укороченным индуктором для выдержки металла, которые используются во всех видах выплавки цветных металлов, процессах теплосохранения и разливки.
Чугуны в основном выплавляют в вагранках. В последнее время развивается плавка в электрических печах, а также дуплекс-процесс, в особенности, вариант вагранка – индукционная печь.
Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плазменно-индукционных печах.
Для плавления цветных металлов используют как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли).
Для плавления применяют индукционные печи промышленной частоты, электрические печи сопротивления. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов.
По условиям теплообмена различают три группы печей: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.
В высокотемпературных печах температура газов в рабочем пространстве свыше 1000 ºС, теплообмен осуществляется в основном лучеиспусканием. Пример высокотемпературных печей – вагранки (рис. 15), мартеновские печи (рис. 5) и печи для нагрева металла (перед прокаткой, ковкой, прессованием и т. д.).
В среднетемпературных печах температура в рабочем пространстве свыше 650 ºС, теплообмен производится лучеиспусканием и конвекцией. Пример среднетемпературных печей – так называемые термические печи (рис. 1), предназначенные для нагрева отливок или изделий в целях отпуска (600…700 ºС), закалки (800…1000 ºС) и в некоторых случаях – нормализации (850…1100 ºС).
Рис. 1. Камерное сушило для литейных форм
и стержней на газовом отоплении:
1 – газовая горелка; 2 – механизм подъема двери;
3 – приборы теплового контроля
В низкотемпературных печах температура в рабочем пространстве до 650 ºС, теплообмен осуществляется в основном конвекцией. К низкотемпературным печам относятся сушила различного назначения (например, для литейных форм и стержней, для готовой продукции после ее окраски и для древесины, идущей на изготовление тары). В сушилах (рис. 2) инжекционные газовые горелки располагают обычно вне зоны непосредственного воздействия на изделия и материал.
Высокие экономические показатели работы печей получают при организации ступенчатого использования тепла отходящих газов. Так, например, продукты сгорания высокотемпературных печей направляют в низкотемпературные печи или применяют для подогрева подаваемого в печь топлива, т. е. утилизируется как физическая, так и химическая теплоты отходящих газов (дожигание).
Рис. 2. Камерная проходная печь для нагрева заготовок:
1 – толкатель; 2 – печь закалочная;
3 – устройства механизации выхода деталей
В литейном производстве сегодня наиболее распространены коксовые вагранки, однако по экономическим соображениям, техническим возможностям и экологической безопасности коксовые вагранки не отвечают современным требованиям. Альтернативой коксовой вагранки является газовая вагранка. Газовая вагранка по затратам на энергоносители более экономична, чем коксовая вагранка. К тому же газ используется полностью, а кокс сгорает при образовании 10 % СО и имеет меньшую теплотворную способность. Поэтому затраты на получение равного количества теплоты из газа почти вдвое ниже. Однако затраты на огнеупоры выше в газовой вагранке, чем в коксовой вагранке примерно в 1,6 раза, а приведенная себестоимость чугуна лишь на 10 % ниже по сравнению с коксовой вагранкой. В связи с этим наибольшую технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность для организации дуплекс-процесса плавки и выдержки чугуна имеет комбинация плавильных агрегатов газовая вагранка + индукционная печь.
Комплекс плавильных агрегатов дуговая печь + индукционная печь реализует технологию дуплексной плавки металла, в котором дуговая печь используется в качестве плавильной, а индукционная печь – в качестве теплосохраняющей.
Электродуговая печь позволяет плавить шихту низкого качества, плохо отсортированную, содержащую в больших количествах ржавый стальной лом большими кусками. Однако в электродуговой печи трудно регулировать химический состав металла и сочетать теплосодержание и непрерывную плавку. В дуплексной плавке при использовании индукционной печи в качестве второго агрегата решается задача уравновешивания противоречия между количеством производимого металла и потребляемого литейными цехами, а также завершается процесс рафинирования и модификации чугуна.
Из всего вышеизложенного следует, что при организации дуплексной плавки любой комбинацией плавильных агрегатов самым экономичным является использование в качестве второго плавильного агрегата для догрева и теплосохранения металла индукционной печи.
В индукционных печах возможно получение чугуна разнообразного состава, при этом использование в качестве шихты отходов кузнечного, прокатного листоштамповочного, токарно-фрезерного переделов существенно снижает производственные затраты при получении чугуна требуемых марок. В индукционных печах можно выплавлять чугун с содержанием стального скрапа и стружки (самого дешевого шихтового материала) вплоть до 100 % благодаря хорошей возможности легирования. Напротив, в газовых вагранках применение стального лома ограничено 40…60 %, т. к. управление процессом науглероживания безкоксовой плавки весьма затруднительно. А использование стальной и чугунной стружки вообще исключено из-за большого угара.
Для получения серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ЧШГ), имеющим целый ряд преимуществ перед другими сплавами, необходимо точно управлять химическим составом по многим элементам и, прежде всего, по углероду, сере, марганцу, хрому, фосфору и др., поскольку в индукционных печах плавка ведется с так называемым «холодным» шлаком, практически не участвующим в химических реакциях, управление химическим составом сплава по ходу плавки производится добавлением легирующих материалов и точным управлением температурой расплава. Сочетание этих возможностей позволяет реализовать технологию получения отливок, в которых значительно снижены внутренние напряжения и существенно повышены прочностные характеристики.
Характеристики чугуна в значительной мере зависят от содержания вредных примесей и, прежде всего, серы. Для модификации на ЧШГ серый чугун должен иметь низкое содержание серы. В вагранках выплавить металл с низким содержанием серы невозможно, и требуется десульфуризация расплава. Известные способы десульфуризации чугуна требуют установки специальных устройств или индукционных миксеров. Поэтому при получении серого чугуна требуемых марок или для модификации на ЧШГ используются «дуплекс-процессы». В дуплекс-процессе плавка металла ведется в коксовых или газовых вагранках с возможным содержанием в шихте большой доли первичных материалов. Затем осуществляется перелив расплава в индукционные печи, и вводятся добавки, позволяющие десульфуризировать чугун, точно вывести его химический состав. Кроме этого, в индукционных печах обеспечивается выдержка металла при заданном температурном режиме. Однако себестоимость плавки чугуна в любом случае получается меньше при моно-процессе, и наиболее полно технологическим требованиям подготовки чугуна соответствует индукционный метод плавки в индукционных печах.
Весьма существенным преимуществом плавки в индукционных печах по сравнению с вагранками и дуговыми печами является пониженное на 25…30 % содержание газа (азота, водорода, кислорода) в расплаве металла, а также значительное уменьшение содержания неметаллических примесей. Это повышает прочность отливок и уменьшает каверны на их поверхности, что позволяет снизить отходы металла при дальнейшей обработке на 20…25 % и уменьшить металлоемкость оборудования.
Таким образом, с производственно-технологической точки зрения для литейного производства индукционные печи имеют существенные преимущества по сравнению с вагранками и дуговыми печами. Более высокая удельная мощность позволяет быстрее нагревать чугун (со скоростью 30…35 ºС/мин), а потери исходного материала из-за угара снижаются. Циркуляция расплава под действием электромагнитных сил в индукционной тигельной печи приводит к равномерному температурному распределению и хорошему перемешиванию. В сочетании с отсутствием загрязняющих веществ это обеспечивает высокую точность химического состава металла, расплавленного индукционным методом. Перегрев расплава, труднодостижимый при использовании вагранок, можно успешно реализовать в индукционных печах. Эти технологические преимущества дают наибольшую гарантию качества чугуна и возможность получения высокопрочных специальных чугунов, а также обеспечивают более высокое качество литых изделий.
Канальные индукционные печи промышленной частоты наиболее эффективны как теплосохраняющие и разливочные. Крупные канальные индукционные печи используются для выплавки и накопления отдельных марок цветного металла в ночное время, когда стоимость электроэнергии самая низкая, а в дневное время обеспечивается непрерывная разливка или литье в крупные формы.
При выплавке сплавов цветных металлов на заводах часто используются современные типы дуплекс-процесса. В качестве первого плавильного агрегата, например, может быть индукционная тигельная печь для проведения скоростной плавки, а в качестве второго агрегата используется канальная индукционная печь промышленной частоты или тигельная с укороченным индуктором для накопления металла, регулирования его химического состава и теплосохранения.
В некоторых случаях применяется триплекс-процесс выплавки цветных металлов. Он объединяет три связанных процесса: выплавку, теплосохранение, разливку, что позволяет точно контролировать состав и температуру сплава и в полной мере использовать производительность литейного участка.
Тигельные печи средней частоты вытесняют индукционные печи промышленной частоты и применяются для скоростных плавок малыми партиями. Тигельные печи допускают быстрый переход с одной марки на другую. Тигель менее чувствителен к охлаждению, а его состояние можно визуально контролировать. Тигельная печь работает в садочном режиме с холодной завалкой шихты и обеспечивает интенсивное перемешивание металла, что позволяет ускорить плавление твердых кусков и усреднить температуру и химический состав ванны расплава металла.