Плавильные агрегаты

А. П. ФИРСТОВ







ПЛАВИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ









Рекомендовано Методическим советом Нижнетагильского технологического института (филиала) УрФУ имени первого Президента России Б. Н. Ельцина в качестве учебно-методического пособия по дисциплинам «Производство отливок из чугуна и стали» и «Производство отливок из цветных металлов» для студентов всех форм обучения специальности «Литейное производство черных и цветных металлов»

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.742.5

ББК 34.6

    Ф62



Рецензенты:
и. о. начальника металлургического производства ОАО «НПК „Уралвагонзавод“ Е. В. Лутохин; директор ОАО «Уральский научно-технологический комплекс» А. В. Потапов





     Фирстов, А. П.
Ф62 Плавильные агрегаты : учебно-методическое пособие / А. П. Фирстов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 104 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1458-6

           Представлен обзор по основным плавильным агрегатам. Содержится информация по получению сплавов в различных плавильных агрегатах. Приведены контрольные вопросы для закрепления учебного материала. Даны методики расчета основных параметров плавильных агрегатов литейных цехов, необходимые при выполнении практических и лабораторных работ.
           Для студентов специальности «Литейное производство черных и цветных металлов». Может быть полезно студентам других направлений при выполнении ими работ в рамках практических занятий, курсового и дипломного проектирования.

УДК 621.742.5
                                                           ББК 34.6










ISBN 978-5-9729-1458-6

     © Фирстов А. П., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                ОГЛАВЛЕНИЕ





ВВЕДЕНИЕ.........................................................5

ГЛАВА 1. ВЫБОР ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА..............................7

ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ.....................................13
  2.1. Производство стали в конвертерах.........................13
   2.1.1. Бессемеровский и томасовский процессы.................13
   2.1.2. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой...15
   2.1.3. Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой....18
   2.1.4. Конвертерный процесс с комбинированной продувкой......19
  2.2. Производство стали в мартеновских печах..................19
   2.2.1. Выплавка стали в мартеновских печах...................19
   2.2.2. Печи для дуплекс- и триплекс-процессов................25
  2.3. Производство стали в электропечах........................25
   2.3.1. Электродуговые печи...................................25
     2.З.1.1. Дуговые печи на переменном токе...................27
     2.З.1.2. Дуговые печи на постоянном токе...................27
     2.3.1.3. Выплавка стали в кислых электродуговых печах......28
     2.З.1.4. Выплавка стали в основных электродуговых печах....30
     2.3.1.5. Выплавка стали в вакуумных дуговых печах..........38
     2.3.1.6. Плазменно-дуговая плавка..........................40
     2.3.1.7. Плавка с рафинированием в ковше печным шлаком.....42
     2.З.1.8. Дуговые печи косвенного нагрева...................42
   2.3.2. Индукционные печи.....................................43
     2.З.2.1. Выплавка стали в индукционной печи................43
     2.3.2.2. Производство стали в вакуумных индукционных печах.45
     2.3.2.3. Раздаточно-подогревательные печи..................46
   2.3.3. Электронно-лучевые плавильные печи....................47
   2.3.4. Печь электрошлакового переплава.......................48

ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ..................50
  3.1. Производство чугуна в вагранке...........................51
  3.2. Пламенные или отражательные печи.........................55
  3.3. Печи сопротивления.......................................56
  3.4. Тигельные печи...........................................58

3

ГЛАВА 4. МЕТОДИКИ РАСЧЕТОВ ПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ............61
 4.1. Расчет рекуператора.................................61
 4.2. Расчет вагранки.....................................69
 4.3. Расчет дуговой печи.................................75
 4.4. Расчет индукционной тигельной печи..................77
 4.5. Расчет канальной печи...............................82
 4.6. Расчет нагревательных печей.........................86
 4.7. Расчет сушил........................................91

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..................................95

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................96
 Приложение 1.............................................96
 Приложение 2.............................................97
 Приложение 3.............................................98
 Приложение 4............................................100
 Приложение 5............................................100
 Приложение 6............................................101
 Приложение 7............................................101

4

                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 железаявляется 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 стале

5

плавильных 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.

6

                ГЛАВА 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 тепло-сохранении 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.


7

     В высокотемпературных печах температура газов в рабочем пространстве свыше 1000 °C, 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 °C, 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 °C), закалки (800.1000 °C) и в некоторых случаях - нормализации (850.1100 °C).


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 °C, 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 низкотемператур-8

ные печи или применяют для подогрева подаваемого в печь топлива, т. е. ути

лизируется как физическая, так и химическая теплоты отходящих газов (до-

жигание).

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.


9

     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 теп-лосохранения 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 чугу-10

на 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 °С/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 агре-11

гата, 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 тепло-сохранения.
     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.

12