ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕЧЕЙ

На рис. 285 показан один из вариантов конструкции печи для непрерывного конвертирования медных и никелевых штейнов, разработанный в Ленинградском горном институте. Это отражательная печь уменьшенных размеров, футерованная магнезитовым кирпичом и заключенная в сплошной железный кожух, обеспечивающий герметизацию рабочего пространства. Штейн поступает в печь непрерывно из миксера или прямо из рудопла-вильной печи по желобу, вводимому в печь через окно в передней торцовой стенке. Воздушное дутье, обогащенное кислородом до требуемой пропорции, подается в центральную часть ванны через несколько водоохлаждаемых сопел, расположенных над ванной в головном конце печи в виде «гребенки». Специальный подъемный механизм позволяет управлять положением сопел и в зависимости от организации процесса располагать их на некоторой высоте над ванной или погружать в ванну. Продувка штейна может осуществляться и без погружения сопел в ванну, для чего потребуется повышенное давление дутья (4—8 ати)у обеспечивающее проникновение воздушной струи через слой шлака. Образующиеся при продувке шлак и обогащенная масса разделяются путем отстаивания в хвостовой части печи, где ванна совершенно спокойна. Шлак непрерывно сливается через шлаковое окно или шлаковый шпур, а обогащенная масса по мере накопления выпускается через специальные шпуровые отверстия. Газы из зоны продувки проходят всю печь и из ее хвостовой части удаляются в котел-утилизатор и далее направляются на производство жидкого сернистого ангидрида или серной кислоты. При непрерывном конвертировании штейнов возможна полная механизаиия и автоматизация этого передела, полная утилизация тепла и серы отходящих газов, значительное обеднение конвертерных шлаков, уничтожение ручной фурмовки, значительное повышение срока службы футеровки, применение воздуха, обога шейного кислородом, и многие другие преимущества по сравнению с конвертированием штейнов в конвертерах существующей конструкции. На рис. 286 показана схема дуговой плазмовой горелки, дающей возможность получить температуру до 16000°. В последнее время ее стали применять в США для металлизации, резки, плавления металлов и других процессов в промышленности. Горелка представляет собой закрытую камеру, в которую при очень высоком давлении вдувается газ (аргон, гелий или чистый азот). Между электродом (анодом) .и соплом горелки (катодом) возбуждается дуговой разряд с высокой плотностью тока. Атомы газа, попадающего с большой скоростью в зону дугового разряда, распадаются и образуют плазму, т. е. смесь ионов и свободных электронов. Вещество в таком, как называют физики, четвертом состоянии не подчиняется известным газовым законам, но обладает электромагнитными свойствами. Действием магнитного поля плазму можно сфокусировать, замедлить, ускорить, отклонить, прервать и т. д. Под давлением непрерывно нагнетаемого в камеру газа плазма вытесняется через сопло в виде яркого луча пламени длиной до 30 см. Высокая температура плазмы создает условия, при которых различные металлы могут в парообразном состоянии наноситься на другие металлы, керамику и даже .пластмассы. Нагрев металлизируемой поверхности при этом не превышает 260°. Пористость такого покрытия в два-три раза меньше, чем при обычных способах металлизации. Луч плазмы способен разрезать самые твердые металлы с чистой кромкой реза. Например, карбид титана может быть разрезан плазмой и вновь сварен без зачистки кромок. Плазмовый источник нагрева применим в печах для расплавления вольфрама. бериллия, борида, циркония и других жаропрочных материалов. Новый источник позволяет смешивать в парообразном состоянии различные элементы, в результате чего получаются материалы с новыми свойствами. Камера горелки и ее сопло изготовляются из сплава на основе меди. В сочетании с водяным охлаждением такой сплав вполне удовлетворительно выносит условия работы, так как только незначительная часть тепла плазмы (вследствие газовой изоляции) передается поверхностям сопла. Дуга горелки питается от обычного сварочного генератора постоянного тока. Стоимость единицы тепла плазмового источника ниже, чем при использовании ацетилено-кислородного пламени По сообщениям иностранной печати, в 1958 г. предполагается сооружение большой солнечной печи. Для этого на одной из гор в Нью-Мексико предполагается установить гигантское зеркало высотой 44 м и шириной 45 ж, которое даст возможность получать температуру лишь на 30% ниже температуры поверхности солнца. Это зеркало, так называемый гелиостат, состоящее из 1162 небольших отдельных зеркал, устанавливают на рельсах так, чтобы его можно было поворачивать по мере вращения солнца. Второе зеркало в форме чаши диаметром 33 м составляется из 4800 отдельных зеркал, улавливающих отраженный от гелиостата солнечный свет и направляющих пучок лучей на пятно диаметром 125 мм. Третья часть солнечной печи — топка, расположенная на высоте около 10 м над поверхностью земли. В этой топке и предполагается проведение опытных плавок различных металлов. Считается, что солнечная печь обеспечит абсолютную чистоту источника тепловой энергии и позволит получать сверхчистые металлы и сплавы.

Типы разновидностей печей

Большинство современных крупных литейных цехов для плавки цветных сплавов оборудовано индукционными печами с железным сердечником, в которых производятся сплавы из тяжелых и легких цветных металлов. Индукционные печи по сравнению со всеми другими литейными печами имеют значительные преимущества. Они обеспечивают высокое качество и полную однородность сплавов, малые потери металлов, большую производительность, небольшой расход электроэнергии, высокую чистоту и культуру литейных цехов.

 

На рис. 274 показана конструкция отечественной индукционной печи типа ИЛО-0,6 (индукционная, латунная, однофазная емкостью 0,6 т). Аналогичные печи, выпускаемые зарубежными

 

фирмами, известны под названием «Аякс». Печи подобной конструкции выпускаются емкостью 0,3; 0,6; 1,2 и 2,0 т. Печь состоит из цилиндрической или овальной шахты, подового камня с нагревательными каналами и магнитопровода (сердечника) с первичными катушками. Шахта печи состоит из железного кожуха, теплоизолирующей прослойки и огнеупорной футеровки. Внизу кожуха имеется поддон, связанный с кожухом поясом из углового железа. Под шахтьи выкладывается огнеупорным кирпичом. Для соединения шахты с подовым камнем в поддоне имеется прямоугольный вырез. Верх шахты закрывается железной крышкой с отверстием для загрузки. Сбоку в верхней части шахты имеется отверстие и носок для разливки сплава. Подовый камень с 1—3 каналами набивают кварцевой, корундовой, шамотовой или магнезитовой набивной массой и в нем делают 1 — 3 круглых горизонтальных отверстия для установки магнитопро-водов с надетыми на них первичными однослойными катушками. Верхнюю, входящую в вырез поддона часть подового камня для лучшего соединения с шахтой немного срезают. Подовый камень набивают в специальном бронзовом, медном или из немагнитной стали каркасе, состоящем из двух половин. Эти половиньи соединяют болтами и крепят к каркасу печи, к которому прикреплен и кожух шахты. Магнитопровод печи пред ставляет собранный из листовой трансформаторной стали сердечник броневого или стержневого типа. Сбоку каркаса устанавливают кронштейны с отверстиями для оси поворота печи во время разливки сплава. Ось поворота проходит около разливочного носка печи, что обеспечивает постоянное положение струи металла независимо от наклона печи. Футеровку подового камня для плавки бронз и латуней делают из сухой кварцевой массы следующего состава: 96% дробленого кварца; 2% буры; 1,5% оконного стекла и 0,5% глины. Для плавки никелевых сплавов камень набивают магнезитовой массой: 96,5% плавленого магнезита; 3% буры и 0,5% оконного стекла. Шихта загружается через отверстие в верхней крышке и после ее расплавления сплав разливается через носок при наклоне печи. Печь типа ИЛО весьма широко распространена в литейных цехах для плавки меди, латуней, бронзы, никеля, мельхиора и других цветных сплавов. Для каждой разновидности сплава рассчитывают размеры нагревательных каналов.

 

Индукционные печи с железным сердечником, применяемые для плавки алюминиевых сплавов, несколько отличаются по своей конструкции. Дело в том, что при плавке алюминия образующаяся на поверхности ванны окись алюминия осаждается в каналах печи, вызывая изменение их электрического сопротивления и нарушение циркуляции металла. Для свободной очист-» ки от осадка окиси каналы в печах для плавки алюминия де-

 

лают прямыми увеличенного сечения и оборудуют отверстиями с пробками, позволяющими периодически открывать каналы и прочищать их. Вследствие уменьшения плотности тока в каналах и увеличения толщины металла в шахте перемешивание металла в печи уменьшается, чем ослабляется осаждение окиси в каналах.

 

Индукционные печи с железным сердечником, применяемые для плавки катодного цинка, имеют емкость ванны 20 т. Они оборудуются шестью самостоятельными однофазными печными трансформаторами с горизонтальным расположением нагревательных каналов.

 

Тепловые и электрические показатели работы индукционных печей с железным сердечником значительно улучшаются при устройстве двух и трех нагревательных каналов и при переходе на двух- и трехфазные печи с соответственным увеличением числа магнитопроводов и первичных катушек.

 

Характеристика индукционных печей с железным сердечником, применяемых в литейном производстве, приведена в табл. 66.

 

Кроме индукционных печей с железным сердечником, для плавки цветныос и благородных металлов и сплавов применяются индукционные печи без железного сердечника.

 

На рис. 275 показана индукционная печь без сердечника, приспособленная для работы под вакуумом. Сама индукционная печь состоит из индуктора (катушки), каркаса, футеровки (тигля), токо-и водоподводящих устройств и опрокидывающего механизма.

 

Индуктор печи представляет спираль, согнутую из медной круглой или овальной трубки, внутри которой циркулирует охлаждающая вода. Индуктор обычно делается в виде однослойной катушки, хотя в некоторых случаях он может иметь и несколько слоев. Толщина стенок трубки индуктора обычно в 1,5— 2,0 раза больше глубины проникновения тока ib медь, определяемой по расчету, схема которого дана в гл. 9.

 

Витки индуктора наматываются с зазором 2—4 мм и крепятся медными болтами к текстолитовой стойке. С помощью этих стоек индуктор укрепляется в каркасе печи.

 

Каркас печи имеет цилиндрическую или прямоугольную форму и изготовляется из асбоцементных плит, связанных металлическими уголками из немагнитных сплавов.

 

Футеровка выполняется из огнеупорных материалов, выбираемых в зависимости от температуры плавления и свойств получаемого металла или сплава. Применяется кварцитовая, магнезитовая, вьисокоглиноземистая, циркониевая и графитовая футеровка. Футеровка чаще всего производится набивкой соответствующей огнеупорной массы в шаблон из листового железа, имеющий форму тигля. Набитый тигель сушат и обжигают, включая индуктор. Вследствие высокой электропроводности цветных металлов и сплавов электрический к. п. д. печей при прямом -нагреве металлов индуктируемым током оказывается невысоким. Поэтому в ряде случаев цветные и благородные металлы плавят в графитовом тигле, который разогревается индуктируемым током и передает тепло металлу от стенок. Общий к. п. д. печей при этом возрастает, несмотря на некоторое понижение их теплового к. п. д.

 

Как видно из приведенного о-писания, конструкция индукционных печей без железного сердечника чрезвычайно проста. Более сложным и дорогим является их электрооборудование, схема и состав которого были описаны в гл. 9.

 

Для защиты сплавов от окисления и насыщения газами и получения качественных отливок индукционные печи без сердечника могут помещаться в герметические кожухи, в которых поддерживается глубокий вакуум (до 0,1 мм рт. ст.). Отдельные части этого кожуха охлаждаются водой для защиты от излучения из печи (рис. 275). В том же кожухе вместе с печью помещается и изложница, в которую готовый расплав переливается при соответствующем наклоне всей установки. После затвердевания отливок открывают крышки герметической камеры и про изводят новую загрузку. В настоящее время индукционные печи без сердечника строят емкостью до 18 т при мощности до 4400 кет.

 

Для плавки относительно легкоплавких металлов и сплавов алюминия и магния применяются электрические печи сопро тивления.

 

На рис. 276 показана тигельная электрическая печь сопро тивления, применяемая в небольших литейных для плавки алюминиевых и магниевых сплавов. Эта печь состоит из чугунногс тигля, помещенного в камеру с нихромовыми нагревателями, размещенными на полках шамотной футеровки камеры. Тигель закрывается сверху крышкой, через отверстие в которой про

 

пускается термопара. Температура на нагревателях достигает 850—1000°. Емкость таких печей 25—150 сг, расход энергии 650—850 квт-чт. Угар металлов не превышает 2%.

 

На рис. 277 приведена ванная электрическая печь сопротивления для плавки алюминия типа САН (сопротивления, алюминиевая, наклоняющаяся). Печь состоит из ванны, по торцам которой имеются две камеры для загрузки слитков алюминия. На своде печи располагаются нихромовые нагреватели, расположенные в пазах сводовых кирпичей. Печь футерована шамотным кирпичом. Слитки алюминия загружаются через два окна,

 

расположенные на торцах печи. Слитки расплавляются на поду камер плавления, расположенных значительно выше ванны печи. Расплавленный алюминий стекает в ванну-сборник, рас-

 

положенную посередине печи. Металл разливают через сливной желоб при наклоне печи с помощью моторного привода. Характеристика печей типа САН дана в табл. 67.

 

Для плавки относительно тугоплавких цветных металлов и сплавов — никеля, кобальта и меди применяются дуговые печи.

 

Для плавки меди, бронзы, катодного никеля и других цветных металлов часто применяются барабанные печи с независимой дугой типа ДМ (дуговая, медная). Печь (рис. 278) представляет собой горизонтально расположенный футерованный огнеупорами барабан, вращающийся на четырех опорных роликах. По оси барабана расположены два графитовых электрода, между концами которых горит дуга. Металл загружается в печь через отверстие в барабане, служащее одновременно и для разливки жидкого металла. После расплавления части металла включается механизм качания печи, который периодически поворачивает барабан на определенный угол в обе стороны. Для медных сплавов печи ДМ футеруются шамотом, для никелевых сплавов — магнезитом. Заполнение печи металлом должно быть таким, чтобы поверхность ванны отстояла от электродов на расстоянии не менее 75—100 мм. Графитовые электроды зажимаются в бронзовые литые электрододержате-ли, охлаждаемые водой. Электрододержатели установлены, в направляющих, вдоль которых они перемещаются вручную или с помощью электромотора, управляемого автоматическим регулятором горения дуги. Характеристика печей ДМ дана в табл. 68.

 

В крупных литейных и рафинировочных цехах для плавки катодной меди и выплавки никеля из закиси применяются трех-электродные круглые поворотные дуговые печи с зависимой дугой большой мощности.\

 

Металлы и сплавы нагревают перед их прокаткой, прессованием, волочением, ковкой и штамповкой с целью повышения пластичности и ковкости и облегчения процессов механической обработки.

 

Нагрев металлов и сплавов производится также с целью термической обработки готовых изделий, позволяющей получить требуемую кристаллическую структуру, снять наклеп, улучшить качество поверхности и т. п. Нагрев металлов является Еесьма важным переделом на всех машиностроительньих и обрабатывающих металлы заводах.

 

Нагрев цветных металлов и сплавов имеет свои особенности, отличающие его от нагрева черных металлов и сплавов. Большинство цветных металлов и их сплавов имеет весьма высокие коэффициенты температуропроводности а, м2час: алюминий — 328, медь — 412, латунь — 95, никель — 50, значительно превышающие коэффициент температуропроводности стали, равный з среднем 45. При ограниченной толщине и вследствие высокого коэффициента температуропроводности слитков и изделий из цветных металлов они в подавляющем большинстве могут быть отнесены к категории тонких изделий, для которых можно пренебрегать перепадами температуры по толщине нагреваемого изделия. Вследствие этого нагрев большинства цветных металлов и сплавов может вестись значительно быстрее, чем чердак металлов, без опасения возникновения внутренних напряжений и деформаций в результате разности температуры поверхности и середины изделия.

 

 Допуская более быстрый нагрев, цветные металлы и сплавы предъявляют весьма жесткие требования к особой точности регулирования температуры их нагрева и газовой атмосферы

 

турного режима не более чем на 5—10°. При нагреве латуни должно исключаться соприкосновение с острым пламенем и местные перегревы слитков и изделий, вызывающие выгорание цинка. При нагреве меди следует остерегаться насыщения ее водородом, вызывающим «водородную болезнь» меди, в результате которой появляется пузырчатость изделий. Вследствие особой чувствительности цветных металлов и сплавов к колебаниям температуры и к составу газовой атмосферы печей должна быть обеспечена точность регулирования температуры в печи и (возможность создания защитной атмосферы рабочего пространства.

 

Максимальная температура нагрева цветных металлов и сплавов обьгчно не превышает 800—900°, что значительно уступает максимальной температуре нагрева черных металлов, достигающей 1100—1280°. Эта особенность позволяет для нагрева цветных металлов широко применять электрические печи сопротивления с металлическими нагревателями, обеспечивающие высокую точность регулирования температуры и легко регулируемую газовую атмосферу рабочего пространства.

 

Для нагрева цветных металлов и сплавов применяются следующие разновидности нагревательных печей: 1) методические,

 

2) камерные, 3) печи-ванны