Лабораторные исследования

Лабораторные исследования позволяют наметить и некоторые конструктивные решения, которые подлежат дальнейшей проверке в полупромышленном масштабе. На рис. 287 приведена огневая модель электропечи мощностью 20—25 кет, позволяющей в малом масштабе воспроизводить все основные процессы электроплавки руд и шлаков. Для шахтных печей в лаборатории изучаются физико-химические превращения шихтовых материалов, выявляются оптимальные условия и скорость протекания процессов окисления, восстановления и диссоциации, определяется состав и свойства .исходных материалов и продуктов плавки. При исследовании го-! рения кускового топлива в слое могут быть определены различные свойства топлива, изучено распределение температуры в очаге горения, состав газовой фазы и общие закономерности горения в слое. На моделях хорошо изучается движение газов и материалов в шахте и в фурменной области, выявляются условия ; нормального оседания столба шихты, распределения газовых noil токов, определяется зависимость показателей движения шихты и газов от свойств материалов, параметров газовых потоков, профиля печи, конструкции загрузочных устройств и конструк- ции фурм. На огневых моделях шахтных печей могут быть также ( исследованы некоторые вопросы тепловой работы печей. [ В лабораторных условиях можно исследовать физико-химиче-рские процессы переработки штейнов и сплавов в конвертерах — термодинамику и кинетику важнейших реакций, состав и свойства исходных материалов и продуктов плавки. При изучении движения воздуха и газов в конвертерах на моделях определяют закономерности истечения воздушно-газовой струи, распределение воздуха в ванне, наилучшие способы подвода дутья и конструкции фурм, движение газов и расплавов и т. п. На моделях также хорошо поддаются исследованию движение твердых и жидких материалов и продуктов и выбросы массы из конвертеров. Изучаются теплофизические свойства материалов и продуктов, тепловое поле в ванне и кладке в зависимости от дутьевого режима и состава штейна. С помощью моделей могут определяться в первом приближении конструктивные улучшения и новые конструкции конвертеров. На рис. 288 приведена схема укрупненного лабораторного огневого стенда для исследования работы конвертеров емкостью 1 т штейна, сооруженного на Балхашском заводе по проекту лаборатории печей Ленинградского горного института. Результаты лабораторных исследований, полученные на моделях и стендах, могут переноситься на заводские печи посредством следующих трех основных приемов: 1. Условия эксперимента в лаборатории тождественны условиям работы заводских печей или их отдельных участков., В этом случае результаты лабораторных экспериментов переносятся на заводские печи вабсолютном значении. 2. Условия эксперимента в лаборатории соответствуют требб« ваниям приближенного подобия, предусматриваемым современной теорией подобия и моделирования. В этом случае результаты переносятся на заводские печи по правилам теории подобия обычно с помощью критериальных уравнений. 3. При отсутствии разработанных условий приближенного подобия для того или иного процесса или невозможности полного соблюдения этих условий можно, соблюдая геометрическое подобие модели и образца, проводить один и тот же эксперимент в моделях различного масштаба. Если при этом выявится независимость той или иной относительной закономерности явления от масштаба модели, то такую закономерность можно распро: странить на заводские печи. Обычно этим приемом можно устанавливать качественные характеристики. Как видно из вышеизложенного, лабораторные исследования дают возможность изучить и осветить довольно широкий круг вопросов по работе, режиму и конструкции печей. В результат те лабораторных исследований появляется возможность ориентировать последующие этапы исследований по вполне определенным направлениям и значительно сузить и ограничить их объемы и сроки выполнения. Вместе с тем нельзя и переоценивать возможности лабораторных исследований, так как результаты их становятся окончательно достоверными только после проверки в полупромышленных или промышленных условиях. Кроме того, многие конструктивные детали печей невозможно надежно изучить и .испытать в лабораторных условиях. Полупромышленные исследования проводятся на основании результатов лабораторных исследований, обычно по одному из наиболее эффективных вариантов, выявленных в предыдущем этапе. Полупромышленные исследования имеют своей целью проверку всех выводов, сделанных в стадии лабораторного исследования, и дальнейшее более основательное изучение режима работы и конструкции печного агрегата и его отдельных деталей. В конечном итоге полупромышленное испытание должно дать все необходимые данные для разработки режима и конструкции опытного образца промышленной печи. Полупромышленное исследование проводится на специальных опытных установках, в цехах или даже на заводах, оборудованных опытными печными агрегатами. Опытные печи сооружаются по типу и конструкции промышленных печей, но в отличие от них имеют уменьшенные размеры, мощность и производительность и обладают возможностью вариации различных режимов работы и быстрой и легкой замены отдельных деталей. Из практики строительства и эксплуатации опытных печей цветной металлургии можно привести следующие их характеристики. Опытные печи для обжига в кипящем слое имеют площадь пода 3—7 м2 и производительность 10—40 тсутки. Опытные барабанные печи име ют внутренний диаметр 0,6—1,5 ж, длину 8—15 м и производительность 5—20 тсутки. Опытные отражательные печи строятся с площадью пода 20—40 м2 и производительностью 40—200 тсут-ки. Опытные электрические печи для плавки руд и шлаков имеют площадь пода 10—20 м2 и мощность трансформатора 1000— 3000 ква. Опытные шахтные печи имеют площадь сечения на уров не фурм 2—7 м2 и производительность 60—300 тсутки. Опытные конвертеры целесообразно строить емкостью не менее 10—15 т штейна при размерах бочки: диаметре 1—2 м и длине 2—3 м. Опытные печи располагаются в действующих цехах металлургиче-) ских заводов или в специально построенном опытном металлургическом цехе или на опытном заводе. Опытные печи должны располагаться на большой свободной площади цеха, позволяющей организовать обслуживание печей, всевозможные вариации режима их работы, тщательные и постоянные измерения и наблюдения, а также переделывать и реконструировать сами печи и все обслуживающие их устройства. Транспортная система опытных печей должна обеспечивать бесперебойное, многовариантное их снабжение шихтой и уборкой продуктов переработки. Опытные печи должны иметь самостоятельные мощные воздуходувные установки, кислородные станции с компрессорами для сжатия и подачи кислорода, трансформаторные подстанции, насосные установки и т. п.

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