Оборудование опытных печей

Особенно важное значение имеет оборудование опытных печей контрольно-измерительной аппаратурой, которая должна обеспечивать точное и надежное измерение всех параметров работы печей. Здесь кроме стандартных приборов, выпускаемых приборостроительной промышленностью, большое значение име- ет нестандартное оборудование и специальные приспособления I и устройства, позволяющие вести исследование и измерение во внутренней полости печей, в расплавленных агрессивных средах, в загазованной и запыленной атмосфере и т. п. Нестандартное оборудование и специальные измерительные приспособления должны проектироваться параллельно с самими опытными печами, в которых должны предусматриваться специальные отверг стия, площадки, подвески для ввода и установки измерительных устройств. Рассмотрим несколько примеров нестандартного оборудования и специальных измерительных устройств, применяемых пря полупромышленных и промышленных исследованиях печей цветной металлургии. На рис. 289 показано устройство комбиниро- ванного водоохлаждаемого зонда, с помощью которого можно измерять температуру и отбирать пробу газа для анализа из ра- бочего пространства металлургических печей. На рис. 290 показаны варианты введения этого зонда в рабочее пространство шахтных печей через боковую стенку и сверху через колошник. На рис. 291 приведена аппаратурная схема, позволяющая определять характеристику газовых потоков в рабочем пространстве печей и газоходах. Схема содержит приборы для определения скорости движения, температуры и запыленности газов. Термопара, трубка для отбора пыли и пневмометрическая трубка в зависимости от температуры в печи или газоходе и от характера вода пыли и брызг изготовляются в кожухах с водяным охлаждением или без них. На рис. 292 показана водоохлаждаемая труба, применяемая для определения запыленности и отбора газовых проб в зонах высоких температур. На рис. 293 дана схема установки для измерения расхода и давления воздуха на отдельных фурмах на конвертерах и шахтных печах, осуществляемого при помощи малых пневмометрических трубок, устанавливаемых на каждом фурменном рукаве. Кроме приведенных устройств для исследований печей применяются водоохлаждаемые зонды для отбора проб материалов из рабочего пространства (рис. 294), тепломеры для измерения тепловых потоков в рабочем пространстве, щупы для измерения электрических и тепловых полей заводских электропечей и многие другие нестандартные устройства и приспособления. В результате полупромышленных испытаний опытных печей должны быть получены подробные характеристики и показатели протекания в этих печах технологического процесса, про- цессов движения, газов и материалов, процесса теплообмена иг энергетических процессов—горения топлива или преобразования электрической энергии в тепловую. Также должны быть выявлены недостатки конструкций печей и пути ее улучшения. Полупромышленные испытания следует завершать снятием подробного материального и теплового баланса опытной установки на выбранном и рекомендуемом для внедрения оптимальном режиме. Только при наличии этих балансов, связанных не по разности и не по расчету, а по фактическим замерам всех статей прихода и расхода, можно быть уверенным в достаточной достоверности технических показателей опытных печей. В заключение необходимо особо отметить, что успех полупромышленных испытаний в значительной степени определяется качеством проекта опытной установки. Проект опытных печей— весьма сложное и ответственное дело, так как в нем с большим знанием дела должны быть предусмотрены всевозможные варианты режимов работы печей и их легкая перестройка и ремонты. Промышленные исследования новых типов печей имеют целью окончательную проверку и доработку режима и конструкции созданной печи для широкого (серийного) ее строительства на металлургических заводах. Промышленные исследования действующих заводских печей имеют задачу — найти средства и методы для коренного улучшения работы печей и значительной их интенсификации. Промышленные исследования проводятся только на действующих металлургических заводах, на одной из работающих заводских печей или на специально построенном промышленном образце печи нового типа. Для качественного промышленного исследования выделенная для испытания заводская печь оборудуется по заранее продуманной схеме большим числом всевозможных контрольно-измерительных приборов, специальных приспособлений и установок, позволяющих осуществлять всесторонний непрерывный контроль за всеми параметрами основных процессов, протекающих в печи. Для исследуемой печи должен быть обеспечен точный весовой учет всех твердых и жидких материалов и продуктов переработки и учет расхода топлива, воздуха, кислорода, воды и электроэнергии. Должны быть установлены приборы, позволяющие измерять количество отходящих газов их состав и запыленность, температуру и давление в различных зонах печи. Для электрических печей обязательно измерение мощности, силы тока и напряжения. Особенно тщательно должно быть продумано и подготовлено обследование внутренней рабочей полости печи, для чего изготовляют специальное нестандартное оборудование и приспособления, подобные тем, которые были описаны для полупромышленных исследований. Вся контрольно-измерительная аппаратура и приспособления группируются и размещаются на нескольких контрольных постах около исследуемой печи. Необходимо удобное размещение аппаратуры и приспособлений и свободное и легкое производство всех измерений и наблюдений. Для этого часто около печи сооружают дополнительные площадки и будки, устанавливают около них подъемные приспособления и механизмы, делают дополнительную подводку воды, воздуха, электроэнергии и т. п. После окончания монтажа всех контрольно-измерительных приборов они должны пройти стадию пробной проверочной эксплуатации, имеющей целью проверить приборы, отработать методику измерений и выявить погрешности. Только после такой тщательной и всесторонней подготовки можно чбыть уверенным в успехе промышленного исследования., В период проведения промышленного исследования заводская печь переводится на различные специальные режимы работы, предусмотренные программой исследования, как-то: особые составы шихты, новые режимы дутья, новые тепловые и энергетические режимы и т. п. Подобно полупромышленному исследованию промышленное исследование охватывает также все стороны работы печей — технологию, движение газов и материалов, теплообмен, горение топлива и преобразование электроэнергии. Особенно тщательно исследуется конструкция печей и ее детали и определяется их надежность и рациональность. Промышленное исследование обязательно завершается снятием развернутых материального и теплового баланса печи. В результате заводского исследования для новых типов печей даются окончательные технические и экономические показатели их работы и выявляются необходимые изменения в кон- струкции и режиме, подлежащие внесению в печи серийной постройки. Для действующих печей даются рекомендации по улучшению режима их работы и конструкции отдельных деталей. Таким образом, промышленное исследование является последней, завершающей стадией, на основе которой получаются окончательные выводы, подлежащие широкому распространению и внедрению в промышленность.Для ускорения исследовательских работ и сокращения сроков их выполнения иногда практикуют частичное совмещение во времени перечисленных выше трех основных стадий, для чего исследования проводятся параллельно. Например, частично совмещаются во времени лабораторные и полупромышленные или полупромышленные и промышленные исследования.

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