Выбор частоты тока для питания индукционных тигельных печей
Использование тока промышленной частоты для питания индукционных тигельных плавильных печей представляется на первый взгляд наиболее рациональным с точки зрения экономии средств, так как не требует затрат, связанных с приобретением преобразователя частоты и с потерями энергии при его работе. Однако при решении электротехнических задач имеются ограничения по использованию тока промышленной частоты для индукционных тигельных печей. Кроме того, использование токов повышенной частоты позволяет улучшить показатели плавки и, в частности, увеличить ее производительность, уменьшить угар металла.
Для уяснения связи свойств садки тигля и необходимой частоты питающего тока воспользуемся выводами теории индукционного нагрева и четырьмя формулами, которые будут приведены без вывода.
В течение продолжительного периода плавки (от расплавления шихты и до выпуска металла) садка тигля представляет собой сплошное металлическое тело, близкое по форме к цилиндру. В теории индукционного нагрева показано, что толщина поверхностного слоя Дэ, в котором циркулируют вихревые токи, зависит от удельного электрического сопротивления металла р, его относительной магнитной проницаемости |ыг и частоты тока/ Эта величина, называемая глубиной проникновения тока, определяется по формуле
А, =503^, (Ш)
где размерности величин Аэ — м; р — Омм;/— Гц. Из формулы следует, что с увеличением частоты тока глубина проникновения уменьшается. Расплавы с низким электрическим сопротивлением (на основе меди и алюминия) характеризуются меньшей глубиной проникновения тока, чем чугуны и стали. Важно отметить, что при нагреве магнитных сталей и чугунов глубина проникновения тока в них увеличивается примерно в 10 раз при переходе через точку Кюри (730...760°С в зависимости от марки сплава). Это объясняется тем, что относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков |ыг при этом уменьшается от 100 до 1.
Расчеты, подтвержденные практикой, показывают, что для получения удовлетворительного КПД индукционного нагрева диаметр нагреваемого цилиндра должен превышать глубину проникновения не менее чем в 4—5 раз, т.е.
dn>( 4...5)ДЭ. (12.2)
Принято считать, что в этом случае система индуктор—садка работает в области ярко выраженного поверхностного эффекта, т. е. в нагреваемом теле существуют поверхностный токонесущий слой и сердцевина, величиной тока в которой можно пренебречь.
Цилиндр меньшего диаметра, помещенный в индуктор, оказывается «прозрачным» для электромагнитных волн, т.е., проходя через него, они не вызывают существенного нагрева. Это явление используется в конструкции сердечников трансформаторов, которые в отличие от шихты не должны разогреваться. Поэтому сердечники выполняются не сплошными, а сборными из пластин, толщина которых много меньше глубины проникновения тока. Пластины сердечников электрически изолируются одна от другой лаком или путем их фосфатации.
Пользуясь соотношениями (12.1) и (12.2), определим минимальный диаметр тигля чугуноплавильной печи, работающей на токе промышленной частоты — 50 Гц. Для этого в формулу (12.1) подставим значения электромагнитных характеристик жидкого чугуна* Рж.ч = 1Д-И)"6 Омм; относительную магнитную проницаемость |ыг = 1; частоту тока/= 50 Гц. При этом глубина проникновения Дэ оказывается равной 0,081 м, или 81 мм.
Следовательно, минимальный диаметр тигля индукционной печи промышленной частоты согласно (12.2) должен быть: dn > > (4... 5) • 81 = 324...405 мм. Выполнение этого условия обеспечивает возможность перегрева жидкого металла в печи с минимальным приемлемым КПД.
На практике индукционные печи промышленной частоты имеют диаметр тигля не менее 500 мм и емкость не менее 1 т.
Однако пуск такой печи на обычной твердой завалке практически невозможен, так как размеры кусков шихты, используемой в чугунолитейном производстве, значительно меньше 324...400 мм. Нагрев реальной шихты на токе промышленной частоты возможен (и весьма эффективен, как будет показано далее) только до температуры точки Кюри. Вследствие этого плавку в печах промышленной частоты ведут с использованием переходной ванны (плавка с «болотом»). Для этого при выпуске предыдущей плавки в тигле оставляют так называемое «болото» — не менее 1/3 объема жидкого металла, и при проведении следующей плавки тепло, выделяющееся в «болоте», передается твердой шихте, которая при загрузке в печь оказывается погруженной в жидкий металл.
Технология плавки чугуна в печах промышленной частоты с «болотом» требует обязательного удаления с поверхности кусков шихты влаги, масел и эмульсии во избежание выбросов жидкого металла при загрузке. Для этого шихту подогревают газом до температур порядка 500 °С в специальных нагревательных бадьях.
Первая плавка на холодной печи при отсутствии жидкого металла в цехе проводится с использованием пусковых болванок. Они представляют собой слитки, диаметр которых близок к диаметру тигля и, следовательно, удовлетворяет условию эффективного индукционного нагрева.
В настоящее время существуют чугуноплавильные индукционные печи промышленной частоты емкостью от 1 до 60 т, имеющие в российских каталогах буквенный индекс ИЧТ (индукционная чугуноплавильная тигельная печь). Числа, указанные после данного индекса, означают емкость тигля в тоннах и через косую черту мощность печи в мегаваттах, например ИЧТ-31/7,1.
Если по условиям производства плавку чугуна в индукционных тигельных печах необходимо вести на твердой завалке без переходной ванны, частота тока для этих печей должна соответствовать размерам кусков используемой шихты. При этом считается, что размер каждого куска должен удовлетворять условию уравнения (12.2).
Компонентом шихты, обязательным для переплава в литейном цехе, является литник и, в частности, его стояк. Диаметр стояка в условиях автомобильного литья можно принять ориентировочно равным 40 мм. Тогда глубина проникновения тока, согласно условию (12.2), должна составлять величину порядка 10 мм, т.е. 0,01 м.
Решая уравнение (12.1) относительно/и подставив в него Аэ = = 0,01 м, получим, что частота тока должна быть порядка 2400 Гц. Именно на такой частоте работают печи емкостью 60...400 кг для плавки стали и чугуна.
Расчеты, проведенные Г.И.Бабатом, показывают, что при постоянной величине тока в индукторе наибольшая удельная мощность (т. е. мощность, отнесенная к единице объема металла) выделяется в кусках, имеющих форму цилиндра, диаметр которого равен 3,5АЭ. Для кусков шихты в форме пластин максимальная удельная мощность соответствует условию: толщина пластин 5 = 2,5АЭ, для шара его диаметр d = 4,8АЭ.
Поэтому оптимальной шихтой для плавки на частоте 2400 Гц будут цилиндрические куски диаметром 35 мм, пластины толщиной 25 мм или шаровидные куски диаметром 50 мм.
Печи емкостью 1 т чугуна или стали работают на частоте 1000 Гц. Снижение частоты по сравнению с расчетной оказывается возможным благодаря тому, что в тиглях такой емкости куски шихты нагреваются не только каждый в отдельности под действием индуцированных в них токов, но и в результате переходных контактов между кусками. Наличие этих контактов приводит к образованию больших по сечению замкнутых электрических контуров, по которым циркулируют индуктивные токи.
Легированные чугуны для отливок выплавляются в сравнительно небольших количествах, поэтому для их плавки используют сред- нечастотные печи серии ИСТ (индукционные сталеплавильные тигельные).
Электромагнитное перемешивание металла в тигле
Взаимодействие тока в индукторе с током, индуцированным в поверхностном слое жидкого металла в тигле, приводит к возникновению электродинамических сил F, действующих на жидкий металл и направленных к оси тигля (рис. 12.3).
Под действием электродинамических сил /'возникает двухкон- турная циркуляция металла, интенсивность которой можно визуально оценить по высоте выпуклого мениска Нт на свободной поверхности ванны металла.
Выводы теории индукционного нагрева, подтверждаемые практикой, показывают, что высота мениска прямо пропорциональна удельной мощности, передаваемой в садку, и обратно пропорциональна корню квадратному из частоты тока:
Рис. 12.3. Схема электродинамической циркуляции металла в тигле индукционной печи
|
Нт=к(12.3)
где Нт — высота мениска; к — коэффициент пропорциональности; Рул — Удельная мощность, передаваемая в садку; / — частота тока.
В результате электромагнитного перемешивания происходит выравнивание температуры и химического состава металла в объеме ванны. Быстрее проходят процессы растворения легирующих элементов и науглероживания. Однако чрезмерная интенсивность перемешивания приводит к нарушению сплошности шлакового покрова, так как шлак стекает к стенкам тигля. В результате этого увеличивается угар металла, усиливается растворение в нем газов и, кроме того, возможны газометаллические выбросы.
На практике допустимая интенсивность перемешивания металла в печах промышленной частоты обеспечивается при величине удельной мощности, не превышающей 230... 300 кВт/т. Скорость движения металла в этом случае достигает 2,5 м/с в центре и 4 м/с у стенки тигля. Учитывая, что расход энергии на плавку чугуна в крупных электропечах составляет около 500 кВт-ч/т, производительность ИЧТ промышленной частоты не превосходит половины ее емкости в час.
Из формулы (12.3) следует, что увеличение частоты тока в индукторе позволяет увеличивать удельную мощность печи и ее производительность.
12.4. Основные элементы конструкции печей промышленной частоты
Каркас индукционной тигельной печи 5 (рис. 12.4) может поворачиваться вокруг оси 1 для слива металла под действием гидравлических цилиндров. Индуктор 3 опирается на магнитопрово- ды 4, представляющие собой пакеты трансформаторной стали. Маг- нитопроводы служат для замыкания внешнего магнитного поля индуктора и позволяют, таким образом, избежать нагрева металлоконструкций, расположенных рядом с индуктором. Кроме того, они обеспечивают жесткость индуктору. Набивной из спекаемых огнеупорных масс тигель 7 закрывается крышкой 2. Подводы воды и тока к индуктору осуществляются гибкими водоохлаждаемыми кабелями и шлангами 6. При замерах температуры, отборе проб и вводе присадок плавильщик находится на рабочей площадке печи 8.
Индуктор печи промышленной частоты выполняется из медной неравностенной трубки (рис. 12.5), утолщенная часть которой обращена к оси индуктора.
Охлаждение индуктора обычно секционное. Каждая секция имеет свой вход и выход охлаждающей воды. Это обеспечивает необходимую пропускную способность при небольшом давлении охлаждающей воды.
|
| ленной частоты |
Рис. 12.4. Общий вид индукци- Рис. 12.5. Сечение неравностенных онной тигельной печи промыш- трубок для индукторов печей про-
|
мышленной частоты (размер А = = 16...36 мм)
Изготовление футеровки печи
Футеровка индукционной тигельной печи работает в исключительно напряженных условиях. Она испытывает многократные изменения температуры при плавке и холодных простоях печи, удары шихты при загрузке, химическое воздействие со стороны металла и шлака, ферростатическое давление и размывающее действие металла, который интенсивно перемешивается в печи под действием электромагнитных сил. Перепад температур по толщине стенок футеровки достигает 1000 °С (1400... 1600 °С в слое, контактирующем с расплавом, и около 500 °С в слое, прилегающем к водоохлаждаемому индуктору). Толщина футеровки должна быть минимальной для уменьшения реактивной мощности печи.
Для изготовления тигля печи применяются футеровочные массы. Наибольшее распространение для плавки чугуна получили кислые футеровочные массы на основе кварцитов. Кварцит — это горная порода, состоящая из частиц Si02 размером зерен от 4... 5 мм до пылевидной фракции. Для создания футеровки индукционных тигельных печей природные кварциты высушивают, рассеивают на фракции и затем смешивают таким образом, чтобы получить оптимальную плотность упаковки при уплотнении. Гранулометрический состав футеровочных масс оказывает существенное влияние на стойкость футеровки. При использовании мелких фракций получают хорошее спекание и плотную футеровку, хорошо противостоящую воздействию металла и шлака. Но при этом толщина сыпучего наружного слоя футеровки быстро уменьшается, и увеличивается опасность образования сквозных трещин. При большом количестве крупных фракций плотность футеровки ниже, но сыпучий наружный слой сохраняется дольше. Для футеровки наиболее распространенных на заводах СНГ 30-тонных тигельных печей используется кварцит следующей крупности, %:
Зерна более 2 мм...................... 8... 14
В том числе:
более 3,2 мм.......................... До 5
Зерна 0,5...2 мм........................ 37...44
Зерна менее 0,5 мм................... 46...51
В том числе:
менее 0,1 мм.......................... 27...32
Связующим веществом при спекании является порошкообразный гидроксид бора В(ОН)3 (тривиальное название — борная кислота) в количестве около 1 %. Влажность футеровочной массы не должна превышать 0,3 %.
Стенки печей емкостью до 25 т футеруют целиком набивнымй массами, в печах большей емкости прилегающий к индуктору слой выполняют из огнеупорного кирпича, а остальную часть стеноК тигля — из набивной массы.
Основание подины выполняется из фасонных шамотных кирпичей с плотной подгонкой по стыкам. Затем на внутреннюю поверхность индуктора наносят слой кварцитовой обмазки толщиной 10 мм, который после высыхания оклеивают листами теплоизоляционного материала. Уплотнение футеровочной массы производят слоями 70...300 мм. После уплотнения подины на нее устанавливают металлический шаблон и в зазор между шаблоном и обмазкой индуктора засыпают огнеупорную массу. После уплотнения трамбовкой первого слоя его поверхность разрыхляют, засыпают и уплотняют новую порцию огнеупорной массы. Для получения высококачественной набивки высота шаблона не должна превышать 600 мм, поэтому для печей большой емкости шаблон тигля состоит из нескольких частей, устанавливаемых одна на другую последовательно по мере набивки тигля.
Верхняя часть тигля («воротник») выполняется из фасонного кирпича и огнеупорных паст.
Спекание футеровки осуществляют путем разогрева литого шаблона вихревыми токами при включении печи по определенному режиму, указанному в инструкции по эксплуатации печи. В конце спекания шаблон и загруженная шихта расплавляются.
В результате спекания в стенке набивного кварцитового тигля образуются три зоны: сыпучий буферный слой 5, переходный слой 6, в котором масса неполностью спечена, и рабочий спек-
3 4 5 6 7
Рис. 12.6. Схематичный разрез футеровки индукционной тигельной печи: 1 — межвитковая изоляционная пластина; 2 — трубка индуктора; 3 — обмазка индуктора; 4 — термоизоляционный картон; 5 — сыпучий буферный слой; 6 — переходный неполностью спекшийся слой; 7 — рабочий спекшийся слой
|
шийся слой 7 (рис. 12.6). Если в процессе плавки образуется трещина в жестком рабочем слое и в полуспекшемся слое, то струйка металла застывает, проникнув до сыпучего буферного слоя. Это позволяет довести плавку до конца и избежать аварии. Стойкость кварцитовой футеровки составляет обычно 2...3 мес.
Нейтральная футеровка (дистенсиллиманитовая) для ИЧТ содержит около 70 % А1203 и 27 % Si02. В качестве связующего применяют гидроксид бора. При нейтральной футеровке практически исключается пригар кремния, а угар марганца и хрома в 1,5 раза ниже, чем в кислой печи. Нейтральная футеровка имеет большие прочность, термостойкость, огнеупорность, но в связи с высокой стоимостью и дефицитностью она применяется значительно реже кварцитовой.
Технология плавки чугуна в индукционных тигельных печах промышленной частоты
Как уже отмечалось в подразд. 12.2, плавку в тигельных печах промышленной частоты в большинстве случаев ведут с использованием «болота». Однако при наличии кусков шихты толщиной не менее 200 мм и достаточно плотной их укладке в тигле возможно проведение плавки без «болота». Без «болота» переплавляют крупногабаритную шихту без разделки, например вальцы массой более 5 т, диаметром более 700 мм и длиной более 2 м.
Чаще всего плавка без переходной ванны проводится после тепловой выдержки печи в нерабочие дни с использованием пусковых слитков.
Объем «болота» по рекомендациям фирм-изготовителей печей должен быть не менее 1/3 объема тигля. С увеличением объема «болота» от 1/4 до 1/2 объема тигля коэффициент загрузки трансформатора печи и ее производительность растут от 70 до 90 % их номинальных значений. При объеме «болота» 3/4 и более от объема тигля эти показатели достигают 100 %.
Так, например, в литейном цехе серого чугуна АМО «ЗИЛ» после слива 2 т чугуна из полного тигля печи ИЧТ-31/7,5 в транспортный ковш в печь загружают 2 т подогретой шихты. Такой полунепрерывный процесс плавки обеспечивает 100-процентную загрузку трансформатора печи при отсутствии миксера, но только в периоды между сливами металла и вынужденными горячими простоями печи. В нерабочие смены и при вынужденных простоях коэффициент загрузки трансформатора резко падает.
На Ярцевском Центролите из печи ИЧТ-60/20 сливали 12 т чугуна в миксеры и добавляли две бадьи по б т подогретой шихты. При объеме болота — 80 % от объема тигля производительность печи составляла 24 т/ч. Однако загрузка такого количества шихты в болото «снимала» практически весь перегрев ванны, в течение длительного периода жидкий металл в тигле оставался «холодным», что приводило к интенсивному зарастанию тигля шлаком.
Шихтовые материалы и подготовка шихты к плавке — важные составляющие технологии. Технико-экономические расчеты показывают, что себестоимость жидкого чугуна при плавке в индукционных тигельных печах оказывается ниже ваграночного только при использовании в ИЧТ дешевой шихты, состоящей из стального, чугунного лома и самых дешевых из металлоотходов — стружки, высечки и отходов листовой штамповки.
Способ подготовки шихты к плавке с «болотом» зависит от вида шихты и определяется в первую очередь соображениями техники безопасности. На поверхности шихты не должно быть влаги, льда, масел и эмульсии. Поэтому в настоящее время считается, что шихта должна быть нагрета до 500 °С, что обеспечивает удаление всех видов влаги, и, кроме того, при этой температуре гарантированно воспламеняются и сгорают масла.
Кроме устранения выбросов металла подогрев шихты позволяет сократить расход электроэнергии на плавку и увеличить производительность печи. Подогрев кусковой шихты осуществляется в специальных нагревательных бадьях с газовыми горелками.
Наиболее трудной задачей является подготовка к плавке стружки, которая на машиностроительных заводах, как правило, загрязнена машинным маслом и охлаждающими эмульсиями. Содержание масел и эмульсии в каждой 1 т стружки составляет примерно 30 кг. Сернистые составляющие масел приводят к растворению серы в металле, а щелочные составляющие эмульсий ускоряют разрушение футеровки. Нагрев стружки в бадьях вместе с кусковой шихтой нерезультативен, так как сыпучая стружка заполняет зазоры между кусками шихты, препятствуя проходу горячих газов. Поэтому стружку вначале отмывают от масел и эмульсии с использованием поверхностно-активных растворов, затем подсушивают в центрифугах и, наконец, нагревают во вращающихся барабанных печах.
Угар элементов при плавке в ИЧТ меньше, чем в рассмотренных выше чугуноплавильных печах (см. табл. 9.8). Это объясняется тем, что куски шихты, загруженные в «болото», тонут в нем, т.е. нагреваются и плавятся вне контакта с окислительной газовой фазой. Частицы стружки также вовлекаются внутрь ванны под действием электромагнитной циркуляции. Сама поверхность ванны защищена от атмосферы цеха шлаковым покровом и крышкой печи.
Науглероживание как процесс является наиболее значимой особенностью плавки в ИЧТ. Науглероживание обеспечивает возможность получения качественных синтетических чугунов При использовании в шихте отходов металлообработки. По интенсивности он уступает только науглероживанию в вагранке. (Напомним, что интенсивности науглероживания в ИЧТ способствует электромагнитное перемешивание металла — см. подразд. 12.3.)
В качестве науглероживателей используются электродный бой, графитовая стружка, коксовая мелочь, угольный гранулят и др. Уменьшение размеров зерен науглероживателя способствует увеличению поверхности контакта науглероживателя с металлом и ускоряет процесс, но при чрезмерно малых размерах частиц науглероживателя увеличивается их унос восходящими потоками воздуха и загрязнение атмосферы на плавильной площадке. Практически установлено, что оптимальным размером частиц науглероживателя является 3... 6 мм. Основную часть науглероживателя задают вместе с шихтой на дно бадьи под слой стального лома. При этом процесс науглероживания идет одновременно с расплавлением, т.е. не увеличивает продолжительности плавки. Однако при загрязненной шихте и большом количестве шлака значительная часть науглероживателя запутывается в шлаке и удаляется вместе с ним, и коэффициент усвоения науглероживателя при этом снижается. Корректировка расплава по углероду проводится по результату химического анализа металла в конце расплавления. При необходимости науг- лероживатель подают на зеркало металла после снятия шлака.
Десульфурация металла в ИЧТ обычно не проводится, так как в шлаке (практически неэлектропроводном по сравнению с жидким металлом) токи не индуцируются, и тепло не выделяется. Нагрев шлака происходит только за счет теплоты металла, поэтому, будучи «холодным», он малоактивный. Получение чугуна с низким содержанием серы возможно лишь при наличии стабильных поставок чистой по сере шихты, а также при его внепеч- ной обработке.
Опыт завода «Водоприбор» показал, однако, что процесс десульфурации чугуна возможен в ИЧТ с высокой удельной мощностью, высокоглиноземистой футеровкой и основным шлаком. При высокой удельной мощности интенсивность перемешивания металла настолько велика, что капли шлака оказываются замешанным в металле. Это приводит к многократному увеличению поверхности взаимодействия шлака с металлом при его высокой температуре.
Доводка металла по температуре равномерная и быстрая: 100 °С за 5... 10 мин.
Удаление шлака из ИЧТ является трудоемкой, трудно механизируемой операцией. Применение печей с двухносковым тиглем, обеспечивающим возможность наклона в сторону, противоположную сливному носку, существенно облегчает процесс удаления шлака.
Раздача металла из ИЧТ требует применения специальных раздаточных печей пониженной мощности (ИЧКМ). Это объясняется тем, что индукционная тигельная печь в принципе не может быть хорошей раздаточной печью. Действительно, важнейшее требование к раздаточной печи — минимум тепловых потерь — реализуется путем увеличения толщины футеровки, а этот путь неприемлем для ИЧТ, так как ведет к недопустимому ухудшению важнейшего электротехнического параметра печи (уменьшению cos ф ниже 0,1).
Переход на новый состав выплавляемого чугуна затруднен наличием «болота».
Тепловая выдержка печи — технологический прием. При остановке печи на нерабочие дни стремятся не допустить охлаждения футеровки, так как при этом ее стойкость снижается.
Тепловая выдержка может быть организована без слива металла. Для этого печь включается на минимальную мощность трансформатора при закрытой крышке тигля, чтобы не допустить перегрева и окисления металла. В этом случае в нерабочие смены в цехе помимо дежурного электрика должен оставаться дежурный плавильщик на случай «ухода металла».
При другом способе тепловой выдержки весь металл сливается из печи. В печь устанавливают пусковой слиток, соответствующий очертаниям нижней части тигля. Сверху на него устанавливают «цилиндр тепловой выдержки», наружные размеры которого соответствуют оставшейся свободной части тигля, а толщина стенок около 100 мм. Температуру тигля доводят до 800... 1000 °С включением трансформатора печи на необходимую мощность. При меньшей температуре снижается стойкость футеровки, а перегрев цилиндра может привести к его свариванию с пусковым слитком и невозможности его повторного использования.
При отсутствии цилиндра тепловой выдержки можно использовать тяжеловесную шихту и, включив печь, поддерживать температуру на уровне 800... 1000°С.
Наконец, для поддержания температуры тигля можно использовать газовую горелку. В последних трех случаях присутствие в цехе плавильщика необязательно.
12.7. Особенности плавки чугуна в индукционных тигельных печах средней частоты
В подразд. 12.2 уже отмечалась возможность проведения плавки в индукционных тигельных печах без использования «болота» при использовании токов повышенной, средней и высокой частоты.
С тонки зрения теории индукционного нагрева эта классификация пеней неверна, так как высокой называется такая настота тока, при которой в нагреваемом теле наблюдается ярко выраженный поверхностный эффект, т.е. существует поверхностный слой нагреваемого тела, в котором циркулируют индуктивные токи, и его сердцевина, значениями тока в которой можно пренебречь в силу их малости. Это условие выражается формулой (12.2).
Понятие высокой частоты зависит от размеров нагреваемого тела. Чем больше тело, тем меньшее значение частоты тока будет для него высоким. Профессор В. П. Вологдин в своих научно-популярных трудах отмечал, что для нагрева металлического шара диаметром с Земной шар высокой была бы частота тока, равная одному периоду в миллион лет.
Таким образом, любая хорошо работающая индукционная тигельная печь, в том числе и печь промышленной частоты, является в этом смысле высокочастотной.
Многочисленные и существенные преимущества плавки, связанные с повышением тока в индукторе ИТП, известны давно. Однако их реализация стала возможной лишь с появлением мощных, надежных и экономичных тиристорных преобразователей частоты.
К достоинствам индукционной тигельной печи средней частоты относится отсутствие «болота» и, как следствие, простота запуска холодной печи после нерабочих смен и перехода на новый химический состав выплавляемого металла, возможность плавки на непросушенной шихте без опасности выбросов металла.
Кроме того, тепловые потери при нагреве холодной шихты в тигле данной печи увеличиваются от нуля до максимума, соответствующего перегреву полного тигля. При плавке с «болотом» тепловые потери определяются температурой расплавленного металла, в который шихта загружается, и поэтому они всегда выше.
Плавка чугуна на твердой завалке позволяет в максимальной степени использовать преимущества индукционного нагрева магнитной шихты. В период нагрева магнитной шихты значение общего КПД печи достигает 95 %. Магнитная шихта является своего рода магнитным сердечником, через который проходит большая часть магнитного потока, создаваемого индуктором. При этом реактивная мощность в зазоре между индуктором и садкой уменьшается. Подгрузка холодной магнитной шихты в тигель по мере проплавления первичной садки также способствует снижению реактивной мощности и увеличению КПД нагрева частично расплавившейся и потерявшей магнитные свойства шихты.
Характеристики среднечастотных печей
|
| Примечание. ИПП — индукционная плавильная печь; ИППМ — то же, с магнитопроводом. Цифры в описании типа печи: первая — емкость тигля, т; вторая — частота тока, кГц. |
Увеличение частоты тока позволяет увеличить удельную мощность печи, не превышая допустимой интенсивности перемешивания металла. Печи, которые принято называть среднечастотны- ми, работают на частоте тока 250... 2400 Гц. Поэтому удельная мощность таких печей согласно формуле (12.3) может быть в 2,6 — 7 раз выше, чем печей промышленной частоты, т.е. достигать 1600 кВт/т чугуна. Соответственно увеличению удельной мощности растет производительность печей и уменьшается продолжительность плавки. В табл. 12.1 представлены важнейшие характеристики среднечас- тотных печей, выпускаемых ЗАО «РЭЛТЕК». Принципиальное отличие конструкции печей типа ИПП от ИППМ состоит в наличии магнитопроводов в последних
Современные системы питания среднечастотных печей позволяют от одного преобразователя частоты питать несколько печей с переменным распределением мощности между ними. При этом в одной или нескольких печах ведут расплавление металла на максимальной мощности; перегрев и доводку по химическому составу в режиме максимальной интенсивности перемешивания ведут в следующей печи, а раздачу металла при минимальной подводимой мощности — в печи, в которой плавка была завершена ранее других. Концепция разделения мощности позволяет поднять коэффициент использования мощности источника питания практически до 100 % и отказаться от использования специализированных раздаточных печей пониженной мощности.
Индукционные канальные печи в чугунолитейном производстве
Схема и принцип действия. Индукционные канальные печи в чугунолитейном производстве используются в качестве миксеров, плавильных печей и заливочных устройств.
Важнейшая конструктивная часть индукционной канальной Печи — индукционная канальная единица, представляет собой трансформатор с железным сердечником (рис. 12.7). Поэтому с электротехнической точки зрения канальная печь является более совершенным агрегатом, чем тигельная — аналог воздушного трансформатора. Индуктор 1 из медной шинки, расположенный вокруг стержня магнитопровода 4, является первичной обмоткой трансформатора. Жидкий металл в подковообразном канале 3 представляет собой единственный виток вторичной обмотки трансформатора. Поскольку этот виток коротко замкнут металлом ванны 2, вторичная обмотка. является одновременно и нагрузкой трансформатора, в которой выделяется теплота. Теплота, выделяющаяся в канале, передается в ванну печи.
Рис. 12.7. Схема индукционной канальной единицы: 1 — индуктор; 2 — металл в ванне; 3 — металл в канале; 4 — магнитопровод
|
В связи с тем, что электромагнитная связь между первичной и вторичной обмотками осуществляется с помощью магнитопровода, величина магнитного потока рассеяния невелика и cos ср« 0,9. В результате этого потребность в конденсаторах для индукционных чугуноплавильных канальных печей во много раз меньше, чем для тигельных печей.
Современные индукционные канальные единицы имеют специально разработанную форму канала, которая обеспечивает интенсивную одностороннюю циркуляцию в нем металла. Это обеспечивает отсутствие опасного для футеровки перегрева металла в канале даже при мощности канальной единицы 3000 кВт.
Кроме того, отработана технология замены индукционной канальной единицы без полного слива металла из печи. Это позволяет использовать канальные печи не только в качестве миксеров
|
Рис. 12.8. Индукционный канальный миксер шахтного типа: 1 — гидроцилиндры; 2 — сифонный желоб; 3 — съемная крышка; 4 — окно; 5 — крышка окна; 6— полость канала; 7— индуктор; 8— магнитопровод; 9, 77 — отверстия под ось для поворота печи; 10 — передняя стойка печи; 12 — задняя стойка
|
и заливочных устройств, но и в качестве высокопроизводительных и экономичных чугуноплавильных агрегатов.
На рис. 12.8 показан индукционный канальный миксер емкостью 40 т. Он предназначен для накопления металла, выплавляемого в плавильных печах, усреднения его химического состава и температуры (миксирования), обеспечения перегрева в случае необходимости до заданной температуры и выдачи в транспортные или заливочные ковши.
Рабочее пространство печи имеет цилиндрическую форму с вертикальной осью. Оно закрыто съемной футерованной крышкой 3. Такие печи называют печами шахтного типа. Печь имеет две съемных канальных единицы мощностью по 700 кВт каждая. Слив металла осуществляется через сифонный желоб 2, конструкция которого исключает попадание воздуха в печь и угар металла. Для заливки металла в миксер имеется второй сифонный желоб, расположенный на той же стенке печи (на схеме не показан). Шлак скачивают через окно 4, закрываемое крышкой 5, один раз в две недели. За это время его накапливается около 40 кг. Печь наклоняют с помощью гидроцилиндров 1. Для слива металла печь поворачивают вокруг оси, вставленной в отверстие 9 корпуса печи передней стойки 10. При сливе шлака ось вставляется в отверстия 11 корпуса печи и задней стойки 12. Каналы индукционных единиц сообщаются с ванной печи через полости 6. Каждая канальная единица имеет свой магнитопровод 8 и охлаждаемый воздухом индуктор 7.
| Сравнительный анализ эффективности процессов плавки чугуна в современных печах*
|
Наряду с вертикальными (шахтными) индукционными канальными печами существуют горизонтальные (барабанные) печи в
| 3. Металлургические возможности | ||||||||
| Угар, % | 5...7 | — | — | 3...4 | До 2 | — | До 2 | |
| Возможность переплава стружки | После брикетирования | — | — | Целесообразно брикетировать | После прокалки | — | После прокалки | |
| Возможность науглероживания | Максимальная | Удовлетворительная | Низкая | Хорошая | ||||
| Возможность десульфурации | Пригар серы | Низкая | Максимальная | Хорошая | Низкая | |||
| Переход на другой химический состав | Затруднен | Затруднен | Прост | Прост | Затруднен из-за наличия «болота» | Прост | Затруднен из-за наличия «болота» | |
| Возможность микси- рования с учетом расхода энергии | Нет | Нет | 110 кВт-ч/т | 110 кВт-ч/т | 60 кВт- ч/т | 60 кВт-ч/т | До 50 кВт-ч/т | |
| Расход энергии на 1 т жидкого металла | До 350 кВт-ч + + 150 кг кокса | 120 м3 природного газа | 550 кВт-ч | 520 кВт-ч | 550... 640 кВт-ч | 500... 600 кВт-ч | 475 кВт-ч | |
| Удельные капитальные затраты на 1 т жидкого металла | Максимальные | Минимальные | Средние | Средние | Выше средних | Средние | Средние |
| * Тип печей: ЭДП — электродуговая печь; ЭДППТ — то же, постоянного тока; ИТП — индукционная тигельная печь; ИЧК — индукционная чугуноплавильная канальная печь. |
форме цилиндра с горизонтальной осью вращения, в торцовых стенках которого имеются сифонные желобы для заливки и вьь пуска металла. Для выпуска металла корпус печи поворачивается на опорных роликах так, чтобы сливной носок оказался ниже уровня металла в ванне печи.
Преимущества и недостатки индукционных канальных печей.
К их преимуществам относятся:
• низкие капитальные затраты, составляющие 50...70 % от стоимости тигельной печи той же мощности;
• высокий электрический КПД печи, достигающий 96...97%;
• высокий тепловой КПД — 85...90%, что объясняется возможностью выполнения толстой теплоизолирующей футеровки без ухудшения электрического КПД печи;
• минимальный угар металла;
• возможность использования легковесной низкосортной шихты и эффективного науглероживания благодаря интенсивному перемешиванию металла;
• минимальные пылегазовыделения на плавильной площадке и в окружающую среду.
Недостатками индукционных канальных печей как плавильного агрегата для чугуна являются трудности перехода с одного химического состава выплавляемого металла на другой, а также «холодный» малоактивный шлак.
12.9. Сравнительный анализ процессов плавки чугуна в современных чугуноплавильных печах
Приведенный в табл. 12.2 анализ является попыткой систематизировать имеющиеся в настоящее время данные (часто противоречивые) по опыту эксплуатации наиболее распространенных чугуноплавильных агрегатов.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПЛАВКИ РАЗЛИЧНЫХ СОРТОВ ЧУГУНА
13.1. Технология получения высококачественного серого чугуна с пластинчатым графитом
Требования к жидкому чугуну. Отливки, используемые в современном машиностроении, должны обладать стабильно высокими механическими свойствами.
Так, например, в автомобилестроении в основном используются отливки серого чугуна, временное сопротивление при растяжении которого ав = 200...300 МПа и твердость НВ 190...240. Для значительной части ответственных автомобильных отливок технические условия предусматривают преимущественно перлитную структуру с максимальным содержанием феррита до 5 %. Механические условия определяют также характер и размеры включений пластинчатого графита.
Получение высококачественного чугуна связано с применением внепечной обработки расплава — модифицирования. Однако для эффективного модифицирования выплавленный чугун должен удовлетворять определенным требованиям.
Как известно, для получения чугуна с высокими прочностью и твердостью необходимо выплавить металл с пониженным содержанием углерода и кремния при некотором повышении содержания марганца. Для получения чугунов марок СЧ40 и СЧ45 необходимо, кроме того, снизить содержание серы и фосфора.
На первый взгляд пониженное содержание углерода и кремния упрощает задачи плавки, так как для этого требуется меньше дорогостоящего ферросилиция, существенно уменьшается время на науглероживание металла. В этой связи существует присущий только плавке серого чугуна парадокс — чем выше марка чугуна, тем дешевле шихта для его выплавки.
Однако на практике получение отливок серого чугуна высоких марок сопряжено с опасностью получения отбела. Это объясняется тем, что структура таких отливок должна быть по преимуществу перлитная, на грани отбела. Поэтому даже небольшие отклонения в минус по содержанию углерода и кремния, связанные, например, с неточностью дозирования шихты или нарушениями принятого режима плавки и модифицирования, приводят к получению половинчатого или белого чугуна. Этот вид брака неизбежно вскрывается в процессе механической обработки и никогда, в отличие от других видов брака, не остается незамеченным. Очевиден в данном случае и виновник брака — плавильное отделение.
Из этих рассуждений следует важнейшее требование к жидкому металлу при получении отливок высококачественного серого чугуна — стабильность химического состава.
Кроме того, пониженный углеродный эквивалент приводит к понижению жидкотекучести и требует повышенной температуры заливки.
Содержание вредных примесей — серы и фосфора, допустимое для чугунов вплоть до СЧ35, составляет соответственно 0,12 и 0,3 %. Оно обеспечивается при плавке на обычной шихте в печах с кислой футеровкой. Для получения СЧ40 и СЧ45, содержащих серы и фосфора не более 0,02 % каждого, необходимы специальные приемы плавки и внепечной обработки.
Поэтому для получения серого чугуна высокого качества необходимо:
• использовать шихту стабильного состава и обеспечить точность дозирования ее компонентов;
• обеспечить оптимальные уровни перегрева и продолжительности выдержки в условиях применения электроплавильных агрегатов;
• обеспечить надежность контроля процесса плавки на всех его этапах и возможность оперативного воздействия на него;
• использовать внепечную обработку.
Технология модифицирования. Модифицирование является наиболее простым, эффективным и, поэтому, самым распространенным способом повышения прочностных свойств чугуна.
В качестве модификатора при производстве отливок серого чугуна чаще всего используют ферросилиций ФС75, обладающий одновременно раскисляющей и графитизирующей способностями. За счет его свойств можно получить мелкозернистую структуру отливки, снизить отбел и повысить механические свойства металла. Количество модификатора зависит от различных производственных условий и увеличивается от 0,2...0,4 % для СЧ25 до 1,5...2% для СЧ45.
Обычно модификатор вводят в ковш под струю металла, на желоб, в литниковую чашу или в форму. Размер зерен модификатора составляет 2...5 мм при обработке жидкого металла массой до 2 т и 5... 15 мм при обработке больших количеств.
В зависимости от способа ввода модификатора может усваиваться 70...90% (кремния).
Перед употреблением модификатор прокаливают при 300... 400 °С в течение 1...2 ч. Пылевидные фракции размером менее 0,5 мм отсеивают.
Температура металла при выпуске из печи составляет обычно 1420... 1460°С, она должна быть тем большей, чем выше марка чугуна. После ввода модификатора металл целесообразно перемешать для равномерного распределения его в объеме ковша. Во избежание потери эффекта модифицирования выдержка чугуна после добавки модификатора не должна превышать его живучести. Эта величина для ферросилиция ФС75 в зависимости от емкости ковша составляет:
Масса металла в ковше, т До 0,5 0,5...2 2... 10
Допустимая выдержка, мин 3...5 5...8 8...10
В настоящее время для получения высококачественного серого чугуна применяются разнообразные модификаторы и способы их ввода. Эффективность их применения в большой степени зависит от разнообразных условий производства, поэтому имеющиеся данные позволяют лишь отметить наиболее характерные особенности различных модификаторов, не давая оснований для сравнительной оценки эффективности их использования.
Силикокальций может использоваться самостоятельно в количестве 0,3 ...0,6 % от массы жидкого чугуна, а также в смеси с ферросилицием ФС75 в соотношении 1:1 или с ФС75 и графитом в зернах.
Алюминий в смеси с ферросилицием или с графитом эффективно предотвращает отбел чугуна.
Графит черный — наиболее простой и дешевый модификатор, предотвращающий отбел на тонкостенных отливках.
Силикобарий является комплексным модификатором с повышенной живучестью.
Важно отметить, что для достижения максимального эффекта модифицирования исходный чугун должен иметь пониженный углеродный эквивалент и при затвердевании без модифицирования образовывать структуру белого или половинчатого чугуна. Модификатор вводится в таком количестве, что углеродный эквивалент модифицированного чугуна оказывается равным его величине в немодифицированном чугуне, имеющем структуру на грани отбела для данной толщины стенки отливки.
Жидкое модифицирование. При производстве крупных толстостенных отливок температура заливки обычно не превышает 1250 °С. Введение твердых модификаторов в такой «холодный» чугун не дает положительных результатов. В этих случаях оказывается эффективным жидкое модифицирование, которое осуществляют путем смешивания жидкого чугуна с расплавленным модификатором — расплавленной сталью или жидким чугуном с высоким углеродным эквивалентом. Такая операция не является Простым смешиванием и усреднением химического состава и температуры расплава, при этом происходят процессы, по результатам аналогичные модифицированию, — структура чугуна измельчается.
Существенное влияние на результат жидкого модифицирования оказывает продолжительность выдержки полученного металла до его заливки в форму. Модифицирующее воздействие жидкого модификатора так же, как и при введении твердого модификатора, спустя 20 мин исчезает.
Недостатком метода жидкого модифицирования является необходимость использования двух одновременно работающих плавильных печей.
Кроме модифицирования разработаны многочисленные методы внепечной обработки, из которых для получения высококачественного серого чугуна в настоящее время наибольшее практическое значение имеет о б р а б о т к а чугуна жидкими синтетическими шлаками с целью снижения содержания серы, фосфора, неметаллических и газовых включений.
Синтетический шлак на основе извести (60...70 %) и плавикового шпата (5... 10 %) приготовляют в специальной шлаковой печи, затем сливают в ковш и заливают в него жидкий чугун. При этом происходит эмульгирование мельчайших капель шлака в чугуне и существенно возрастает величина межфазной поверхности металл- шлак. В результате такой обработки содержание серы в чугуне снижается на 90 % от первоначального. Этот метод целесообразно использовать в тех случаях поставок шихты с повышенным содержанием серы, которые не носят систематического характера.
Выбор плавильного агрегата для плавки высококачественного серого чугуна. Отечественный и зарубежный опыт представляет большое разнообразие моно- и дуплекс-процессов, использующихся при плавке высококачественного серого чугуна.
ИЧТ - ИЧКМ. Этот вид дуплекс-процесса[8] хорошо зарекомендовал себя в крупных литейных цехах и центролитах. На Ярцевском Центролите были установлены восемь 60-тонных печей промышленной частоты ИЧТ-60/20 производительностью 24 т/ч. Каждые 30 мин из печи сливали 12 т в один из семи миксеров ИЧКМ-40/1. Загрузку шихты в плавильную печь осуществляли после каждого слива двумя бадьями по 6 т. Таким образом, садка каждой печи содержала в себе 10 бадей шихты. При этом взаимно компенсировались погрешности набора шихты каждой из бадей. Дополнительным фактором стабилизации состава металла являлись 40-тонные миксеры.
На ВАЗе первоначально для плавки чугуна марки Gh26 (соответствующего СЧ25...СЧ30) были установлены две печи ИЧТ емкостью по 25 т каждая и два миксера ИЧКМ емкостью по 57 т. Загрузку шихты в печь осуществляли порциями по 6 т, причем каждая порция представляла собой Полностью сбалансированную шихту. Таким образом, в каждом блоке ИЧТ-ИЧКМ усреднялся химический состав 13 порций шихты. Дополнительные меры по стабилизации свойств чугуна состояли в ужесточении требований к поставщикам по химическому составу шихтовых материалов. Выбор электропечного способа выплавки серого чугуна по мнению разработчиков проекта литейного цеха определялся наличием мощной энергетической базы и большим объемом образующихся отходов кузнечно-прессового и механосборочного производства и возможностью их полного использования в шихте. Кроме того, технико-экономический анализ однозначно указывал на необходимость электроплавки высокопрочного и ковкого чугунов. Поэтому применение электроплавки серого чугуна способствовало типизации всех процессов плавки чугуна, объединенных в одном здании.
ЭДП плавильная —ЭДП печь выдержки. Этот вид дуплекс-процесса[9] использовали на КамАЗе в цехе серого и высокопрочного чугунов. Плавку вели в восьми 50-тонных печах с удельной мощностью 700 кВт/т. Загрузку полностью сбалансированной шихты осуществляли 50-тонной бадьей. Выплавленный металл переливали в восемь 75-тонных печей выдержки пониженной удельной мощности. Усреднение химического состава и температуры выплавленного металла достигалось путем перелива из плавильной печи в печь выдержки. Футеровка печей — основная. Выбор этого вида дуплекс-процесса объясняется стремлением к типизации плавильного оборудования для плавки высокопрочного и серого чугунов. Рассмотренный процесс не отвечает современным требованиям к условиям труда в рабочей зоне и экологии. При плавке серого чугуна не используется главное металлургическое преимущество дуговой плавки — возможность глубокой десульфурации металла.
Вагранка горячего дутья (открытая) —ИЧТ-31/7. Этот дуплекс-процесс применили на ЗИЛе при реконструкции литейного цеха получения серого чугуна. Вагранка производительностью 25 т/ч с барабанным 5-тонным копильником не обеспечивала требуемых стабильности химического состава и перегрева чугуна. Поэтому выплавленный в ней чугун переливали 2-тонным ковшом в печь ИЧТ, предварительно слив из нее 2 т металла на заливку. По соображениям экологии использование вагранок открытого типа крайне нежелательно. Кроме того, печь ИЧТ в роли миксера значительно уступает ИЧКМ.
Вагранка закрытого типа —ИЧКМ. На Саранском Центролите плавку вели в трех вагранках закрытого типа производительностью по 20 т/ч. Усреднение химического состава и перегрев проводили в четырех миксерах ИЧКМ-40 вертикального исполнения фирмы ASEA. В условиях Центролита, не имеющего собственных отходов кузнечно-прессового и механосборочного производства, рассматриваемый дуплекс-процесс при наличии относительно дешевого кокса представляется рациональным.
ЭДП — ИЧКМ. На Саранском Центролите плавку вели в восьми 5-тонных дуговых печах, откуда чугун переливали в два миксера ИЧКМ-40. Очевидным недостатком этого процесса является повышенное выделение пыли, газов и шум при работе дуговых печей. Кроме того, не используется главное преимущество дуговых печей — возможность глубокой десульфурации металла.
ИЧК—ИЧКМ. Для устранения недостатка предыдущего варианта дуплекс-процесса на Саранском Центролите предпринята попытка замены ЭДП на канальные плавильные печи (ИЧК), которая не была завершена в связи с развалом социалистической экономики.
На Новокаховском электромашиностроительном заводе эксплуатировался плавильный комплекс, состоящий из двух печей ИЧК-40/3 производительностью 7 т/ч каждая и миксера ИЧКМ-10 мощностью 490 кВт.
Этот вариант дуплекс-процесса представляется весьма удачным для выплавки высококачественного серого чугуна в крупных литейных цехах, где не требуется частого перехода на другую марку чугуна.
Монопроцесс в ИЧТ. Широко использовался и используется в отечественной и зарубежной практике в литейных цехах средней мощности. Надлежащее качество металла обеспечивается только при условии корректировки химического состава по результатам предварительного анализа. В процессе раздачи готового металла трансформатор печи загружен лишь на 1/10 мощности. Недостатки связаны также с необходимостью работы с «болотом».
Индукционные тигельные печи средней частоты. Преимущества этих печей, рассмотренные в подразд. 12.7, опыт их эксплуатации (главным образом зарубежный) и стремительное расширение их применения свидетельствуют о том, что они являются оптимальным вариантом плавки высококачественного чугуна во всем диапазоне производительности.
13.2, Технология получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом
Известно, что высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) получают путем модифицирования жидкого чугуна сфе- роидизирующими модификаторами, содержащими магний, церий и иттрий. Чугун, подвергаемый модифицированию, должен удовлетворять ряду приведенных ниже требований, выполнение которых является задачей плавки.
Требования к жидкому чугуну. Важнейшим требованием к химическому составу жидкого металла при получении высокопрочного чугуна с шаровидным графитом является низкое содержание серы — до 0,03%. При этом снижение содержания серы способствует уменьшению расхода дорогостоящих модификаторов.
Техническими условиями, принятыми на ВАЗе и КамАЗе, допускается содержание серы не более 0,012%. Составить шихту с таким низким содержанием серы практически невозможно, поэтому важнейшей задачей плавки является десульфурация. В связи с этим использование для плавки дуговых печей с основной футеровкой в данном случае является оправданным, несмотря на высокое пылегазовыделение и шум.
При наведении основного шлака рекомендуется вводить известь (6 кг/т металла) для снижения избыточного количества серы на 0,001 %. Содержание в чугуне демодификаторов Pb, Bi, Sn, Sb, As, Ti, A1 даже в незначительных количествах препятствует сфероиди- зации графита. С учетом этого требуется тщательный отбор шихтовых материалов. Не допускается использование лома неизвестного происхождения. Помимо первичных материалов и возврата используются стальные отходы кузнечно-прессового производства.
Температура чугуна при модифицировании должна быть выше, чем при модифицировании серого чугуна, 1480... 1530 °С. Это объясняется тем, что на испарение магния, введенного в расплав, требуется значительное количество теплоты (при введении каждого 1 % Mg температура чугуна снижается на 80...90 °С).
Сфероиднзирующие модификаторы. Шаровидная форма графита в чугуне достигается использованием модификаторов, содержащих магний, церий и иттрий. Модификаторы на основе магния, в свою очередь, разделяют на металлический магний и маг- нийсодержащие лигатуры. Металлический магний имеет плотность в 4 раза меньшую, чем расплавленный чугун, поэтому при простом введении его в металл он всплывает и сгорает ослепительно ярким пламенем. При принудительном погружении его в расплав чугуна при температуре 1400 °С магний испаряется и давление его паров может достигать 0,7 МПа. Пары магния, выходя из расплава, вызывают интенсивное перемешивание и выбросы металла. Над поверхностью расплава пары магния сгорают. Обычно в металле остается не более 1/10 количества введенного в него магния.
Для улучшения усвоения магния расплавом используются маг- нийсодержащие лигатуры, магний—кремний—железо, магний- никель, магний—медь, магний—никель—медь и др. Особенно широкое распространение получили в свое время тяжелые лигатуры содержащие около 85 % никеля. Плотность такой лигатуры выше, чем жидкого чугуна, что в сочетании с относительно низким содержанием магния предопределяет ее хорошее усвоение и незначительный пироэффект.
Однако никель возвращается в шихту в составе возврата и практически не угорает в процессе плавки. Учитывая, что доля возврата при производстве ВЧШГ составляет не менее 40%, содержание никеля в металле быстро растет от плавки к плавке, если в шихте используется более 10 % возврата. Это создает организационные трудности, связанные с использованием излишков возврата чугуна, модифицированного никель-магниевой лигатурой.
Учитывая отбеливающее действие магния, производят вторичное модифицирование ферросилицием ФС75 в количестве от 0,3 до 1 % в зависимости от толщины стенки отливки.
Цериевые модификаторы. Температура кипения церия около 3450 °С, поэтому при вводе его в расплав чугуна не наблюдается выбросов металла, и, кроме того, температура расплава может быть ниже (1390... 1410 °С). Однако для равномерного распределения его необходимо принудительное перемешивание металла.
Церий, так же как и магний, является активным десульфурато- ром, но в отличие от магния не образует черных пятен в структуре отливок при повышенном содержании серы в исходном чугуне.
Для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом церий применяется в виде многообразных лигатур, таких как ферроцерий, миш-металл, цериевый миш-металл, сиитмиш и другие, содержащие около 50 % Се.
Комплексные модификаторы, разнообразные по составу и свойствам, получили в настоящее время наибольшее распространение. Наряду с магнием, который производит сфероиди- зирующее действие и перемешивание, в них обычно входит кремний, предотвращающий отбел. Церий и кальций в комплексных модификаторах способствуют связыванию избытка серы.
Модификатор ФЦМ5, содержащий 5 % магния, успешно применялся при литье коленчатых валов трактора «Владимирец». В модификаторах марок ЖКМК1 ...ЖКМК10 помимо железа содержатся Mg, Са, Si и редкоземельные элементы.
В настоящее время наибольшее применение имеют модификаторы ФСМг5 и ФСМгб, содержащие соответственно 5 и 6 % Mg и использующиеся как для внутриформенного, так и для ковшового модифицирования.
Сфероидизирующие модификаторы в размельченном состоянии не подлежат длительному хранению, так как входящие в них элементы легко окисляются.
Иттривые модификаторы не получили до настоящего времени промышленного применения. . %
Способы введения в расплав сфероидизирующих модификаторов. Из всего многообразия способов ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов к настоящему времени получили при-
Рис. 13.1. Способы ввода в расплав сфероидизирующих модификаторов: а — под колокольчиком; б — в автоклаве; в — в герметизированном ковше- конвертере; 1 — колокольчик; 2 — крышка; 3 — корпус автоклава; 4 — ковш с металлом; 5— мешалка; 6 — полость для модификатора; 7— крышка ковша; 8 —
кодификатор
|
менение лишь несколько способов, удовлетворяющих условиям техники безопасности и обеспечивающих достаточно ^высокий коэффициент усвоения модификатора. Способ ввода модификатора выбирают с учетом масштабов производства и стоимости применяемого оборудования.
Для целей лабораторных и исследовательских работ, а также при небольших объемах производства предпочтителен способ ввода модификатора под колокольчиком в ковше с металлической крышкой (рис. 13.1, а). В шамотографитовый или стальной колокольчик 1 с отверстиями в боковых стенках закладывают бумажный пакет с навеской модификатора. Пакет закрепляют в колокольчике вязальной проволокой. Крышку 2 надевают на штангу колокольчика и устанавливают на ковш. Колокольчик опускают в глубь металла.
При использовании тяжелой никель-магниевой лигатуры широко используется ввод ее под струю в разливочный ковш.
При использовании в качестве модификатора металлического магния наилучшие результаты дает применение автоклава (рис. 13.1, б). В стальной корпус автоклава 3 при снятой крышке устанавливают ковш с металлом 4. В полость 6 крышки закладывают навеску магния и закрывают ее мешалкой 5. Крышку устанавливают на корпус автоклава, стык между ними герметизирован. Между крышкой и штоком мешалки также имеется уплотняющая манжета. После подачи воздуха в автоклав под давлением Р пневматический цилиндр опускает мешалку вниз, при этом модификатор падает в металл, который перемешивается в процессе возвратно-поступательного движения мешалки.
Широкое распространение получили также герметизированные Ковши, принцип действия которых показан на рис. 13.1, е. В боко
вую полость ковша закладывают навеску модификатора 8. После заливки металла ковш закрывают крышкой и поворачивают в вертикальное положение.
Установлено, что минимальное количество остаточного магния, необходимое для получения шаровидной формы графита в чугуне в любом сечении отливки, должно быть не менее 0,03 %. С учетом коэффициента усвоения модификатора количество магния, вводимого с модификатором, должно быть около 0,4 %. При использовании комплексных сфероидизирующих модификаторов суммарное содержание в них магния, кальция и редкоземельных элементов должно быть эквивалентно указанному выше содержанию магния.
Расход модификатора зависит от его состава, способа ввода в металл, содержания в металле серы, температуры металла и других факторов и составляет от 0,15 % для металлического магния, вводимого в автоклаве, до 2,5 % для лигатур при добавлении их в ковш. Необходимое и достаточное количество вводимого модификатора уточняется только опытным путем.
Выбор плавильных агрегатов для плавки высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. В практике литейного производства известны примеры получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с использованием практически любого плавильного агрегата. К ним относятся:
• вагранка холодного дутья при последующих ковшовой десульфурации металла и модифицировании;
• индукционная чугуноплавильная тигельная печь (ИЧТ) с кислой футеровкой и десульфурацией карбидом кальция или цианамидом кальция;
• ИЧТ с футеровкой на основе электрокорунда и дистенсил- лиманита с основным шлаком;
• газовые вагранки и т.д.