Печи для плавки меди и ее сплавов
Температура разливки меди , и чтобы перегрев металла не привел к существенному сокращению срока службы подового камня, удельная мощность в каналах не должна превышать 
.
Для латуни температура разливки составляет примерно , а удельная мощность в каналах не превышает 
. При большей удельной мощности возникает так называемая цинковая пульсация, состоящая в прерывании тока в каналах. Цинк, чья температура плавления меньше температуры плавления латуни, при плавке латуни вскипает в каналах. Его пары в виде пузырьков поднимаются к устьям каналов, где, соприкасаясь с более холодным металлом, конденсируются. Наличие пузырьков приводит к сужению сечения канала, а следовательно, к возрастанию плотности тока в нем и увеличению сил электродинамического обжатия металла в канале магнитным полем собственного тока. При удельной мощности, выше указанной, происходит интенсивное кипение цинка, рабочее сечение существенно сокращается, электродинамическое давление превосходит гидростатическое давление столба металла над каналом, вследствие чего металл оказывается пережатым, и ток прекращается. После разрыва тока электродинамические силы исчезают, пузырьки всплывают, после чего прохождение тока возобновляется, разрывы тока происходят 2 - 3 раза в секунду, нарушая нормальную работу печи.
При удельной мощности, меньше указанной, цинковая пульсация начинается при прогреве всей ванны до температуры порядка и служит сигналом о готовности латуни к разливке.
Для плавки меди и ее сплавов применяются шахтные, а при загрузке более 3 тонн – барабанные печи и миксеры. Коэффициент мощности при плавке меди составляет примерно 0,5 ; при плавке бронз и латуней – 0,7 ; при плавке медно-никелевых сплавов – 0,8 .
Печи для плавки алюминия и его сплавов
Особенности канальных печей для плавки алюминия и его сплавов (рис. 2.10, 2.11) связаны с легкой окисляемостью алюминия и другими свойствами металла и его окиси. Алюминий имеет температуру плавления , разливки около . Низкая плотность жидкого алюминия делает нежелательной интенсивную циркуляцию расплава, так как неметаллические включения, увлеченные на глубину ванны, всплывают очень медленно.
Расплавленный алюминий в печи покрывается пленкой твердой окиси, которая благодаря поверхностному натяжению алюминия удерживается на его поверхности, предохраняя металл от дальнейшего окисления. Однако, если сплошная пленка взломана, то осколки ее тонут и опускаются на дно ванны, попадая в каналы. Окись алюминия химически активна, и осколки пленки вследствие химического взаимодействия прикрепляются к стенкам каналов, уменьшая их сечение. В процессе работы каналы «зарастают» и их приходится периодически очищать.
Эти свойства алюминия и его окиси вынуждают работать с низкой удельной мощностью в каналах. При этом перегрев металла в каналах уменьшается, а температура на поверхности поддерживается на минимальном уровне, что ослабляет окисление, скорость которого растет с повышением температуры.
При малой удельной мощности уменьшается циркуляция металла, что способствует сохранности окисной пленки и уменьшению количества неметаллических включений.
Обеспечить сохранность окисной пленки невозможно, так как она разрушается при загрузке шихты. В период расплавления взламывание пленки происходит главным образом вследствие циркуляции металла. Поэтому в печах для плавки алюминия принимают меры для её ослабления, особенно в верхней части ванны: уменьшают удельную мощность в каналах, часто применяют горизонтальное расположение каналов, а при вертикальном их расположении увеличивают глубину ванны, переход из канала в ванну выполняют под прямым углом, что увеличивает гидравлическое сопротивление устья канала. Горизонтальное расположение каналов имеет и то преимущество, что затруднено попадание осколков пленки в каналы, но не исключает его полностью, так как осколки могут увлекаться в каналы циркуляцией металла.
Каналы печей для плавки алюминия состоят из прямолинейных участков, что позволяет облегчить их очистку.
Зарастание канала сказывается на электрическом режиме тогда, когда его размер становится приблизительно равным глубине проникновения тока в металл, которая для расплавленного алюминия при частоте 50 Гц равна 3,5 см. Поэтому, чтобы очистку каналов проводить реже, принимают радиальный размер канала 6 – 10 см. Для горизонтального участка, очищать который особенно затруднительно, принимают радиальный размер канала этого участка примерно (1,3 – 1,5) . Вертикальные участки очищают примерно один раз в смену, горизонтальные – один раз в сутки.
Наряду с применением печей других конструктивных типов применяют двухкамерные печи. Она может быть однофазной с двумя каналами, соединяющими ванны, или трехфазной с четырьмя каналами. В стенках ванн по осям каналов делают отверстия для чистки каналов, закрываемые глиняными пробками. Чистка производится после слива металла.
Коэффициент мощности из-за большого сечения каналов низок, он составляет 0,3 – 0,4 .
Печи для плавки цинка
В канальных печах переплавляется катодный цинк высокой чистоты, не требующий рафинирования. Расплавленный цинк, обладая высокой жидкотекучестью, вступает в соединение с футеровочными материалами. Поскольку процесс пропитывания футеровки цинком ускоряется с увеличением гидростатического давления металла, печи для плавки цинка имеют прямоугольную ванну небольшой глубины и индукционные единицы с горизонтальными каналами (рис. 2.12) ..
Ванна разделяется на плавильную и разливочную камеры внутренней перегородкой, в нижней части которой имеется окно. Чистый металл перетекает через окно в разливочную камеру, примеси и загрязнения, находящиеся у поверхности, остаются в плавильной камере. Печи оборудуются загрузочными и разливочными устройствами и работают в непрерывном режиме: катодный цинк загружается в плавильную камеру через проем в своде, а переплавленный металл разливается в изложницы. Разливка может осуществляться вычерпыванием металла ковшом, выпуском его через клапан или выкачиванием насосом. Загрузочное и разгрузочное устройства имеют конструкцию, предотвращающую попадание паров цинка в цех, и снабжаются мощной вытяжной вентиляцией.
Печи с применением съемных индукционных единиц выполняются качающимися, а с несъемными – стационарными. Наклон используется для замены индукционной единицы без слива металла.
Коэффициент мощности печей для цинка равен 0,5 – 0,6 .
Печи для плавки чугуна
Канальные печи используются для плавки чугуна в качестве миксеров в дуплекс-процессе с вагранками, дуговыми и индукционными тигельными печами, позволяя повысить температуру, осуществить легирование и обеспечить однородность чугуна перед разливкой. Коэффициент мощности печей для плавки чугуна – 0,6 – 0,8 .
Печи мощностью до 16 т – шахтные с одной или двумя съемными единицами, печи большей емкости – шахтные и барабанные, с числом съемных единиц от одной до четырех.
Существуют специальные канальные раздаточные миксеры для обслуживания литейных конвейеров. Выдача дозированной порции из такого миксера производится либо с помощью наклона печи, либо вытеснением металла путем подачи сжатого газа в герметизированную печь.
Канальные миксеры для чугуна имеют сифонные системы заливки и сливки металла; заливной и выпускной каналы выходят в ванну около ее дна, ниже зеркала расплава. Благодаря этому металл не загрязняется шлаком. Заливка и слив металла могут происходить одновременно.
Цинк является тяжелым легкоплавким металлом; Тпл = 420 °С, р = 7,13 кг/дм3. Низкая температура кипения цинка (*кип = 907 °С) ограничивает допустимую температуру металла при плавке всех сплавов, в которые он входит. Энтальпия цинка при 500 °С (около 300 кДж/кг) в три раза ниже, чем энтальпия расплавленного алюминия. Удельное электрическое сопротивление расплава цинка 0,35-10~6 Омм.
При низких температурах на воздухе цинк окисляется, образуя плотную защитную пленку из Zn03* 3Zn(OH)2. Однако в плавильных печах цинк окисляется по реакциям:
2Zn + 02 = 2ZnO, Zn + H20 = ZnO + H2, Zn + C02 = ZnO + CO.
Для защиты от окисления можно вести плавку в защитной или нейтральной атмосфере, например в среде азота. Однако на практике в большинстве случаев оказывается достаточным не допускать перегрева металла выше температуры 480 °С, при которой начинается интенсивное окисление и насыщение газами цинка. При данной температуре цинк и его сплавы не оказывают заметного влияния на огнеупорную футеровку печи и чугунный или стальной тигель. Повышение температуры приводит к растворению железа тигля в расплаве цинка.
Печи для плавки цинковых сплавов
Учитывая низкую температуру плавления и кипения цинка, плавку цинковых сплавов ведут обычно в тигельных печах, нагреваемых путем сжигания топлива или использования электрического сопротивления и индукции. В дуговых печах плавить цинковые сплавы не следует, так как неизбежный локальный перегрев металла вблизи горения дуги приводит к интенсивному испарению и окислению цинка. Индукционные канальные печи используются для плавки цинковых сплавов. На КамАЗе сплав ЦАМ10-5 для литья под давлением выплавляли в трех индукционных канальных печах емкостью по 2 т с нейтральной футеровкой. Однако перегрев металла в канале приводит к неустойчивости электрического режима плавки (так называемой цинковой пульсации) и принуждает ограничивать мощность, передаваемую в печь.
Технология плавки
Основную часть шихты обычно составляют сплавы цинковые литейные в чушках, свой возврат и лом цинковых сплавов. В качестве покровных флюсов используют смесь хлоридов кальция, калия и натрия, хлористый аммоний или криолит. Для подшихтовки используют первичный алюминий в чушках, катодную медь и магний металлический. Все компоненты шихты должны быть очищены от масел, влаги и других включений. Плавку ведут, не допуская перегрева ванны выше 480 °С. По результатам экспресс-анализа проводят корректировку химического состава.
Для ввода магния используют стальной колокольчик. При получении заданного химического состава металл перегревают до 440…450°С и переливают в ковш, нагретый до той же температуры. В ковше под вытяжным зонтом производят рафинирование расплава таблетками комплексного дегазатора «Дегазер», в составе которых 87% гексахлорэтана, 12,7% NaCl, 0,3% ультрамарина. Рафинирование можно проводить также отстаиванием, продувкой инертными газами и фильтрацией.
В специальных электропечах барабан очень важная деталь. Эти печи так и называются – барабанные ! Прокалка, сушка и другие виды термообработки порошков, гранул и других сыпучих материалов представляют определенные трудности при нагреве в камерных печах. При прокалке сыпучих материалов в поддонах отдельные частички слипаются, неравномерно прогреваются из-за плохой теплопроводности насыпной массы. Качество термообработки плохое, загрузка неудобная и тяжелая, производительность в серийном производстве очень низкая.
Барабан для печи хорош, прежде всего, тем, что он вращается . А это означает, что содержимое непрерывно перемешивается . Отдельные частички равномерно прогреваются, их слипание исключается . После термообработки получается масса, которую можно свободно пересыпать в другие емкости, фасовать или перерабатывать дальше. Определенный заданный наклон барабана позволяет одновременно с пересыпанием обеспечивать продвижение массы вдоль барабана (со стороны загрузки до окна выгрузки). Высокая производительность обеспечивается непрерывным процессом, т.е. загрузка, термообработка и выгрузка сыпучих материалов идут непрерывно. Барабан может иметь внутри продольные ребра, которые улучшают перемешивание. Может оснащаться специальным шнеком, который гарантирует заданную скорость перемещения массы. Если барабан оснащен шнеком, то, меняя направление вращения барабана, можно изменять направление движения насыпной массы, можно даже подавать ее по наклонному барабану вверх, что очень удобно совмещается, например, с транспортировкой массы в высокий бункер.
СУШКА , как известно, дело простое. Это удаление воды с поверхности или удаление воды, содержащейся внутри материалов. С повышением температуры скорость удаления воды возрастает. Поэтому для интенсивной сушки необходим нагрев до температуры выше температуры кипения с отводом паров в атмосферу. Для удаления связанной влаги, т.е. когда вода входит в состав сложных молекулярных соединений, необходим еще более высокотемпературный нагрев.
Для качественной сушки, кроме равномерного нагрева, необходимо также интенсивное перемешивание сыпучих материалов, иначе частички слипаются.
Удачным решением высокопроизводительной сушки является барабанная печь. С одной стороны непрерывно загружается влажное сырье, с другой непрерывно выходит просушенный готовый к дальнейшему использованию материал. Барабан непрерывно вращается, обеспечивая с одной стороны перемешивание сырья, а с другой - непрерывное продвижение вдоль трубы. Такое перемещение обеспечивает равномерный и постепенный нагрев сырья по мере его продвижения по барабану.
Для загрузки влажного сырья применяется специальный рукавный бункер с виброзагрузчиком, обеспечивающий принудительную подачу сырого порошка в барабан. Высыпаться из барабана просушенный порошок может без дополнительных устройств.
Регулироваться производительность барабанной печи может углом наклона барабана и рабочей температурой. С увеличением угла наклона скорость продвижения сыпучего материала увеличивается. С повышением температуры скорость сушки возрастает. Важно только подобрать их оптимальную величину для каждого типа сырья.
Еще больше увеличивает производительность печи продувка барабана горячим воздухом , интенсивно удаляющим пары воды в атмосферу.
ЗАКАЛКА сталей является известной операцией, которая заключается в нагреве деталей до определенной температуры, а затем их резким охлаждением, чаще всего в воде или в другой жидкости. Детали для термообработки укладываются в рабочей камере электропечи на поддон из жаропрочной стали. Для выгрузки деталей открывают дверь, клещами достают детали и погружают их в жидкость. А если деталей – тысячи, как, например, дюбели, детали подшипников, стальная дробь или другие массовые изделия?
Тогда необходимо использовать барабанную электропечь. С одной стороны, можно непрерывно загружать детали в барабанную электропечь, после прогрева до требуемой температуры, непрерывно сбрасывать их в закалочную жидкость. Производительность закалки высочайшая! Процесс легко полностью автоматизировать.
После закалки, с целью уменьшения внутренних напряжений, производится ОТПУСК закаленных деталей. Для отпуска стальные детали нагреваются до температуры ниже фазовых превращений. После выдержки при этой температуре детали медленно охлаждаются с заданной скоростью вместе с печью или на воздухе. Если процесс отпуска проводить в другой барабанной электропечи, то весь цикл термообработки массовых деталей можно выстроить в линию и полностью автоматизировать.
Коррозия. Ей, к сожалению, подвержены изделия из чугуна и стали. ЗАЩИТИТЬ изделия от КОРРОЗИИ сегодня можно очень эффективно, если использовать современные технологии термодиффузионных покрытий.
Для термодиффузионного цинкования используется барабанная электропечь, в которой антикоррозионное покрытие формируется в герметично закрытом барабане. Диффузионное насыщение цинком поверхности металлических изделий ведется в порошковой среде. При нагреве деталей в порошке идет диффузия молекул цинка из газовой среды в поверхностный слой обрабатываемых деталей, создавая тем самым антикоррозионную защиту. Технология не требует очистных сооружений, что делает ее очень компактной.
Процесс термодиффузионного цинкования позволяет получать равномерно распределенное покрытие любой заранее заданной толщины от 15 до 120 мкм. Полученное покрытие имеет повышенную твердость и износостойкость. Покрытие в точности сохраняет рельеф обрабатываемой поверхности, что очень важно для деталей, имеющих резьбу, пазы, шлицы и т.д.
Внешняя простота барабанной печи очень обманчива. Тепловой расчет невероятно сложен: пересыпающаяся масса имеет разную плотность, теплоемкость и теплопроводность. Нестационарные тепловые потоки трудно поддаются моделированию, а значит, и тепловому расчету. Динамические характеристики печи меняются с изменением температуры и теплофизических свойств насыпной массы, что очень усложняет настройку регуляторов температуры. Даже простое измерение температуры во вращающемся барабане представляет серьезную проблему!
Но если эти проблемы решены - барабанная электропечь способна обеспечить очень высокую производительность термообработки массовых деталей, окупив тем самым все издержки по отладке любого, даже очень сложного техпроцесса.
Метод реакционной плавки в короткобарабанной печи сравнительно недавно начали применять в ФРГ для переработки богатых свинцовых концентратов, содержащих не менее 65-75% Pb, и некоторых полупродуктов свинцового производства.
Метод плавки в короткобарабанных печах применяют на заводе в Окере (ФРГ), где имеются 4 такие печи, в ГДР, на нескольких заводах ПНР и на некоторых европейских заводах. Иногда барабанную печь конструктивно значительно изменяют (удлиняют) и называют печью Дершля.
Для изучения физико-химических основ процесса прямого восстановления свинца в ФРГ были проведены опытные плавки специально подготовленной в стехиометрической пропорции смеси PbS, PbO и PbSО4.
На основе проведенной работы были сделаны следующие выводы;
1) в результате нагрева смеси PbS - PbO протекает реакция PbS + 2РbO = 3Рb + SO2 при температуре 920° С, при этом давление SO2 достигает 1 ат (1*10в5 н).
2) значительная скорость реакции между PbS, с одной стороны, и PbO или PbSО4, с другой, достигается лишь после доведения до жидкого состояния соответствующих смесей;
3) наивысшая скорость реакции в обоих случаях достигается при 920° С; при этой температуре и давлении SO2 1 ат (1*10в5 н) интенсивно выделяется металлический свинец.
Таким образом, исследователями было установлено, что реакционную плавку нужно проводить при более высокой температуре.
Для подготовки концентрата к плавке целесообразно подвергать его одноступенчатому агломерирующему обжигу с возможно меньшим количеством добавок с тем, чтобы соотношение PbS-PbO-PbSО4 в агломерате находилось в пределах, необходимых для реакционной плавки.
Агломерирующий обжиг можно проводить либо с просасыванием воздуха сверху вниз, либо с подачей воздуха под давлением снизу вверх. Последний способ имеет ряд преимуществ, особенно при переработке богатых свинцовых концентратов.
При агломерирующем обжиге были получены такие результаты:
Короткобарабанная печь представляет собой стальной клепаный кожух, футерованный высокоглиноземистым кирпичом состава, %: 65-70 Аl2О3; 20-25 SiО2; 3TiO2; 5Fе2О3; 0,5СаО. Толщина футеровки 250 мм. Между кожухом печи и огнеупорной футеровкой находится утрамбованный слой пластической глины толщиной 50 мм на случай расширения футеровки при ее нагревании.
Печь приводится во вращение электродвигателем с контактными кольцами трехфазного тока, 1000-500 об/мин. Мощность электродвигателя 9 квт.
Общий вид печи представлен на рис. 76, а разрезы - на рис. 77.
Основные данные короткобарабанной печи
Печь отапливается буроугольной пылью. Для улучшения процесса горения топлива в печь вводят первичный и вторичный воздух. Из печных газов можно извлечь до 50% серы в виде серной кислоты. Теплоту газов используют в котле-утилизаторе: на 1 г пылеугля получают 2-2,5 г пара. После котла газы фильтруют в мешочных фильтрах.
Процесс плавки периодический. Шихту загружают в печь либо малыми порциями, чтобы не слишком снизить температуру, после чего печь быстро нагревают до температуры интенсивного протекания реакций (1100° С), либо все потребное на операцию количество загружают сразу на слой жидкого свинца или шлака, оставленный в печи от прошлой плавки. Ванна нагревается пламенем и теплом футеровки.
Печь может вращаться в двух противоположных направлениях со скоростью 0,5-1,0 об/мин, что способствует хорошему контакту материалов и продуктов плавки и ускоряет процесс. Во время плавки поддерживается температура; пламени угольной пыли 1600° С, внутренней стенки футеровки 1100° С, топочного газа 1200° С. Пламя меняет направление в печи, и отходящие газы выходят из нее через верхнюю часть этого же отверстия. Напротив топочного отверстия имеется загрузочное окно, которое обычно закрыто.
К концу плавки ее продукты (свинец, шпейза, шлак) хорошо разделяются по плотности в печи с глубокой ванной и выпускаются по отдельности.
Часть тепла горячих газов печи используется в котле-утилизаторе для производства пара. Можно утилизировать серу для производства серной кислоты в размере -50%. Флюсов для плавки не требуется, а капитальные затраты на строительство завода по этому способу ниже, чем затраты по методу шахтной плавки.
Теоретическая сущность процесса
Сущность горновой плавки заключается в обработке смеси богатого сульфидного свинцового концентрата с твердым топливом струей сжатого воздуха. При этом происходит частичный обжиг PbS с образованием РbО и PbSO 4 и реакции взаимодействия между PbS и продуктами его окисления - РbО и PbSO 4 . Обжиг и реакционная плавка проводятся одновременно; кроме того, часть свинца восстанавливается углеродом топлива.
Реакция обжига PbS и ее тепловой эффект следующий:
2PbS + ЗО 2 = 2РbO + 2SO 2 + 201 360 кал(8450 кдж),(1)
приведенная реакция является суммарной, так как процесс окисления сульфида свинца протекает в несколько ступеней;
2РbО + 2SO 2 + О 2 = 2PbSO 4 + 183 400 кал(7680 кдж).(2)
Заметные количества сульфата свинца образуются при окислении сульфида уже при 200-300°С, процесс протекает крайне медленно.
После частичного обжига шихта содержит в твердом состоянии следующие химические соединения свинца: PbS, РЬО и PbSO 4 . При нагревании этих веществ, взятых в определенном соотношении, протекают следующие реакции:
PbS + 2РЬ0 = ЗРЬ + SO 2 - 52 540 кал(2200 кдж), (3)
PbS + PbSO 4 = 2Pb + 2SO 2 - 97 380 кал(4070 кдж). (4)
При определенных температуре и давлении SO 2 наступает химическое равновесие: реакции протекают с одинаковой скоростью в обоих направлениях. При повышении температуры равновесие нарушается, и реакции идут слева направо в сторону образования РЬ и SO 2 . Таким образом, повышение температуры полезно для реакционной плавки, так как при этом возрастает выход металлического свинца и ускоряется обжиг PbS. Но как для обжига (во избежание комкования), так и для самой реакционной плавки шихту необходимо сохранять в твердом состоянии. Поэтому процесс реакционной плавки осуществляется при температурах не выше 800-850°С. При более высоких температурах РbО расплавляется, происходит расслаивание по плотности, отчего нарушается контакт между сульфидом и окислом свинца в вытапливание свинца прекращается.
Избыточная окись свинца восстанавливается за счет С и СО по реакциям:
РbО + С = Рb + СО; (5)
РbО + СО = Рb + СО 2 . (6)
Для осуществления этих реакций в шихту горновой плавки вводят некоторое количество углеродистого топлива. Обычно это коксовая мелочь в количестве 4-10% от веса шихты. Чем интенсивнее процесс и чем больше в шихте содержится сульфидной серы, тем меньше требуется топлива для горновой плавки.
Оптимальная крупность кокса от 5 до 15мм.Более крупные частицы кокса способствуют сегрегации шихты, а более мелкие выносятся с пылью.
Короткобарабанная печь представляет собой стальной клепанный кожух, футерованный высокоглиноземистым кирпичом состава, %: 65-70 А1 2 О 3 ; 20-25 SiO 2 ; 3TiO 2 ; 5Fe 2 O 3 ; 0,5СаО. Между кожухом печи и огнеупорной футеровкой находится утрамбованный слой пластической глины толщиной 50 ммна случай расширения футеровки при ее нагревании.
Плавка осуществляется прерывно, каждая операция длится около 4 ч. Загрузив несколько тонн шихты, короткобарабанную печь вращают со скоростью 0,5-1,0 об/мини энергично подогревают сжигаемой угольной пылью до температуры интенсивного протекания реакции (1100°С). Печь может вращаться в двух противоположных направлениях. Благодаря вращению осуществляется хороший контакт между сульфидами и окислами свинца, необходимый для успешной реакционной плавки. Топочные газы проходят котел-утилизатор и фильтруются в мешочных фильтрах.
К концу плавки ее продукты (свинец, шпейза, штейн, шлак) хорошо разделяются по плотности в печи с глубокой ванной и выпускаются раздельно.