Основные принципы и методы плавки

Плавкой называют процесс переработки материалов, в основном металлов, в плавильных печах с получением конечного продукта в жидком виде определенного химического состава, температуры и свойств, обеспечивающих получение отливки требуемого качества.

Главной особенностью плавки литейных сплавов является то, что требуемые свойства необходимо получить в отливке сразу, без последующего металлургического передела. Плавку литейных сплавов иногда называют вторичной в отличие от первичной плавки металлургических переделов. Например, для чугуна первичной является доменная плавка, а вторичной – плавка в вагранках или электропечах. В качестве исходных материалов для вторичной плавки используется не руды, как в металлургии, а металлы и сплавы.

В плавильный агрегат загружают твердые материалы, а получают жидкий металл или сплав и побочный продукт - шлак (рисунок 8).

Рисунок 8 – Обобщенная схема плавильного агрегата

Смесь твердых материалов называют шихтой. Состав ее определяется требуемыми свойствами готового металла и сплава.

При плавке многих литейных сплавов в виде отдельной фазы применяют углерод, который является топливом в вагранке, карбюризатором в электропечах и футеровкой в некоторых плавильных агрегатах. Во всех процессах плавки учувствует газовая фаза, которая формируется из газов, продуктов сгорания топлива, элементов взаимодействия других фаз, окружающей атмосферы, если печь не герметизирована. Иногда плавку проводят в вакууме. Все существующие процессы делятся на моно и полипроцессы (рисунок 9).

Рисунок 9 – Классификация процессов плавки литейных сплавов

При монопроцессе все операции производятся в одном плавильном агрегате, при полипроцессе плавка осуществляется последовательно в двух или нескольких плавильных агрегатах.

Особую группу составляют переплавные процессы, т.е. исходный слиток (а не шихта, как обычно) переплавляется в отливку, приобретающую более высокое качество за счет рафинирования металла.

Полипроцессы разделяют на дуплекс и триплекс процессы. При дуплекс процессе используют две печи: одна для расплавления и частичного перегрева, другая для окончательной доводки и выдачи на заливку. В триплекс процессах, кроме двух описанных, используется печь, являющаяся специальным разливочным устройством.

Физическая сущность методов плавки сплавов состоит в переводе кристаллических исходных материалов в жидкое состояние с поглощением теплоты. По принципу генерации теплоты различают процессы в топливных и электрических печах.

Процессы плавки могут быть непрерывными, при которых операция загрузки и выпуска происходят одновременно, и периодические при которых одновременное проведение этих операций невозможно.

а) шахтная (Ш); б) ванная (ВП); в) тигельная (Т); г,д) переплавные (ПрП); и) источников генерации теплоты (К – кокс; Г – газ; Д – электрический дуговой разряд; П – плазменно – дуговой разряд; С – сопротивление спирали; И – индуктор; ИК – индуктор канального типа; СШ – сопротивление слоя шлака; ЭП – электронная пушка)

Рисунок 10 – Технологическая схема основных типов рабочего пространства плавильных печей

Для плавки необходимы два основных элемента: рабочее пространство (рисунок 10) и источник генерации тепловой энергии. При непрерывных процессах используются шахтные печи Ш (рисунок 10а ), при периодических контактных способах – ванная форма ВП (рисунок 10б), при бесконтактных – тигельная Т ( рисунок 10в).

К источникам тепловой энергии (рисунок 10) относятся: К – кокс; Г – газообразное или жидкое топливо; Д – электрический дуговой разряд; П – плазменно – дуговой разряд; С – сопротивление спирали (из нихрома и др.); И – индуктор вокруг тигля; ИК – индуктор канального типа; СШ – сопротивление слоя шлака; ЭП – электронная пушка.

Интенсивными параметрами процесса плавки являются температура и давление. Они зависят от вида сплава и типа плавильного агрегата. Обычно давление газовой фазы при плавке равно атмосферному или несколько превышает его. Температура газовой фазы, жид­кого сплава и шлака играют важную роль в процессе плавки и определяются требуемой температурой, которая для чугуна составляет 1300-1450⁰С, для стали 1500-1650⁰С. Температура газовой фазы и шлака зависит от типа печи: в топливных она выше, чем температура сплава; в электропечах может быть как выше, так и ниже, в частности, в дуговых печах шлаки имеют более высокую температуру, чем в индукционных.