Плавка чугуна в индукционных печах

Футеровка ИТП является одним из основных и ответственных её элементов, определяющих длительность работы и экономичность процесса.

Наиболее часто при изготовлении тиглей применяется сухая набивная масса на основе молотых кварцитов или кварцевых песков с высоким содержанием двуокиси кремния (не менее 97% SiO₂). Спекание сухой набивной массы достигается обычно за счет добавок борной кислоты в количестве 1,5-2 % от массы огнеупорного материала. Достоинство кислой футеровки – невысокая стоимость и хорошая спекаемость.

Грануметрический состав огнеупорной массы следующий: 40-45% крупной фракции (2,5-0,63 мм); 10-20% средней фракции (0,63-0,1 мм) и 40-45% мелкой фракции (до 0,1 мм).

Применяют также нейтральную футеровку, выполненную из глиноземистых и силлиманитовых материалов.

Тигель набивают по металлическому шаблону, который расплавляется при спекании футеровки.

Известны два различных процесса спекания футеровки: с твердой садкой и с жидкой. При спекании с твердой садкой в печь загружают массивные металлические диски, температура в печи доводится за 6-8 часов до 800-900 ˚С. При появлении в тигле жидкого металла, т.е. по мере расплавления дисков, мощность медленно повышают и жидкий металл выдерживают в тигле 1 час. После чего печь готова к эксплуатации.

При спекании футеровки с жидкой садкой печь разогревают газовыми горелками до температуры 800-900 ˚С за 6-8 часов. Затем заливают жидкий металл, разогретый до 1350 ˚С, выдерживают его 20-30 минут. Затем включают печь на малую мощность до достижения рабочей температуры и жидкий металл выдерживают 1 час.

Плавка в индукционных печах ведется, как правило, с загрузкой шихты в жидкий металл, оставшийся от предыдущей плавки. Поэтому нагрев и расплавление шихты связаны с растворением её компонентов в жидком металле, которое сопровождается массопереносом между фазами и поглощением теплоты не только на нагрев, но и на растворение.

Технологический процесс плавки в индукционной печи включает следующие операции: загрузка шихты, нагрев и расплавление её, перегрев, науглероживание и доведение химического состава и температуры до заданных. Во время нагрева и плавления шихты происходит окисление железа:

Кислород воздуха окисляет также примеси железа. Оксиды железа, кремния, марганца образуют шлак. Закись железа окисляет элементы чугуна по реакции:

При плавке чугуна в индукционных печах для восстановления железа из FeO целесообразно расходовать карбюризатор и экономить ферросплавы. Плавку необходимо вести при низком содержании кремния и марганца в расплаве и высоком содержании углерода. Для этого карбюризатор необходимо вводить на дно тигля в завалку, а ферросилиций и ферромарганец – в жидкий чугун после его расплавления и перегрева.

Шлаки индукционной плавки обладают большой вязкостью, т.к. содержат 60-70% SiO₂ и имеют низкую температуру. Их состав связан с режимом плавки, угаром элементов и переходом оксидов из футеровки в шлак. Кислотность шлаков в начале плавки составляет 0,9-1,1 при достижении температуры 1500 ˚С она увеличивается до 6-8, содержание оксидов железа в шлаке уменьшается с 40 до 10%, соответственно увеличивается SiO₂ с 40 до 70%. Увеличение содержания SiO₂ происходит за счет перехода её из футеровки в результате образования сложных соединений типа , имеющих низкую температуру плавления.

Науглероживание металла и доведение его до определенного химического состава является одной из основных операций индукционной плавки чугуна. Корректировку химического состава следует проводить в соответствии с таблицей 7.1.

Таблица 7.1 – Данные для расчета массы добавок для науглероживания жидкого чугуна

Заключительной операцией индукционной плавки является доводка металла, которую проводят с целью гомогенизации расплава и уменьшения вредного влияния наследственности исходных шихтовых материалов. Температурная доводка заключается в выдержке при температуре на 50˚С выше превышающей равновестную температуру тигельной реакции. Длительность выдержки в зависимости от марки чугуна составляет 5-20 мин.