Исследование и разработка технологии плавки алюминиевых сплавов в луговых печах постоянного тока с целью металлосбережения, экономии энергозатрат и улучшения качества выплавляемых сплавов

Развитие плавильной техники и технологии плавки алюминиевых сплавов способствует ускорению научно-технического прогресса, повышению эффективности производства, росту производительности труда, улучшению качества выпускаемой продукции.

Важнейшими проблемами выплавки алюминиевых сплавов на современном этапе с позиций ресурсосбережения являются:

— сокращение безвозвратных потерь металла;

— экономия энергетических затрат;

— повышение производительности труда;

— сокращение до минимума вредных выбросов в атмосферу, что исключает потребность в дорогостоящем оборудовании для дымоочистки.

В настоящее время наиболее широкое распространение для плавки алюминиевых сплавов получили пламенные отражательные и индукционные печи. Отличительная особенность печей, используемых в заготовительном и фаон-нолитейном производстве, это их емкость и производительность. Если в заготовительном производстве применяются печи емкостью до 120 т и производительностью до 25т/час, то в фасоннолитейном производстве их емкость составляет 0,5 — 30 т, а производительность достигает ~1 От/час. Печи большей емкости и производительности применяются в литейных цехах крупносерийного производства с ограниченной номенклатурой используемых сплавов.

Характерной особенностью пламенных печей является то, что их емкость и производительность не связаны с какими-либо ограничениями. В связи с этим наибольшее распространение они получили в цехах крупносерийного и массового производства.

К недостаткам пламенных отражательных печей следует отнести:

— большие капитальные затраты при их строительстве, включая строительство газопровода или мазутохранилища, подъездных путей, систем дымоочисткизначительное выделение тепла и продуктов сгораниявозможные выбросы металла при загрузке в печь влажной шихтынизкая стойкость подин из-за значительных ударных нагрузок при завалке шихты и резких теплосмен;

— безвозвратные потери металла до 1,5 — 2% - высокая насыщенность сплава газами и неметаллическими включениями.

Разработанные, на базе пламенных отражательных печей — шахтные, имеют лучшие технико-экономические показатели. Они более удобны в эксплуатации в части загрузки шихты и возможности использования влажной шихты. Вместе с тем шахтные печи имеют следующие недостатки:

— повышенное содержание в сплаве газовых и неметаллических включений, что свойственно пламенным отражательным печам;

— необходимость организации работы печи в непрерывном режиме;

— сложность конструкции плавильных агрегатов по сравнению с обычными пламенными отражательными печами.

Отражательные электрические печи, по сравнению с пламенными, имеют ограниченное применение. Они не отвечают современным требованиям, как по производительности, так и по уровню механизации. Преимущество электрических отражательных печей в том, что они чистые в экологическом отношении и не требуют установки системы дымоочистки, имеют меньшие безвозвратные потери, более высокий КПД. Выплавляемые в них сплавы отличаются более высоким качеством в связи с меньшим содержанием газа и неметаллических включений. Учитывая невысокую производительность, незначительный угар и более высокое качество выплавляемых сплавов, эти печи часто используются в качестве миксеров, так как для поддержания заданной температуры не требуется большая тепловая мощность и производительность.

Индукционные тигельные печи промышленной частоты в заготовительном производстве используются, в основном, для переплава отходов алюминия и его сплавов, что связано с низким качеством выплавляемых в них сплавов в результате его интенсивного перемешивания в процессе плавки и активного насыщения газовыми и неметаллическими включениями. В фасоннолитейном производстве, там, где не предъявляют высоких требований к качеству сплавов, индукционные тигельные печи промышленной частоты, ввиду их простоты и надежности применяют значительно чаще. С целью повышения качества сплавов, выплавляемых в индукционных тигельных печах, процесс плавки часто ведется с неполным сливом металла (с подплавкой). Но это приводит к сокращению емкости печи и ее производительности.

Индукционные канальные печи на современном этапе являются одними из наиболее совершенных плавильных агрегатов. Они находят широкое применение, как в заготовительном, так и литейном производстве. За счет спокойного зеркала металла и его магнитогидродинамического перемешивания выплавляемые сплавы имеют достаточно высокое качество и удовлетворяют всем требованиям производства. К недостаткам этих печей можно отнести:

— быстрое зарастание каналов;

— необходимость их периодической чистки;

— довольно частые футеровки и перефутеровки;

— вынужденное ограничение мощности печи с целью уменьшения зарастания каналов;

— образование пинч-эффекта — разрывов металла в каналах.

Отмеченные недостатки канальных печей в ряде случаев создают экономически невыгодные условия для их использования.

Краткое рассмотрение наиболее широко используемых печей в заготовительном и фасоннолитейном производстве для приготовления алюминиевых сплавов показывает, что усилия исследователей в основном направлены на совершенствование существующих плавильных агрегатов, а принципиально новых технологических решений не просматривается.

Следует отметить, что в настоящее время в нашей стране и за рубежом все большее внимание в технологии машиностроения уделяется вопросам использования высокоэнергетических источников, которые позволяют на их основе создавать новые высокоэффективные технологические процессы. Одним из таких процессов является плавка алюминиевых сплавов дугой постоянного тока или плазменно-дуговая плавка.

Данная принципиально новая технология плавки может обеспечить:

— резкое повышение производительности плавильных агрегатов;

— минимальные безвозвратные потери металла;

— высокую мобильность процесса;

— повышение качества выплавляемых сплавов;

— улучшение экологических условий.

В настоящее время дуговые печи на постоянном токе для выплавки высококачественных сталей и спецсплавов получают все большее распространение, как в нашей стране, так и за рубежом. Данные печи вобрали в себя весь положительный опыт эксплуатации дуговых сталеплавильных печей на переменном токе, которые являются самыми надежными и отработанными плавильными агрегатами как в конструктивном, так и технологическом отношении[88−91].

Использование дуговых печей для плавки алюминиевых сплавов открывает дополнительные возможности в развитии принципиально новых технологий приготовления легких сплавов. Реализация данной технологии возможна при условии получения ответа на ряд вопросов, связанных с влиянием высокотемпературной дуги постоянного тока на возможное изменение химического состава, структуры и свойств алюминиевых сплавов.

Необходима разработка и создание надежного в эксплуатации плавильного агрегата, который сможет обеспечить наиболее эффективный способ ведения плазменно-дуговой плавки с минимальным уровнем безвозвратных потерь металла. Решению данных проблем и посвящена настоящая диссертационная работа.

Выводы.

1. На основании теоретического анализа и экспериментального изучения кинетики процесса плавки алюминиевых сплавов дугой постоянного тока предложен новый метод приготовления алюминиевых сплавов в дуговых печах постоянного тока.

Установлено, что при плавке алюминиевых сплавов дугой постоянного тока куски шихты ведут себя как теплотехнически «толстые» тела, поэтому при интенсивной скорости нагрева с высоким градиентом температуры по толщине каждого нагреваемого куска шихты нагрев, расплавление и перегрев расплава до заданной температуры протекают одновременно.

Показано, что взаимодействие газовой среды печного пространства с алюминиевыми сплавами при горении дуги с графитового электрода незначительно. Активного перемешивания в поверхностных слоях расплава не наблюдается, что способствует получению сплавов с низким содержанием неметаллических включений 0,02 0,11 мм2/см2 и водорода 0,07 0,12см7 100г.

2. Изучено влияние параметров на процесс плавки алюминиевых сплавов дугой постоянного тока.

Установлено, что с увеличением силы тока возрастает скорость конвективных потоков печной атмосферы, перемещающихся за счет силы давления вдоль зоны дугового шнура и передающих металлу энергию отработанной плазмы, которая при выходе из дуги, растекаясь по поверхности металла, взаимодействует с ним и нагревает его.

Показано, что стабилизация дуги в процессе плавки обеспечивается разогревом катода и печного пространства, оптимальным подбором наружного и внутреннего диаметров катода и плотностью рабочего тока на нем от 100 до 150 А/см", подачей аргона через внутреннее отверстие катода в начальный период плавки. Стабилизация дуги уменьшает более чем в 8 раз расход аргона и в 3,5 раза эрозию графитового катода.

3. Изучено влияние плавки алюминиевых сплавов дугой постоянного тока на потери легколетучих компонентов. Дуга, перемещаясь со скоростью 30 -150 м/сек в виде диффузионного столба, нагревает металл, который в зоне контакта с ней быстро расплавляется и стекает в нижележащие слои шихты, передавая им тепло перегрева. При этом процесс испарения легколетучих компо- / нентов сплава ограничен, так как пары металлов, попадая в дугу, снова возвращаются к поверхности расплава.

4. Исследован процесс газопоглощения алюминиевым расплавом при дуговой плавке в печах постоянного тока.

Установлено, что поток «отработанной» плазмы, практически не содержащий водорода и кислорода, растекаясь по поверхности расплавленного металла, защищает его от печной атмосферы. При горении дуги на жидкую ванну происходит нагрев расплава в зоне контакта с дугой и направленное его движение от пятна привязки диффузионного столба к периферии, где расплав охлаждаясь, отдает водород в граничащие с ним более горячие слои отработанной плазмы, очищая, при этом, металл.

5. Исследовано влияние плавки дугой постоянного тока на качество выплавляемых алюминиевых сплавов АК7ч, АМгблч, АЦ4Мг. Показано, что она позволяет получать алюминиевые сплавы высокого качества, пригодные для изготовления высокогерметичного литья за счет низкого содержания водорода.

3 2 2 в среднем 0,09 см /ЮОг и неметаллических включений 0,06 мм /см по технологической пробе.

Установлено, что плавка дугой постоянного тока практически не вызывает изменений типовых структур сплавов и обеспечивает более высокий уровень их механических свойств, ав увеличивается на 15−20%, удлинение в 1,5−2 раза и НВ на 40 — 50%.

Использование метода плавки алюминиевых сплавов дутой постоянного тока рекомендуется для любых видов заготовительных и фасоннолитейных производств.

Особенно целесообразно использовать его для изготовления деталей ответственного назначения, к которым предъявляются повышенные требования по герметичности и механическим свойствам.

6. Опыт промышленного освоения дуговых печей постоянного тока емкостью 0,5 т показал, что реализуемая в них технология имеет ряд неоспори.

140 мых преимуществ: в удельном расходе электроэнергии — 410 — 430 кВт. час/т, уровне безвозвратных потерь в среднем 0,4%, высокой мобильности процесса, что позволяет в любой момент остановить печь и снова запустить ее в работу, разовой завалке шихты и коротком времени плавки, что коренным образом улучшает организацию плавильных работ и позволяет одному рабочему обслуживать две печи.

Высокая герметичность печи, обеспечивающая отсутствие выбросов вредных примесей, исключает необходимость создания дополнительных устройств по их очистке.

7. Экономический эффект в 1999 г. от внедрения на предприятии ОАО КЭМЗ плавки алюминиевых сплавов дугой постоянного тока в литейном цехе, изготавливающем заготовки методом литья под давлением, в кокиль и под низким давлением, составил 1 389 000 руб. за счет уменьшения брака литья на 30−35% после механической обработки, снижения трудоемкости на 4,1 н. час/т, экономии электроэнергии на 20% и материалов на 24,8 руб/т, экономя за счет снижения угара металла — 409 500 руб.