книги из ГПНТБ / Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов

ход. К числу таких факторов относятся термические напряжения, связанные с неравномерным распределением температуры по длине и сечению электрода. В электрической дуге происходит возгонка, и частицы углерода переносятся в металл, что, с одной стороны, спо­ собствует стабилизации дуги, а с другой, ускоряет разрушение элек­ трода.

Заметное разрушение электродов происходит за счет капель ме­ талла и шлака, попадающих на его поверхность. Особенно этот про­ цесс получает развитие при близком расположении электродов к по­ верхности ванны, что соответствует режиму при минимальном на­ пряжении. И, конечно, недопустимо науглероживание металла путем опускания электродов в ванну.

Около 70% общего расхода электродов приходится на окисление. Поэтому большое значение для повышения стойкости электродов приобретает создание хорошего уплотнения между электродом и сво­ дом. Излишнее использование кислорода, особенно при плохом усвое­ нии его металлом, увеличивает расход электродов.

На расход электродов оказывает влияние, кроме перечисленных, и другие факторы: тип процесса, длительность плавления, сорта­ мент выплавляемых сталей, емкость печи и т. д. Причиной облома электродов может быть плохая центровка электрододержателей, пло­ хой контакт в ниппельном соединении, неправильная завалка шихты и ее обвалы и т. п.

Необходимо всемерно стремиться к снижению расхода электро­ дов, так как их доля в общей стоимости передела составляет замет­ ную величину. Расход электродов колеблется в пределах 4—8 кг на 1 т выплавляемой стали. Нижний предел характерен для крупнотоннажных печей при выплавке углеродистых марок стали.

В случае применения самоспекающихся электродов транспорти­ рование и хранение электродной массы должно производиться в усло­ виях, исключающих возможность ее загрязнения. Набивку кожухов электродной массой производят без отключения печи, причем масса загружается как в твердом, в виде кусков размером не более 200 мм, так и в жидком состоянии. Набивка должна производиться не реже одного раза в сутки. Электрод сверху должен быть закрыт крышкой во избежание попадания в кожух пыли, что может привести к об­ лому электрода в дальнейшем.

Для обеспечения надлежащих условий обжига самоспекающегося электрода наиболее целесообразным является автоматический не­ прерывный перепуск его по заданной программе. При отсутствии такого устройства перепуск электродов следует производить еже­ сменно. Промежуток между перепусками должен быть не более 6 ч. Величина перепуска колеблется от 100 до 250 мм в зависимости от диаметра электрода, плотности тока в нем и технологических особен­ ностей процесса.

Для улучшения условий обжига электрода закрытой печи при­ меняют набивку кожуха расплавленной электродной массой, об­ дувку кожуха горячим воздухом, повышение температуры воды для охлаждения щек до 60° С и т. п. Показателями нормального хода

91

обжига служат темный, без накаленных участков кожух, отсутствие вздутий на нем. Покраснение кожуха, вытекание массы и бурное газовыделение являются признаками чрезмерной нагрузки; в этом слу­ чае нагрузку нужно немедленно снизить.

Г Л А В А VIII

ИНДУКЦИОННЫЕ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫЕ ПЕЧИ

1.ХАРАКТЕРИСТИКА ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ

Виндукционных электропечах переменный электрический ток подводится к индуктору, который представляет собой первичную обмотку. В металле, являющемся вторичной обмоткой, индуцируется переменный ток, в результате чего выделяется тепло.

Индукционные печи имеют ряд неоспоримых преимуществ перед открытыми дуговыми электропечами.

1.Возможность ведения плавки в любой контролируемой атмо­

сфере (окислительной, восстановительной и нейтральной), а также

ввакууме.

2.Возможность переплава металла практически без потерь окис­ ляющихся примесей: хрома, ванадия и т. д. при высокой производи­ тельности и высоком электрическом к. п. д. печи.

3.Большая однородность металла по химическому составу и температуре, связанная с энергичным электродинамическим пере­ мешиванием его.

4.Отсутствие электрических дуг и высокотемпературного пла­ мени, как источников атомарного водорода и азота, легко поглощае­ мых расплавленным металлом, что позволяет получать металл с низ­ ким содержанием газов.

5.Возможность высокой автоматизации ведения процесса при точном регулировании температуры жидкого металла.

талла. Это обстоятельство, учитывая большую вязкость шлака, за­ трудняет проведение процессов по удалению из металла вредных и избыточных примесей.

2.Высокая стоимость передела, связанная прежде всего с низкой стойкостью футеровки печи и отчасти с ограниченной емкостью индукционной печи.

3.Высокая стоимость электрического оборудования.

Индукционные печи делятся на печи с железным сердечником и без сердечника. Первый тип печи (с железным сердечником) при­ меняется преимущественно для плавки цветных металлов и их сплавов, а также иногда для подогрева чугуна в литейном производ­ стве. В производстве стали получили распространение индукцион­ ные печи без железного сердечника.

92

2. ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ С ЖЕЛЕЗНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

Среди индукционных электропечей с железным сердечником наи­ большее распространение получили печи с закрытым «горизонталь­ ным» каналом (рис. 37). Вторичной обмоткой трансформатора в этих печах является металл, заполняющий узкий кольцевой канал 3.

Крупными недостатками печей с горизонтальным закрытым ка­ налом является низкая стойкость узкого канала в связи с высокой температурой и интенсивным движением металла в нем, а также не­ обходимость оставлять часть металла (не менее 10—15%) в пейи во время выпуска, чтобы обеспечить замкнутую вторичную катушку в начале следующей плавки.

3. ИНДУКЦИОННЫЕ ПЕЧИ БЕЗ ЖЕЛЕЗНОГО СЕРДЕЧНИКА

Принцип работы. В индукционной печи без железного сердечника тигель с металлом размещается в индукционной катушке, к которой подводится переменный ток. Магнитные силовые линии при такой конструкции замыкаются частично через воздух, представляющий

93

большое электрическое сопротивление для прохождения силовых

увеличивая число витков индуктора, либо применяя ток большой частоты. Возможности увеличения числа витков, а следовательно, и относительной высоты тигля с металлом ограничены. Поэтому основ­ ным направлением повышения э. д. с. индукции является увеличение частоты тока. При этом для каждой емкости печи и сопротивления шихты имеется своя оптимальная частота тока, обеспечивающая максимальный коэффициент полезного действия печи. '

Минимальное значение частоты тока может быть подсчитано по

где р — удельное сопротивление жидкого металла, Ом/см; d — внутренний диаметр тигля, см.

Наводимый в шихте ток имеет максимальное значение вблизи ее поверхности. Это так называемый поверхностный эффект. Поэтому тепло преимущественно выделяется только в поверхностном слое шихты, и ее плавление начинается также с поверхности.

С увеличением частоты тока и магнитной проницаемости металла глубина проникновения магнитного потока уменьшается, т. е. воз­ растает поверхностный эффект. В то же время с увеличением удель­ ного сопротивления металла глубина проникновения тока увеличи­ вается. Глубина проникновения в твердой стали при частоте тока 10 000 Гц составляет всего 0,015 см, а в жидкой стали при той же частоте тока 0,47 см. В связи с небольшой глубиной проникновения тока в твердом металле для ускорения плавления целесообразно шихту загружать в мелких кусках.

Из электротехники известно, что при наличии в цепи индукцион­ ной катушки (индуктивного сопротивления) наблюдается сдвиг фаз

где k — ^ 1 коэффициент, называемый коэффициентом мощности. Для синусоидальных токов, т. е. токов, характер изменения

которых протекает по синусоидальному закону и которые получили наибольшее распространение в промышленности, коэффициент мощ­ ности равен k = cos ср, где cp — угол сдвига фаз между током в цепи

94

и напряжением. С другой стороны, угол <р определяет соотношение между активным и полным сопротивлением цепи, т. е.

последовательном электрическом резонансе, т. е. при равенстве ин­ дуктивного и емкостного сопротивления.

Для того чтобы достичь на индукционной печи явления резонанса, в электрическую цепь включают батарею конденсаторов, емкость которых должна быть тем больше, чем меньше частота тока. Однако стоимость одной микрофарады при повышенной частоте тока будет больше, чем при низкой, так как с увеличением частоты тока воз­ растают реактивные токи, приводящие к интенсивному нагреву кон­ денсаторов, а следовательно, и к повышенным потерям в них.

В индукционной печи без железного сердечника индуктор и рас­ плавленный металл представляет собой два концентрически распо­ ложенных проводника. Ток по этим проводникам течет в разных направлениях, проводники при этом отталкиваются, что приводит к поднятию уровня металла в средней части тигля. Это так назы­ ваемый спин-эффект. При таком вздутии металла в центре ванны шлак стекает к стенкам тигля. Для покрытия металла шлаком не­ обходимо увеличивать его количество, что в свою очередь отрица­ тельно влияет на стойкость футеровки тигля.

Устройство индукционной печи. Электрическая схема индукцион­ ной печи без железного сердечника представлена на рис. 38. Пере­ менный ток высокой частоты подводится через выключатель к ин­ дуктору от генератора. В цепь включены две группы конденсаторов. Одна из них (5) подключена постоянно, другая (4) подключается периодически, позволяя подключать емкость, необходимую для со­ здания резонанса в каждый данный момент плавки. Обычно от одного генератора попеременно питаются две печи (индуктора).

В качестве источника тока высокой частоты на промышленных установках используют машинные генераторы. Верхний предел ча­ стот, обеспечиваемый машинным генератором, составляет 10 000 Гц. К. и. д. машинного генератора при частоте тока 500 Гц составляет около 85%, при частоте тока выше 500 Гц — около 80%.

Для лабораторных индукционных печей емкостью в несколько

95

сотен тысяч герц). В этом случае в качестве генератора высокой частоты применяют ламповый генератор с ртутным или с вра­ щающимся искровым разрядником. Подобные генераторы исполь­ зуют и в тех случаях, когда плавят металл с различной магнитной проводимостью и требуется менять частоту тока в больших пределах. Ламповый генератор при частотах выше 10 000 Гц имеет к. п. д. в пределах 70—80%, при искровом разряднике и при тех же частотах к. п. д. значительно меньше (30—40%).

На крупных промышленных печах емкостью в несколько сот килограмм ча­ стота тока составляет 100—150 Гц. По­ добная частота может быть получена удвоением или утроением нормальной ча-

if

стоты при помощи трансформаторов с разным числом витков, соеди­ ненных по специальной схеме. На крупных печах емкостью несколько тонн может быть применен ток и с нормальной частотой

(50 Гц).

В индукционных печах применяют электрические конденсаторы, которые собирают в секции и оборудуют масляным охлаждением. Индуктор выполняется из медной трубки, охлаждаемой водой (рис. 39). В крупных печах вода в индуктор поступает благодаря создаваемому в трубках разрежению, что делается для большей безопасности на случай прорыва металла через стенку тигля и рас­ плавления индуктора.

Для обеспечения равномерного охлаждения индуктор делится на 2—4 секции с самостоятельным подводом воды. Температура воды на выходе должна быть не выше 30—40° С. При более низкой тем­ пературе индуктор отпотевает и возможно его замыкание, а при более высокой температуре на поверхности индуктора из-за кипения воды может образоваться накипь.

96

Между витками индуктора прокладывают керамические изоляторы, а от тигля индуктор изолируется миканитом (технической слю­ дой) и асбестовыми листами. Индуктор перед изготовлением футе­ ровки может быть также изолирован алебастром (30%) и кварцевой мукой (70%), замешанными на воде до консистенции тестообразной массы, а также тальком (70%) на спиртовом бакелитовом лаке (30%) и т. д. К виткам индуктора приварены болты, крепящие индуктор к стойкам каркаса, выполненным из дерева, текстолита или асбо­ цемента. Внутри индуктора размещен тигель. Сверху индуктор огра­

Для изготовления каркаса^печи необходимо применять немагнит­ ный материал, так как в противном случае магнитным потоком рассеивания наводятся большие вихревые токи, приводящие к силь­ ному нагреву каркаса. Поэтому для больших печей делаются кар­ касы из немагнитной стали, а каркасы печей небольшой емкости выполняются из деревянных брусков, скрепленных латунными уголками.

В случае, если каркас электропечи изготовлен из углеродистой стали, он должен быть защищен от вихревых токов магнитным экра­ ном. Таким экраном может служить медный лист, покрывающий внут­ реннюю поверхность железного кожуха, или железный магнитопровод, собранный из пакетов' трансформаторной стали, которые рас­ полагают вокруг индуктора. Железный магнитопровод дешевле, чем медный экран. В магнитном экране вихревые токи создают магнитное поле, обратное по направлению основному полю,

К каркасу печи крепятся стойки с индуктором, нижняя и верх­ няя керамические плиты. Нижняя (подовая) плита выполнена из одного или нескольких шамотовых блоков, имеющих отверстия для латунных болтов и скоб, скрепляющих блоки с уголками каркаса или деревянной рамой основания. На подовой плите устанавливают индуктор и крепят стойки. В верхней плите имеется отверстие под индуктор. Для слива металла из тигля печь оборудуется механизмом наклона.

4. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Для создания вакуума в вакуумных печах применяют вакуумные насосы. По принципу работы их можно разделить на механические и пароструйные.

Механические насосы. В пластинчатых механических насосах внутри кожуха размещается эксцентрически расположенный ротор с пластинами (рис. 40, а). К поверхности кожуха пластины прижи­ маются пружинами. Захватываемый из всасывающего отверстия газ сжимается и выбрасывается в выхлопное отверстие. Имеются также плунжерные и роторные механические насосы, отличающиеся конструкцией ротора и механизмом захвата газа. Производительность механических насосов составляет сотни и тысячи литров в минуту.

(рис. 40, б ). Откачиваемый газ поступает в рабочую камеру через всасывающий патрубок. Газ захватывается струей пара. На стенках рабочей камеры пар конденсируется, и конденсат по сливному трубо­ проводу возвращается в кипятильник для получения пара; откачи­ ваемый газ выбрасывается в выхлопной патрубок.

В зависимости от характера истечения паровой струи пароструй­ ные насосы делятся на эжекторные, бустерные и высоковакуумные, снижающие давление соответственно до 1; 0,01 и 10“5 Н/м2 (10-2; 10"4 и 1СГ7 мм рт. ст.). В качестве рабочей жидкости для образова­ ния пара используется масло, а в высоковакуумных также ртуть.

Эжекторные насосы могут быть пароводяными. В пароводяных насосах пар из выхлопного патрубка выбрасывается в атмосферу.

В эжекторных насосах плотность струи пара высокая и в связи с его турбулентным истечением из сопла он увлекает газ из отсасы­ ваемого пространства. В высоковакуумных насосах плотность струи пара небольшая, и отсасываемый газ диффундирует из отсасывае­ мого пространства в пар и увлекается последним. Следовательно, в высоковакуумных насосах действует принцип диффузионного за­ хвата. В бустерных насосах для обеспечения диффузионного захвата плотность пара изменяется в зависимости от давления откачивае­ мого газа: при высоких давлениях струя должна быть плотной, при низких давлениях — разреженной.

98

На рис. 41 представлена схема полунепрерывной вакуумной печи ОКБ-571Б, нашедшей широкое распространение на отечественных заводах. Печь состоит из камер плавления, загрузки и изложниц. Камера загрузки оборудована шлюзовой камерой, расположенной над плавильной и отделяемой от нее вакуумным затвором. Подобная конструкция позволяет производить загрузку печи без нарушения вакуума. Перед очередной плавкой в камеру загрузки подвешивается загрузочная корзина с шихтой, дно которой выполнено из отдельных металлических лепестков, скрепленных проволокой из легкоплав­ кого металла. При опускании корзины в тигель проволока плавится,

и шихта высыпается в тигель.

сов (ВН-6Г) и трех бустерных (БН-4500), обеспечивающих остаточ­ ное давление в плавильной камере 0,65 Н/м2 (5 1СГ3 мм рт. ст.). Продолжительность всего цикла составляет 3,5 ч при средней произ­ водительности печи 170 кг/ч. Печь обслуживается генератором мощ­ ностью 250 кВА с частотой 200 Гц. Печь полностью автоматизирована. Все приборы контроля и управления смонтированы на одном щите, там же имеется световая схема вакуумной системы.

Самой большой из работающих вакуумных индукционных печей в последние годы являлась печь фирмы «Латроб стал» (США), имею­ щая емкость до 27 т и работающая как на твердой, так и жидкой за­ валке. Плавильная камера печи — цилиндрической формы, диа­ метром 6,6 м и высотой 7,2 м. Камера изложниц имеет длину 26,4, ширину "2,4 и высоту 6,2 м. В ней устанавливают три тележки с из­ ложницами высотой по 4,5 м. Тележки имеют платформы на разных уровнях, что позволяет устанавливать изложницы различных раз­

100