Общая характеристика процесса плавки

Основные понятия и определения.

Плавкой называется процесс переработки материалов, главным образом металлов, в плавильных печах с получением конечного продукта в жидком виде.

Плавкой называют также отдельный разовый цикл процесса плавки, или полученный в результате этого продукт (проведена плавка, выпущена плавка и т. п.).

В литейном производстве термином плавка обозначают весь комплекс физических и химических процессов, связанных с приготовлением сплава, имеющего определенный химический состав и температуру и приемлемые литейные свойства, обеспечивающие получение отливки требуемого качества.

Совокупность физических и химических закономерностей, лежащих в основе процессов, обеспечивающих получение жидкого сплава требуемого качества, определяет метод плавки, связанный с применением определенного вида плавильных печей.

Например, использование для плавки чугуна индукционного нагрева лежит в основе метода индукционной плавки. Ее осуществляют в индукционных печах. Способ плавки при этом может состоять в загрузке шихты в пустой тигель или в остаток жидкого металла, соблюдении определенного режима нагрева, последовательности проведения определенных операций и т. д.

Главной особенностью плавки литейных сплавов является то, что требуемые свойства должны быть получены в отливке сразу, без последующего металлургического передела. Например, сталь, выплавляемая на металлургических заводах, разливается в слитки, которые затем подвергают обработке давлением (третий металлургический передел), а сталь, выплавляемая в литейном производстве, используется непосредственно для получения литой детали с требуемыми свойствами, которые могут быть улучшены термической обработкой, но без металлургического передела.

Плавку литейных сплавов иногда называют вторичной в отличие от первичной плавки, т. е. металлургического процесса получения металлов и сплавов. Для чугуна, например, первичной является доменная плавка, вторичной – плавка в вагранках или электропечах. Исходными материалами для вторичной плавки служат не руды, как в металлургии, а металлы и сплавы, которые являются либо продуктом первичной плавки, либо вторичными металлами. Чистые металлы применяют для изготовления отливок очень редко, поэтому термином металл часто обозначают литейный сплав (жидкий металл, вторичные металлы и т. п.). Вторичными металлами называют металлический лом, но иногда этим же термином обозначают цветные сплавы в чушках, полученные на специализированных предприятиях «Вторцветмета» путем переплава лома цветных металлов.

В плавильный агрегат загружают твердые материалы, а получают жидкий металл или сплав, а также шлак, являющийся побочным продуктом плавки.

Смесь твердых материалов, загружаемых в плавильный агрегат, называют шихтой. Состав шихты, естественно, определяется требуемым составом готового металла или сплава, основой ее являются металлические материалы. Для создания определенных условий формирования сплава в плавильный агрегат загружают также флюсы. Флюсами называют материалы, применяемые в металлургических процессах с целью образования шлака или регулирования его состава.

При плавке многих литейных сплавов присутствует в виде отдельной фазы углерод, который является топливом в вагранке, карбюризатором (науглероживателем) в электропечах, а также футеровкой в некоторых видах плавильных агрегатов.

Во всех процессах плавки участвует газовая фаза, которая формируется из подаваемых газов (например, для горения топлива), продуктов сгорания топлива и взаимодействия других фаз, а также окружающей атмосферы, если плавильная печь не герметизирована. В отдельных случаях плавка проводится в вакууме.

Внутреннее пространство плавильных печей, в котором протекает процесс плавки, ограничено огнеупорной футеровкой, способной выдерживать температуры ~1500...1800°С. Футеровка во время плавки может частично оплавляться, а также вступать в химическое взаимодействие с другими фазами.

При рассмотрении процесса плавки целесообразно применить системный анализ, который представляет собой методологическую основу комплексного подхода при представлении исследуемых объектов как систем и при решении сложных проблем.

При плавке литейных сплавов (рис. 1.1) входом служит шихта (рабочий вход), а также плавильная печь и энергия, являющиеся процессором. Все элементы входа оказывают влияние на протекание самого процесса и на выход.

Процесс, преобразующий вход и выход, состоит из ряда операций (см. рис. 1.1): загрузки шихты в печь, нагрева, плавления, перегрева и доводки, т. е. доведения расплава до заданной температуры; очистки расплава от вредных примесей, называемой рафинированием; доведения содержания составляющих элементов до требуемого количества; накопления определенной массы готового сплава, необходимой для заливки его в литейную форму, и выпуска расплава в разливочный ковш. На выходе основной продукт – жидкий металл или сплав, побочные – жидкий шлак и отходящий газ.

Рис. 1.1. – Схема системного анализа плавки литейных сплавов.

Моделью выхода являются состав, структура и свойства сплава, обеспечиваемые рассматриваемым процессом; поэтому проверка соответствия производится путем сравнения этих параметров с нормативными критериями, обусловленными ГОСТами, техническими условиями (ТУ), стандартами предприятия (СТП) и инструкциями. Например, чугун СЧ 20 должен иметь σ_в > 196 МПа и в зависимости от толщины стенок и других условий охлаждения определенный химический состав и т. д.