Классификация процессов плавки и методы их осуществления

В зависимости от стадийности все существующие процессы подразделяют на монопроцессы и полипроцессы (рис. 1.2). 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, состоящие в переплаве исходного слитка (а не шихты, как обычно) в отливку, которая благодаря определенным условиям при переплаве приобретает более высокое качество. При этом возможен переплав непосредственно в отливку, т. е. формирование отливки в процессе плавки (непрерывный процесс), или переплав с заливкой в форму, в процессе которой продолжается формирование сплава в тех же специальных условиях, например в вакууме.

Полипроцессы подразделяют на дуплекс-процессы и триплекс-процессы. При дуплекс-процессе используют две печи: одну для расплавления и частичного перегрева, другую (печь ожидания или раздаточная печь) для окончательной доводки и выдачи на заливку. При триплекс-процессе, кроме того, применяют печь, являющуюся специальным разливочным устройством.

Рис. 1.2. – Классификация процессов плавки литейных сплавов.

Наибольшее распространение в литейном производстве получили монопроцессы. Физическая сущность плавки сплавов в литейном производстве состоит в превращении исходных материалов из кристаллического состояния в жидкое, происходящем с поглощением теплоты.

По способу генерации теплоты, необходимой для протекания процесса, различают процессы плавки в топливных и в электрических печах.

Процессы могут быть непрерывными, при которых операции загрузки и выпуска (см. рис. 1.1) происходят одновременно, и периодическими, при которых одновременное проведение этих операций невозможно.

Источник генерации теплоты может находиться в контакте с реагирующими при плавке фазами или быть изолированным от них, в связи с этим различают контактные и бесконтактные методы плавки (см. рис. 1.2). Характерной особенностью бесконтактных методов плавки является наличие холодных шлаков, которые не нагреваются от источника генерации теплоты. Возможно применение в одном плавильном агрегате двух источников генерации теплоты. Эти методы плавки относятся к комбинированным.

Для осуществления метода плавки необходимо два основных элемента, образующих процесс: рабочее пространство и источник генерации тепловой энергии. При непрерывных процессах используется шахтная форма рабочего пространства Ш (рис. 1.3 а), при периодических контактных способах – ванная форма пространства ВП (рис. 1.3 б), а при бесконтактных – тигельная Т (рис. 1.3 в). При переплавных процессах форма рабочего пространства может быть ванной или тигельной, если в нем производят только плавку с последующей заливкой сплава в форму, и представляет собой литейную форму (обычно водоохлаждаемую), если переплав осуществляется в отливку.

Рис. 1.3. – Технологические схемы основных типов рабочего пространства плавильных печей и источников генерации теплоты.

Источниками генерации тепловой энергии могут быть (см. рис. 1.3): К – сжигание твердого топлива (обычно кокса), Г – сжигание газового или жидкого топлива, Д – дуговой разряд, П – плазменно-дуговой разряд, С – сопротивление спирали (из нихрома и т. п.), И – индуктор вокруг тигля, ИК – индуктор канального типа, СШ – сопротивление слоя шлака, ЭП – электронная пушка.

Варианты объединения () типа рабочего пространства и устройства для генерации теплоты позволяют получить следующие основные плавильные агрегаты:

1) топливные: Ш К = В – вагранка, Ш Г = ГВ – газовая вагранка, ВП Г = Пл – пламенные печи (их далее можно разделить на стационарные ПлС, поворотные ПлП и вращающиеся ПлВ), Т Г = ТП – тигельная топливная (газовая) печь;

2) электрические: ВП Д = ДП – дуговая печь (различают дуговые печи с зависимой дугой – ДЗ, когда дуга горит между электродом и металлом, и с независимой дугой – ДН, когда дуга горит между двумя электродами); ВП П = ПП – плазменная печь; ВП С = ПСВ – ванная электропечь сопротивления; Т И = ИТП – индукционная тигельная печь; Т ИК = ИКП – индукционная канальная печь; Т С = = ПСТ – тигельная электропечь сопротивления.

(Символом условно обозначается здесь и далее объединение рабочего пространства печи и устройства для генерации теплоты.)

При объединении двух источников теплоты с одной формой рабочего пространства или двух форм рабочего пространства получим комбинированные плавильные печи. Например, Т И П = ИПП – индукционно-плазменная печь, Ш ВП Г = ШП – шахтно-пламенная печь и т. д.

Объединение различных типов печей реализуется в виде полипроцессов (рис. 1.4). Особое место занимают дуплекс-процессы получения стали в конвертере (К на рис. 1.4). Выплавленный в вагранке чугун заливают в конвертер, где его продувают воздухом или кислородом, в результате чего получают сталь. Это единственный бестопливный агрегат.

Комбинирование устройств для генерации теплоты с переплавными формами рабочего пространства (см. ПрП на рис. 1.3 г, д) реализуется в виде переплавных процессов: ПрП СШ = ЭШП – электрошлаковый переплав, ПрП П = ПДП – плазменно-дуговой переплав. В литейном производстве применяется лишь электрошлаковое литье – ЭШЛ, т. е. ЭШП в форму (водоохлаждаемый кристаллизатор). Другие виды переплавов предполагают наличие вакуума (В): ПрП Д В = ВДП – вакуумно-дуговой переплав, ПРП ЭП В = ЭЛП – электронно-лучевой переплав. К переплавным процессам можно отнести также индукционную плавку в вакууме (ИП В = ИВП).

В соответствии с приведенной классификацией процессов, для каждой группы сплавов существует ряд методов плавки. Например, для плавки чугуна применяют методы ваграночной, индукционной, дуговой плавки; различные методы плавки дуплекс-процессами; методы плавки с применением комбинированных источников генерации теплоты (например, метод индукционно-плазменной плавки).

Рис. 1.4. – Классификация полипроцессов плавки литейных сплавов.