догрева шлака [Л. 3] или использования специальн! низкотемпературных шлаков [Л. 4]. Вакуумное рафиш рование металла проводят в индукционных печах ts тельного типа. Сделаны попытки обработки металл в неглубоком вакууме [(6,65-=-13,3) 10 Па] также в печах канального типа. Результаты промышленных ис следований [Л. 5] показали эффективность этого те? нологического процесса {см. § 2).

Потребность в сплавах высокой чистоты, в сплавах щ основе химически активных металлов и тугоплавки] сплавах, плавка которых в керамической футеровки практически невозможна, привела к разработке и вне дрению ряда методов плавки и соответствующих типо печей с водоохлаждаемыми тиглями (вакуумных дуго] вых, электронно-лучевых, электрошлаковых, плазмен ных), в том числе в гарниссажном исполнении.

Однако во многих производственных процессах вс сумма технологических требований не удовлетворяете* в полной мере ни при одном из известных методов плав ки. Это привело к практике двойных и тройных перепла] BOB металла последовательно в электропечах различны;! типов, что усложняет производственный цикл и не всегдг полностью решает задачу. Поэтому как в СССР, так ij за рубежом с целью совершенствования плавки чистых] химически активных и тугоплавких металлов и сплавов! пытаются создать методы плавки без соприкосновения! расплара с футеровкой, обладающие новыми сочетания-! ми технологических свойств. Такие попытки, основан-} ные на использовании переменных электромагнитных] полей, рассматриваются в гл. 2 и 3. Распространение но-i вых методов еще весьма ограничено, многие из них пред- ставлены лишь несколькими опытными экземплярами, и дать надежную оценку областям их будущего прймене-1 ния невозможно. Тем не менее, учитывая актуальность поставленной задачи, рассмотрение этих методов является целесообразным.

Существенной особеностью современного периода развития технологии плавки является необходимость учета влияния магнитогидродинамических режимов расплавг на качественные и технико-экономические показатели про-! цесса. Так, максимально допустимые скорости движе- ния металла определяют выбор удельной мощности пе- чей промышленной частоты. Кроме того, скорость движения расплава часто решающим образом влияет на го-

уогбнность, количество нбмеТалличёскйх вкЛючёшк, М-насыщенность и другие показатели качества конечного-оодукта плавки. Длительность многих технологических операций (вакуумное рафинирование, растворение на-углероживателя при плавке синтетического чугуна и др.) также сильно зависит от движения металла. Новые методы плавки либо целиком основаны на магнитогидродинамических явлениях (плавка во взвешенном состоянии, удержание расплава силами магнитного поля на опоре и пр.), либо существенно зависят от этих явлений. Поэтому в последние годы уделяется особое внимание изучению магнитогидродинамических явлений в расплаве и разработке методов управления ими. Некоторые результаты работ в этой области изложены ниже.

Успехи в области управляемого силового воздействия магнитного поля на расплав, достигнутые при индукционной плавке, послужили толчком к использованию аналогичных средств воздействия также и при других методах плавки [Л. 6].

В стабилизировавшихся видах индукционной плавки проявляются следующие основные технические тенденции: продолжается рост максимальных емкостей печей и увеличение удельных мощностей (в ряде серий печей эти показатели уже приближаются к расчетному экономическому оптимуму); интенсифицируется процесс плавления и обработки расплава, в первую очередь за счет управления магнитогидродинамическим режимом; конструкции печей максимально приспосабливаются к особенностям конкретных технологических процессов; увеличиваются механизация и автоматизация процессов. По мере уточнения технологии определилось различие требований к тепловым * гидродинамическим режимам в отдельные периоды цикла плавки. Это (наряду с энергетическими соображениями) привело к выполнению плавильных установок по агрегатному принципу, в том числе из разнотипных печей.

Одновременно действует и общая для всех энергоемких процессов тенденция повышения к. п. д. оборудования н коэффициента его использования. Последнее, в частности, явилось одной из главных причин, вызвавших тенденцию введения полунепрерывных и непрерывных процессов индукционной плавки (см. гл. 1 и 2).

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ИНДУКЦИОННАЯ ПЛАВКА В ПЕЧИ С ФУТЕРОВАННОЙ ВАННОЙ

1. плавка в тигельных печах

А. Построение рабочего процесса в тигельных печах

Характер технологических процессов, выполняемых в ИТП, чрезвычайно разнообразен: от металлургического-приготовление сплава заданного состава, до чисто литейного - раздача готового сплава в литейные формы.

Процесс в ИТП ведут обычно либо в периодическом режиме, при котором после окончания обработки расплава в тигле весь металл выливается из него, либо в полунепрерывном, при котором по окончании рабочего цикла часть расплава не сливается и следующий цикл начинается с загрузки шихты в жидкую ванну, оставшуюся от предыдущего цикла (так называемое болото ). Первоначально плавка с болотом применялась главным образом в печах промышленной частоты при относительно мелкой шихте, расплавление которой в пусто тигле затруднено. Однако в дальнейшем определилс* ряд других преимуществ полунепрерывного процесса плавки, в связи с чем выявилась тенденция к более ши- рокому применению этого процесса и увеличению дол! металла, оставляемого в болоте . К числу этих прен муществ относятся равномерная выдача металла относи тельно малыми порциями, выравнивание состава сливае мого сплава за счет буферного действия болота и па стоянный тепловой режим футеровки, что значительнс уменьшает ее износ. При плавке в печах с большой удельной мощностью в случае высокого уровня болота! уменьшаются нежелательные электродинамические эф фекты на поверхности расплава. В связи с изложенны!, псе больше распространяется плавка в крупных печа 10

с поддержанием болота на уровне 65-90% номинальной емкости тигля.

К недостаткам полунепрерывного процесса относится увеличение доли времени, расходуемого на операции загрузки и разгрузки печи, в общей длительности цикла плавки. Активная корректировка состава ванны при неоднородном составе шихты значительно сложнее, чем при периодическом процессе. Смена марки сплава в процессе работы печи без нарушения полунепрерывного цикла обычно невозможна. Однако опыт эксплуатации печей 60 т фирмы Броуи-Бовери в описанном режиме показал, что при работе с неизменным составом шихты и механизации всех технологических операций удается работать без отключения печи (с регулированием мощности), причем, экономические показатели процесса могут быть очень высокими (коэффициент использования мощности-до 90%).

В 1969 г. в США был впервые опробован технологический процесс непрерывной плавки чугуна, при котором подача шихты производилась непрерывно в загрузочное отверстие горизонтальной проходной печи, а слив металла происходил также непрерывно из ее сливного отверстия [Л. 8]. Непрерывный процесс плавки обладает теми же основными технологическими качествами, что и полунепрерывный, однако энергетически более выгоден, так как отсутствует недоиспользование мощности в период загрузки и слива металла.

Характерным для построения современных производственных процессов плавки при больших масштабах производства является распределение отдельных операций обработки металла между различными печами - создание дуплекс-продессов .с переливом жидкого металла из одной печи в другую. Такие процессы осуществляются обычно либо с использованием ИТП в качестве плавильного звена, а ИКП - в качестве доводочного или миксера, либо с использованием вагранки или открытой дуговой электропечи в качестве плавильного звена, а ИТП или ИКП - в качестве миксера. Для производства чу> гунных отливок используется также дуплекс-процесс с доводкой доменного чугуна (заливаемого в жидком виде) в ИТП. Преимуществом процесса с операциями, разнесенными по разным печам, является возможность проведения каждой операции в наиболее оптимальных для нее технологических и энергетических условиях.

Технологический процесс плавки в ряде случаев трс, бует от ИТП, помимо тепловых, также и ряда другие физико-химических воздействий на садку, что во многол определяет конструкцию печей. К- таким воздействия! относятся создание вакуума или повышенного давлени5 при различном составе атмосферы, обработка шлаками,* заданное или регулируемое перемешивание металла, управляемая, в том числе закрытая, выдача расплава из печи.

Наиболее массовым из процессов, выполняемых в ИТП, является выплавка синтетического чугуна из вторичной шихты. Для получения высококачественного чугуна печь должна обеспечивать проведение процесса по определенному температурному графт<у в сочетании с графиком подачи шихты, а также определенный режим движения металла, оказывающий существенное влияние на темп плавления шихты (особенное малой объемной плотностью), процесс науглероживания, газонасыщекность металла, количество неметаллических включений, износ футеровки.

Значительное распространение имеет плавка в индукционных печах алюминиевых сплавов. Главной особенностью этого процесса является чувствительность к режиму движения на зеркале ванны, который определяет целостность окисной пленки, защищающей металл от дальнейшего окисления и насыщения газами. При разрывах и замешивании пленки в расплав для получения металла высокого качества необходимы трудоемкие и энергоемкие дополнительные операции рафинирования металла. До последнего времени ИТП для плавки алюминиевых сплавов работали, как правило, на промышленной частоте, что обеспечивало высокие экономические показатели. Однако с повышением требований к качеству металла н ростом удельных мощностей, а следовательно, и скоростей движения металла возникло противоречие между требованиями технологии и экономики. В связи с этим прн производстве высококачественных алюминиевых сплавов наряду с усовершенствованием методов их очистки наметилась тенденция к искусственному снижению скорости движения яа зеркале ванны, в том числе за счет нспользавания повышенной частоты.

Б. Особенности плавки в вакуумных индукционных печах

Среди многообразных технологических процессов, выполняемых в индукционных вакуумных печах (ИБП), можно выделить три основные группы: выплавка сплава заданного состава; рафинирование залитого в печь жидкого металла; переплав готового сплава с целью получения фасонного литья. При выполнении двух первых процессов в ИБП отливают обычно слитки или расходуемые электроды для вакуумных дуговых печей; ИБП литейного назначения используют главным образом для точного литья. 12

При вакуумной плавке подобно плавке в открытых индукционных печах ларяду с твердой загрузкой начали применять также и жидкую. При этом значительно повышается производительность вакуумных печей, что особенно важно ввиду высокой стоимости этих печей н сложности их эксплуатации. При работе плавильной ИВП в комплексе с открытой дуговой печью существенно изменяется также и материальный баланс установки, так как можно использовать для выплавки высококачественного вакуумного металла обычный скрап и ферросплавы вместо чистых- шихтовых материалов. В результате на одной из ИБП емкостью 27 т стоимость передела при жидкой загрузке оказалась на 3270 ниже, чем при твердой. -При большой производительности установки (в частности при выплавке нержавеющих сталей с производительностью выше 1000 т/мес) стоимость металла, полученного при таком дуплекс-процессе, окаш-вается сопоставимой со стоимостью металла, полун ного в открытой дуговой печи, но качество более bUe-сокое [Л. 9].

Номенклатура материалов, выплавляемых ШШ весьма широка. К ним относятся: ряд чистых кегоатсщ, жаропрочные, магнитные и прецизионные сплавы, сяяа-вы сопротивления, нержавеющие и шарикоподшипниковые стали, никелевые и медные сплавы.

Вакуумную плавку производят в ИВП периодического и полунепрерывного действия. В печах обоих типов процесс плавки производится в настоящее время в периодическом режиме. Различие в построении процесса относится к загрузке, разгрузке и вакуумированию печи. Б печах периодического действия операции по установке и выгрузке форм или изложниц, зачистке, подготовке и загрузке тигля выполняются при открытой, заполненной воздухом плавильной камере. Б печах полунепрерывного действия все эти операции производят при сохранении в плавильной камере вакуума. Это облегчает получение металла высокого качества, так как устраняет дополнительное поглощение воздуха элейентами конструкции печи, находящимися внутри плавильной камеры. Эти лечи имеют более высокую производительность, так как отсутствуют потери времени на остывание Металла в изложницах под вакуумом и на повторное ва-куумирование плавильной камеры. Б то же время ИВП полунепрерывного действия сложнее и дороже, чем печи