Электрическая печь для плавки металла

Дуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.

Содержание

Общее описание дуговой электропечи [ править | править код ]

В обозначении дуговой сталеплавильной печи, как правило, присутствует её ёмкость в тоннах (например, ДСП-12). Диапазон печей варьируется от 1 до 400 тонн. Температура в ДСП может достигать 1800 °C.

Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) состоит из плавильной ванны (рабочего пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, собрать шлак и выпустить расплавленный металл.

Регулирование мощности электрической дуги производится программно-адаптивным регулятором, который с помощью привода перемещает электроды в вертикальной плоскости. Известны регуляторы электрической дуги с электромеханическим приводом, которые вследствие своей инерционности не получили большого распространения и сейчас практически полностью вытеснены регуляторами с электрогидравлическим приводом.

Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через так называемый «печной» трансформатор, подключённый к высоковольтной линии электропередач. Мощность трансформатора может достигать 300 МВА. Его вторичное напряжение находится в пределах от 50 до 300 В (в современных печах до 1200 В), а первичное от 6 до 35 кВ (для высокомощных печей до 110 кВ). Вторичное напряжение регулируется при помощи ступенчатого переключателя, который сохраняет свою работоспособность также и в режиме плавки.

Плавка стали производится в рабочем пространстве печи, которое ограничено сверху куполообразным сводом, снизу и с боков, соответственно, сферическим подом и стенками, кожух которых изнутри выложен огнеупорным материалом. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, или, как и стенки печи, может быть сделан из водоохлаждаемых панелей. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие графитовые электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным электрическим током, также существуют печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для плавки шихты и получения жидкого полупродукта, который дальнейшей обработкой доводят до требуемого химического состава.

История [ править | править код ]

Впервые в мире возможность использования дуги для плавления металлов была показана В. В. Петровым в 1803 году. Петров показал, что с помощью такой дуги можно не только расплавлять металлы, но и восстанавливать их из окислов, нагревая их в присутствии углеродистых восстановителей. Кроме того, ему удалось получить сваривание металлов в электрической дуге.

В 1810 году Сэр Гемфри Дэви провёл экспериментальную демонстрацию горения дуги. В 1853 году Пишон попытался построить электротермическую печь. В 1878-79 годах Сэр Вильгельм Сименс получил патент на электрическую печь дугового типа. В 1899 году первая дуговая сталеплавильная печь прямого действия, построенная Эру.

Хотя ДСП применялись во время второй мировой войны для получения сплавов стали, широкое распространение получила только после её окончания.

Процесс выплавки [ править | править код ]

Плавка в ДСП, после осмотра печи и ремонта пострадавших участков футеровки (заправка), начинается с завалки шихты. В современные печи шихту загружают сверху при помощи загрузочной бадьи (корзины). Для предохранения подины от ударов крупными кусками шихты на дно бадьи загружают мелкий лом. Для раннего шлакообразования в завалку вводят известь 2-3 % от массы металлической шихты. После окончания завалки в печь опускают электроды, включают высоковольтный выключатель и начинают период плавления. На данном этапе возможна поломка электродов (при плохой проводимости между электродом и шихтой исчезает электрическая дуга и электрод упирается в непроводящий кусок шихты). Регулирование отдаваемой мощности осуществляется изменением положения электродов (длины электрической дуги) либо напряжения на электродах. После периода расплавления в печи образуется слой металла и шлака. Шлак скачивают через шлаковую летку (рабочее окно), постоянно присаживая шлакообразующие, в течение всего периода плавления, с целью удаления фосфора из расплава. Шлак вспенивают углеродсодержащими материалами для закрытия дуг, для лучшей его скачиваемости и уменьшения угара металла.

Выпуск готовой стали и шлака в стальковш осуществляется через сталевыпускное отверстие и жёлоб путём наклона рабочего пространства (или, если печь оборудована вместо жёлоба донным выпуском, то через него). Рабочее окно, закрываемое заслонкой, предназначено для контроля за ходом плавки (замер температуры металла и отбор пробы химического состава металла). Также рабочее окно может использоваться для подачи шлакообразующих и легирующих материалов (на малых печах). На современных сверхмощных печах подача шлакообразующих во время плавки осуществляется через специальное отверстие в своде конвейерной подачей. Углеродистые материалы для вспенивания шлака подаются в печь либо порционно через свод, либо вводятся инжекционными горелками струёй сжатого воздуха. Перед выпуском и во время выпуска в стальковш добавляются легирующие и раскислители, а при отсекании печного шлака ещё и шлакообразующие материалы.

Преимущества ДСП [ править | править код ]

Использование электрической энергии (электрического тока), возможность расплавить шихту (металлолом) практически любого состава, точное регулирование температуры металла и его химического состава подтолкнуло промышленность к использованию ДСП в ходе второй мировой войны для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для АКП и МНЛЗ.

Недостатки [ править | править код ]

Высокий местный перегрев под электродами; трудность перемешивания и усреднения химического состава стали; значительное количество продуктов горения и шума во время работы.

Автоматизация выплавки стали в ДСП [ править | править код ]

Основными задачами автоматизированного управления процессом плавки являются:

1. Централизованный контроль технологического процесса и работы печи с выдачей информации о регистрации и сигнализации отклонений от заданных значений.
2. Управление технологическим процессом.
3. Управление энергетическим режимом, обеспечивающие максимальное использование мощности печи.
4. Управление вспомогательными операциями.
5. Сбор и отборка информации с выдачей необходимой документации.
6. Контроль за работой оборудования с сигнализацией и регистрацией неисправностей [1] .

Муфельная печь для расплава или закалки металлических изделий – прибор, позволяющий домашнему мастеру выполнить определенную работу. Простой агрегат, способный работать на разных видах топлива, для самостоятельного изготовления достаточно обладать навыками выполнения слесарных и электросварочных работ.

Устройство и схема

Устройство муфельной печи для плавки металла состоит из:

• в большинстве случаев стального корпуса. Для домашнего использования лучше выполнить его из жаростойкого металла или нержавейки. Но можно использовать конструкционную сталь. Толщина листа 1,5-2 мм;
• слоя внутренней теплоизоляции. Для домашних печей используют шамотный кирпич или другой теплоизоляционный материал, выдерживающий температуры нагрева до 1000 0 — 1200 0 ;
• стальной корпус можно обложить наружным слоем керамических плиток или огнеупорным кирпичом;
• электрических или газовых нагревательных элементов. Газовые горелки лучше приобретать в специализированных магазинах. Электрическая печь может оснащаться самодельными спиралями из нихрома или фехраля. Толщина проволоки – 1 мм. Фехралевая проволока дешевле, но она уступает нихрому по уровню сопротивлению воздействия агрессивной среды и долговечности спирали;
• системой автоматического или ручного управления работой техники. Установив тепловые датчики вы сможете легко управлять температурным режимом и временем поддержания заданной температуры.

Материалы и элементы для работы

Муфельная печь для плавки алюминия своими руками или закаливания стальных деталей – для производства подготавливаем полный набор материалов. Нам потребуется:

• шамотный кирпич;
• теплоизоляция;
• листовой металл или любой подручный материал. Если есть старый сейф с внутренним слоем песка, значит вам повезло. Такая печь прослужит долгий срок и позволит сэкономить на наружном слое теплоизоляции;
• огнеупорная глина, песок или готовая смесь для кладки кирпича. Для заделывания щелей и пустот можно приобрести огнестойкий герметик или использовать раствор;
• электрический кабель, керамические изоляторы, автомат для подключения в щитке.

к содержанию ↑

Необходимые инструменты

Инструмент должен быть исправным:

• инструмент электрика;
• инструмент каменщика, шпатель;
• сварочный аппарат и средства защиты сварщика;
• сварочные электроды для сваривания конструкционной стали;
• болгарка с защитными очками;
• зачистной и отрезные диски;
• электродрель с набором сверел.

к содержанию ↑

Пошаговая инструкция по изготовлению

Муфельная печь для плавки металла своими руками — для такого прибора лучший вид топлива электричество. С его помощью можно разогреть металл до температуры плавления. Разберем подробно этапы проведения работ по самостоятельному изготовлению нагревательного агрегата.

Изготовление конструкции муфеля

В зависимости от материала и конфигурации корпуса начинаем делать отсек для нагрева металла. Можно сделать печь и без стального каркаса, но тогда потребуется уложить печь в слой теплоизоляции. Используем материалы, способные выдерживать высокие температуры. Но лучше сделать коробку из листового металла или из старой бочки или даже холодильника. Этапы работ:

1. Начинаем готовить блоки для обкладки огнеупорной камеры. Для небольшой камеры понадобится 7 шамотных больших кирпичей. С их помощью можно соорудить прямоугольную или цилиндрическую камеры нагрева и закаливания металла. Если требуется соорудить круглый отсек, понадобится болгаркой вырезать трапециевидные заготовки и предварительно укладывать их в конструкцию, намечая каждую деталь.
2. Подрезав грани, устанавливаем детали на ровную поверхность и несильно стягиваем их проволокой. Проверяем плотность прилегания граней блоков и отсутствие больших зазоров. Если нужно подрезаем блоки и снова собираем всю конструкцию на проволоке.
3. Обеспечив плотность прилегания деталей, выкладываем их в ровный ряд и длиной линейкой размечаем пазы для укладки нагревательных элементов печи — спиралей из нихромовой проволоки. В зависимости от диаметра самодельной или покупной спирали размечаем ряды так, чтобы они не соприкасались между собой. Если это произойдет – это грозит коротким замыканием и сработкой автомата и это в лучшем случае. Минимальный зазор – 20-30 мм.
4. Канавки выбираем дрелью с шарошкой или сверлом или болгаркой. Борозды лучше сделать под небольшим уклоном вниз, чтобы спирали не могли выпасть. Работа кропотливая и требует внимательности, не торопимся.
5. После проверки точности пропилов и исправления, неточных мест стыковки пазов переходим к сборке муфельной конструкции. Закрепляем блоки с помощью термостойкого клея или раствора. Самодельную смесь готовим из равных частей шамотной глины и просеянного кварцевого песка.

Для изготовления муфеля, небольшого по габаритам, можно использовать простую глину. Для этого выполняем несколько дополнительных операций:

1. Из картона или тонкого пластика делаем опалубку для заливки жидкого раствора глины, либо можно использовать обрезанную бочку. Учитываем толщину стенок и размеры корпуса печи.
2. Замачиваем раствор на 2-3 дня, чтобы он растворился и разбух. Такая смесь становится пластичной.
3. После этого заливаем в опалубку раствор. Толщина стенок – 50-70 мм. Обязательно уплотняем и протыкаем его тонким стержнем для удаления пузырей воздуха и монолитности конструкции.
4. Оставляем деталь до полного засыхания глины. Делаем пазы для укладки спиралей или отверстия для установки газовых горелок и вывода проводов.
5. Готовый глиняный муфель обязательно закаляем в печи и только после этого устанавливаем в корпус.

Такая монолитная обожженная конструкция будет прочной и не уступит по характеристикам муфелю из шамотного кирпича.

Готовим и устанавливаем нагревательную спираль

Спираль можно приобрести в магазине или намотать самостоятельно (толщина проволоки нужна — 1,2 мм.):

• Понадобится запас проволоки из нихрома или другого сплава и простой пруток, подходящего сечения. Зажимаем конец прутка и проволоки в тисках и начинаем плотно наматывать спираль.
  
• Витки можно укладывать вплотную, но без перехлестов. После намотки спираль немного растягиваем по длине, чтобы между витками был определенный зазор.

1. Готовые спиральки укладываем в подготовленные пазы в корпусе муфеля и фиксируем скобками из нихрома. Устанавливая скобки, следим, чтобы они не перемкнули виточки между собой. Для крепления еще используют раствор для кладки кирпича из глины и песка. Этот материал не проводит электрический ток.
2. Рассчитанные по мощности спирали обеспечат высокую температуру в печи. Для увеличения производительности и экономии электроэнергии советуем сделать несколько нагревательных контуров, которые можно включать отдельно. Так мы сможем поддерживать необходимую температуру в начале обжига металла и постепенно доводить ее до максимальной.
3. В местах выхода из корпуса закрываем проволоку керамическими предохранителями, а сразу после выхода подключаем медный электрический кабель большого сечения. Заводим кабель в электрический щиток и подключаем его к отдельному автомату. Печь должна быть надежно защищена от токов короткого замыкания, для защиты обязательно заземляем ее и подключаем к отдельному УЗО.

Для нагрева деталей можно использовать газовые горелки.

Работы по установке в муфель газовой горелки

Газовый нагревательный элемент лучше приобрести в магазине, хотя народные умельцы могут выполнить эту работу своими руками. Но советуем подумать о безопасности и отправиться в специализированный магазин.

Если вы обладаете опытом изготовления аналогов, такую конструкцию делаем по определенной схеме:

• для изготовления корпуса горелки подготовим отрезок стальной, лучше медной трубки. Диаметр 8-10 мм. Длина заготовки – 150 мм;
• возле одного конца сверлим сквозное отверстие для соединения с газовой трубой или шлангом;
• на боковой стенке размечаем и сверлим несколько отверстий. Отверстие делаем только с одной стороны. Эти отверстия служат для поджигания факела;
• на обоих концах горелки нарезаем резьбы;
• посередине горелки сверлим не сквозное отверстие, оно будет служить для сброса газа;
• торцевую сторону закрываем. Накручиваем заглушку. Ко 2 стороне подсоединяем шланг от газового баллона.

Горелка устанавливается с помощью хомутов. Не забываем установить на подводящем шланге клапана, защищающего от обратного удара.

Финальные работы

Муфельная печь — горн своими руками почти готова. Остается собрать все детали в единую конструкцию. Полость между муфельным устройством и корпусом заполняем свободное пространство утеплителем.

Если нужна печь для плавления небольшого количества металлов, на верхней детали делаем небольшой вырез по габаритам тигля и ужесточаем края прутком или уголками. Теперь после включения печи в работу можно устанавливать тигель с медью или алюминием и расплавлять металл.

Правила эксплуатации

Электрические или газовые печи для расплавления материалов или закаливания деталей – приборы повышенной опасности.

Перед началом работ обязательно проверяем надежность подключения к газовой сети или изоляцию проводов и состояние спиралей. В помещении необходимо обеспечить надежную систему вентиляции.

Не рекомендуем работать в такой одежде, как на фото:

Только спецодежда сможет защитить вас от ожогов при работе с расплавленным металлом. Только спилковые перчатки соответствуют правилам охраны труда. Одежда из плотного материала. Все участки тела должны быть закрыты, обувь из плотной кожи или заменителя. Никаких тапочек или сланцев.

Вывод

Самодельные или промышленные печи для закаливания металла или его плавления – все эти конструкции должны обеспечивать безопасность и комфортность в работе с нагревательными приборами. Сделать конструкцию самостоятельно несложно, справиться сможет даже новичок. Главное внимательно и ответственно выполнять все рекомендации и правила выполнения работ.

ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ – это литейная печь c индуктором для плавки металла. Преимущество в том, что плавильная масса отлично перемешивается до однородного состава, если используется индукционная плавильная печь. Индукционная технология ускоряет процесс плавки металла (время плавки 45 минут), такие печи имеют хорошие характеристики! ZAVOD RR – плавильные печи для стали, алюминия, меди от профессионалов!

Содержание

Как устроены плавильные печи?

Плавильные печи представляют собой рабочую камеру, в которую помещается исходное сырьё (шихта), материалы и интенсифицирующие образование расплава. Камера отделяется от внешнего корпуса с помощью огнеупорной футеровки, а также теплоизолирующего слоя. В зависимости от вида применяемого энергоносителя или способа нагрева (метод индукции, графитовые электроды, газовые горелки), зависит устройство камеры, а так же время и качество материала на выходе. Давайте рассмотрим устройство плавильных печей.

– В дуговых плавильных печах устройство для слива расплава и отделения шлаковых масс расположено в нижней части печи. Электроды помещаются сверху их количество от 1 до 4 штук. В качестве источника питания выступает трансформатор. Недостатком этого способа может быть спекание металла.

– Индукционная плавильная печь состоит из индуктора, внутри которого находится тигель с огнеупорной футеровкой. Оборудование оснащено механизмами загрузки шихты, системами, обеспечивающими полный слив готового расплава, системами управления и регулировки. В индукционных плавильных печах металл сливается сверху. В качестве источника питания выступают тиристорные или транзисторные преобразователи. Качество переплавленного металла таким способом самое лучшее, ведь метод индукции – это постоянное равномерное перемешивание шихты во время плавки; Устройство плавильных печей зависит от их вида.

– Газовые плавильные печи имеют самую простую и дешевую конструкцию. В плавильный узел в нижней части подключена газовая горелка, которая работает от обычного магистрального газа (метана). Как правило, эти печи используют для переплавки металлов с небольшой удельной теплотворной способностью, таких как алюминий или медь.

Плавильные печи – преимущества

При выборе плавильной печи, нужно знать ее недостатки и преимущества. Основное преимущество газовых плавильных печей – это минимальные затраты при плавки металла, ведь газ является самым дешевым энергоносителем. Индукционные плавильные печи позволяют получить отличное качество расплава на выходе. Электродуговые – достичь максимальную температуру плавки, для тугоплавких материалов или сплавов. Все виды печей имеют хорошую автоматизацию процесса и небольшой объём вредных атмосферных выбросов.

Преимущества использования индукционных печей очевидны:

• технология производства позволяет получать высококачественные расплавы с однородным химическим составом,
• есть возможность введения дополнительных легирующих элементов,
• печи обладают высоким КПД около 95%,
• сравнительно малый угар,
• безопасная для здоровья персонала технология производства,
• экономичность производства, достигаемая за счет выделения большого количества тепла металлом, что позволяет потреблять меньшую мощность.

Плавильные печи – характеристики

Основными характеристиками тепловых установок является вместимость рабочей камеры, которая предопределяет производительность, тип материала, для выплавки которого она предназначена и номинальная мощность нагревательного элемента, задающая максимальную рабочую температуру, а также энергоёмкость процесса.

Обращая внимание на характеристики оборудования при выборе индукционных печей, стоит уделить особое внимание качеству тигля. В среднем тигель рассчитан на количество плавок от 20 до 60. Комплект индукционной печи, кроме тигля, включает в себя:

• преобразователь частоты (транзисторный или тиристорный),
• конденсаторные батареи,
• плавильные узлы,
• водоохлаждаемые кабели,
• системы охлаждения и пульты управления.

Управление и контроль над процессом плавки должен осуществлять специально обученный персонал.

Плавильные печи для плавки металла

Нагревательный элемент таких установок может работать как в промышленных, так и в средних частотах. Преимуществами такого решения является полный контроль над окислительными процессами, а также полный слив расплава. В качестве футеровочных могут быть использованы как кислые, так и основные материалы.

Плавильные печи для плавки металла являются самым востребованным оборудованием для металлургических предприятий. Индукционные плавильные печи делают процесс плавки более экономичным и качественным. В зависимости от типа металла и объема шихты процесс плавки металла в индукционной печи занимает в среднем от 30 минут до 1,5 часов. Индукционные печи позволяют проводить термическую обработку черных, цветных и даже драгоценных металлов.

Плавильные печи для стали

Плавка стали происходит при температуре 1500-1600 градусов Цельсия. В процессе плавки необходимо снизить содержание веществ, ухудшающих качество стали, таких как сера, фосфор и кислород. Выбор футеровки зависит от состава желаемого расплава. Индукционные печи идеально подходят для производства легированных сталей. Время плавки стали в среднем занимает около 1 часа.

Эти печи работают, преимущественно, на промышленных частотах в 50 Гц и оснащаются высокоточной автоматикой, позволяющей контролировать как температуру, так и интенсивность ликвации. Величина угара в них едва достигает 2%, кроме того, они не требовательны к качеству подготовки шихтовых материалов.

Плавильные печи для алюминия

Температура плавления алюминия составляет 660 градусов Цельсия, поэтому важно, чтобы тиристорный преобразователь не был слишком мощным. Плавильный узел для плавки алюминия не стоит использовать для плавки других металлов. Использование индукционной печи для плавки алюминия и его сплавов позволит получить однородный расплав высокого качества.

Отличительной особенностью таких печей является низкая температура разогрева и. как следствие, малое энергопотребление. В качестве основного материала для тигля распространён графит, кроме того, для интенсификации процесса, может быть использован и металлический сердечник, подключаемый к среднечастотной сети через понижающий трансформатор. Максимальная температура нагрева, как правило, не превышает 750 ºС.

Плавильные печи для меди

Плавка меди в индукционной печи занимает не более 40 минут. Процесс получения расплава происходит при температуре 1000-1300 градусов Цельсия. Плавить можно в вакууме, в среде защитных газов или в открытой среде. Благодаря высокой тепло- и электропроводности и гибкости медь широко используется в различных отраслях промышленности.

При производстве медного расплава очень важно обеспечить химическую чистоту, поэтому, печи, в ряде случаев, имеют герметичную рабочую камеру, а индукционный нагрев осуществляется в мягком режиме. Существенных конструктивных отличий от индукционных печей для цветных металлов здесь нет, основное же требование — отсутствие непосредственной реакции между материалом тигля и расплавом.

Электрические плавильные печи

Электрические печи используют для нагрева вихревые наведённые электромагнитные поля. Электрическая плавильная печь осуществляет нагрев металла при прохождении тока, возникшего под действием электромагнитного поля индуктора, через металл в тигле. В таких печах можно переплавлять как черные, так и цветные металлы. Печи имеют несложное устройство и оснащены надежными системами контроля и управления, что облегчает работу с ними. Невысокая стоимость, надежность, экономичность, высокая производительность делают индукционные печи особенно привлекательными для современных предприятий.

Плавильные печи – транзисторные

Для расплавления шихты на небольших литейных предприятиях используются транзисторные печи. В таких печах используется среднечастотный индукционный нагреватель. Плавка металлов осуществляется в графитовом тигле. В транзисторных печах происходит динамическая циркуляция металлического расплава внутри тигля, благодаря чему происходит выравнивание температуры по всему объему тигля, что способствует получению однородного химического состава многокомпонентного сплава. В таких печах возможен быстрый переход со сплава одной марки на другой.

Транзисторные индукционные печи отличает универсальность и крайне высокий КПД, который может достигать 99%, вместо привычной медной обмотки, в них применяется нагреватель индукционного типа, собранный на системе взаимосвязанных транзисторов. Преимуществом является и электродинамическая циркуляция, обеспечивающая равномерное перемешивание расплава.

Плавильные печи – тиристорные

Тиристорные печи оптимальны для средних и крупных производств. Такие печи успешно работают с разными типами комплексов непрерывного литья. Тиристорные печи обладают высокой производительностью при сравнительно малых эксплуатационных расходах. Применение таких печей возможно для получения различных по составу сплавов, при этом отмечен низкий угар легирующих элементов.

Ещё одной разновидностью индукционных печей являются установки. В которых для стабилизации процесса нагрева и обеспечения возможности его регулирования применяются тиристорные частотные преобразователи тока, обеспечивающего образование электромагнитного поля.