Загрузочный материал является самой крупной переменной статьей затрат в индукционной плавке — и переменной, которая наиболее непосредственно влияет на скорость плавки, энергопотребление и качество металла. Тщательно спланированная программа загрузки может снизить энергопотребление на 10-15% и повысить скорость плавки на сопоставимую величину по сравнению с загрузкой любого доступного лома.
Компания MONTE INTELLIGENCE предоставляет рекомендации по выбору шихты в рамках поставок для индукционных печей. В данной статье рассматриваются принципы выбора, подготовки и управления шихтой для индукционной плавки железа и стали.
Загрузочное сырье для индукционной плавки делится на несколько категорий: отходы литейного производства (литейные литники, питатели и лом отливок с собственного производства), закупленный стальной лом (у торговцев ломом, обычно отсортированный по сорту), чугун (первичный чугун из доменной печи или прямого восстановления) и легирующие добавки (ферросплавы, науглероживающие материалы и другие материалы, добавляемые для корректировки химического состава).
Идеальная шихта — это смесь, обеспечивающая целевой химический состав с минимальной поправкой, равномерно плавящаяся без образования перемычек и имеющая наименьшую стоимость за тонну жидкого металла. Достижение этого идеала требует баланса металлургических свойств и стоимости каждого компонента шихты.
Распределение размеров шихты имеет значение для эффективности плавки в индукционных печах. Механизм индукционного нагрева — вихревые токи, генерируемые переменным магнитным полем, — проникает в шихту на глубину, называемую опорной глубиной, которая зависит от частоты и электрических свойств шихты. Для железа при частоте 1000 Гц опорная глубина составляет приблизительно 7 мм. Нагрев происходит преимущественно в этом поверхностном слое, а затем тепло передается внутрь.
Загрузка, состоящая из крупных твердых кусков — например, стальных пробойников диаметром 200 мм — нагревается только в пределах 7 мм от поверхности, пока тепло не достигнет центра. Поверхность может расплавиться, пока центр еще холодный, что приводит к образованию перемычек, когда частично расплавленный кусок образует дугу поперек печи, препятствуя погружению оставшейся загрузки в расплав. Загрузка с различными размерами — от измельченного лома 10 мм до тяжелого лома 150 мм — более равномерно распределяется в печи и плавится эффективнее, поскольку более мелкие куски заполняют зазоры между более крупными кусками и увеличивают эффективное отношение площади поверхности к объему.
Чистота шихты имеет решающее значение для качества металла и срока службы футеровки печи. Ржавчина (оксид железа) увеличивает объем шлака, потребляет энергию (восстановление Fe2O3 до Fe требует углерода и энергии) и разрушает кремнеземную футеровку (FeO является флюсом для кремнеземных огнеупоров, сокращая срок службы футеровки). Масло и смазка на шихте образуют дым во время плавки — проблема, связанная с условиями цеха и выбросами, — и могут вводить водород в металл, вызывая пористость в отливках. Песок и грязь на шихте увеличивают объем шлака, не внося при этом никакого вклада в извлекаемый металл.
Предварительный нагрев шихты — это технология, используемая в крупных индукционных печах (массой более 5 тонн) для повышения эффективности. Предварительный нагрев шихты до 400-600 °C перед загрузкой удаляет влагу (исключая риск паровых взрывов при контакте влажной шихты с расплавленной ванной), сжигает масло и органические загрязнения (уменьшая количество дыма и водорода) и снижает потребление электроэнергии в печи (предварительный нагреватель использует более дешевый природный газ вместо электроэнергии). Предварительный нагреватель шихты может снизить общую стоимость плавки на 5-10% в зависимости от относительных цен на природный газ и электроэнергию.
Последовательность загрузки влияет на скорость плавления и безопасность. Первая загрузка в холодную печь должна состоять из более мелких кусков, которые плотно прилегают к стенкам и обеспечивают хорошее сцепление с тиглем — они быстрее нагреваются и помогают равномерно нагреть футеровку печи до нужной температуры. После образования жидкого расплава можно добавлять более крупные куски, поскольку жидкий металл вокруг них улучшает сцепление. В последней загрузке должно оставаться достаточно свободного пространства (расстояние от поверхности расплава до верхней части тигля) для перемешивания и добавления легирующих элементов.
Образование перемычек — это эксплуатационная проблема, с которой сталкивается каждая индукционная плавильная печь. Кусок расплава образует перемычку по диаметру печи над расплавом, препятствуя погружению расплава сверху в него. Расплав снизу продолжает нагреваться и может перегреться до температур, повреждающих огнеупорную футеровку. Для предотвращения образования перемычек необходимы правильный подбор размеров шихты (ни один кусок не должен быть больше примерно одной трети диаметра печи), тщательная загрузка (ни один большой кусок не должен падать плашмя) и внимательный контроль во время цикла плавки.
Для литейных цехов, плавящих несколько сплавов, перекрестное загрязнение между сплавами представляет собой риск для качества. Печь, в которой только что был выплавлен высокопрочный чугун (содержащий магний), а затем загружен лом серого чугуна (который не должен содержать магния), может производить отливки, не соответствующие спецификациям, если футеровка сохранит магний от предыдущей плавки. Решением является либо использование отдельных печей для каждого семейства сплавов, либо тщательная очистка печи между сменами сплавов, включая очистку футеровки от прилипшего металла и шлака.
Компания MONTE INTELLIGENCE предлагает консультации по загружаемым материалам в рамках проектов индукционных печей, включая спецификацию лома, оптимизацию состава загружаемого сырья и интеграцию предварительного нагревателя.
Для получения рекомендаций по выбору шихты для вашего литейного цеха обращайтесь по адресу helenxu@cnlymonte.com.
