Плазменно-дуговые печи постоянного тока - курс на качественный металл
На современном этапе производства получения чугунных заготовок (отливок) для машиностроения можно выделить два аспекта: Детали машин должны изготавливаться из высококачественного чугуна, соответствующего мировым стандартам. Себестоимость получения такого чугуна должна быть в пределах удовлетворяющих потребителя, т.е. как можно ниже.
Самыми распространенными агрегатами для получения дешевого чугуна считаются вагранки, агрегатами для получения качественного чугуна - индукционные печи. Но так ли это?
Качество и себестоимость полученного чугуна напрямую зависит от качества и стоимости шихтовых материалов, стоимости и качества потребления газа, кокса и электроэнергии.
Чтобы получить в вагранках и индукционных печах качественный чугун, не уступающий зарубежным аналогам, необходимо применять для плавки рафинированные чушковые чугуны, т.е. чугу-ны с низким содержанием вредных примесей, таких как фосфор, сера, мышьяк, свинец, олово, кислород, азот, водород и т.д. В России в последнее десятилетие мало найдется предприятий, производящих такие чугуны, а если производит, то цены на них колеблются в районе 15000-18000 рублей за тонну. При применении этих чугунов резко возрастает себестоимость чугуна.
То же относится к коксу, газу и электроэнергии. Цены на них в последнее время выросли, что опять же влияет на себестоимость чугуна. Кроме того, кокс вносит в чугун большое количество серы, что вызывает большие трудности в получении качественного металла, в особенности высокопрочных чугунов.
Альтернатива рафинированным чушковым чугунам - это применение стального лома и получение синтетических чугунов.
Исходными материалами для получения синтетического чугуна являются обычно стальной лом в виде отходов прокатного или кузнечного производства, стальная стружка в брикетах, высечка, обрезь, собственные отходы, карбюризатор (электродный бой, графитизированный порошок, каменный уголь и т.п.) и ферросплавы (ФС, ФМн, ФХ и др.).
Синтетический чугун существенно отличается от обычного низким содержанием 5 (0,015-0,03%), Р (0,02-0,04%), Н (около 0,0003%), N (около 0,004%), 0 (около 0,002%) и других примесей, а также неметаллических включений.
Механические свойства синтетического чугуна с пластинчатым графитом значительно выше, чем у обычного серого чугуна при одном и том же составе металла.
Относительная дешевизна стального лома (3000–4000 рублей за тонну), высокое качество и высокие механические свойства получаемого чугуна делают его единственным заменителем высококачественных чугунов выплавленных на рафинированных чушковых чугунах.
Возникает вопрос, на каком оборудование можно получать дешевый высококачественный синтетический чугун?
Вагранка как плавильный агрегат для получения этого чугуна не подходит, так как в ней тяжело добиться высоких температур для расплавления стали, нет стабильности химсостава полученного чугуна, не возможно получение легированных чугунов и, кроме того, повышенное содержание серы.
На индукционной печи получить синтетический чугун можно. Но стойкость футеровки падает в несколько раз по сравнению с классической технологией плавки на чушковых чугунах. К тому же низкое усвоение углерода из карбюризатора, холодные шлаки (невозможность проведения восстановительных или раскислительных процессов для рафинирования металла и получения низких содержаний серы и фосфора), длительное время плавки делает индукционную печь не перспективной в плане получения дешевого высококачественного синтетического чугуна.
Единственный агрегат, существующий на сегодняшний день, на котором возможно получить высококачественный синтетический чугун, - это дуговая печь.
Существуют два вида дуговых печей: дуговые печи переменного тока (ДСП) и дуговые печи постоянного тока (ДППТ). Получение таких чугунов возможно и на тех, и на других печах. Но существуют некоторые принципиальные отличия в работе печей и получении металла. Наиболее качественный и относительно дешевый чугун возможно получить только в дуговых печах постоянного тока.
Преимущества использования ПДППТ в сравнении с индукционными и дуговыми печами переменного тока: Высокая производительность, время плавки 15-35 минут по чугуну в зависимости от массы металлозавалки. Если сравнивать с индукционными печами, то время плавки на них колеблется от 60 минут до 1,5 часа (и более), все зависит от количества оставленного «болота» и качества переплавляемой шихты. Уровень шума значительно ниже по сравнению с ДСП. Энергоресурсосбережение и качественное потребление электроэнергии, удельный расход электроэнергии для серого чугуна (расплавление и перегрев до 1400° С) 400-600 кВтч/т. Высокая экологичность. Улучшение условий труда и техники безопасности. Отработка конструкции подового электрода позволила вынести каналы их водоохлаждения за корпус и обеспечила взрывобезопасность печей.
На индукционных печах узким местом, в плане взрывобезопасности, является водоохлаждаемый индуктор, который требует высокой квалификации плавильщика. Угар легирующих элементов ниже, чем на ДСП. Расход графитированных электродов до 1,5 кг на тонну жидкого металла. Возможность использования шихты разного вида, от легковеса до крупногабаритной. Высокое качество выплавляемых сплавов. Возможность проведения окислительно-восстановительных реакций, высокая активность шлаков.
Индукционные печи в связи с низкой температурой шлаков не имеют возможности проведения окислительно-восстановительных реакций, что существенно сказывается на качестве получаемого металла. Резкое снижение (до 80%) содержания газов в сплавах, вызванное ионной проводимостью под воздействием
постоянного тока. На ДСП и индукционных печах для снижения содержания газов в металле необходимо проводить специальные технологические операции, такие как перегрев металла, продувка нейтральными газами, вакуумирование, эффективное модифицирование и др. Возможность загрузки и плавления шихты в объеме от 20% до 130% от номинальной емкости печи, с использованием различных видов футеровки. Мобильность процесса. Отсутствие вредных последствий для состояния печи при любых режимах работы и
аварийных отключениях. Печь в любой момент времени может быть включена и при необходимости остановлена - остановка периодом процесса плавки не лимитируется. При неожиданных отключениях электроэнергии имеется возможность либо спить металл в ковш, если он готов (для этого агрегат ПДППТ снабжен гидроаккумулятором), либо оставить металл в печи. После включения холодной печи расплав может быть получен максимум через 40 минут.
На индукционных печах в таких ситуациях металл по возможности сливают, а футеровку перенабивают. Высокая стойкость футеровки. С муллитокорундовой футеровкой при плавке серого чугуна стойкость футеровки составляет 2000-3000 плавок с горячим ремонтом. Отсутствие «болота» и высокая производительность позволяют легко переходить на выплавку различных марок
сплавов. ПДППТ легко вписывается в структуру цехов, как при строительстве новых, так и при реконструкции действующих. Применение источников электропитания постоянного тока позволяет размещать трансформаторы, преобразователи вдали от печей, в частности, вне цехов.
Все вышесказанное способствует снижению себестоимости и повышению качества чугуна, из которого можно изготавливать ответственное литье высоко-нагруженных деталей машин, ни в чем Не уступающих импортным аналогам.
На сегодняшний день изготовлением и внедрением дуговых печей постоянного тока в России занимается ограниченное количество предприятий. Одно из них ООО «МТФ» г. Набережные Челны, Татарстан.
ООО «МТФ» - современное мобильное научно-производственное литейное предприятие многопрофильного плана, использующее передовое оборудование и новые высокотехнологичные методы изготовления литейной оснастки и литья, разрабатывает новые направления в литейном производстве собственными силами и совместно с другими научными центрами России.
За время своего существования фирма собрала под своей крышей высококвалифицированных специалистов разного профиля, имеющих огромный опыт в литейном производстве и способных решать задачи разного уровня сложности. Специалисты ООО «МТФ» разработали и сертифицировали (сертификат соответствия №4513916 от 25.04.2003 года) плазменно-дуговые печи постоянного тока и имеют большой опыт в их изготовлении. Производство печей плавки и миксеров для черных и цветных металлов поставлено на поток. На дуговых печах постоянного тока были отработаны технологии получения таких сплавов, как: СЧ, ВЧ, ЖЧС, ИЧХ, ЖЧЮ22Ш (получали при этом немагнитный, жаростойкий чугун), синтетический низкокремнистый алюминиевый чугун, сталей низко-, средне углеродистых, сталей средне- и высоколегированных (65ГЛ; 40ХСЛ; Х18Н9ТЛ), качественных медных и алюминиевых сплавов.
Следует отметить, что первые дуговые печи постоянного тока были запущенны в 1989 году. С тех пор механизмы печи, ее энергетические характеристики только улучшались. Последняя модификация печей, запущенных в августе месяце 2004 года в г.Чистополе на предприятии ООО «АГРОРЕМКОМПЛЕКТ», включает в себя пятнадцатилетний опыт специалистов фирмы ООО «МТФ» и представляет из себя мобильный, относительно компактный агрегат, способный плавить как черные, так и цветные металлы в автоматическом и при необходимости в ручном режимах и имеющий несколько степеней защиты от различных неполадок и человеческого фактора.
В настоящее время фирма располагает производственной базой, на которой в конце 2004 года начнет функционировать литейный и механический цеха. Мощность литейного цеха -400 тонн жидкого чугуна в месяц. Плавильные агрегаты - плазменно-дуговые печи постоянного тока на 250 кг и миксера - на 3 тонны. Плавка осуществляется с использованием дуплекс-процесса. Основное направление - центробежное литье и литье по газифицируемым моделям.
Кроме того, фирма ООО «МТФ» производит оборудование для малых и средних литейных предприятий. В числе оборудования: дуговые печи постоянного тока для плавки черных и цветных металлов емкостью от 10 кг (лабораторные) до 1,5 т и печи выдержки емкостью до 5 т по чугуну; дробилки для ферросплавов и других подлежащих дроблению материалов; галтовочные барабаны периодического действия; смесители периодического действия и другое нестандартное оборудование для малых и средних предприятий.
Получению качественного металла в ПДППТ способствует следующее: Стабильное горение дуги при плавке создает в печном пространстве положительное давление, при котором исключается поднос воздуха в печь. При прохождении постоянного электрического тока через металлическую ванну в ней наводится магнитное поле, которое вращаясь, вовлекает в это движение жидкий металл. В этих условиях температурное поле расплава выравнивается из-за интенсивной конвективной теплопередачи через расплав, а движение металла под дугой не допускает его локального перегрева и, кроме того, приводит к усреднению химического состава по всему объему ванны и удалению неметаллических включений, которые всплывают в шлак. Под действием постоянного электрического тока протекает один из основных процессов получения высококачественного метала - электролиз. При этом на ионном уровне происходит удаление водорода, растворенного в металле и восстановление многих оксидов. Остаточное содержание водорода в металле не превышает 0,3 см3/100 г сплава. Устранение вредного влияния наследственности шихтовых материалов, т.е. возможность использования более дешевой шихты, шихты низкого качества для получения качественного металла.
