Электрическая печь для плавки металла своими руками
Как известно, алюминий часто используется самодельщиками, для изготовления различных самодельных деталей. Алюминиевые сплавы обладают невысокой температурой плавления и хорошей обрабатываемостью деталей. А в хозяйстве всегда найдётся много алюминиевого лома. Средняя температура плавления алюминия 650–660 ℃, поэтому этот металл можно плавить и в домашних условиях, отливать чушки и заготовки для деталей.
В связи с этим мы подготовили для вас эту статью-инструкцию по изготовлению своей электрической печи для переплавки алюминиевого лома в слитки, которые затем можно подвергнуть повторной механической обработке.
Отказ от ответственности: в данном проекте используются источники питания высокого напряжения, и присутствует серьезный риск получения травм (например, нагревательный элемент находится под напряжением при использовании и может иметь электрический потенциал даже при отключении). Также электрическая печь для плавки металла создает чрезвычайно высокие температуры и расплавленный металл, что также представляет серьезный риск получения травм.
Комплектующие:
Вот список расходных материалов, которые мы использовали:
- Изоляционные огнеупорные кирпичи;
- Печной цемент;
- Щипцы для тиглей;
- Керамические клеммные колодки;
- Высокотемпературный провод;
- Форма для выпечки;
- Графитовый тигель;
- Термопара типа К;
- Провод катушки нагревательного элемента;
- ПИД-регулятор;
- Угловой утюг 1 ”;
- Тумблер 125/250 В;
- Кабель питания 14 калибра.
Шаг 1: Изолированные огнеупорные кирпичи
Мы начали с 10 изолированных огнеупорных кирпичей. Есть несколько разных типов, поэтому обязательно используйте «мягкие» огненные кирпичи, такие как эти большие белые. Они обладают лучшими изоляционными свойствами по сравнению с «твердыми» огнеупорными кирпичами, которые представляют собой более мелкие кирпичи песочного цвета.
Вы можете использовать «твердые» кирпичи, если действительно хотите, но поскольку их функция в основном конструктивная, они проводят много тепла, и печи для литья потребуется очень много времени, чтобы нагреться до температуры, если вообще произойдет, поскольку будут большие потери тепла через поверхность кирпича.
Мы расположили кирпичи так, чтобы получился простой ящик для тигля, позволяющий загружать его сверху.
Шаг 2: Резка кирпичей
Мы разрезаем два кирпича пополам, чтобы поставить их в углы нашей конструкции. Эти кирпичи очень легко резать и придавать им форму, главное следить за тем, чтобы разрез оставался прямым.
Шаг 3: Делаем канавки для нагревательного элемента
Затем мы измерили три равномерно расположенных линии от пола литейного цеха до верхнего края по периметру внутренней части. Этим обозначены три ряда, в которые будет вставлена электрическая катушка.
Используя квадратный напильник, мы проделали канавки в кирпичах и использовали кусок электрической катушки, чтобы обеспечить правильную глубину.
Шаг 4: Шлифование и склеивание
Мы сделали небольшую сборочную линию, чтобы сделать процесс немного управляемым. Мы запилили пазы для всех внутренних стен, а затем склеили готовые детали печным цементом.
Шаг 5: Сверление и окончательная склейка
На одной из коротких стенок мы сделали бороздки в виде наклонной поверхности, что позволяет нагревательному змеевику достигать следующего ряда. Здесь же мы хотели, чтобы концы нагревательной спирали выходили, поэтому просверлили небольшое отверстие с помощью стандартного сверла.
Затем мы склеили все стены печным цементом и дали ему застыть в течение ночи.
Шаг 6: Создание внешней структуры
Поскольку «мягкие» огнеупорные кирпичи действительно хрупкие, мы сделали простую металлическую конструкцию, чтобы защитить края литейного цеха.
Используя стальной уголок толщиной 1 дюйм, мы измерили длину всех внешних углов и сварили их вместе.
Чтобы не усложнять, мы просто перекрыли соответствующие части, а не ослабляли каждое соединение. Если у вас нет сварщика, вы также можете использовать гайки и болты, просверлив отверстие в каждом соединении и затянув гайки и болты.
Шаг 7: Электроника — регулятор температуры
Переходим к электрической части. Мы использовали ПИД-регулятор и твердотельное реле, термоизолированный провод и термопару типа K, которая показывает 0 — 1300 ° C.
Чтобы разместить все вместе, мы напечатали на 3D-принтере корпус и установили тумблер и электрическую розетку, которые мы вытащили из старого блока питания компьютера.
Мы приложили общую схему подключения для справки, но разные ПИД регуляторы могут иметь разные инструкции по подключению, поэтому дважды проверьте свою модель.
После того, как все было подключено и смонтировано в корпусе, мы прикрутили к металлической конструкции литейного цеха гайки и болты. Позже мы обнаружили, что конструкция немного нагревается и смягчает корпус, напечатанный на 3D-принтере, поэтому было бы полезно иметь изоляционный слой, такой как дерево.
Мы обязательно подключили заземляющий провод к монтажному болту, чтобы конструкция могла быть электрически заземлена для безопасной работы.
Шаг 8: Установка термопары
Затем мы измерили и просверлили отверстие для термопары.
Температура измеряется всего в 1 дюйме от кончика термопары, поэтому мы хотели расположить эту область ближе к полу литейного цеха, чтобы получить наиболее точные показания.
Мы сделали небольшой рычаг с небольшой регулировкой для установки термопары. После этого закрыли корпус.
Шаг 9: Нагревательный элемент
Используя катушку из стальной проволоки в качестве нагревательного элемента, мы рассчитали сопротивление около 9 Ом, чтобы дать нам достаточную мощность, не перегружая нашу схему на 20 А и давая нам приличный запас для включения других инструментов в цепи, если это необходимо.
Чтобы рассчитать, используя нашу схему 120 В с 9 Ом, измеренным на нагревательном элементе:
Ток = напряжение / сопротивление
Ток = 120 В / 9 Ом
Ток = 13,3 ампер, <Это намного ниже нашей схемы на 20 ампер
Затем мы можем вычислить нашу общую мощность:
Мощность = Ток x Вольт
Мощность = 13,3 А x 120 В
Мощность = 1600 Вт
Мы рассчитали, что для того, чтобы обернуть вокруг литейного цеха змеевик три раза для равномерного распределения тепла, нам нужно растянуть его на 2 метра.
После того, как мы использовали тиски для натяжения катушек, мы поместили их в пазы. Мы выпрямили оставшуюся стальную проволоку и профилировали скобы с помощью плоскогубцев, чтобы закрепить нагревательные спирали на стене.
Шаг 10: Окончательная разводка
Поместив нагревательные элементы во внутренние канавки, а концы выступают через отверстия, которые мы просверлили ранее, мы ввернули керамическую клеммную колодку в кирпич и прикрепили нагревательные катушки к одному концу клеммной колодки, а провода от ПИД-регулятора к другой конец.
Шаг 11: Зажигаем!
Спасибо, что прочитали нашу инструкцию! Если вам понравился проект, не забудьте поделиться им. Комментарии и отзывы всегда приветствуются.
Индукционные вакуумные печи для плавки металла
Вакуумные индукционные плавильные печи имеют герметичный кожух и поставляются с вакуумным оборудованием.
Рис. 1
Различают вакуумные печи полунепрерывного и периодического действия. Различие в построении процесса относится к загрузке, разгрузке и вакуумированию печи. В печах периодического действия операции по установке и выгрузке форм или изложниц, зачистке, подготовке и загрузке тигля выполняются при открытой, заполненной воздухом плавильной камере. В печах полунепрерывного действия все эти операции производятся без нарушения вакуума. Это облегчает получение металла высокого качества, т.к. устраняет дополнительное поглощение воздуха элементами конструкции печи, находящимися внутри плавильной камеры.
Рис. 2
Иногда применяется компоновка с индуктором, вынесенным из вакуумного объёма. В этом случае часть вакуумной камеры, находящаяся между тиглем и индуктором, должна быть прозрачной для магнитного поля. Обычно она представляет собой газонепроницаемую трубу из кварца или плавленого электрокорунда. Коэффициент полезного действия таких печей, как правило, невелик из-за большого промежутка между индуктором и садкой, необходимого для получения приемлемых тепловых условий для кварцевой или электрокорундовой трубы. Эта конструкция имеет и достоинства. Это – уменьшение объёма и поверхностей вакуумной камеры, что уменьшает натекание воздуха и удешевляет вакуумную откачную систему, уменьшение массы и стоимости печи и существенное облегчение требований к изоляции индуктирующей системы.
Современные ИВП периодического действия выпускаются в двух исполнениях: с тиглем, наклоняющимся внутри неподвижной плавильной камеры (аналогично тиглю печи на схеме вакуумной печи рис. 3), и в двухкамерном исполнении – с плавильной камерой, поворачивающейся совместно с тиглем и соединенной с неподвижной разливочной камерой с помощью поворотного уплотнения. В первом случае разливка производится непосредственно в изложницу или форму (обычно через приемную воронку), во втором металл поступает к изложнице или форме, находящейся в камере разливки, по футерованному желобу, проходящему сквозь поворотное уплотнение. Печи, рассчитанные на заливку нескольких изложниц или форм, снабжаются устройством, обеспечивающим поочередную подачу их под заливку.
Рис. 3
Индукционные вакуумные печи полунепрерывного действия могут быть выполнены аналогично последней из описанных конструкций, с тем отличием, что после разливки металла жёлоб убирается в одну из камер и атмосфера камер разобщается с помощью вакуумного затвора. Однако чаще печи полунепрерывного действия выполняются с наклоняющимся тиглем при неподвижной плавильной камере, снабжённой шлюзовой камерой для подачи форм.
Обычно ИВП полунепрерывного действия имеет герметичные шлюзовые камеры для подачи шихтовых материалов. В необходимых случаях ИВП снабжаются нагревательными устройствами для нагрева форм, а также для подогрева шихты (до 500-900ºС) и её обезгаживания; ИВП снабжаются устройствами для пробивки мостов шихты, зачистки тигля и измерения температуры расплава, а также необходимым количеством гляделок. Печи для приготовления сплавов имеют также дозаторы для подачи в тиглях присадок и устройство для отбора проб металла.
Индукторы вакуумных индукционных печей с низкой степенью разрежения рассчитаны на напряжение средней частоты не выше 400 В. Применение более высокого напряжения приводит к пробою на корпус печи. Для получения пониженного напряжения применяется подключение преобразователя частоты к сетевому напряжению 380В через понижающий трансформатор, либо выход преобразователя частоты подключается к нагрузке через понижающий среднечастотный трансформатор. В этом случае дополнительно достигается изоляция выхода преобразователя от индуктора.
Для подачи напряжения средней частоты на индуктор, находящийся в вакуумной камере, применяются специальные гермовводы. Для исключения нагрева металлоконструкций печи гермовводы, как правило, имеют коаксиальную конструкцию. Кроме того, гермовводы по конструкции различаются на изолированные и неизолированные. В изолированном гермовводе оба провода изолированы от корпуса печи. В неизолированном гермовводе один из проводов подключен к корпусу печи. Для работы на неизолированный гермоввод преобразователь частоты должен быть подключен к нему через разделительный трансформатор, например, ТС-250/2,4 или ТРС1-800.
* – «Современные методы индукционной плавки», Л.Л. Тир, Н.И. Фомин.
IGBT-Преобразователи частоты ПЕТРА для индукционного нагрева
Скачать (PDF)
Индукционная нагревательная установка ПЕТРА-0501
Скачать (PDF)
Индукционные плавильные Печи ИСТ
Скачать (PDF)
Функциональное назначение экранов панели индикации преобразователей частоты ПЕТРА
Скачать (PDF)
Четыре наиболее распространенных типа сталеплавильных печей
Спрос на стальные сплавы растет. По оценкам Всемирной организации по производству стали, в 2018 году было произведено 1,81 миллиарда тонн стали, что делает ее одним из самых распространенных искусственных ресурсов. 16% сплава используется для производства механического оборудования, а 13% используется в автомобильной промышленности.
Сердцем каждого литейного производства является плавильная печь, в которой кипит горячий жидкий металл. Крайне важно, чтобы вы знали тип и назначение печи, используемой при разливке стали. В печах применяются различные технологии, которые отливают металлический сплав и добавки в определенные марки стали. Вот четыре из наиболее распространенных печей, используемых на большинстве литейных заводов.
Индукционные печи
Индукционные кузнечные печи продолжают доминировать в литейной промышленности, поскольку все больше и больше производителей стали внедряют индукционные технологии. Работа индукционной кузницы использует переменный электрический ток для плавки стали при желаемой температуре. Сталь плавится при температуре 1370 градусов по Цельсию, что составляет примерно 2500 градусов по Фаренгейту. Катушка индукционного нагрева окружает тигель, содержащий металлический сплав с добавками, нагревая металл при зарядке.
Достоинства:
- Сталеплавильная печь проста в эксплуатации, продукция высокого качества.
- Стальные отливки обладают лучшими металлургическими свойствами и меньшими потерями при окислении.
Минусы:
- Отсутствие перерабатывающих мощностей, требующих строгого соблюдения чистоты используемого сырья.
Тигельная печь
Тигельные кузнечные печи используют огнеупорные материалы, такие как керамика, для изготовления формы. Материалы выдерживают высокие температуры, необходимые для плавления различных металлических изделий. Тигли различаются по размеру: от печи размером с чашку до большой печи для обжига. Металлический сплав и добавки помещаются внутрь тигля, расположенного над источником тепла.
Плюсы:
- Можно плавить небольшое количество металла.
- Вы можете быстро изменить содержимое тигля.
Минусы:
- Эти печи уже не экономичны из-за высокого энергопотребления.
Вагранка
Вагранка для плавки стали веками использовалась в литейном производстве. Центральный купол сделан из осадочных пород, облицованных глиной и кирпичами, чтобы защитить внутренние стены от сильной жары и истирания. Сплавы стали, кокс и известняк заполняют характерный высокий купол цилиндрической формы до начала процесса плавления.
Плюсы:
- Производить большое количество стали, когда печь работает годами.
Минусы:
- Очень немногие литейные заводы все еще используют дымоходные печи, а кузнечные горны заменены на более эффективную индукционную технологию.
Электрическая дуговая печь
Электропечь использует электроды, погруженные в металл, для выработки тепла, необходимого для его плавления. В сталеплавильных печах используются угольные электроды, помещенные в резервуар, для непосредственной загрузки материала до тех пор, пока он не расплавится. Печи преобладают среди заводов, осуществляющих переработку стали. Литейные цеха различаются по размеру и конструкции и могут нагревать до 400 тонн металла.
Плюсы:
- Электродуговая печь обеспечивает 100% переработку металлолома.
- Этот процесс является гибким, что позволяет плавильщикам запускать и останавливать процесс, когда это необходимо.
Минусы:
- Электрические печи потребляют большое количество энергии, вызывая нагрузку на электрические сети.
Сталь продолжает играть решающую роль в механизации мира, и спрос на нее сильно вырос за последнее десятилетие. Поиск подходящей сталеплавильной печи может помочь вам оптимизировать процессы литья. Если вы ищете стальные ковочные печи для своего бизнеса, AMELT — правильный партнер для вас. Для получения дополнительной информации посетите наш веб-сайт сегодня.
Плавильные печи и металлургические печи и оборудование для плавки золота
Лабораторные эксперименты показали, что чугун и сталь приемлемого качества могут быть получены методами дуговой печи из кремнистых руд восточного Техаса, содержащих менее 25 процентов железа. В сильно восстановительных условиях от 97 до 99 процентов железа в руде извлекалось в виде чугуна. В качестве флюса использовалось небольшое количество известняка, минимальное количество которого ограничивалось только возрастающей вязкостью шлака. Было показано, что удовлетворительное извлечение высококремнистого чугуна может быть достигнуто из очень кремнеземистой шихты.
Техника удаления примесей из чугуна в лабораторных масштабах не достигла высокого уровня совершенства, но результаты рафинирования показали, что в дуговой печи из бедных руд стабильно можно производить сталь удовлетворительного качества. Доломитовый известняк не так эффективно удалял серу из чугуна, как высококачественный известняк.
Было обнаружено, что кокс, битуминозный уголь и бурый уголь примерно равны по содержанию связанного углерода в восстановлении оксидов железа. Лабораторные эксперименты по плавке в дуговой печи показали, что потребление энергии почти обратно пропорционально качеству руды. Следует отметить способность дуговой печи эффективно использовать низкосортные железные руды и низкосортные восстановители крупного или мелкого размера.
Работа печи на рудах с низким содержанием была наиболее гладкой при использовании буроугольного восстановителя. Летучие вещества в угле и лигните, по-видимому, лишь в незначительной степени повлияли на общее восстановление.
Оценочные запасы всех классов железной руды в Соединенных Штатах превышают 76 миллиардов тонн, исключая руду, поступающую напрямую из региона Верхнего озера. Большой процент из этих 76 миллиардов тонн требует обогащения одним или несколькими из нескольких хорошо известных методов для получения сырья, подходящего для доменной плавки. Эффективность обогащения варьируется от плохой до отличной в зависимости от обогатительных характеристик руды. Пирометаллургическое отделение железа от пустой породы приводит к высокому извлечению металла в виде чугуна. Чугун из большинства видов железной руды поддается рафинированию стандартными методами.
Прямая плавка низкосортных железных руд, в отличие от плавки богатых руд, связана с такими соображениями, как относительно низкая производительность на печь из-за большого объема шлака, повышенные затраты на электроэнергию и работу печи на единицу продукции, необходимые для плавки большее количество пустой породы и флюса, а также более высокие затраты на транспортировку и добычу каждой единицы произведенного железа, поскольку требуется больше топлива, руды и флюса. Обогащение руды с низким содержанием для получения концентрата с высоким содержанием, а не прямая плавка руды с низким содержанием, требует меньших капитальных затрат и более низких эксплуатационных расходов. Однако извлечение железа с помощью концентратора редко бывает столь же эффективным, как с помощью печи, и при плавке концентратов будут возникать дополнительные потери железа. Электрические печи могут плавить мягкую или мелкую руду и использовать низкосортное топливо, но стоимость рабочей мощности сдерживает их широкое распространение. Надлежащая оценка относительных достоинств обработки бедных железных руд путем обогащения или электроплавки требует наличия большого количества технических данных. Цель этой рукописи — добавить факты к существующей информации.
Крупные залежи железной руды находятся в восточном Техасе; запасы измеренной и обозначенной руды в пересчете на промытый продукт оцениваются в 160 000 000 тонн. Неглубокая вскрышная порода, слой окисленной руды, подстилаемой карбонатной рудой, и высокое содержание кремнезема являются характерными чертами многих рудных тел. Руда была признана в 1839 году, а месторождения были впервые разработаны во время Гражданской войны. Производство было с перерывами до 1944 года; с тех пор ежегодный объем производства был значительным. Зарегистрированная добыча составила 3,960 000 длинных тонн в 1953 году, 2 240 000 длинных тонн в 1954 году и 3 110 000 длинных тонн в 1955 году; весь этот материал требовал обогащения. Концентраты выплавлялись в Техасе.
Нынешняя деятельность осуществляется Lone Star Steel Co. и Sheffield Steel Corp. Их обогатительные фабрики извлекают около 50 процентов железа из руды в виде концентратов, содержащих примерно 45 процентов железа.
Руды из шахт Lone Star Steel Co. в округе Моррис были выбраны в качестве сырья для использования в металлургических исследованиях. Это одни из самых низкосортных железных руд, используемых в производстве стали в Соединенных Штатах. Некоторые разрабатываемые руды этой компании содержат менее 25% железа; оксидные руды могут содержать мало серы, но при выплавке большинства таких руд необходимо удалить значительные количества серы и фосфора. Карбонатные руды обычно содержат относительно много серы.
Образцы руды были получены на рудниках Роджерс и Блэк-Маунтин, а концентрат — на заводе Lone Star Steel Co. Позже керны, полученные во время разведки, были скомбинированы и подвергнуты металлургическим испытаниям.
Различные восстановители, используемые в плавильных экспериментах, включали графит, металлургический кокс, бурый уголь, коксующийся уголь из Оклахомы и уголь для отопления в Иллинойсе. Флюсы были получены из карьеров заполнителя и сельскохозяйственного доломитового известняка около Роллы, штат Миссури, и из известняка высокой чистоты в восточной части Миссури.
Однофазный 100-кВ-а. Для плавки руд и концентратов использовалась дуговая печь Lectromelt емкостью загрузки около 200 фунтов. Для рафинирования чугуна использовались как дуговая печь, так и индукционная печь. Печь с непрямой дугой легко вмещала от 40 до 60 фунтов чугуна; индукционная печь использовалась для загрузки тигля весом около 1 фунта. Вся топка была партиями.
Химические анализы Частичный химический анализ руд и концентрата мельницы (таблица 1) показывает, что для производства стали необходимо удалить кремнезем, глинозем, фосфор и иногда серу. Заметен также дисбаланс шлакообразующих материалов. Содержание серы в концентрате оказалось выше, чем в руде, потому что рудные забои содержали необычно мало серы при отборе проб из рудников. Руды из этого района обычно содержат количество серы, аналогичное количеству серы в образце керна.
Частичные анализы различных восстановителей и известняка, использованных в экспериментах, представлены в таблице 2.
Технические исследования Флюсы и восстановители был проведен ряд мелкомасштабных испытаний в тиглях. Большая часть оксида железа была восстановлена до металлической дроби за 1 час при 1400°С, но мало металла собралось на дне тигля; при 1450° в металлическую пуговицу извлекалось менее половины железа, а при 1500° за 1 час извлекалось от 50 до 60% расплавленного железа. Практически все металлическое железо было собрано за 1-1/2 часа при температуре от 1525° до 1575°С9.0003 Экспериментальные флюсы для пустой породы включали плавиковый шпат, кальцинированную соду, известь и известняк. Добавление ограниченного количества флюса приводило к образованию вязких, хотя и жидких шлаков. Текучесть шлаков несколько повышали добавлением плавикового шпата или кальцинированной соды до 3% от массы шихты; но после предварительных опытов в качестве флюса использовали только известняк. Известняки были получены из местных карьеров, производящих сельскохозяйственный известняк, и из высокочистого месторождения восточного Миссури. Местные известняки были сильно доломитовыми; их содержание магнезии считалось эквивалентным извести в расчетах заряда-баланса. Небольшие партии руды были переплавлены в серии экспериментов, в которых постепенно уменьшалось соотношение известняк-кремнезем. Данные этих экспериментов показали, что 1 единица известняка на 2 единицы кремнезема была минимальной добавкой известняка, при которой образуется пригодный для обработки шлак.
Для упрощения подпитки в качестве параметра регулирования флюса использовалось отношение известняка во флюсе к кремнезему в руде. В таблице 3 приведены сопоставимые коэффициенты основности (CaO + MgO/SiO2 + Al2O3) для каждого соотношения известняк-кремнезем. Зольность восстановителей не учитывали.
При плавке известняково-кремнеземной факторной шихты 0,5 образуются вязкие шлаки; однако содержание железа в этих шлаках было низким. Чугун, выплавленный из этих шихт с низким содержанием известняка, содержал относительно больше кремния и серы, чем чугун из шихты с более высоким содержанием известняка, потому что более тяжелые добавки извести зашлаковывали больше кремнезема и сместили равновесие кальция и серы.
Изменение свойств шлаков и чугунов, полученных в результате плавки, было более выраженным при коэффициенте известняк-кремнезем в диапазоне от 0,5 до 0,75, чем в диапазоне от 0,75 до 1,0. При добавлении постоянного количества восстановителя в шихты с коэффициентом 0,75 и 1,0 шлак из шихты с коэффициентом 0,75 содержал больше всего железа. Регулируя количество восстановителя, содержание кремния в чугуне из каждого вида шихты можно сделать одинаковым. Таким образом, содержание кремния в чугуне зависело в первую очередь от количества восстановителя шихты и, во вторую очередь, от известняково-кремнеземного фактора.
С использованием дополнительного восстановителя получают маложелезистые шлаки и высококремнистый чугун из шихт с известняково-кремнистым коэффициентом 0,5. Сера удовлетворительно удалялась из железа при любом из трех использованных количеств известняка.
Восстановители загружались на основе выбранного количества фунтов на фунт железа в сырье. Несколько загрузок были приготовлены с использованием тонкой стружки графита в качестве восстановителя, но использование графита не было достаточно исследовано, чтобы можно было сделать исчерпывающие выводы. Однако когда в качестве восстановителя использовался графит, чугун не поглощал серу или фосфор.
Образцы угля из четырех шахт Оклахомы компании Lone Star Steel Co. использовались во многих из этих экспериментов. Металлургический кокс применялся в нескольких экспериментах, но никаких преимуществ от его применения в дуговой печи не было.
Два образца кускового битуминозного угля, полученные в разное время из одного и того же источника в южном Иллинойсе, также использовались в качестве восстановителя. Таблица 2 показывает, что содержание серы в этих образцах сильно различалось. Этот уголь также вызвал необычайное выделение газа в печи; выделение газа было особенно заметным, когда шихта была частично расплавлена. Полудикая шихта была связана с выходом большого количества летучих веществ из угля во время полурасплавленной шихты. Кроме того, улетучивание химически связанной воды в руде и двуокиси углерода из известняка увеличивает объем газа.
Работа печи была наиболее гладкой, когда восстановителем служил техасский бурый уголь. Считается, что большое количество летучих компонентов этого материала эффективно испаряется из шихты до того, как произойдет плавление, тем самым сводя к минимуму выброс содержимого печи. Было также отмечено, что управление дугой было наиболее удовлетворительным при восстановлении лигнитом.
Электросталеплавильная печь А 100-кв.-а. Лектромельт, лабораторного типа, размер V, однофазная дуговая печь использовалась для большинства экспериментов по плавке. В нескольких предварительных шихтах, выплавленных в детройтской печи с непрямой дугой качающегося типа, пыление было чрезмерным, и при температуре размягчения происходило комкование шихты.
Железные руды восточного Техаса содержат большое количество пустой породы; следовательно, было экономически необходимо добавлять как можно меньше флюса к шихте печи. Поскольку пустая порода состояла в основном из кремнезема и глинозема, при минимальном добавлении известняка образовывался высококислотный шлак. Поскольку печь была футерована магнезиальным кирпичом, были проведены первые эксперименты с этой футеровкой, хотя ожидалось, что эти рудные загрузки вызовут коррозию магнезии. Эта подкладка была израсходована за несколько плавок. Впоследствии была установлена карбоновая футеровка, которая удовлетворительно выдержала многие плавки.
Концентрат руды и обогащения Rogers-Mine Шихта, состоящая из 36 % руды рудника Rogers, 36 % концентрата мельницы, 16 % извести, 10 % графита и 2 % плавикового шпата, была выплавлена в дуговой качающейся печи с непрямым дуговым разрядом для получать содержание железа в шлаке через определенные промежутки времени по ходу плавки. Эта загрузка содержала известь, эквивалентную коэффициенту загрузки известняк-кремнезем 0,5. Заряд плавили, и в течение 2 часов отбирали пробы с поверхности. Результаты представлены в таблице 4.
Загрузки из 50-50 руды Rogers и концентрата мельницы были приготовлены с приблизительно 0,5, 0,75 и 1,0 известняково-кремнеземными коэффициентами, плюс уголь в слегка варьирующихся порциях. Руда и уголь измельчались через ½ дюйма, а известняк через 10 меш. Эти шихты выплавлялись в футерованном углем 100-кв.-а. дуговая печь. Время в расплавленном состоянии составляло 2-½ часа. В таблице 5 приведены данные по нескольким чугунам и шлакам, полученным в ходе этих экспериментов по плавке.
Анализ продукта значительно варьировался от одного теста к другому, но результаты показывают много общей информации и несколько тенденций. По мере снижения процентного содержания восстановителя в шихте содержание железа в чушках росло, а содержание кремния снижалось преимущественно по отношению к углероду. Очевидная тенденция содержания фосфора в металле несколько повышалась с увеличением количества угля в шихте. Снижение содержания серы было улучшено за счет добавления большего количества угля для улучшения условий восстановления. По мере увеличения количества известняка или восстановителя в шихте содержание железа в шлаках уменьшалось. Содержание серы в шлаке возрастало по мере добавления в шихту большего количества извести.
Была проведена серия испытаний дуговой печи на руде Роджерс-Майн с использованием почти постоянного соотношения железа и угля и варьированием коэффициента известняк-кремнезем от 0,5 до 1. Результаты этих экспериментов представлены в таблице 6. В эту таблицу включена колонка для «коэффициента основности» или отношения «V», термины, используемые в сталелитейной промышленности для обозначения состояния шлака
В отличие от неравномерного удаления серы из смесей Роджерса- шахтной руды и концентрата мельницы, данные в таблице 6 свидетельствуют о последовательном удалении серы при плавке прямой руды шахты Роджерса. Изменение количества известняка не отражалось на содержании серы в чугуне, хотя содержание железа в чугуне повышалось по мере того, как большее количество кремнезема зашлаковывалось из-за увеличения количества известняка. Углерод в скребке также увеличивался, так как больше кремнезема удерживалось в шлаке из-за большего количества добавок известняка. Шлак удаляет только небольшое количество фосфора. Содержание железа в шлаке увеличивалось по мере загрузки извести в больших количествах, но снижалось при плавке смешанной руды и концентрата. Эти эксперименты показывают, что чугуны приемлемых анализов можно получать путем плавки низкосортных кремнистых железных руд с небольшим количеством флюса в дуговой печи.
Было проведено несколько экспериментов по плавке, аналогичных тем, результаты которых представлены в таблице 6, за исключением того, что для удаления фосфора была проведена дуплексная обработка шлака. По истечении 1-3/4 часов плавки шлак удаляли и в значительной степени заменяли окисляющим основным покрытием, состоящим из известняка и либо прокатной окалины, либо оксида железа. После того как покрытие стало текучим, его сливали в шлаковую форму и через нее медленно заливали слой металла. Некоторое снижение содержания кремния в болванке было достигнуто путем имитации обработки перрином, содержание углерода было немного снижено, а содержание фосфора практически не изменилось. В этих условиях было достигнуто слишком мало окисления для рафинирования чугуна.
Используя данные, полученные при плавке руды рудника Роджерс, руда Блэк Маунтин была выплавлена без предварительных прогонов. В серии плавильных экспериментов руда смешивалась с различными порциями известняка, в то время как соотношение железа и угля поддерживалось почти постоянным. Уголь составлял либо 7, либо 8 процентов от общей массы шихты, а известняк в шихте варьировался от 18 до 30 процентов. Поверхностные температуры расплавленных шихт составляли в среднем от 1,570° до 1,59°С.0°С (от 2855° до 2890°F). Расплавленные шихты находились в дуговой печи 2-3/4 часа. В качестве восстановителя использовали смесь четырех коксующихся углей Оклахомы, измельченных на ½ дюйма. В Таблице 7 показаны результаты плавки при различной извести в шихте.
Были предприняты попытки имитации обработки перрином, но она оказалась недостаточно эффективной для производства стали в лабораторных условиях.
Данные в таблице 7 указывают на чрезмерно восстановленное состояние во время плавки. Хотя соотношение железа и угля приблизительно соответствовало тому, которое использовалось в экспериментах с рудой Роджерса, сообщалось о большем количестве кремния в чугуне, полученном из руды Блэк-Маунтин. При плавке сера концентрировалась в шлаковом слое, а фосфор – в металлическом. Шлак из шихты с низким содержанием извести был очень вязким, и с ним было трудно обращаться; однако в шлаке осталось очень мало железной дроби, что указывает на достаточную текучесть для разделения металла и шлака.
Электропечное рафинирование чугуна Высококремнистые чугуны, выплавленные из руд Роджерса и Блэк-Маунтин, были рафинированы в дуговых и индукционных печах. Задача состояла в том, чтобы удалить большую часть кремния, углерода и фосфора путем окисления и образования шлака или, в случае углерода, путем окисления и улетучивания. Рафинирование включало поддержание окислительных условий над расплавленным чугуном с использованием окислительных шлаков или продувки непосредственно воздухом, кислородом или воздушно-кислородными смесями.
В предварительных экспериментах примеси удаляли в небольших тиглях, нагреваемых индукционным способом. На расплавленные образцы чугуна помещали окислительные шлаки, а также применяли кислородную фурму для увеличения окисления примесей. Эти опыты в тиглях не дали стали, но указали условия, необходимые для достижения желаемой степени очистки.
В крупномасштабных экспериментах по очистке чугуна использовалась печь качающегося типа с непрямой дугой, работающая как с футеровкой из глинозема, так и с магнезиальной футеровкой. Удаление примесей было более эффективным при использовании последней футеровки.
Концентрат мельницы Rogers-Mine Ore Plus Состав чугуна двух проанализированных плавок, в процентах: Fe 94,3, Si 1,4, C 4,1 и S 0,10. Этот материал плавили в дуговой печи с угольной футеровкой и закрытым верхом. После расплавления на металлическую ванну помещали восстановительное флюсовое покрытие, весящее 50 процентов металла и содержащее 61 процент известняка, 20 процентов графита, 10 процентов кальцинированной соды и 9 процентов кремнезема. Загрузку выдерживали при температуре от 1500 до 1600°С в течение 2,5 часов для удаления серы. В конце периода шлак удаляли и брали пробы металла. Сера была эффективно удалена, как показал анализ обработанного металла: Fe 93,6, Si 1,9, C 3,7, P 0,21 и S 0,01. Расплавленный чугун переносили в горячую дуговую печь с непрямой дугой, футерованную магнезией, где его покрывали окислительным флюсом, составлявшим около 18 процентов металла. Флюс содержал 69 процентов известняка, 28 процентов руды с рудника Роджерс плюс концентрат мельницы и 3 процента кальцинированной соды. Образовавшийся шлак удаляли через 1-1/4 часа. Таким же образом была проведена вторая обработка флюсом. Анализ готового металла в процентах: Fe 97,4, Si 0,09. , C 2,3, P 0,20 и S 0,01. Кремний и сера были практически удалены обработкой, но пострадала только половина углерода и очень мало фосфора. Условия окисления в дуговой печи непрямого действия не позволяли выплавлять из этого чугуна сталь без больших затрат времени на обработку и больших объемов флюса.
Условия окисления были усилены за счет использования кислорода и дополнительного воздуха. Шихту чугуна, содержащую, в %, Fe 89,3, Si 5,1, C 3,8, P 0,19, S 0,01, выплавляли в тигле из силиката циркония индукционным нагревом. Известняк в количестве 20 процентов от веса шихты помещали на расплавленный металл при температуре 1350°С. Ванна была пропущена воздушно-кислородной смесью 50/50 в течение 5,5 минут, когда шлак стал слишком пастообразным, чтобы его можно было продолжить. дует. Эта обработка снизила содержание углерода и кремния в металле до 3,1 и 4,4 процента соответственно.
Чугун вышеуказанного анализа был выплавлен в качающейся печи с непрямой дугой, футерованной магнезией, под флюсом, составляющим 30 процентов загружаемого металла. Флюс состоял из 62 процентов известняка, 35 процентов руды с рудника Роджерса и концентрата мельницы и 3 процентов кальцинированной соды. Добавляли половину флюса и загрузку выдерживали при 1500°С в течение 1-1/4 часа; затем шлак удаляли, добавляли оставшийся флюс и шихту выдерживали в расплавленном состоянии еще 1-1/4 часа. Температура поверхности расплава за последний период в среднем составила 1540°С. В течение всего периода рафинирования в печь над расплавленной шихтой вдували струю воздуха. Эта процедура увеличила окисление примесей шихты до такой степени, что анализ разлитого металла составил: Fe 99,3, Si 0,05, C 0,29, P 0,004 и S 0,01.
В целом прокалывание кислородом в тигле в лабораторных условиях не обеспечивало надлежащего окисления примесей. Большинство из этих процедур были прекращены менее чем за 10 минут. Выдерживание расплавленного чугуна в печи с непрямой дугой под окислительным флюсом и постоянное нагнетание воздуха в печь превращало чугун в мягкую сталь.
Черная горнорудная руда Чугун был произведен дуговой плавкой шихты, состоящей из 69руды Блэк-Маунтин, 23% известняка и 8% иллинойского угля № 2. Чугун содержал, в процентах: Fe 91,9, C 3,6, Si 3,0, P 0,28 и S 0,012. Его загружали в качающуюся печь с непрямой дугой мощностью 50 кВт, а затем покрывали 12 ½ процента его веса окислительным флюсом, состоящим из 70 частей известняка и 30 частей оксида железа. В печь над шихтой в течение всей обработки вдували смесь воздуха и кислорода в соотношении 50:50. Первый период рафинирования составлял 45 минут при средней температуре поверхности 1566°С. По истечении этого времени шлак удаляли, а чистую ванну выдерживали в расплавленном состоянии под струей воздуха и кислорода в течение 15 минут, прежде чем добавить еще одну порцию окислительного флюса. Второй флюс оставался на металле в течение 45 минут при средней температуре поверхности 1570°С. Шихту заливали через 1 час 45 минут. Готовый металл содержал в процентах: C 0,076, Si 0,037, P 0,063, S 0,024. Указанное удаление примесей, в процентах, составило: C 98, Si 99 и P 86.
На рис. 1 показан оператор печи, загружающий холодный чугун в печь с непрямой дугой. На рис. 2, сфотографированном при работающей печи, показан режим нагнетания воздуха над расплавленной шихтой. Воздушный шланг, прикрепленный к керамической трубке, выступающей из дверцы печи, позволял подавать воздух или кислород во время движения печи.
Данные о потреблении энергии необходимы для оценки возможности электрической плавки низкосортных железных руд. Данные для этой цели были получены при плавке шихты из низкосортной железной руды и концентрата высокосортного железа в лабораторных условиях. Такие данные необходимо рассматривать применительно к лабораторным или мелкосерийным работам, которые по своей природе требуют большего количества тепла на единицу продукции. Таким образом, мощность, необходимая для производства 1 фунта чугуна из железной руды в лабораторных масштабах, может быть в несколько раз больше, чем требуется для большой промышленной печи. Соотношение между мощностью, необходимой для производства единицы железа из руды с низким содержанием, и мощностью, необходимой для производства единицы железа из руды с высоким содержанием, постоянно, независимо от масштаба операций; поэтому следующие цифры по мощности для бедной руды можно легко спрогнозировать для крупного производства, когда известна мощность, потребляемая большой печью для руды с определенным содержанием железа. Может потребоваться некоторая корректировка требований к флюсу для различных руд; однако эта корректировка будет небольшой, если придерживаться постоянного коэффициента основности.
Отобранные керны из проекта по разведке железной руды в восточном Техасе использовались в качестве руды с низким содержанием в исследованиях энергопотребления. Композит из этого материала содержал в процентах: Fe 28,6, SiO2 32,0, Al2O3 10,7, CaO 0,14, P 0,087 и S 24. На этой руде были проведены опыты по дуговой плавке с варьированием восстановителя и коэффициента основности. Нахождение шихты в печи поддерживалось постоянным в течение 2,5 часов. Это время было почти минимальным для восстановления железа как в бедных, так и в богатых рудах. В качестве восстановителей использовались кокс, уголь и бурый уголь. Коэффициенты базисности сборов составляли 0,30, 0,35 и 0,40. Соотношение связанного углерода (в восстановителе) и железа в шихте составляло либо 0,45, либо 0,60. В пределах экспериментальных вариаций количество или тип восстановителя не влияли на энергопотребление в достаточной степени, чтобы обозначить тенденцию. Не было определенного преимущества для кокса, угля или лигнита, но работа печи с лигнитом была менее изменчивой. В отличие от выброса «диких» шихт при использовании угля, шихты, содержащие буроугольный восстановитель, плавились быстро и с устойчивой дугой. Это различие связано с выделением летучих веществ из бурого угля до начала плавления шихты.
Поскольку удельная теплоемкость шлака выше, чем у чугуна, ожидалось, что большой объем шлака высокоосновной шихты потребует большей мощности. Эксперименты этого не подтвердили, поскольку для выплавки шихты с коэффициентом основности 0,30 требовалось больше киловатт-часов на фунт чугуна, чем для шихты с коэффициентом основности 0,40. Дальнейший анализ условий плавки показал, что по мере снижения основности шихты шлаки становились все более вязкими и требовали более высоких температур отделки и заливки. Добавленная мощность, используемая для повышения температуры шихты на 15° или 20°С, по-видимому, была больше, чем необходимая для нагревания и флюсования дополнительного известняка в шихтах, имеющих более высокие коэффициенты основности.
Грузовик зеркального гематитового гравитационного концентрата был получен от Ozark Ore Co., Iron Mountain, Миссури. Эта конкретная партия руды содержала в процентах: Fe 55,3, SiO2 9,3, Al2O3 3,5 CaO 4,8, MgO 0,60, P 0,007 и S 0,009. Части этого материала были выплавлены в дуговой печи в экспериментах, аналогичных экспериментам с бедной рудой. Поддерживались условия для производства чугуна с сопоставимым содержанием железа как из низкосортного, так и из высокосортного сырья.
Расплавы концентрата были спокойными в печи с восстановителями кокса, угля или лигнита. Из-за малого объема шлака и высокого выпадения металла общий расход энергии на плавку шихты концентрата ожидался меньше, чем на плавку такой же массы шихты из бедной руды. Однако данные плавки не подтвердили это предположение. Считается, что изолирующий эффект шлака уменьшил потери тепла от низкосортной шихты; общая потребляемая мощность на заряд немного больше, чем у низкокачественной железной руды.
Потребление электроэнергии на фунт чугуна для соответствующих коэффициентов основности приведено в таблице 8. Сравнение энергии, потребляемой при производстве 1 фунта чугуна из двух сортов руды, показывает, что отношение произведенное железо почти обратно пропорционально содержанию железа в рудах. Эта зависимость была расширена и подтверждена лабораторной плавкой 22-процентной железной руды.
Вместимость печи Чтобы определить относительную вместимость печи для плавки бедных и богатых руд, была проведена серия экспериментов по печи, в которых практиковалась подача через штуцер. Руды с низким и высоким содержанием смешивались с флюсами и лигнитом для получения сбалансированных зарядов. В печь было добавлено обычное количество шихтового материала, и зажглась дуга.