» » Движение металла в печах различных конструкций и его влияние на качества сплавов
04.02.2017

Движение металла в печах различных конструкций происходит и по различным траекториям и с различной степенью интенсивности.
Печами, в которых металл находится при плавке в наиболее покойном состоянии, являются печи отражательные. В них теплота поступает к металлу только сверху, поэтому верхние слои нагреваются до более высоких температур, чем нижние.
Плотность расплавленного металла в зависимости от температуры уменьшается, что видно на примере алюминия (рис. 94) и многих других металлов.
При нагревании ванны сверху нагретые слои, как более легкие, не будут иметь импульса для перемещения куда-либо в другое место. Ванна металла будет прогреваться только вследствие теплопроводности.
Чем больше термический напор в печи, т. е. чем выше температура источника теплоты и чем больше его мощность, тем разность температур по глубине ванны больше и тем устойчивее неподвижность металла в ней, так как больше разность в удельных весах сплава по глубине.
Движение металла в печах различных конструкций и его влияние на качества сплавов

Наиболее высокая температура при одной и той же мощности и размерах печи развивается у источника теплоты в дуговых электрических печах, из числа которых печи непрямого действия являются по существу отражательными. В этом случае металл в ванне в наибольшей степени стремится сохранить покой, почему разность температуры металла по глубине ванны может достигать 200—300°, при условии, разумеется, что металл искусственно не перемешивается. Эта разность увеличивается при увеличении глубины ванны и при уменьшении теплопроводности металла.
Чтобы устранить большую разность температур в металле по глубине ванны, дуговые отражательные печи конструируют таким образом, чтобы было обеспечено искусственное перемешивание металла. Печи эти или имеют постоянное вращение во время плавки (печи вращающиеся), или они во время плавки отклоняются от среднего положения в одну и в другую стороны на некоторый угол (печи качающиеся), или же по желанию от времени до времени могут наклоняться на некоторый угол и возвращаться в прежнее положение (печи наклоняющиеся). Все эти виды движения печей применяются для перемешивания металла во время плавки вo избежание значительного перегрева верхних его слоев.
Получение равномерной температуры по глубине ванны в дуговых печах, даже несмотря на перемешивание, затруднено.
Сплавы, в состав которых входят компоненты, значительно отличающиеся по удельному весу и имеющие ограниченную растворимость друг в друге в расплавленном состоянии, могут плавиться в этих печах при условии интенсивного перемешивания.
В отражательных печах, работающих на твердом, жидком или газообразном топливе, а также в печах сопротивления, нагреваемых электрическим током (печи криптольные и с нихромовыми нагревателями в своде), создается при прочих равных условиях меньшая разность температур по глубине ванны по сравнению с дуговыми печами. Движение металла в ванне этих печей под влиянием конвекционных токов и электрического поля, правда, также отсутствует, поэтому для выравнивания температуры и состава сплава должно применяться искусственное перемешивание.
При плавке стали в мартеновских печах для создания конвекционных потоков в целях ускорения плавки в результате выравнивания температуры иногда (П.В. Умрихин) производят загрузку скрапа не по всей ванне, а в отдельных ее участках, что вызывает боковое охлаждение ванны и конвекционные токи, ускоряющие плавление загруженного скрапа.
При тигельной плавке заботы о создании равномерной температуры во всем объеме металла излишни. Металл в тигле нагревается через стенки и в меньшей степени через верхнюю поверхность, если даже она не закрыта крышкой. В расплавленном металле при нагреве будут проходить конвекционные токи металла следующим образом: нагретый у стенок тигля металл, как более легкий, будет подниматься вверх, в центральной части тигля более холодный металл будет опускаться вниз и, растекаясь к стенкам, будет приходить на смену нагретого металла, поднявшегося вверх (рис. 95), Охлаждение металла в тигле после того как он вынут из горна, тоже происходит через стенки тигля и частично через верхнюю поверхность металла. Охладившийся металл у стенок тигля будет опускаться вниз, а на его место в центральной зоне более горячий металл будет подниматься вверх. Если в это время посмотреть на поверхность металла, можно заметить движение струек его, а также посторонних частиц, плавающих на зеркале по направлению от центра к периферии, что указывает на движение металла под влиянием конвекции. Разность температур в различных точках ванны при тигельной плавке не превышает 5 —10°. При значительном охлаждении снизу тигля с металлом перед литьем может получиться значительная разность температур металла по высоте тигля. Верхняя поверхность, в особенности если она предохранена от охлаждения покровным слоем, например, древесного угля, может оставаться более длительное время при высокой температуре, тогда как нижняя часть объема металла в тигле окажется значительно охлажденной. В особенности большая разность температур может получиться, если тигель поставлен на чугунные плиты пола без теплоизоляционной подкладки. В этом случае разность температур может достигать значительных величин, вплоть до образования на дне тигля твердого металла при сохранении перегрева в верхних его горизонтах.
Движение металла в печах различных конструкций и его влияние на качества сплавов

При тигельной плавке сплавы, содержащие компоненты, значительно отличающиеся по удельному весу, но хорошо растворяющиеся друг в друге, уже при небольшом перемешивании в горизонтальном направлении обнаруживают достаточную однородность, так как конвекция при плавке и перед литьем этому помогает. Только сплавы, содержащие компоненты, ограниченно растворяющиеся в сплаве в жидком состоянии и обладающие большой разностью удельных весов отдельных составляющих, должны быть при плавке тщательно и интенсивно перемешаны искусственно.
Наибольшую степень равномерности сплавов, представляющих собой расслаивающиеся системы, обеспечивает плавка в электрических индукционных печах. Особенно для этой цели могут быть рекомендованы индукционные печи без магнитопровода, так как они создают в расплавленном металле наиболее интенсивное движение металла.
Движение металла при плавке в индукционных печах с железным сердечником менее интенсивное, но все же в этих печах удается получать вполне однородные сплавы, образующие растворы со всеми входящими в них компонентами. Небольшое содержание легко ликвирующего компонента не препятствует получению однородного сплава при плавке в этих печах.
При плавке латуни, например, с содержанием до 3—4% Pb, удается еще получать сплавы без заметного отслаивания. Медные сплавы, содержащие свыше 7—8% Pb, обнаруживают тенденцию к обогащению нижних частей объема ванны и в особенности расположенных внизу нагревательных каналов более тяжелым компонентом — свинцом, что вызывает неоднородность слитков, снижение коэффициента полезного действия печи и удлинение периода плавки. При плавке сплавов в индукционных печах этого типа разность температур у места входа нагревательных каналов в ванну и в пунктах, наиболее, далеко отстоящих от них, достигает иногда заметных величин.
Перемешивание металла в печах с железным сердечником не настолько интенсивно, чтобы это могло служить препятствием для применения их при плавке алюминиевых сплавов. Небольшое расширение устья каналов этих печей дает возможность ослабить движение металла у поверхности зеркала металла в ванне. Таким образам, следует признать, что в настоящее время отсутствуют ограничения для плавки алюминиевых сплавов в индукционных печах с железным сердечником и даже без железного сердечника. Несложные мероприятия обеспечивают проведение плавок без замешивания поверхностных плен внутрь металла.