Плавильные агрегаты

 
 
 
 
 
 
А. П. ФИРСТОВ  
 
 
 
 
ПЛАВИЛЬНЫЕ АГРЕГАТЫ 
 
 
 
 
 
 
 
Рекомендовано Методическим советом 
Нижнетагильского технологического института (филиала) УрФУ 
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 
в качестве учебно-методического пособия  
по дисциплинам «Производство отливок из чугуна и стали» 
 и «Производство отливок из цветных металлов»  
для студентов всех форм обучения специальности  
«Литейное производство черных и цветных металлов» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2023 
 
 
100 
 

 
УДК  621.742.5 
ББК   34.6 
Ф62 
 
 
Рецензенты: 
и. о. начальника металлургического производства  
ОАО «НПК „Уралвагонзавод“ Е. В. Лутохин; 
директор ОАО «Уральский научно-технологический комплекс» А. В. Потапов 
 
 
 
 
Фирстов, А. П. 
Ф62            Плавильные агрегаты : учебно-методическое пособие / А. П. Фирстов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. – 104 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1458-6  
 
Представлен обзор по основным плавильным агрегатам. Содержится информация по получению сплавов в различных плавильных агрегатах. Приведены контрольные вопросы для закрепления учебного материала. Даны методики расчета основных параметров плавильных агрегатов литейных цехов, необходимые при выполнении практических и лабораторных работ. 
Для студентов специальности «Литейное производство черных и 
цветных металлов». Может быть полезно студентам других направлений 
при выполнении ими работ в рамках практических занятий, курсового и 
дипломного проектирования.  
 
  УДК  621.742.5 
  ББК   34.6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1458-6 
” Фирстов А. П., 2023 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023 
2 
 

-¢ªŸ¡ª¤¬§¤
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................................. 5 
 
ГЛАВА 1. ВЫБОР ПЛАВИЛЬНОГО АГРЕГАТА ............................................. 7 
 
ГЛАВА 2. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ 
................................................................. 13 
2.1. Производство стали в конвертерах ............................................................... 13 
2.1.1. Бессемеровский и томасовский процессы 
.............................................. 13 
2.1.2. Кислородно-конвертерный процесс с верхней продувкой 
................... 15 
2.1.3. Кислородно-конвертерный процесс с донной продувкой 
.................... 18 
2.1.4. Конвертерный процесс с комбинированной продувкой 
....................... 19 
2.2. Производство стали в мартеновских печах .................................................. 19 
2.2.1. Выплавка стали в мартеновских печах 
................................................... 19 
2.2.2. Печи для дуплекс- и триплекс-процессов .............................................. 25 
2.3. Производство стали в электропечах 
.............................................................. 25 
2.3.1. Электродуговые печи ............................................................................... 25 
2.3.1.1. Дуговые печи на переменном токе 
................................................... 27 
2.3.1.2. Дуговые печи на постоянном токе ................................................... 27 
2.3.1.3. Выплавка стали в кислых электродуговых печах 
........................... 28 
2.3.1.4. Выплавка стали в основных электродуговых печах ...................... 30 
2.3.1.5. Выплавка стали в вакуумных дуговых печах ................................. 38 
2.3.1.6. Плазменно-дуговая плавка 
................................................................ 40 
2.3.1.7. Плавка с рафинированием в ковше печным шлаком ..................... 42 
2.3.1.8. Дуговые печи косвенного нагрева 
.................................................... 42 
2.3.2. Индукционные печи ................................................................................. 43 
2.3.2.1. Выплавка стали в индукционной печи ............................................ 43 
2.3.2.2. Производство стали в вакуумных индукционных печах ............... 45 
2.3.2.3. Раздаточно-подогревательные печи 
................................................. 46 
2.3.3. Электронно-лучевые плавильные печи .................................................. 47 
2.3.4. Печь электрошлакового переплава ......................................................... 48 
 
ГЛАВА 3. ПРОИЗВОДСТВО ЧУГУНА И ЦВЕТНЫХ СПЛАВОВ .............. 50 
3.1. Производство чугуна в вагранке ................................................................... 51 
3.2. Пламенные или отражательные печи 
............................................................ 55 
3.3. Печи сопротивления ....................................................................................... 56 
3.4. Тигельные печи ............................................................................................... 58 
 
 
3 
 

ГЛАВА 4. МЕТОДИКИ РАСЧЕТОВ ПЛАВИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ ......... 61 
4.1. Расчет рекуператора 
........................................................................................ 61 
4.2. Расчет вагранки ............................................................................................... 69 
4.3. Расчет дуговой печи 
........................................................................................ 75 
4.4. Расчет индукционной тигельной печи .......................................................... 77 
4.5. Расчет канальной печи 
.................................................................................... 82 
4.6. Расчет нагревательных печей ........................................................................ 86 
4.7. Расчет сушил 
.................................................................................................... 91 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ................................................................ 95 
 
ПРИЛОЖЕНИЯ 
....................................................................................................... 96 
Приложение 1 ......................................................................................................... 96 
Приложение 2 ......................................................................................................... 97 
Приложение 3 ......................................................................................................... 98 
Приложение 4 ....................................................................................................... 100 
Приложение 5 ....................................................................................................... 100 
Приложение 6 ....................................................................................................... 101 
Приложение 7 ....................................................................................................... 101 

4 
 

¡¡¤£¤¬§¤
Металлы относятся к числу наиболее распространенных материалов, которые человек использует для обеспечения своих жизненных потребностей. В 
наши дни трудно найти такую область производства, научно-технической деятельности человека или просто его быта, где металлы не играли бы главенствующей роли как конструкционного материала. 
Металлы разделяют на две основные группы: черные и цветные. К группе черных металлов относятся железо, марганец, хром и их сплавы. К цветным 
относятся все остальные металлы периодической системы Д. И. Менделеева.  
Железо и его сплавы являются основой современной технологии и техники. В ряду конструкционных металлов железо стоит на первом месте и не 
уступит его еще долгое время, несмотря на то, что цветные металлы, полимерные и керамические материалы находят все большее применение. Железо и его 
сплавы составляют более 90  всех металлов, применяемых в современном 
производстве. 
Самым важнейшим из сплавов железа является его сплав с углеродом. Углерод придает прочность сплавам железа. Эти сплавы образуют большую группу чугунов и сталей.  
Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержание которого превышает 2,14 , а сталями называют сплавы железа с углеродом, содержание которого не превышает 2,14 . Сталь – важнейший конструкционный материал 
для машиностроения, транспорта и т. д.   
В настоящее время в чугунолитейном производстве России насчитывается порядка 3000 плавильных агрегатов, в том числе 76  вагранок, 23  индукционных электропечей и миксеров и около 1  электродуговых печей переменного и постоянного тока. 
Для плавки чугуна и стали наибольшее распространение получили плавильные агрегаты, использующие огневые методы – печи-вагранки и электронагрев – индукционные и дуговые печи. 
Сталеплавильное производство является вторым звеном в общем производственном цикле черной металлургии. В современной металлургии основными способами выплавки стали являются кислородно-конвертерный, мартеновский и электросталеплавильный процессы. Соотношение между этими видами 
сталеплавильного производства меняется.  
Сталеплавильный процесс является окислительным процессом, т. к. сталь 
получается в результате окисления и удаления большей части примеси чугуна – 
углерода, кремния, марганца и фосфора. Отличительной особенностью стале5 
 

плавильных процессов является наличие окислительной атмосферы. Окисление 
примесей чугуна и других шихтовых материалов осуществляется кислородом, 
содержащимся в газах, оксидах железа и марганца. После окисления примесей 
из металлического сплава удаляют растворенный в нем кислород, вводят легирующие элементы и получают сталь заданного химического состава.  
 
6 
 

¢ªŸ¡Ÿ
¡º -¯®ªŸ¡§ª»¬-¢-Ÿ¢¯¤¢Ÿ±Ÿ
Мировая тенденция развития плавильных агрегатов для производства сплавов черных и цветных металлов характеризуется следующими положениями: 
  печи на коксе практически не используются из-за высокого загрязнения сплавов, трудности получения отливок высокого качества, низкой 
экологичности и высокого энергопотребления; 
  сокращается использование пламенных отражательных печей ввиду 
повышения угара металла и насыщения его газами, особенно при использовании легковесной садки и существенного загрязнения продуктами сгорания топлива; 
  снизилось применение электродуговых печей также по причине большого угара металла, трудности регулирования химического состава и 
гомогенности сплава, а также из-за больших затрат энергии при теплосохранении расплава; 
  печи сопротивления используются только как теплосохраняющие и 
практически не применяются как плавильные агрегаты из-за низкой производительности; 
  быстро расширяется сфера применения индукционных печей: тигельных и канальных на промышленной частоте, тигельных плавильных на 
средней частоте и тигельных с укороченным индуктором для выдержки металла, которые используются во всех видах выплавки цветных 
металлов, процессах теплосохранения и разливки. 
Чугуны в основном выплавляют в вагранках. В последнее время развивается плавка в электрических печах, а также дуплекс-процесс, в особенности, 
вариант вагранка – индукционная печь. 
Плавку стали ведут в электродуговых, индукционных и плазменно-индукционных печах. 
Для плавления цветных металлов используют как первичные, полученные на металлургических заводах, так и вторичные, после переплавки цветного лома, металлы и сплавы, а также – флюсы (хлористые и фтористые соли).  
Для плавления применяют индукционные печи промышленной частоты, 
электрические печи сопротивления. Плавку тугоплавких металлов и сплавов ведут в вакууме или в среде защитных газов. 
По условиям теплообмена различают три группы печей: высокотемпературные, среднетемпературные и низкотемпературные.  
7 
 

В высокотемпературных печах температура газов в рабочем пространстве свыше 1000 °С, теплообмен осуществляется в основном лучеиспускани- 
ем. Пример высокотемпературных печей – вагранки (рис. 15), мартеновские 
печи (рис. 5) и печи для нагрева металла (перед прокаткой, ковкой, прессованием и т. д.).  
В среднетемпературных печах температура в рабочем пространстве свыше 650 °С, теплообмен производится лучеиспусканием и конвекцией. Пример 
среднетемпературных печей – так называемые термические печи (рис. 1), предназначенные для нагрева отливок или изделий в целях отпуска (600…700 °С), 
закалки (800…1000 °С) и в некоторых случаях – нормализации (850…1100 °С). 
 
 
 
Рис. 1. Камерное сушило для литейных форм и стержней 
на газовом отоплении: 1 – газовая горелка; 
2 – механизм подъема двери; 3 – приборы теплового контроля 
 
В низкотемпературных печах температура в рабочем пространстве до 
650 °С, теплообмен осуществляется в основном конвекцией. К низкотемпературным печам относятся сушила различного назначения (например, для литейных форм и стержней, для готовой продукции после ее окраски и для древесины, идущей на изготовление тары). В сушилах (рис. 2) инжекционные газовые горелки располагают обычно вне зоны непосредственного воздействия 
на изделия и материал.  
Высокие экономические показатели работы печей получают при организации ступенчатого использования тепла отходящих газов. Так, например, продукты сгорания высокотемпературных печей направляют в низкотемператур8 
 

ные печи или применяют для подогрева подаваемого в печь топлива, т. е. утилизируется как физическая, так и химическая теплоты отходящих газов (дожигание). 
 
 
 
Рис. 2. Камерная проходная печь для нагрева заготовок: 
 1 – толкатель; 2 – печь закалочная;   
3 – устройства механизации выхода деталей 
 
В литейном производстве сегодня наиболее распространены коксовые вагранки, однако по экономическим соображениям, техническим возможностям и 
экологической безопасности коксовые вагранки не отвечают современным требованиям. Альтернативой коксовой вагранки является газовая вагранка. Газовая вагранка по затратам на энергоносители более экономична, чем коксовая 
вагранка. К тому же газ используется полностью, а кокс сгорает при образовании 10  СО и имеет меньшую теплотворную способность. Поэтому затраты 
на получение равного количества теплоты из газа почти вдвое ниже. Однако 
затраты на огнеупоры выше в газовой вагранке, чем в коксовой вагранке примерно в 1,6 раза, а приведенная себестоимость чугуна лишь на 10  ниже по 
сравнению с коксовой вагранкой. В связи с этим наибольшую технико-экономическую эффективность и экологическую безопасность для организации дуплекс-процесса плавки и выдержки чугуна имеет комбинация плавильных агрегатов газовая вагранка  индукционная печь. 
Комплекс плавильных агрегатов дуговая печь  индукционная печь реализует технологию дуплексной плавки металла, в котором дуговая печь используется в качестве плавильной, а индукционная печь – в качестве теплосохраняющей.  
9 
 

Электродуговая печь позволяет плавить шихту низкого качества, плохо 
отсортированную, содержащую в больших количествах ржавый стальной лом 
большими кусками. Однако в электродуговой печи трудно регулировать химический состав металла и сочетать теплосодержание и непрерывную плавку. В 
дуплексной плавке при использовании индукционной печи в качестве второго 
агрегата решается задача уравновешивания противоречия между количеством 
производимого металла и потребляемого литейными цехами, а также завершается процесс рафинирования и модификации чугуна. 
Из всего вышеизложенного следует, что при организации дуплексной 
плавки любой комбинацией плавильных агрегатов самым экономичным является использование в качестве второго плавильного агрегата для догрева и теплосохранения металла индукционной печи. 
В индукционных печах возможно получение чугуна разнообразного состава, при этом использование в качестве шихты отходов кузнечного, прокатного листоштамповочного, токарно-фрезерного переделов существенно снижает производственные затраты при получении чугуна требуемых марок. В индукционных печах можно выплавлять чугун с содержанием стального скрапа 
и стружки (самого дешевого шихтового материала) вплоть до 100  благода- 
ря хорошей возможности легирования. Напротив, в газовых вагранках применение стального лома ограничено 40…60 , т. к. управление процессом науглероживания безкоксовой плавки весьма затруднительно. А использование стальной и чугунной стружки вообще исключено из-за большого угара. 
Для получения серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным 
графитом (ЧШГ), имеющим целый ряд преимуществ перед другими сплава- 
ми, необходимо точно управлять химическим составом по многим элементам 
и, прежде всего, по углероду, сере, марганцу, хрому, фосфору и др., поскольку 
в индукционных печах плавка ведется с так называемым «холодным» шлаком, 
практически не участвующим в химических реакциях, управление химическим 
составом сплава по ходу плавки производится добавлением легирующих материалов и точным управлением температурой расплава. Сочетание этих возможностей позволяет реализовать технологию получения отливок, в которых 
значительно снижены внутренние напряжения и существенно повышены прочностные характеристики.  
Характеристики чугуна в значительной мере зависят от содержания вредных примесей и, прежде всего, серы. Для модификации на ЧШГ серый чугун 
должен иметь низкое содержание серы. В вагранках выплавить металл с низким содержанием серы невозможно, и требуется десульфуризация расплава. 
Известные способы десульфуризации чугуна требуют установки специальных 
устройств или индукционных миксеров. Поэтому при получении серого чугу- 
10