Печи для плавки магниевых сплавов и плавильный инструмент

Для плавки магниевых сплавов могут применяться 2 типа печей: отражательные с газовым обогревом и тигельные с электрическим или газовым обогревом. Особенностью отражательной печи является то, что подина ее, во избежание взаимодействия с расплавом, набивается магнезитовым порошком, а затем выкладывается магнезитовым кирпичом. Боковые стенки магнезитовой ванны также выкладывают магнезитовым кирпичом, а свод печи — шамотным кирпичом.

Единственное преимущество отражательной печи заключается в возможности получения больших объемов расплава, поэтому применение их целесообразно в цехах заготовительного литья. В сравнении с тигельными печами отражательные имеют ряд недостатков, связанных с большой поверхностью расплава. Прежде всего, это большой угар металла, составляющий от 6% для сплавов Mg - Al - Zn и доходящий до 12% для сплавов Mg - Zn - Zr - РЗМ. Наряду с этим возможно насыщение расплава водородом и необходим повышенный расход флюсов. В фасонолитейном производстве наибольшее распространение получили тигельные печи, работающие на газе, а чаще — с электрическим обогревом.

В зависимости от объемов производства и номенклатуры литья плавка может производиться в выемных или стационарных тиглях, а также применяться комбинированная плавка, при которой расплавление ведется в индукционных печах, затем металл переливается в тигли. Переливка с помощью центробежного насоса или сифона позволяет избежать сильного окисления  сплава.

Особенность плавки в выемном тигле состоит в том, что он одновременно служит как емкость для приготовления металла и как разливочный ковш. Такой способ плавки целесообразно применять в цехах или участках, специализирующихся на производстве крупных отливок.

На рис. 2.1 показан общий вид электропечи сопротивления для плавки магниевых сплавов в выемных тиглях.

Рис. 2.1. Общий вид тигельной электропечи сопротивления.

Печь состоит из железного сварного кожуха, внутри которого выложена шамотная футеровка. Внутрь печного пространства вставляется сварной стальной тигель с перегородкой. Печь углубляется в землю с таким расчетом, чтобы выступала над уровнем пола на высоту не более 300-500 мм, что создает возможность следить за ходом плавки и обеспечивает удобство выема тигля перед разливкой. Внизу печи устраивается специальный сток, по которому, в случае утечки, металл стекает в приямок.

Толщина стенки тиглей зависит от емкости печи и составляет от 8 до 15 мм. Сталь не должна иметь в своем составе никеля и меди, т. к. эти элементы крайне отрицательно сказываются на коррозионной стойкости магниевых сплавов.  Необходим тщательный контроль тиглей перед каждой плавкой. При наличии трещин, вмятин или уменьшения толщины стенки более чем наполовину эксплуатация тигля прекращается. Проверку пригодности тигля иногда проводят путем наливания в него воды. При наличии течи эксплуатация тигля запрещается.

Электропечи этих конструкций применяются для тиглей вместимостью 50-100, а иногда и 250-350 кг. Производительность таких печей составляет 50-60 кг/час.

Основной недостаток печей электросопротивления заключается в медленном подъеме температуры, так как перепад температур между нагревателем (1000-1100⁰ С) и расплавом (750-760⁰ С) невелик. Этого недостатка лишены печи с газовым обогревом, в которых подъем температуры происходит гораздо быстрее и длительность плавки сокращается.

При небольших объемах производства и сравнительно небольших по массе отливках применяется плавка в стационарных тиглях. Особенность этого процесса состоит в том, что после приготовления металла разливка производится путем вычерпывания его из тигля небольшими ручными ковшами. На рис. 2.2 показан общий вид печи со стационарным тиглем.

Рис. 2.2. Плавильная печь со стационарным тиглем: 1 — стационарный тигель; 2 — кожух; 3 — кладка.

Печи со стационарным тиглем имеют обычно газовый или мазутный обогрев. Форсунки в печи располагаются под углом во избежание попадания факела горения на стенки или  дно тигля. Печи со стационарным тиглем также рекомендуется заглублять. Тигли в этих печах изготовляются литыми из малоуглеродистой стали или из чугуна. Размеры их зависят от емкости. Например, для емкости 180-200 кг тигли имеют следующие размеры: толщина дна — 90 мм, толщина стенок в верхней части — (25-30) мм, диаметр верхней части — (625-650) мм, внутренняя полезная высота — 600 мм. Производительность печей со стационарным тиглем емкостью 250 кг составляет 60 кг/час.

Один из вариантов стального литого стационарного тигля приведен на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Стационарный стальной литой тигель.

Особенностью литых тиглей является шаровидное дно и наклонные стенки, что существенно облегчает чистку тиглей.

На рис. 2.4 приведены конструкции сварных выемных тиглей.

Рис. 2.4. Конструкции стальных сварных выемных тиглей без перегородки (а) и с перегородкой (б): 1 — корпус тигля; 2 — перегородка; 3 — косынка; 4 — козырек.

Наличие перегородки, косынки и козырька исключает попадание флюса в отливку во время разливки сплава.

При необходимости получения большого количества металла применяются индукционные тигельные печи, которые позволяют  осуществлять дуплекс-процесс, при котором металл, выплавленный в индукционной печи, заливается в стационарные или выемные тигли.

Для плавки магниевых сплавов применяются печи промышленной частоты, которые обеспечивают более высокую мощность и КПД по сравнению с высокочастотными.

Индукционная тигельная печь для плавки магниевых сплавов состоит из стального тигля с крышкой, теплоизоляции, индуктора и магнитопровода. Особенностью печей является то, что применяется железный тигель, который является не только емкостью для расплава, но и служит источником нагрева для металла. Потребляемая энергия распределяется между тиглем и шихтой в соотношениях, зависящих от толщины тигля и температуры расплава. Например, при температурах ниже 768⁰ С (точка Кюри) и толщине стенок тигля 20 мм вся потребляемая энергия затрачивается на нагрев стенок тигля. При температурах около 800⁰ С (выше точки Кюри) даже при толщине  стенки тигля 35 мм на нагрев его расходуется только лишь половина энергии. Вторая половина затрачивается на нагрев шихты. Связано это в первую очередь с неравномерностью распределения переменного электрического тока по сечению проводника. Называется это явление поверхностным эффектом или скин-эффектом.

Неравномерность распределения проявляется тем в большей степени, чем выше частота тока (τ), магнитная проницаемость (м) и удельная электропроводность (Δ = 1/ρ), а также поперечное сечение проводника (s).

Поверхностный эффект вызывается тем, что переменный ток создает переменное магнитное поле как внутри проводника, так и снаружи вокруг проводника.

Силовые линии этого переменного магнитного поля, пересекая тело проводника, индуцируют в нем э. д. с. (по закону индукции), различные для каждой точки проводника. Эти обратные э. д. с. имеют наибольшую величину в средней части проводника и наименьшую — на периферии. Неравномерность обратных э. д. с. вызывает неравномерное распределение плотности тока по сечению проводника. Наибольшая плотность тока создается на периферии и наименьшая — в средних зонах сечения.

При большом сечении проводника или при большой частоте тока уменьшение плотности тока по мере удаления от поверхности к центру проводника происходит по экспоненциальному закону, который выражается зависимостью:

i_x = i₀ · e^-x/δ (2.1),

где i₀ — среднеквадратное значение плотности тока на поверхности проводника;

i_x — среднеквадратное значение плотности тока на расстоянии х от поверхности проводника;

е — основание натурального логарифма — 2,71;

δ — расстояние от поверхности проводника по направлению к центру, на котором плотность убывает в е = 2,71 раз по сравнению с плотностью тока на поверхности. Это расстояние условно называют глубиной проникновения тока.

Глубина проникновения тока определяется следующей зависимостью:

 =       (2.2),

где δ — глубина проникновения;

ρ — удельное сопротивление проводника;

м — магнитная проницаемость, определяемая лишь для магнитных тел; у диа- и парамагнетиков, а также для ферромагнетиков, находящихся при температуре выше точки Кюри, величина магнитной проницаемости снижается до единицы. В этом случае глубина проникновения тока увеличивается и может превысить толщину тигля.

Если увеличить толщину тигля, например, до 70 мм, то вся энергия будет расходоваться на нагрев толстостенного тигля. В этом случае на расплав не будут действовать электромагнитные силы и не будет перемешивания расплава. Это обстоятельство может играть положительную роль при плавке сплавов в защитных газовых средах. В то же время толстостенный тигель получается слишком тяжелым при использовании выемных тиглей и небольших масс расплава. К тому же, использование толстостенных выемных тиглей приведет к большим потерям энергии. В связи с этим применение толстостенного тигля можно считать целесообразным для печей большой вместимости, работающих в качестве миксера. Такие условия могут быть реализованы в заготовительном литье. Для фасонолитейного производства более уместно использование тонкостенных тиглей.

Перемешивание металла под влиянием электромагнитных сил при флюсовой плавке оказывает положительное влияние, так как ускоряет процесс его рафинирования.

На рис. 2.5 приведена схема индукционной печи с толстостенным, а на рис. 2.6 — с тонкостенным тиглем.

Рис. 2.5. Схема индукционной печи с толстостенным тиглем: 1 — толстостенный железный тигель; 2 — тепловая изоляция; 3 — индуктор; 4 — гидравлический подъемник; 5 — присоединение печи; 6 — щит управления; 7 — помещение для конденсаторов.

Рис. 2.6. Схема индукционной печи с тонкостенным тиглем: 1 — тонкостенный стальной тигель; 2 — тепловая изоляция; 3 — индуктор; 4 — магнитопровод; 5 — крышка.

Для плавки магниевых сплавов применяются 2 типа индукционных тигельных печей — ИПМ и ИМТ. Некоторые характеристики этих печей приведены в таблице 2.1.