Профессиональное руководство по плавке металла в литейном цехе: технологии, температуры и безопасность

Плавка металла — процесс перевода металла из твёрдого состояния в жидкое. Технологии плавки متنوعة. Здесь мы объясняем, как плавят металл в литейном цехе, плавки распространённых металлов и протоколы безопасности.

Литейный цех в основном работает с расплавленным металлом для производства разноплановых литейных изделий. Не преувеличение сказать, что плавка металла — сердце литейного цеха.

Плавка металла — незаменимый литейный процесс, перерабатывающий твёрдый металл в жидкий для заливки в форму и получения заготовки любой формы. Кратко: металл загружают в плавленное устройство — печь, и перегревают до температуры плавки для перевода в жидкое состояние.

Существует разные технологии плавки, в основном определяемые типом печи. В статье ответим на вопрос «Как плавят металл», раскрыв основные технологии плавленческих печей в современных цехах, температуры плавки популярных металлов и рекомендации по безопасности при плавке.

Читайте дальше и получайте знания!

Что такое плавка металла?

Плавка (плавление) — фазовый переход металла из твёрдого в жидкое состояние при подаче достаточного количества тепла.

Процесс ослабляет плотную упаковку металлических молекул. Результат — жидкий металл из твёрдого материала.

Чистый твёрдый металл плавится при фиксированной температуре — температуре плавки. Примесные материалы плавятся в диапазоне температур, зависящем от типа и содержания примесей.

Как сердце цеха, плавка даёт расплав для заливки в форму и затвердевания в требуемые формы. Плавка — высокоэнергозатратный процесс: ~55% энергопотребления металлообработки.

Критически важный этап: плавка не только даёт материал для литья, но и сильно влияет на физико-химические свойства готовых заготовок.

Процесс плавки металла

Общий процесс плавки в литейном цехе включает этапы:

1. Определение рецепта загрузки (состава смеси)
2. Подготовка и загрузка металла
3. Плавка металла
4. Отстойка и обработка расплава
5. Транспортировка расплава

Определение рецепта загрузки

Каждое литейное применение требует специфических механических свойств, достигаемых корректировкой состава загрузки. Производитель имеет формулу смеси для каждого класса материала и требований.

Пример: для алюминиевых заготовок в нашем цехе рецепт — 40% алюминиевые слитки + 50% алюминиевый лом + 10% прочее. В 10% — легирующие добавки: Zn, Mn, Cu, Si и др.

Подготовка металла

Слитки и лом — основа загрузки (до 80% массы).

Перед загрузкой в печь слитки и лом (банки, детали механизмов, контейнеры, профиль) очищают от грязи, предварительно нагревают и сушат. Это удаляет влагу, предотвращает взрыв в печи, ограничивает шлакообразование, повышает плавленческую мощность.

Особенно для лома: удаление краски, масел, загрязнений — обычно термическим способом.

Загрузка и плавка металла

Печь заряжают топливом (кокс, газ, электричество). Металл загружают непрерывно в процессе нагрева, а не партиями — для экономии энергии и эффективности.

Печь работает в экстремальных условиях: расплав, облицовка печи, атмосферные газы, продукты сгорания топлива — очень высокие температуры, требующие строгих СИЗ для персонала. Печи различаются по размеру, форме, принципу работы, энергии — плавленческая мощность у каждой своя.

При фиксированной температуре плавки металл переходит из твёрдого в жидкое. Температура плавки варьируется от металла к металлу, в диапазоне ~350–2000 °C.

Отстойка и обработка расплава

Процесс для дегазации расплава, удаления нежелательных твёрдых включений, корректировки легирующего состава. Добавки (особенно ферросплавы) для повышения механических свойств жидкого металла (прочность, вязкость, жёсткость, эластичность).

Критически важный этап — напрямую влияет на качество готовой заготовки.

Транспортировка расплава

После плавки жидкий металл перевозят из печи на формовочную линию литейной системой.

Технологии плавки металла

Сердце процесса плавки — плавленческая печь, напрямую определяющая эффективность. Разные технологии определяют, как плавить металл, и выбираются типом печи.

Как выбрать плавленческую печь

Печь влияет не только на операционную эффективность цеха, но и на итоговые результаты литья — выбор критически важен.

Плавленческие печи различаются по форме, геометрии, топливу, мощности.

Следующие факторы строго определяют подходящую печь для вашего цеха:

• Доступное пространство: где поставите печь?
• Тип сплавов для плавки и их температура плавки
• Плавленческая мощность и объём металла
• Энергоэффективность
• Капитальные вложения
• Операционные расходы
• Требования к обслуживанию
• Выбросы и экологические вопросы

Универсального варианта нет, но производители должны определить приоритеты. У каждого цеха свои критерии выбора печи под свои задачи и масштаб.

После прояснения критериев — выбор конкретной печи. Рассмотрим самые популярные плавленческие печи в современных литейных цехах.

Текущие и перспективные технологии плавленческих печей в литейных цехах

Для плавки в металлургии используют разные типы печей. Классификация по источнику тепла, рабочим свойствам, конструкции.

Тигльные и купельные печи — традиционные методы; индукционные и дуговые — современные передовые технологии.

Тигльная печь (Crucible Furnace)

Тигльная печь — древнейшее, простое и оригинальное плавленческое сосуд, использовавшееся в литейных цехах. Базовое устройство из высокотемпературных материалов — керамики или огнеупоров.

Тигли бывают от маленьких чашечек для ювелирки (золото, серебро) до крупных емкостей для малых партий.

Топливо: кокс, газ, мазут, электричество. Электрическая тигль — макс. 2,5 т/ч, газ/жидкостное топливо — до 4 т/ч.

Тигльная печь неэнергоэффективна: потери тепла излучением >60%.

Подходит для цветных металлов, особенно для плавки алюминия. Хорошо работает со всеми алюминиевыми сплавами. Преимущество: простая эксплуатация и ТО — экономия затрат. Низкая капитальная стоимость привлекает малые цеха.

Ограничение: только малые объёмы производства и низкотемпературные металлы из-за низкой энергоэффективности.

Купельные печи (Cupola furnaces)

Купельная печь — одна из самых экономичных технологий плавки. Почти весь серый чугун сегодня плавится в этой печи.

Конструктивно купель может быть любой формы и размера, но диаметр 0,5–4 м, высота 6–11 м. Вертикальный цилиндрический сосуд, напоминающий большую трубу.

Стена из стали, облицовка огнеупорным кирпичом. Дно — аналогичная облицовка, часто глино-песчаная смесь (временная). Некоторые купели имеют охлаждающие оболочки и обогащение кислородом для интенсивного горения кокса.

Топливо — кокс с добавками. Запуск: слои кокса, поджиг факелом. При возгорании кокса воздух подают через дьюзы. Древесный уголь, газ тоже применимы.

При нагреве кокса загружают металл через верхнее отверстие. В процессе термодинамическая реакция между топливом и воздухом.

Углерод кокса + кислород воздуха → CO → сгорает до CO₂. Часть углерода растворяется в падающих каплях расплава → повышение углерода в металле. Процесс даёт разные марки чугуна и стали.

Купель применим к любому черному металлу, преимущественно для чугуна крупных объёмов. Статистика: 60% чугуна плавится в купелях. Энергоэффективность 40–70%.

Электродуговые печи (Electric Arc Furnaces — EAF)

Электродуговая печь использует энергию электрической дуги для нагрева и плавки.

Мощность: 1 т (обычно для чугуна) до 400 т (вторичная сталь). Промышленные ЭДП достигают 1800 °C (3272 °F), лабораторные — свыше 3000 °C (5432 °F).

Как плавить металл в ЭДП?

В ЭДП материал в прямом контакте с дуговым разрядом, ток проходит через материал. Плавка эффективнее технологий с внешним нагревом.

ЭДП преимущественно для плавки стали (87%), 13% — чугуна. Хорошо перерабатывают стальные лом с высоким остаточным составом, неэффективные для купели.

Индукционные печи (Induction furnace)

Индукционная печь — электрическая печь на принципе электромагнитной индукции. Как плавит металл эта технология?

Металл загружают в тигль, окружённый медной катушкой с переменным током. При включении катушка создаёт быстро меняющееся магнитное поле, проникающее через металл. Поле индуцирует вихревые токи (эдди-токи) — круговые токи внутри металла. Их циркуляция создаёт очень высокие температуры, плавя металл.

Плавленческая мощность индукционных печей: от <1 кг до 100 т. Обычно для железа, стали, меди, алюминия, драгметаллов.

Преимущества перед другими технологиями: чистота, энергоэффективность, лёгкий контроль процесса плавки.

Ограничения: требования к типу лома, возможные потери легирующих элементов от окисления.

Температуры плавки металлов

Большинство металлов на Земле в нормальных условиях твёрдые. Но в металлообработке, особенно литье и металлургия, металл нужно расплавить. Для этого нагревают до температуры плавки.

Знание температур плавки так же важно, как технология плавки. Упрощает технологию литья. Эксперты точно рассчитывают время формовки, плавки, застывания. Обеспечивает эффективное производство и резервные решения на случай чрезвычайных ситуаций.

Что такое температура плавки?

Температура плавки (температура плавления) — температура, при которой происходит плавка твёрдого металла. Точка перехода из твёрдой фазы в жидкую. Различается для разных металлов.

На практике точка плавки считается относительной. Нечувствительна к давлению. Аморфные вещества (стекло) не имеют фиксированной температуры плавки.

Какой металл имеет наивысшую температуру плавки?

Вольфрам (W), или 텅스텐, — металл с наивысшей температурой плавки (3422 °C; 6192 °F), наименьшим паровым давлением (при t > 1650 °C) и наивысшей пределой прочности на разрыв.

Самый легко плавящийся металл

На данный момент наименьшая температура плавки у ртути: –38,83 °C. Единственный металл в жидком состоянии при нормальных условиях.

Основное применение ртути: термометры, манометры, плавательные клапаны, ртутные выключатели.

Температура плавки железа и стали

Железо — самый используемый металл в мире, 95% годового мирового производства металлов.

Чистое железо мягкое и пластичное. При добавке углерода 0,002–2,1% получают стальной сплав с выдающейся твердостью, вязкостью и несущей способностью.

Железо плавится при 1538 °C, сталь — при 1370 °C. Сейчас железо и сталь широко применяются в машиностроении, автопроме, судостроении, строительстве.

Температура плавки алюминия

Алюминий плавится при 933,47 К (660,32 °C; 1220,58 °F). Температура плавки алюминия невысока по сравнению с другими металлами.

В таблице Менделеева Al; атомный номер 13, плотность 2,9 г/см³. Алюминий лёгкий, мягкий, отличная коррозионная стойкость и литейность. Самый распространённый металл в земной коре. Алюминиевые литья — в станочных деталях, двигателях, наружном городском декоре.

Металл	Тпл, °C	Тпл, °F
Алюминий	660,32	1220,58
Алюминиевые сплавы	463 – 671	865 – 1240
Железо ковкое	1482 – 1593	2700 – 2900
Чугун серый	1127 – 1204	2060 – 2200
Чугун шаровиднографитовый	1149	2100
Свинец	327,5	621
Магний	650	1200
Углеродистая сталь	1425 – 1540	2600 – 2800
Нержавеющая сталь	1510	2750

Меры защиты безопасности при плавке металла

Процесс плавки ежедневно сталкивается с экстремальным нагревом (до 2000 °C) — опасная производственная среда.

Можно сказать, плавка — одна из самых опасных работ, вызывающих неожиданные аварии в литейных цехах. Подробнее: Как работает литейный цех.

Для защиты здоровья и жизни работников и предотвращения ущерба имуществу цеха существуют строгие требования, которые производители литейных цехов обязаны соблюдать.

Обеспечение инфраструктуры цеха

• Зона плавки изолирована для защиты посторонних
• Обязательная вентиляция, высокий потолок для циркуляции воздуха
• Печь должна соответствовать требованиям качества и безопасности
• Рекомендуется автоматическая/полуавтоматическая система заливки и зарядки для минимизации контакта людей и аварий
• Противовзрывное и противопожарное оборудование всегда готово

Средства индивидуальной защиты плавщика

Плавщик должен быть полностью оснащён СИЗ на смене. Обязательно: каска, очки, перчатки, маска, плотная спецовка, обувь.

Что нужно и чего нельзя делать

• Устанавливать предупреждающие знаки в зоне плавки
• Ограничивать доступ посторонних в зону плавки
• Регулярно проверять печь и вентиляцию, неисправные — немедленный ремонт
• Очищать и сушить металл перед плавкой
• Предварительно нагревать печи и огнеупоры перед работой
• Готовить план действий при чрезвычайных ситуациях
• Запрет курения, еды, питья в зоне плавки

Резюме

Мы подробно объяснили как плавят металл в литейном цехе. Надеемся, статья пополнила ваши знания о процессе плавки.

Читайте наш блог о технологиях литейного производства.

Кратко: VIC — производитель литейных заготовок, специализирующийся на поставках на мировой рынок. При необходимости — свяжитесь для заказа и консультаций.

Источники

• US Department of Energy (2005). Advanced Melting Technologies: Energy Saving Concepts and Opportunities for the Metal Casting Industry. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/advancedmeltingtechnologies.pdf
• Safe Work Australia (2013). Guide to Managing Risks Associated with Foundry Work. https://www.safeworkaustralia.gov.au/system/files/documents/1702/guide-managing-risks-associated-foundry-workl.pdf