Устройство печи для плавления меди. Плавка меди. Принципы работы индукционных печей

Прикрепите внешний цилиндр к металлическому дну. Это можно сделать путем сварки, или прикрутив шурупами. Если размер дна значительно превышает диаметр цилиндра, это сделает конструкцию более устойчивой и безопасной.

Поставьте дно внешнего цилиндра на огнеупорные кирпичи, добившись как можно большей устойчивости. Эти термостойкие кирпичи будут поддерживать вашу печь во время плавки и термоизолируют ее раскаленное дно.

Вставьте внутренний цилиндр во внешний, проследив, чтобы он поместился ровно посередине. Пространство между стенками цилиндров можно заполнить огнеупорным известковым раствором или сухим песком, что придаст конструкции бо льшую устойчивость; можно и просто зафиксировать цилиндры относительно друг друга металлическими клиньями.

Просверлите или вырежьте во внешнем и внутреннем цилиндрах отверстие диаметром около 6 см (2 1/4 дюйма) вблизи дна под наклоном внутрь и вверх, так чтобы воздух свободно поступал к тиглю, обеспечивая горящее топливо кислородом.

Отрежьте металлическую трубку диаметром 6 см и длиной полметра или более (подойдет тонкостенная металлическая трубка для проводов) - она послужит для подвода воздуха к плавильной камере; приварите ее к отверстию во внешнем цилиндре или прикрепите шурупами.

Отрежьте круг листового металла, достаточно большой, чтобы он полностью закрывал камеру сверху. Вырежьте в этом круге отверстие размером 15X15 см (6X6 дюйма), которое будет служить для свободной циркуляции воздуха и для добавления металла в тигель; вырезанный фрагмент послужит в качестве крышки. Для удобства вы можете прикрепить крышку цепью к внешней стенке печи, а также приделать к крышке ручку.

Изготовьте тигель (плавильный котел). Можно использовать подходящий по размерам металлический баллон от старого термоса, или котел из нержавеющей стали. Для того, чтобы можно было выливать расплавленный металл из тигля, прикрепите к нему стальную ручку, которая выступала бы сверху из плавильной камеры.

Подсоедините воздуходувку к металлической трубке, встроенной ранее вблизи дна корпуса. Можно использовать старый фен или маломощную машинку для сдувания листьев, прикрепив их к трубке скотчем. Если же у вас нет ни фена, ни машинки, подойдет любое приспособление, которое обеспечит необходимый воздушный поток через трубку. При этом помните, что слишком сильный поток воздуха может привести к интенсивному и быстрому сгоранию угля, а недостаточный воздушный поток подавит горение и не обеспечит вам необходимую температуру.

Литейные печи по виду используемой энергии делятся на две основные группы:

· топливные печи, работающие на горючем углеродистом топливе (чаще жидком или газообразном, реже твердом);

· электрические печи (сопротивления, дуговые, индукционные и др.).

По конструкции печи делятся на тигельные, отражательные, шахтные, специальных конструкций; стационарные, поворотные или наклоняющиеся.

Топливные печи. Тигельные печи стационарного типа(рис.35 ) используют при небольшом масштабе производства для плавки медных сплавов и других легкоплавких сплавов. Тигель для легкоплавких сплавов, не взаимодействующих с металлом, может быть чугунным или стальным без внутренней футеровки. Если металл взаимодействует с железом, то необходима внутренняя футеровка тигля огнеупорным материалом. Для плавки медных сплавов используют шамотно-графитовые (графитовые) тигли. При плавке алюминиевых и магниевых сплавов верхняя часть тигля изолируется от топочных газов огнеупорной кладкой и выходит из топочной части наружу. Емкость тиглей по металлу 100- 250 кг. После окончания плавки тигель извлекают из горна и н аправляют на разливку.

Рис.35. Стационарный газовый горн

1 – вытяжной зонт; 2 – крышка; 3 – горн;

4 – тигель; 5 – горелка

Поворотная пламенная печь для плавки медных сплавов емкостью по сплаву 300-1000 кг представляет собой стальной барабан, футерованный огнеупорным кирпичом. Внутреннее пространство печи разделено перегородкой на форкамеру и рабочую часть. Для плавки медных сплавов используется также поворотная печь емкостью 15 т. Стационарные печи отражательного типа для производства медных сплавов имеют емкость 11-36 т. Такого же типа печи используются для производства алюминиевых и магниевых сплавов.

Электрические печи. Тигельные электрические печи сопротивления с выемным тиглем используют для плавки алюминиевых и магниевых сплавов при небольших масштабах производства. Тигель чугунный емкостью 25-250 кг (реже 350-500 кг). Нагреватели расположены в углублениях кладки по боковым сторонам. Печи такого типа могут быть и поворотными.

Для плавки алюминиевых сплавов используют печи сопротивления типа САН (сопротивления, алюминиевая, наклоняющаяся) и САК (сопротивления, алюминиевая, камерная стационарного типа) емкостью 0,3-20 т. Нагреватели в печах типа САК (рис.36 ) сделаны из нихрома и расположены под сводом печи. Чушки металла загружают на наклонный под форкамеры печи, где и происходит их плавление.

Индукционные электропечи канального типа работают на частоте промышленного тока (50 Гц). Печи могут быть одно- и трехфазными с числом индукторов от одного до шести. Индукторы могут быть расположены внизу (вертикально или под углом) или сбоку (в горизонтальной плоскости). Мощность печей 400- 2000 кВт. Индукторы имеют железный сердечник и представляют собой трансформатор, первичная обмотка которого сделана из меди и состоит из большого числа витков. Вторичная обмотка представляет собой кольцевой канал, заполненный расплавленным металлом, в котором происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Канал связан с основной ванной. Циркуляция металла по каналу обеспечивает передачу тепла металлу, находящемуся в ванне.

Печи с расположением индукторов снизу используют для плавки в основном медных, алюминиевых и никелевых сплавов. Печи этого типа делают наклоняющимися или поворотными вокруг горизонтальной оси для слива металла.

Печи с горизонтальным расположением индукторов используют, например, для переплавки катодного цинка. Эти печи стационарного типа.

Примером печей канального типа является печь ИЛК-6 (индукционная, латунная, канальная), используемая для получения отливок из медных сплавов. Емкость печи по меди 5-6 т, мощность 1600 кВт. Печь имеет четыре индуктора, расположенных под углом с двух сторон внизу.

Тигельные индукционные печи не имеют замкнутого магнитопровода. Они работают обычно на токах высокой частоты (до 440 кГц). Емкость печей этого типа от нескольких десятков килограммов до нескольких десятков тонн. Тигли могут быть графитовые, из жаропрочного чугуна (для алюминиевых сплавов), железные (для магниевых сплавов) и из других материалов. Индуктор сделан из водоохлаждаемых медных трубок, расположенных по наружной поверхности тигля в виде непрерывной спирали. В металле, находящемся в тигле, создаются токи Фуко, в результате чего электрическая энергия преобразуется в тепловую. Печи этого типа могут работать как при атмосферном давлении, так и в вакууме.

Дуговые печи используют для плавки относительно тугоплавких металлов и сплавов (медных, никелевых и др.) и тугоплавких (титана, молибдена, циркония и др.). Для плавки меди, бронзы и других металлов и сплавов часто применяют печи барабанного вида с независимой дугой типа ДМ (дуговая, медная) емкостью по меди 100-1000 кг. В крупных литейных цехах обычны круглые трехэлектродные поворотные печи с зависимой дугой большой мощности типа ДСП.

Медные изделия получили широкое распространение не только в промышленности, но и в быту. Это дает повод домашним мастерам задуматься о том, как самостоятельно изменить качество материала для дальнейшего изготовления металлических предметов. Плавка меди – особая технология, обеспечивающая ее переход из твердого состояния в жидкое под влиянием высоких температур.

Основные характеристики меди

Металл легко поддается обработке. О его уникальных свойствах знали еще наши предки, о чем свидетельствуют исторические сведения и археологические находки. В природе он встречается как в соединениях, так и в самородном варианте. Поверхность меди мягкая, желтовато-бурого оттенка. Контактируя с воздухом, она затягивается оксидной пленкой. Технические характеристики меди следующие:

• Занимает второе место после серебра по электропроводности и теплопроводности.
• Невысокая температура плавления: для чистой меди она составляет 1083 градусов, для медных сплавов – от 930 до 1140 градусов.
• При температуре 2560 градусов материал начинает закипать.
• Медь является диамагнетиком.
• Подбирая лом для вторичной переработки, важно помнить, что электротехническая медь является самой чистой – без примесей.
• Сплавы из бронзы и латуни, из которых сделаны многие раритетные вещи, могут содержать в себе ядовитые вещества, например, мышьяк.

С такими веществами нужна особая осторожность.

Медь является красивым материалом. Изделия из него выглядят роскошно, благородно. Этим свойством продукт привлекает к себе внимание многих домашних умельцев.

Характеристика способов плавления меди

Плавка меди дома и на производстве проходит одинаково. Процесс изменения состояния осуществляется под влиянием повышения температуры. При достаточном количестве тепла металлическая структура предмета разрушается. Добиться такого эффекта можно несколькими способами.

Из чего состоит муфельная печь

Литье с использованием лабораторной муфельной печи, в которой имеется регулировка температуры нагрева. Это довольно простой метод. Сырье предварительно измельчают на части. Чем они меньше, тем быстрее будет плавление.

Подготовленный материал кладут в графитовый тигель и помещают в предварительно разогретую печь. Форма для заливки должна иметь температуру плавления больше, чем у меди. Нагревательное устройство серийного производства оборудовано специальным окном, позволяющим следить за технологическим процессом.

Когда медь достигнет жидкого состояния, тигель железными щипцами извлекают из печи. Проволочным крюком с поверхности расплавленного металла к краям тигля убирают оксидную пленку. После проделанных манипуляций жидкую консистенцию аккуратно заливают в заранее приготовленную емкость.

Газовая горелка

Также осуществляется плавка меди с применением газовой горелки. При отсутствии тигельной печи вполне подойдет ручная портативная газовая горелка. Ее нужно разместить под дном емкости с металлом и следить за тем, чтобы пламя полностью охватывало днище.

Метод позволяет быстро окислять материал, так как предполагает наличие тесного контакта с воздухом. Чтобы не образовывалась толстая оксидная пленка, расплавленную массу присыпают измельченным древесным углем.

Литье меди на основе паяльной лампы происходит так же, как и с газовой горелкой. Способ применим для легкоплавких металлов.

Горн

Растопить медь или её сплавы можно горном. Для этого на хорошо раскаленный древесный уголь помещают тигель с измельченным металлом. Для ускорения процесса используют домашний пылесос, включенный на режиме выдувания.

Труба должна быть небольшого диаметра с железным наконечником, так как пластик расплавится под влиянием высокой температуры. Метод идеально подходит тем людям, кто регулярно занимается литьем металла и в больших объемах.

Микроволновка

Расплавить медь поможет мощная микроволновая печь с измененной конструкцией. Для этого убирают вращающуюся тарелку-поддон. Из огнеупорного кирпича делают муфельную печь, в которую помещают исходный материал. Устройство необходимо для повышения теплосберегающих свойств сырья и защиты элементов техники от перегрева.

Чистую медь трудно плавить, поскольку она в жидком виде обладает плохой текучестью. Специалисты не советуют из такого материала делать мелкие и сложные детали. Для этого подойдут многокомпонентные соединения на основе латуни, олова или цинка, которым высокие температуры не нужны.

Самостоятельная выплавка меди

Для многих людей плавка меди и изготовление из нее всевозможных изделий является увлекательным хобби. Тем, кто мечтает посвятить плавлению металла свободное время, нужно приготовить для работы такие приспособления:

• муфельная печка;
• чистое сырье;
• жаропрочный тигель;
• огнеупорная подставка;
• крюк из стальной проволоки;
• щипцы для извлечения тигля из печки;
• средства индивидуальной защиты: костюм, очки, перчатки.

Действия выполняют согласно инструкции:

1. Надевают специальный костюм.
2. Исходное сырье измельчают, кладут в тигель.
3. Помещают в печь, устанавливают нужный температурный режим. Нельзя допускать, чтобы металл закипал.
4. При достижении заданной температуры открывают дверцу, захватывают тигель щипцами, достают из печи, ставят на огнеупорную подставку.
5. Стальным крюком к краям емкости сдвигают, образовавшуюся в результате плавления, окисную пленку.
6. Жидкую медную массу заливают в специальную емкость, охлаждают.
7. В мощных муфельных печах можно подвергать плавлению красную медь и всевозможные сплавы.

Плавление горелкой

Следует помнить, что при плавлении важна азотная среда. Под легкоплавкие медные сплавы, латунь или некоторые марки бронзы можно использовать обычную газовую горелку. Для этого понадобится:

• исходное сырье;
• специальные формы;
• щипцы для извлечения металла с раскаленной рабочей поверхности;
• горелка высокого давления, работающая на газе;
• средства защиты: костюм, очки, перчатки.

Технология плавления сплавов следующая:

1. Сырье сильно измельчают. Сделать это можно при помощи напильника, превратив материал в опилки.
2. Кладут в специальную форму, сделанную из термостойкого материала.
3. Надевают защитный костюм, очки, толстые перчатки.
4. Зажигают горелку.
5. Нагревательное устройство направляют свободными движениями по корпусу емкости. Для достижения быстрого результата пламя должно касаться поверхности кончиком синего цвета. В этом месте факела – наибольшая температура.
6. После того как твердое тело расплавится, тигель захватывают щипцами.
7. Жидкую массу выливают в нужную форму.

Если нет газовой горелки, можно использовать обыкновенную паяльную лампу.

Выполняя литье цветных сплавов, каждый мастер должен помнить о технике безопасности:

• В помещении, где ведутся работы, должна быть хорошая вентиляция.
• Во избежание получения ожогов необходимо работать в средствах индивидуальной защиты.

Оптимальная температура воздуха, допустимая влажность воздуха, чистота рабочего места, низкая концентрация вредных веществ атмосферы, хорошая освещенность пространства – факторы, помогающие избежать травматизма.

В настоящее время в промышленности очень широко используется печное оборудование. В таких важных отраслях, как черная и цветная металлургия, машиностроение, производство строительных материалов, легкая и даже пищевая промышленность, эксплуатируется большое число различных печей и нагревательных установок. Развитие и совершенствование печного оборудования происходило по мере возникновения и развития всех важных отраслей промышленности.

По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи предназначены для получения металлов из руд и переплавки металла с целью предания ему необходимых свойств. В этих печах металлы изменяют свое агрегатное состояние.

Нагревательные печи применяют для нагрева материала материалов с целью обжига и сушки, а также для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки, чтобы изменить внутреннее строение и структуру металла. В нагревательных печах металлы и материалы не изменяют своего агрегатного состояния.

По схеме работы печи делятся на печи-теплообменники, усвоение тепла обрабатываемым материалом в зоне технологического процесса зависит от теплопередачи из зоны теплогенерации; и печи-теплогенераторы, тепло как возникает, так и усваивается непосредственно в зоне технологического процесса.

В цветной металлургии все более широко используются печи-теплогенераторы, в которых осуществляется теплогенерация за счет выгорания серы, содержащейся в размельченных шихтовых материалах, выдуваемых в рабочее пространство печи. Протекающие при этом процессы называются автогенными.

1.1 Общие сведения

Автогенными принято называть технологические процессы, идущие за счет химической энергии сырьевых материалов. Тради­ционным является, например, использование этой энергии на на­грев воздушного дутья и расплавление холодных присадок при конвертировании штейнов, а также при протекании процессов обжига сульфидов в кипящем слое. Многолетние работы по рас­ширению области применения химической энергии сульфидов в производстве меди привели в начале пятидесятых годов к созда­нию принципиально новых промышленных агрегатов для плавки на штейн. Эти агрегаты имеют ряд существенных преимуществ перед топливными и электрическими печами аналогичного назна­чения, которые заключаются в значительном (примерно в два раза) сокращении энергозатрат на переработку шихты и полной ликви­дации выбросов сернистого газа в атмосферу. Вместе с тем опыт работы печей для автогенной плавки показал, что принцип их работы, а также конструктивные и режимные параметры во/многом зависят от состава перерабатываемого сырья. Чрезвычайное разнообразие применяемых в металлургии меди шихтовых мате­риалов, состав которых может изменяться даже в условиях одного

По принципу работы различают три основных типа агрегатов для автогенной плавки на штейн:

1) печи для плавки концентратов во взвешенном состоянии в потоке предварительно нагретого воздуха или дутья, обогащен­ного кислородом, именуемые печами взвешенной плавки (ПВП);

2) печи для плавки концентратов во взвешенном состоянии в потоке технически чистого кислорода, которые иногда называют печами кислородно-взвешенной плавки (КВП);

3) печи для плавки шихтовых материалов в среде барботируемого газообразным окислителем шлакового расплава, более из­вестные под названием печей для плавки в жидкой ванне (ПЖВ).

Печи для взвешенной плавки имеют различное конструктивное оформление, зависящее от характера применяемого окислителя и состава сырья. Использование предварительно нагретого воз­душного дутья позволяет варьировать в широком диапазоне соотношение между интенсивностями протекающих в печи тепло-генерационных и теплообменных процессов и тем самым создает возможность перерабатывать в ней шихтовые материалы различ­ного состава. В этом случае в печи образуется большое количество технологических газов, движущихся в рабочем пространстве агре­гата g высокими скоростями. Поэтому с целью снижения пыле-выноса в печах взвешенной плавки на воздушном и обогащенном кислородом дутье обычно применяют вертикальное расположение технологического факела, заключая его в специальную реакцион­ную камеру, С той же целью отвод газов из печи осуществляется через вертикальный газоход шахтного типа.

При использовании кислородного дутья возможности агрегата с точки зрения изменения его теплотехнических параметров в ходе плавки значительно ниже, чем при воздушном дутье. Однако сравнительно небольшое количество технологических газов, образующихся в процессе окисления сульфидов, дает возможность применить более компактную конструкцию агрегата о горизонтальным расположением технологического факела.

1.2 Принцип работы печей для плавки на штейн

В печи для плавки шихты в жидкой ванне. Техноло­гический процесс осуществляется за счет тепловой энергии, выде­ляемой непосредственно в среде бар вотируемого газообразным окислителем шлак-штейнового расплава. В качестве окислителя в печи в зависимости от состава сырья используются воздух, дутье, обогащенное кислородом, или технически чистый кисло­род. Дутье подается в расплав через специальные фурмы, располо­женные по обе стороны ванны в боковых стенках печи. Образую­щиеся в результате протекания технологического процесса газы всплывают на поверхность ванны, способствуя ее интенсивному перемешиванию, и удаляются через вертикальный газоход, уста­новленный в центре печи. Перерабатываемая шихта без предвари­тельной подготовки (тонкий помол, глубокая сушка и т. п.) по­дается в печь сверху через загрузочное устройство. Попав на по­верхность ванны, шихта перемещается вглубь расплава, энергично перемешивается с ним и расплавляется под действием высоких температур. Жидкие продукты плавки в подфурменной зоне делятся на штейн и шлак, которые по мере накопления выво­дятся из агрегата через отстойники сифонного типа, расположен­ные с торцевых сторон печи.

1 - фурмы; 2 - устройство для загрузки шихты; 3 - вертикальный газоход; 4 - свод; 5 - устройство для выпуска штейна; 6 - устройство для выпуска шлака

Рисунок 2 – Схема печи для плавки в жидкой ванне

1.3 Тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн

По энергетическому признаку агрегаты для автогенной плавки на штейн относятся к печам смешанного типа, так как в них газо­образной окислитель и компоненты шихты, участвующие в экзо­термических реакциях, нагреваются непосредственно в процессе теплогенерации, тогда как остальные продукты плавки получают тепло за счет теплообмена. Тепловая работа печей такого типа во многом зависит от характера распределения тепла между продук­тами плавки, т. е. от соотношения интенсивности протекающих в них процессов теплогенерации и теплообмена. Как теплогенераторы они относятся к печам с массообменньм режимом работы, в которых интенсификация массообменных процессов достигается за счет максимального увеличения реакционной поверхности суль­фидов.

При анализе работы этих агрегатов в качестве печей-теплооб­менников необходимо учитывать, что в той части рабочего про­странства печи, где происходит интенсивное окисление сульфидов кислородом дутья, преобладают процессы переноса тепла конвек­цией и излучением. В ванне, где происходит завершение процессов формирования расплава и его разделение на штейн и шлак, пере­дача тепла осуществляется в основном теплопроводностью через шлак и конвекцией за счет осаждения штейна.

Закономерность тепло- и массопереноса в печах для автоген­ной плавки отличаются крайним разнообразием и сложностью. К сожалению, из-за относительной новизны процесса пока отсут­ствуют надежные экспериментальные данные о тепловой работе рассматриваемых печей, что в значительной степени затрудняет теоретические расчеты в этой области. В реальной практике оценка режимных параметров агрегата осуществляется, как правило, на основе анализа материального и теплового балансов протекающего в нем технологического процесса.

Печи для автогенной плавки являются агрегатами непрерыв­ного действия с относительно неизменными во времени параме­трами теплового и температурного режимов работы. При состав­лении теплового баланса протекающего в печи технологического процесса могут быть использованы понятия тепловых эквивален­тов сырьевых материалов и продуктов плавки. В этом случае урав­нение теплового баланса плавки приобретает вид

где А - производительность агрегата по проплавляемой шихте, т/ч;