Piece odlewnicze .
Do wytapiania stopów odlewniczych używa się różnego rodzaju pieców a uzależnione jest to od :
- rodzaju stopu
- źródła energii cieplnej
- wielkości i sposobu produkcji
- wymagań jakości ciekłego stopu ,
W metalurgii stosujemy piece na :
a) Paliwo stałe , ciekłe lub gazowe . Zaliczamy do nich piece :
1 . szybowe - żeliwiaki
2. płomieniowe - stałe
- obrotowe
3. martenowskie - stałe
- przechylne
b) Energię elektryczną :
1. łukowe - o działaniu pośrednim ( jedno-fazowe )
- o działaniu bezpośrednim ( trój -fazowe )
2 . indukcyjne -tyglowe
- kanałowe
3 . plazmowe - łukowo - plazmowe
- indukcyjno - plazmowe
I . OPOROWE :
1 . tyglowe - tygle metalowe z żeliwa żaro odpornego, ze staliwa
- tygle grafitowe , szamotowe , grafitowo - szamotowe , specjalne
- tygle metalowe
- tygle grafitowe
2. wannowe - przewody grzejne metalowe
- przewody grzejne niemetalowe
3. bębnowe - z prętem grafitowym
c) Reakcje chemiczne :
1. konwertory - konwertor z bocznym dmuchem powietrza
- konwertor z górnym dmuchem powietrza
Piece na paliwo stałe , ciekłe lub gazowe .
Żeliwiak - jest to piec szybowy o kształcie cylindrycznym , w którym warstwy wsadu metalowego , zwane nabojami , na przemian z warstwami koksu odlewniczego i topnika wprowadzane są przez okno wsadowe do wnętrza pieca i opuszczają się w dół szybu do strefy topienia . Tam następuje topienie wsadu na skutek oddziaływania spalin o temperaturze 1650 - 2000 o C , powstających w wyniku egzotermicznej reakcji spalania koksu w powietrzu wydmuchiwanym przez dysze . Powietrze do dysz dostarczone jest ze skrzyni powietrznej , do której wtłaczane jest za pomocą wentylatora lub dmuchawy .Ciekłe żeliwo wraz z żużlem gromadzi się w kotlinie lub zbiorniku , skąd spuszczane jest okresowo do kadzi za pomocą zwykłej rynny spustiwej .
Żeliwiaki dzielimy na :
- zwykłe do pracy okresowej
- metalurgiczne do pracy ciągłej
Żeliwiaki zwykłe dzielimy na :
- żeliwiaki bez zbiornika
- żeliwiaki ze zbiornikiem
Piece płomieniowe - są to z reguły duże jednostki , w których metal pobiera ciepło bezpośrednio od płomieni i spalin , a pośrednio od rozżarzonych ścian i sklepienia . Z grupy pieców płomieniowych na uwagę zasługuje piec martenowski przeznaczony do wytopu staliwa .
Piec płomieniowy składa się z następujących części :
- przestrzeni roboczej w , której odbywa się przetapianie metalu i jego gromadzenie ,
- rekuperatorów służących do podgrzewania powietrza gorącymi spalinami ; dzięki temu uzyskuje się wysoką temperaturę płomienia ,
- przestrzeni spalania z głowicami ,
- urządzeń pomocniczych i komina do odprowadzenia spalin i wytwarzania ciągu .
W piecach płomieniowych najczęściej paliwem ciekłym jest olej opałowy lub mazut . W przypadku paliwa gazowego stosowany bywa gaz ziemny , koksowniczy lub wielkopiecowy .
Piece płomieniowe obrotowe znalazły zastosowanie w odlewniach stopów miedzi , aluminium oraz żeliwa szarego i ciągliwego .
W odlewnictwie żeliwa najbardziej rozpowszechnione są piece na paliwo stałe systemu Sesci , natomiast w odlewnictwie stopów aluminium i miedzi piece na paliwo ciekłe lub gazowe systemu Fulmina .
Piece tyglowe - są powszechnie stosowane do topienia małych ilości , głównie metali nieżelaznych i ich stopów . Zajmują niewiele miejsca i są tanie w eksploatacji . Ciepło wytwarzane w komorze spalania jest przekazywane nagrzewanemu metalowi przez ścianę tygla .Możliwość wymiany tygla zapewnia łatwą zmianę gatunku topionego stopu . Najprostszym i zanikającym typem tyglowego pieca koksowniczego jest piec wgłębny szybowy , pracujący na ciągu naturalnym . Szersze zastosowanie mają piece tyglowe opalane paliwem ciekłym - najczęściej mazutem lub gazem .
Piece elektryczne
Piece elektryczne - służą do wytapiania metali i ich stopów .
Piece łukowe - dzielimy je na :
- piece łukowe pośrednie
- piece łukowe bezpośrednie
W piecach łukowych pośrednich łuk elektryczny powstaje pomiędzy ułożonymi elektrodami i żarzy się ponad wsadem . Tak ułożone elektrody narażone są n a naprężenia zginające , co ogranicza ich długość , a więc wymiary i moc pieca . stąd pojemność pieców nie przekracza 1500 [ kg ] i budowane są jako bębnowe , jednofazowe . Piece te służą do wytopu stopów miedzi , w mniejszym stopniu żeliwa atopowego i ciągliwego .
Współczesny piec łukowy o łuku bezpośrednim jest piecem trójfazowym , w którym łuk powstaje pomiędzy pionowo zawieszonymi elektrodami a wsadem metalowym . Pojemność tych pieców waha się od 0,25 - 30 ton .
Piec łukowy składa się z :
- pieca właściwego - trzonu i sklepienia
- elektrod węglowych lub grafityzowanych oraz uchwytów elektrod i urządzeń do ich podnoszenia i opuszczania
- mechanizmów przechylania pieca
- wyposażenia elektrycznego .
Rysunek nr 1 przedstawia schemat piece łukowego .
Piece indukcyjne - dzielą się na :
- piece bezrdzeniowe - tyglowe
- piece rdzeniowe - kanałowe
Piec indukcyjny tyglowy ma prostą budowę . Zazwyczaj jest to tygiel wykonany z materiału ogniotrwałego znajdujący się w cewce wzbudnika wykonanej z rurek miedzianych o przekroju kwadratowym lub prostokątnym , wewnątrz chłodzonych przepływającą wodą . Cewka stanowi uzwojenie pierwotne , a przepływający przez nią prąd wytwarza zmienne pole elektromagnetyczne , które indukuje siłę elektromagnetyczną . Ta z kolei wywołuje we wsadzie umieszczonym w tyglu przepływ prądów silnie rozgrzewających .
Oprócz zjawisk cieplnych występują jeszcze zjawiska magnetohydrodynamiczne . Prąd wtórny indukowany we wsadzie skierowany jest przeciwnie do prądu pierwotnego , co powoduje powstanie sił odpychających ciekły metal od ścian tygla .
Do zalet i pieców indukcyjnych bezrdzeniowych zaliczamy :
- wysoką temperaturę przegrzania metalu i łatwość jej regulacji,
- jednorodny skład chemiczny metalu,
- małe zużycie energii elektrycznej
- prostą obsługę i małe wymiary
Natomiast wadą jest niska temperatura żużla ,co ogranicza prowadzenie intensywnych procesów metalurgicznych .
Rysunek nr 2 przedstawia piec indukcyjny tyglowy .
Piece indukcyjne kanałowe - stosowane są do wytapiania metali nieżelaznych i ich stopów oraz niektórych gatunków żeliwa . Najbardziej rozpowszechnionym jest piec z rdzeniem stalowym i zamkniętym kanałem poziomym , lecz wadą ich jest niska trwałość kanału oraz konieczność pozostawienia w piecu około 20 % płynnego metalu , stanowiącego tzw. . zaczyn .
Piece próżniowe - źródłem ciepła jest tu element grzejny oddający swe ciepło do wsadu przez promieniowanie lub pośrednio przez tygiel . Elementami oporowymi mogą być materiały metalowe , np. : kantal , megapyr lub niemetalowe , np. : silit ,węgiel , grafit .
Piece próżniowe
Piece próżniowe - dzielimy na :
- indukcyjne piece próżniowe :
a) laboratoryjne do 35 [ kg ]
b) półprzemysłowe do 100 [ kg ]
c) przemysłowe nawet do 50 ton
- łukowe piece próżniowe
- elektronowe piece próżniowe
Stosowana w tych piecach próżnia podczas topienia odpowiada ciśnieniu 0,1 - 1,0 [Pa] .Wsad stanowią przygotowane wlewki .
Indukcyjny piec próżniowy składa się z nieruchomego płaszcza chłodzonego wodą oraz pokrywy unoszonej do góry . Wewnątrz płaszcza znajduje się wzbudnik z umieszczonym na zewnątrz tyglem urządzeniem do jego przechylania . Znajdują się tam ponadto urządzenia do wytwarzania próżni , regulacji pracy pieca , itp. .
Rysunek nr 3 przedstawia próżniowy piec indukcyjny .
Próba klinowa.
Próba klinowa dokonywana jest w celu stwierdzenia struktury żeliwa szarego. Żeliwo szare posiada zdolność grafityzacji, czyli do tworzenia struktury szarej. Do oceny stopnia szarości żeliwa wykonuje się próbę łamania klina zwaną próbą klinową. Jest ona wykonywana dla żeliw wyższej jakości (od klasy ZL 200) jako że stopy te posiadają większą skłonność do wydzieleń cementytu - który jest składnikiem niepożądanym. Zasada opiera się na zasadzie zmiany szybkości stygnięcia w zależności od grubości ścianki.
Sposób wykonania próby,
1. Należy w formie piaskowej wilgotnej odkształtować model w postaci klina a następnie zalać go ciekłym metalem.
2. Po upływie 1 min. odlany klin wyciąga się z formy i chłodzi w powietrzu do tem. czerwonego żaru a następnie w wodzie do tem. otoczenia.
3. Należy dokonać przełamania klinu wzdłużnie i uzyskany przełom porównać z wzorcami.
Metoda ATD
Metoda ATD (analiza termiczna i derywacyjna) polega na odpowiedniej analizie i interpretacji krzywych krzepnięcia i krystalizacji czyli przebiegów temperatury oraz szybkości jej zmian w czasie stygnięcia próbki ciekłego metalu pobranego z pieca. W metodzie ATD otrzymuje się wykres w układzie temperatura - czas oraz wyniki na podstawie których ocenia się jakoś żeliwa.
Przebieg ćwiczenia:
Podczas ćwiczeń zapoznaliśmy się z budową pieców używanych w odlewnictwie. Poznaliśmy piec próżniowy, indukcyjny a także łukowy. Byliśmy także świadkami spustu roztopionego metalu do rozgrzanej kadzi a następnie zalewania form ciekłym metalem. Po części praktycznej zostały wyjaśnione nam metody badań żeliwa - próba łamania klinu oraz metoda ATD ,które opisałem wcześniej.