CC BY
7
МРНТИ 55.15.17
https://doi.org//10.48081/RMQS2439
Ю. И. Шадрин1, *A. В. Богомолов2
1ТОО «Вектор», Республика Казахстан, г. Павлодар; 2Торайгыров университет, Республика Казахстан, г. Павлодар; *e-mail: bogomolov71@mail.ru
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧЕЙ ПРИ ПЛАВКЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ В УСЛОВИЯХ ТОО «ВЕКТОР»
Представлены особенности технологии приготовления сплава для литых алюминиевых дисков в условиях ТОО «Вектор». Подробно описан процесс подготовки шихты и состав шихтовых материалов для плавки алюминиевых сплавов в индукционных тигельных печах.
Приведены результаты проведенных промышленных экспериментов по нейтрализации простоев печи, связанных с ожиданием слива металла. Была поставлена задача определения оптимальной технологии шихтовки и выплавки металла. По результатам эксперимента разработана технология непрерывной и эффективной работы индукционных тигельных печей.
Проведена также серия экспериментальных плавок с целью выявления разницы производительности печей по разным технологиям шихтовки и плавления.
В условиях производства предприятия ТОО «Вектор» с помощью внесения изменения в технологию шихтовки и выплавки металла в индукционных печах было достигнуто повышение производительности на 1.2 тонн за сутки. Также были сведены к минимуму простои печей по причине ожидания слива металла. При работе, согласно штатной технологии, производительность двух индукционных печей не превышала 28 тонн. После внедрения экспериментальной технологии производительность двух индукционных тигельных печей за сутки повысилась до 30 тонн жидкого металла.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, литые диски, плавка, индукционная печь, производительность.
Введение
На некоторых металлургических производствах лимитирующим звеном производственных мощностей является плавильный участок, который не всегда может обеспечить литейный участок требуемым количеством жидкого сплава. Причиной могут служить несколько факторов: относительно малый объём плавильных печей; увеличенное время приготовления сплава; выход из строя плавильных агрегатов по причине износа футеровки и др.
Время, затрачиваемое на приготовления сплава, зависит от характеристик плавильных агрегатов, а также от вида шихтовых материалов. Важными являются
следующие характеристики шихтовых материалов: плотность и химический состав.
Плотность шихты напрямую влияет на скорость плавления, а химический состав способен в значительной мере повлиять на длительность приготовления сплава. Если использовать шихту, химический состав которой полностью совпадает с требуемым сплавом, то длительность приготовления сплава будет минимальной, а если химический состав подразумевает полное несоответствие требуемому составу, то длительность приготовления сплава возрастает в разы.
Существует множество способов повысить производительность плавильных агрегатов за счёт внесения изменений в технологию приготовления сплава. Далее представлены несколько экспериментально подтверждённых способов повышения производительности индукционных печей в условиях предприятия ТОО «Вектор».
Материалы и методы
На данный момент в работе используются две индукционные тигельные печи ёмкостью 600 кг [1]. При стандартной шихтовке (180 кг стружки и 420 кг бракованных автомобильных дисков) длительность плавки составляет 1 час и 15 минут, без необходимости корректировки химического состава. При таком режиме работы печи способны обеспечивать металлом три литейные машины ёмкостью 700 кг с периодичностью заливки один раз в два часа. При этом, если запустить в работу четвёртую литейную машину, то металла будет недостаточно в виду того, что в среднем каждая литейная машина вырабатывает около 200-350 кг (в зависимости от диаметра и исполнения диска) жидкого сплава за один час. Учитывая особенности строения литейных машин низкого давления, в нагревательных камерах всегда должен поддерживаться неснижаемый уровень металла, составляющий около 250 кг, что предотвращает оголение металлоподающей трубы и последующий забор воздуха [2].
При внесении изменений в режим работы плавильных печей и корректировки шихтовки можно значительно повысить производительность, которая позволит одновременно запустить в работу четыре литейных машины.
В первую очередь необходимо увеличить количество шихты с повышенной плотностью, загружаемой в начале и середине плавки [3]. В роли такой шихты выступает измельчённая и просушенная алюминиевая стружка, которая является результатом отходов обрабатывающих станков. Оптимальным будет увеличение доли стружки от общего объёма шихты в два раза, а именно со 180 кг до 360 кг [4]. Связано это с тем, что до уровня выше половины тигеля печи, вихревые токи, создаваемые индуктором, имеют максимальную эффективность [5]. За счёт этого более плотная шихта будет расплавляться максимально эффективно. Выше этого уровня вихревые токи теряют свою мощность и плавление происходит уже за счёт нагрева жидкого металла в тигеле печи, тогда производится загрузка менее плотной шихты для предотвращения замерзания зеркала металла. В качестве менее плотной шихты прекрасно подходит бракованная продукция автомобильных дисков [6].
После наполнения печи и достижения температуры в 710-720°С производится отбор пробы с целью определения химического состава сплава. После отбора пробы металл в печи продолжает нагреваться до температуры 800-850 °С. Данная температура необходима для ликвидации тепловых потерь в следствии последующих манипуляций, связанных с повышением производительности.
При следовании данной технологии выплавки, металл готов к выпуску в разливочный ковш уже через 60-65 минут, однако в связи с необходимостью нагрева до температур 800-850 °С сэкономленные 10-15 минут затрачиваются на нагрев металла.
Результаты и обсуждение
Перед началом экспериментальной плавки в разливочный ковш были помещены бракованные диски общей массой 50 кг. На момент выпуска металла из печи температура дисков и футеровки внутри ковша составляла около 110-130 °С [7]. Выпуск металла производился в следующем порядке:
Производится выпуск металла массой 306 кг с индукционной печи № 1 в разливочный ковш, где находились бракованные диски массой 50 кг. После выпуска металла, в первую печь было дополнительно загружено 100 кг бракованных дисков, после чего печь была включена на полную мощность. Сразу после выпуска разливочный ковш переставляется под печь № 2, после чего операции повторяются. Заливщик при помощи вилочного погрузчика транспортирует разливочный ковш с металлом (656 кг) на участок дегазации сплава.
Через 15 минут заливщик заканчивает дегазацию металла и отправляется
и и и и т™\
на литейный участок для наполнения литейных печей. В течении всего этого времени на плавильном участке производится расплав дополнительных 100 кг в каждой печи и нагрев металла до температуры 740-750 °С. Заливка литейных печей в среднем занимает от 10 до 15 минут. По окончанию разливки металла по литейным печам, заливщик вновь загружает в ковш 50 кг дисков и устанавливает ковш под печь №1 для выпуска металла. Второй выпуск производится «насухо» с обеих печей.
Таким образом общая масса жидкого сплава составила 1,5 тонны при максимальной ёмкости двух печей всего 1,2 тонны. Данные эксперимента на момент первого выпуска представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Данные эксперимента первого выпуска металла
Масса слива, кг Масса в ковше, кг Температура слива, °С Температура в ковше, °С Потери тепла, °С
Слив металла с печи №1
306 50 850 110 180
Слив металла с печи №2
300 356 850 670 98
Итого
Масса в ковше, кг 656 Температура в ковше, °С 752
После обработки металла на участке дегазации конечная температура составила 707 °С, что является оптимальной температурой для литья, так как диапазон рекомендуемых температур составляет 695-705 °С.
За счёт высокой температуры в печах (850 °С) расплавление дополнительно загруженных 100 кг дисков и нагрев до температур 750-760 °С займёт 25-30 минут. После загрузки дополнительных 100 кг в печь температура понизится с 850 °С до 646 °С, однако за счёт индукции металл будет постоянно нагреваться со скоростью около 4-6 °с/мин. Таким образом за 25-30 минут температура металла составит 740-750 °С, что позволит произвести повторный выпуск металла с двух печей. Данные на момент второго выпуска представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Данные эксперимента второго выпуска металла
Масса слива, кг Масса в ковше, кг Температура слива, °С Температура в ковше, °С Потери тепла, °С
Слив металла с печи №1
394 50 742 312 11
Слив металла с печи №2
400 444 740 729 6
Итого
Масса в ковше, кг 794 Температура в ковше, °С 734
Учитывая то, что ковш хорошо прогрет металлом, потери тепла существенно сократились по сравнению с первым выпуском металла. После обработки металла на участке дегазации температура сплава составила 699 °С. Таким образом, получена увеличенную производительность печей за счёт их непрерывной работы. По старой технологии, печи поочерёдно сливались «насухо», в результате чего печь № 2 простаивала в ожидании всё то время, которое было затрачено на заливку литейных машин.
Согласно полученным данным, за 6 часов 45 минут по новой и старой технологии достигнута разная производительность. За данный промежуток времени по старой технологии было выплавлено 6 плавок с общей массой металла равной 7200 кг. Производительность новой технологии превосходит старую технологию на 300 кг жидкого сплава за пять плавок. Несмотря на несущественный прирост производительности, этого достаточно для запуска одновременно четырёх литейных машин [8-10].
Выводы
1 Приведены результаты проведенных экспериментальных плавок алюминиевых сплавов в индукционных печах по усовершенствованной технологии.
2 Использование изменённой технологии эксплуатации индукционных печей позволяет повысить общую производительность плавильных агрегатов путём ликвидации простоев печей, связанных с ожиданием выпуска металла.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Галевский, Г. В. Металлургия алюминия: мировое и отечеств. пр-во: оценка, тенденции, прогнозы [Текст] // учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по направлению «Металлургия» / Г. В. Галевский, Н. М. Кулагин, М. Я. Минцис.
- М. : Флинта, 2004. - 277 с.
2 Денисов, В. М. / Алюминий и его сплавы в жидком состоянии [Текст] // В. М. Денисов [и др.; отв. ред. Э. А. Пастухов]; Рос. акад. наук, Урал. отд-ние, Ин-т металлургии. - Екатеринбург: [УрО РАН], 2005. - 224 с.
3 Абалымов, В. Р. Безотходное производство автомобильных дисков из алюминиевых сплавов / В. Р. Абалымов, В. П. Жереб, Ю. А. Клейменов [Текст] // Цветные металлы и минералы - 2017 : Сборник докладов Девятого международного конгресса, Красноярск, 11-15 сентября 2017 года. - Красноярск: Общество с ограниченной ответственностью «Научно-инновационный центр», 2017. - с. 561-564.
4 Goulart, P. R., Spinelli J. E., Osorio W. R. and Garcia A. Mechanical properties as a function of microstructure and solidification thermal variables of Al—Si castings. [Text]. // Materials Science and Engineering A, 2006, v. 421, p. 245-253.
5 Фролов, Р. А. Формирование структуры и свойств литых деталей из сплава АК7ч с использованием комплексной обработки / Р. А. Фролов, И. П. Волчок, А. А. Митяев, В. В. Лукинов [Текст] // Металознавство та термiчна обробка меташв.
- 2019. - № 2(85). - с. 62-66. - DOI 10.30838/J.PMHTM.2413.230419.61.295.
6 Ferguson, J. B. Correlation vs. Causation : The Effects of Ultrasonic Melt Treatment on Cast Metal Grain Size / J. B. Ferguson, Benjamin F. Schultz, Kyu Cho, Pradeep K. Rohatgi [Text]. // Metals. - 2014. - № 4. - P. 477-489.
7 Волчок, И. П., Митяев А. А., Фролов Р. А. Комплексная технология повышения качества вторичных алюминиевых сплавов / И. П. Волчок, А. А. Митяев, Р. А. Фролов [Текст] // Литьё и металлургия. - 2018. - № 4 (93). -с. 19-23.
8 Богданова Т. А. Современные технологии изготовления дисков автомобильных колес / Т. А. Богданова, Н. Н. Довженко, Т. Р. Гильманшина [и др.] [Текст] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 5. - с. 226.
9 Shadrin, Yu. I. Features of aluminum disc production technology / Yu. I. Shadrin [Текст] // Наука и техника Казахстана. - 2021. - № 3. - c. 50-56.
10 Bykov, P. O. Рrospects for the development of production of aluminum castings/ Bykov P. O., Yelyubayev Zh. B., Mukhamdyarov B. T. [Текст] // Наука и техника Казахстана. - 2014. - № 3-4. - с. 8-13.
REFERENCES
1 Galevskij, G. V. Metallurgiya alyuminiya: mirovoe i otechestv. pr-vo: ocenka, tendencii, prognozy' [Aluminum metallurgy: global and domestic production:
assessment, trends, forecasts] // G. V. Galevskij, N. M. Kulagin, M. Ya. Mincis. [Text].
- Moscow : Flinta, 2004. - 277 р.
2 Denisov, V. M. / Alyuminij i ego splavy' v zhidkom sostoyanii [Aluminum and its alloys in liquid state] // V. M. Denisov. [Text]. - Ekaterinburg : [UrO RAN], 2005. - 224 р.
3 Abaly'mov, V. R. Bezotxodnoe proizvodstvo avtomobil'ny'x diskov iz alyuminievy'x splavov [Waste-free production of automobile discs made of aluminum alloys] / V. R. Abaly'mov, V. P. Zhereb, Yu. A. Klejmenov [Text] // Czvetny'e metally' i mineraly' - 2017 : Sbornik dokladov Devyatogo mezhdunarodnogo kongressa, -Krasnoyarsk : «Nauchno-innovacionny'j centr», 2017. - р. 561-564.
4 Goulart, P. R., Spinelli, J. E., Osorio, W. R. and Garcia, A. Mechanical properties as a function of microstructure and solidification thermal variables of Al—Si castings. [Text]. // Materials Science and Engineering A, 2006, v. 421, p. 245-253.
5 Frolov, R. A. Formirovanie struktury' i svojstv lity'x detalej iz splava AK7ch s ispol'zovaniem kompleksnoj obrabotki [Formation of the structure and properties of cast parts made of AK7ch alloy using complex treatment] / R. A. Frolov, I. P. Volchok, A. A. Mityaev, V. V. Lukinov [Text] // Metaloznavstvo ta termichna obrobka metaliv.
- DOI 10.30838/J.PMHTM.2413.230419.61.295. 2019. - № 2(85). - р. 62-66.
6 Ferguson, J. B. Correlation vs. Causation: The Effects of Ultrasonic Melt Treatment on Cast Metal Grain Size / J. B. Ferguson, Benjamin F. Schultz, Kyu Cho, Pradeep K. Rohatgi [Text]. // Metals. - 2014. - № 4. - p. 477-489.
7 Volchok, I. P., Mityaev A. A., Frolov R. A. Kompleksnaya texnologiya povy'sheniya kachestva vtorichny'x alyuminievy'x splavov [Comprehensive technology for improving the quality of secondary aluminum alloys]. / I. P. Volchok, A. A. Mityaev, R. A. Frolov [Text] // Lit'yo i metallurgiya. - 2018. - № 4 (93). - р. 19-23.
8 Bogdanova, T. A. Sovremenny'e texnologii izgotovleniya diskov avtomobil'ny'x koles [Modern technologies for the manufacture of automobile wheel discs] / T. A. Bogdanova, N. N. Dovzhenko, T. R. Gil'manshina [Text] // Sovremenny'e problemy' nauki i obrazovaniya. - 2014. - № 5. - Р. 226.
9 Shadrin, Yu. I. Features of aluminum disc production technology / Yu. I. Shadrin [Text] // Science and Technology of Kazakhstan. - 2021. - № 3. - р. 50-56.
10 Bykov, P. O. Prospects for the development of production of aluminum castings/ Bykov P. O., Yelyubayev Zh. B., Mukhamdyarov B. T. [Text] // Science and Technology of Kazakhstan. - 2014. - № 3-4. - P. 8-13.
Материал поступил в редакцию 06.02.23.
Ю. И. Шадрин1, *А. В. Богомолов2
1«Вектор» ЖШС, Казахстан Республикасы, Павлодар к. 2ТораЙFыров университет^ Казахстан Республикасы, Павлодар к.; Материал 06.02.23.баспаFа тYстi.
«ВЕКТОР» ЖШС ЖАFДАЙЫНДА АЛЮМИНИЙ ЦОРЫТПАЛАРЫН БАЛЦЫТУ КЕЗ1НДЕ ИНДУКЦИЯЛЫЦ ПЕШТЕРДЩ ЭН1МД1Л1Г1Н АРТТЫРУ
«Вектор» ЖШС жагдайында цуйылган алюминий дискiлерi ушт цорытпаны дайындау технологиясыныц ерекшелiктерi усынылган. Куйылган дискiлердi вндiру ушт индукциялыц тигель пештерт шихталау процеы толыц сипатталган. Шихтаны дайындау процеЫ жэне алюминий цорытпаларын балцытуга арналган шихта материалдарыныц цурамы егжей тегжейлi сипатталган
Металды твгудi кутуге байланысты пештщ тоцтап цалуын бейтараптандыру бойынша жург1зшген енеркэсттж эксперименттердщ нэтижелерi келтiрiлген. Бастапцыда металды балцыту мен шихталаудыц оцтайлы технологиясын аныцтау мiндетi цойылды. Эксперимент нэтижелерi бойынша индукциялыц тигель пештертщ уздтЫз жэне тиiмдi жумыс ктеу технологиясы жасалды.
Сондай-ац, эртyрлi шихталау жэне балцыту технологиялары бойынша пештер етмдшшнщ айырмашылыгын аныцтау мацсатында эксперименттт балцытулар сериясы жyргiзiлдi.
«Вектор» ЖШС кэсторныныц вндiрiс жагдайында индукциялыц пештерде металды балцыту мен шихталау технологиясына езгерктер енг1зу арцылы тэулшне цосымша 1,2 тонна келемтде енiмдiлiктi арттыруга цол жеткiзiлдi. Сондай-ац, металл тегшут куту себебтен пештердщ тоцтап цалуы азайтылды. Штаттыц технологияга сэйкес жумыс ктеген кезде ет индукциялыц пештщ етмдтш тэулшне 28 тоннадан аспады. Эксперименттт технологияны енг1згеннен кейт ет индукциялыц тигель пештщ етмдшш тэулшне 30 тонна суйыц металга дейт есть
Кiлттi сездер: алюминий цорытпалары, цуйылган дискшер, балцыту, индукциялыц пеш, етмдшк.
Yu. I. Shadrin1, *A. V. Bogomolov2
1 Vector LLP, Republic of Kazakhstan, Pavlodar;
2Toraighyrov University, Republic of Kazakhstan, Pavlodar.
Material received on 06.02.23.
INDUCTION FURNACES PRODUCTIVITY INCREASING DURING MELTING ALUMINUM ALLOYS IN THE CONDITIONS OF VECTOR LLP
The features alloy preparation technology for cast aluminium discs in the conditions of Vector LLP are presented. Mixing induction crucible furnaces process for the production of cast discs is described in detail.
Industrial experiments results of conducted to neutralize furnace downtime associated with the expectation of metal discharge are presented. The task was set to determine the optimal technology for mixing and smelting metal. Based on experiment results, the technology of continuous and efficient induction crucible furnaces operation has been developed.
A series of experimental melts was also carried out in order to identify the difference in furnace performance according to different charging and melting technologies. By making changes to the technology of charging and smelting metal in induction furnaces in the production conditions of the enterprise «Vector» LLP an increase in productivity by 1.2 tons per day was achieved.
Furnace downtime was also minimized due to the expectation of metal draining. When working according to standard technology, the productivity of two induction furnaces did not exceed 28 tons. After experimental technology introduction, the two induction crucible furnaces productivity increased to 30 tons of liquid metal per day.
Keywords: aluminium alloys, alloy wheels, melting, induction furnace, productivity.
