Многофункциональная лабораторная электрическая печь сопротивления

Полезная модель относится к устройствам для эффективной плавки и литья различных алюминиевых сплавов, плавки и литья различной алюминиевой стружки, плавки и литья различных других цветных металлов и сплавов, позволяет осуществлять термическую обработку различных деталей из черных и цветных металлов, предназначена для различных отраслей промышленности. Решает и устраняет несколько технологических барьеров: позволяет в одной и той же базовой многофункциональной лабораторной печи сопротивления, без какой либо ее переделки, осуществлять различные технологические процессы: осуществлять плавку алюминиевых чушек и кускового лома; переплав различной (витой, колотой, сливной и другой) алюминиевой стружки, загрязненной различными смазочно-охлаждаемыми жидкостями (СОЖ), эмульсиями и другими водными технологическими средами; позволяет осуществлять плавку, разливку и литье различных алюминиевых сплава в требуемые формы (в кокиль, в песчано-глинистые формы, в гипсовые формы, в формы по выплавляемым моделям и другие формы); позволяет осуществлять различные методы термической обработки различных деталей из черных и цветных металлов (закалку, отпуск, отжиг и другие); осуществлять процессы сушки лакокрасочных и защитных покрытий, использоваться для различных других целей.
Многофункциональная лабораторная электрическая печь сопротивления позволяет оптимизировать различные производственные участки, исключив дополнительное традиционное оборудование и затраты на реализацию вышеперечисленных процессов. Предлагается стационарная шахтная плавильная печь сопротивления с футерованным корпусом, в рабочей камере которого размещен извлекаемый (вставной, съемный) тигель и охватывающие его нагреватели. В отличие от известных аналогов в ней предусмотрена возможность извлечения вставного (съемного) плавильно-разливочного тигля с помощью имеющихся на нем рукояток и переноса тигля с расплавом и разлив расплавленного металла на требуемом месте, в требуемые формы.
При установке на плавильно-разливочный тигель печи металлической конусной насадки, она позволяет осуществлять эффективный переплав различной алюминиевой стружки: сухой стружки, стружки загрязненной различными СОЖ, эмульсиями, моющими растворами и другими водными средами. За счет ее офлюсовывания и сушки в конусной насадке, это позволяет значительно увеличить выход годного металла от переплавляемой алюминиевой стружки.
Полезная модель относится к области металлургии цветных металлов и сплавов, в частности к плавильным электрическим печам сопротивления и к термическим электрическим печам сопротивления, предназначенным, преимущественно как лабораторная, для использования в различных отраслях промышленности. Может быть использована: в металлургической промышленности; в машиностроении; приборостроении; в автомобильной промышленности; пищевой промышленности; в учебных процессах техникумов, ВУЗов, в НИИ, занимающихся подготовкой кадров по литью и обработке различных металлов, разработке новых сплавов, отработки технологий получения новых изделий, товаров народного потребления и в ремонтных мастерских.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходнх с заявленной полезной моделью признаков, известных из сведений, ставших доступными до даты приоритета полезной модели.
Так, известны плавильные печи сопротивления с не извлекаемым тиглем, содержащие футерованный корпус и рабочую камеру, с заформованными в ее стенках нагревателями, которые для обеспечения разгрузки расплава, как правило, выполнены наклоняемыми (опрокидными) с помощью поворотного механизма с ручным приводом (Обзор «Электрические печи сопротивления плавильные», автор Шишкин А.В., НГТУ, АЭТУ, 2012 г., с. 3) или с пневмо-, гидроприводом, например, электрическая тигельная печь для плавки цветных металлов ПП-2000М ЗАО «Накал», Россия (http://www.nakal.ru/catalog).
Недостаток таких печей в том, что для разлива металла в литейные формы требуются разливочные ковши, их предварительный подогрев, механизмы переноса ковшей с металлом, многие ковши (особенно железные) требуют своей предварительной подготовки, например, нанесения на их внутреннюю поверхность защитных обмазок, предотвращающих загрязнение расплавляемого металла материалом ковшей. В таких печах трудно проводить плавку, например, различной алюминиевой стружки, без ее предварительной и достаточно дорогой подготовке.
Известна стационарная плавильная раздаточная электропечь с не извлекаемым тиглем, в которой перелив расплава в литейную форму или промежуточный заливочный ковш осуществляется путем вытеснения расплава из тигля с помощью специального механизма вытеснения (Обзор «Электрические печи сопротивления плавильные», автор Шишкин А.В., НГТУ, АЭТУ, 2012 г., с. 5).
В этих аналогах наличие механизмов поворота или вытеснения расплава обуславливают повышенные габариты печей, трудно перейти к переплаву одного металла на другой, без специальной промывочной плавки, требуется дополнительное вспомогательное оборудование, достаточно трудоемко заменять вышедшие из строя тигли, изношенные тигли требуют своей безвозвратной утилизации, при плавке в них различной стружки также требуется ее специальная трудоемкая подготовка и дополнительное дорогостоящее оборудование, поэтому их использование более целесообразно, в основном, при большой вместимости емкости тигля (более 60 кг).
Известны более компактные стационарные плавильные печи сопротивления с извлекаемым тиглем, в которых тигель не полностью «утапливается» в рабочей камере корпуса, а несколько выступает над ней, и для перелива расплава в литейную форму (формы) извлекается из печи вручную с помощью входящих в комплектацию печи захватов (клещей), по типоразмерам соответствующим конкретным тиглям, например такие печи как электропечь ПП стационарная, ЗАО «Накал» (http://www.nakal.ru/catalog/plavilnye-statsionarnye-pechi/); или печь типа MUV 400 немецкой фирмы «INDUTHERM Erwarmungsaniagen GmbH» (Инструкция к печам типа MUN 400 to MUN 1200 от 08.08;2014 г.; http://indutherm.de/webshop/index.php?page:=roduct&info=2337).
Так плавильная печь сопротивления типа MUV 400, также содержащая футерованный корпус с опорами и рабочей камерой с заформованными в ее стенках нагревателями, а также размещенный внутри рабочей камеры печи извлекаемый тигель. В ней для обеспечения надежного захвата тигля его верхняя часть должна выступать из рабочего пространства печи на, так называемый, «поясок», примерно 30-70 мм высотой в зависимости от габаритов тигля, что так же следует отнести к недостаткам, поскольку такой размер «пояска» недостаточен для варьирования методов и средств извлечения и переноса тигля с расплавом, например, путем механизации этого процесса, а это снижает диапазон технологических возможностей обслуживания печи, повышает ее стоимость, понижает безопасность технологий литья при перемещении жидкого металла в случаях выхода тиглей из строя.
Технологические возможности таких плавильных печей сопротивления также сильно ограничены, например, в качественном переплаве в одной и той же печи различных алюминиевых сплавов и их стружки, с трудностями надежного захвата и перемещения тиглей емкостью до 30 кг по жидкому алюминию; с возможностью переплава и литья в печи различных других цветных металлов и сплавов (бабита, различных цинковых (например, сплавов ЦАМ), оловянистых, свинцовых, медных и других сплавов) и их стружки.
Известны конструкции некоторых печей сопротивления с извлекаемыми тиглям, направленные для решений вопросов энергоресурсосбережений, оптимизаций процессов плавки различных металлов и их различной стружки.
Так, известна электрическая лабораторная тигельная печь, характеризующаяся тем, что стационарная нагревательная камера печи обращена книзу своим открытым концом, служащим для введения в печь тигля, помещаемого на днище, поддерживаемом ручкой и могущей перемещаться на направляющих стержнях штатива (Патент РФ № 8768). Такая плавильная печь с подъемным днищем (пода) печи в нагревательную камеру и с установленным на нем плавильным тиглем, в верхней части крышки свода (свода) печи имеет канал, служащий для выпуска газов. Для получения температур печи около 1000 градусов Цельсия, канал закрывается, а вход канала в свод печи прикрывается шамотовой крышкой. Подлежащий нагреванию тигель, помещается на тонкостенную фарфоровую подставку, симметрично установленную на днище печи, поддерживаемом ручкой, могущей перемещаться на стержне штатива, а для центрального введения тигля в нагревательную камеру печи и выведения тигля из печи служит упорный стержень.
Такая печь имеет достаточно много недостатков. В ней тигель устанавливается на фарфоровую подставку, и устанавливать на нее можно только тигли не больших размеров, например, объемом по жидкому алюминию не более 5 (10) кг. При проедании или разрушении тигля, печь не имеет аварийного выпуска металла, и жидкий металл несомненно попадает на нагревательные элементы печи, вызывая выход ее из строя в работе. В такой печи практически невозможно качественное проведение плавки с использованием защитных и рафинирующих флюсов. Даже, если подъемный под печи с тиглем опустить в низ печи, скачать шлаки и провести, например, качественную дегазацию расплавленного металла в тигле, перед разливкой металла в форму, также будет затруднительно и малоэффективно. На это требуется определенное время, и металл в тигле будет сильно остывать и получить качественный металл будет достаточно трудоемко и длительно по времени.
Для перемещений нагретых тиглей и разливки металла также потребуются специальные клещи и захваты для различных по типу объему и размеров тиглей. Размещение в верхней части крышки свода (свода) печи канала, служащего для выпуска образующих газов из печи не является эффективным, требуется подсоединения в нему дополнительных газоотсасывающих систем.
Вести эффективную плавку различных кусковых вторичных алюминиевых сплавов и добавку в них их различной стружки, даже если она и предварительно подготовлена в виде прессованных брикетов требуемых размеров, также затруднительно, малоэффективно и не производительно.
Основная проблема подготовки различной стружки к ее рациональному переплаву в высококачественный литейный металл, заключается в том, что сильно разветвленная поверхность различной по форме алюминиевой стружки, прочно удерживает в себе различные водные технологические среды - СОЖ, эмульсии, моющие растворы, и различные другие водные среды, образующие и выделяющие при плавлении стружки различные газы, особенно водород.
Известно, что 1 килограмм, например, расплавленного алюминиевого сплава, может растворять в себе до 20 грамм водорода. Поэтому для получения качественной алюминиевой отливки, с использованием алюминиевой стружки, в том числе и как вторичного металла, стремятся как можно больше удалить их нее влаги, например, с помощью ее предварительной сушки в различных сушильных аппаратах, дегазацией расплава в плавильном тигле различными солями (например, хлористым цинком и другими дегазаторами), продувкой расплава (рафинированием) различными нейтральными газами (например, аргоном) и другими методами. Для уменьшения угара стружки при подготовке ее к плавке в различных печах, в том числе и в электрических печах сопротивления, также используют различные методы и устройства, направленные на решение указанной проблемы, используют прессование сухой стружки в брикеты и другие методы и способы их подготовки.
Так, например, для подготовки к переплаву и плавки различной стружки особо чистых алюминиевых сплавов, в патенте РФ № 2323984, способ переработки стружки включает подготовку ее к плавке и плавку, заключающийся в том, что в процессе подготовки к плавке исходную стружку обрабатывают во вращающемся перфорированном барабане в ванне с водным раствором моющего средства с концентрацией 25-30 г/л при температуре 55-65°С в течение 7-10 мин, далее ее промывают в проточной воде при температуре 10-30°С в течение 1-2 мин с барботажем, далее осуществляют ее повторную промывку в проточной воде в течение 3-4 мин в другой ванне, а затем - в проточном конденсате при температуре до 90°С в течение 3-4 мин, выдерживают во вращающемся барабане над ванной в течение 1-2 мин, сушат при температуре 100-110°С в течение 10-15 мин и брикетируют. В качестве исходной стружки используют смесь различных типов стружки, полученной после разрезки пилой, токарной обработки, обточки темплетов, которую готовят при следующем соотношении: (2-4) : (13-18) : 1 соответственно.
Технический результат такой сложной предварительной подготовки к переплаву такой исходной стружки (патент РФ № 2323984), загрязненной технологическими средами (СОЖ, эмульсиями, моющими растворами), направлен на снижение себестоимости металла, полученного с использованием переработанной стружки особочистых алюминиевых сплавов при обеспечении соответствия химического состава этого металла установленным требованиям.
Это продиктовано необходимостью поиска новых источников дешевого сырья, поиска решения проблемы наиболее полного использования любых отходов, в том числе стружки, т.к. это позволяет экономить дорогостоящие шихтовые материалы, что жизненно важно в условиях рыночной экономики и конкуренции. Однако, этот метод тоже достаточно аппаратоемкий, трудозатратный и дорогой.
Известен способ переработки алюминиевых отходов механической обработкой, включающий обезжиривание, магнитную сепарацию, брикетирование, нагрев и прессование (Современные способы изготовления деформируемых полуфабрикатов из алюминиевого скрапа в сб. Цветная металлургия, серия: Вторичная металлургия цветных металлов. Обзорная информация, Вып.2, М., 1990, с.15).
Данный способ переработки алюминиевых отходов механической обработкой так же не позволяет перерабатывать стружку различных алюминиевых сплавов из-за недостаточно полного удаления с ее поверхности технологических загрязнений в процессе данной переработки отходов. Метод так же дорогой, аппаратоемкий и высокозатратный.
Известен способ подготовки алюминиевой стружки к последующей переработке путем ее брикетирования в вакууме 20-50 мм рт. ст. (2,7-6,7 кПа) при температуре до 300°С и удельном давлении брикетирования 40-200 МПа (Современные способы изготовления деформируемых полуфабрикатов из алюминиевого скрапа в сб. Цветная металлургия, серия: Вторичная металлургия цветных металлов. Обзорная информация, Вып.2, М., 1990, с.10).
Данный способ подготовки алюминиевой стружки к последующей переработке не исключает превышения недопустимых примесных элементов в металле, полученном с использованием переплавленной стружки, подготовленной к переработке по известному способу из-за недостаточно полного удаления технологических загрязнений с поверхности стружки в вакууме. Кроме того, данный способ также является достаточно сложным, аппаратоемким и высокозатратным, что приводит к повышению себестоимости металла, полученного с использованием переплавленной стружки, подготовленной к переработке по данному способу.
Известен способ переработки алюминиевой стружки, включающий подготовку ее к плавке и плавку (И.В. Николаев, В.И. Москвитин, Б.А. Фомин. Металлургия легких сплавов, М., Металлургия, 1997, с.268-270).
По данному способу подготовку стружки к плавке осуществляют путем сушки ее при температуре 400-500°С, магнитной сепарации, загрузки в короба. Витую стружку перед сушкой подвергают дроблению. Подготовленную стружку подают на плавку.
Данный способ переработки предварительно дробленной алюминиевой стружки не позволяет перерабатывать стружку некоторых алюминиевых сплавов из-за недостаточно полного удаления с ее поверхности технологических загрязнений даже и при таких температурах ее сушке и не исключает последующего превышения в металле сплава примесных элементов в процессе плавки в количествах, превышающих установленные требования. Сушила для различной дробленой стружки должно быть специальное, зачастую дорогостоящее и достаточно габаритное, время сушки и дополнительные энергозатраты на сушку могут быть также достаточно большими.
Витую стружку перед сушкой подвергают дроблению, что тоже требует специальное дробильное оборудование, да и образующиеся жидкости также должны как-то удаляться с дробильного оборудования. Известно, что 1 кг витий алюминиевой стружки в своей разветвленной поверхности может удерживать до 10% СОЖ (эмульсий, моющих растворов и других водных сред, попадающих на нее). При дроблении, такой стружки с технологическими жидкостями, также требуется специальное или дополнительное оборудование, обеспечивающее, например, возврат удерживаемой витой стружкой СОЖ и эмульсий обратно в производственный цикл предприятия. На наш взгляд, требуется хотя бы частичное извлечение из них части СОЖ и эмульсий, например, с предварительной вибрационной обработкой витой и другой стружки на вибрационном оборудовании различного исполнения. В общем, данный способ переработки алюминиевой стружки характеризуется более высокой себестоимостью металла, полученного с применением переработанной стружки из-за использования высокозатратных операций высокотемпературной сушки, магнитной сепарации и дробления, может быть использован только на крупных и серийных предприятиях и производствах.
Известен способ переплава мелких отходов и стружки цветных сплавов (патент РФ № 2159822), реализуемый в различных тиглях и в различных плавильных агрегатах.
.
Способ по патенту РФ № 2159822 осуществляют в тиглях плавильного агрегата следующим образом. Здесь в тигель плавильного агрегата загружают тугоплавкий флюс, заполняя тигель на 0,2-0,25 его рабочего пространства. Флюс расплавляют и перегревают на 0,4-0,6 выше его температуры плавления. Над тиглем с расплавом в специальных корзинах помещают отходы, подлежащие переплаву, для их прогрева. Затем прогретую шихту загружают с одновременным наложением вибрации в расплав флюса, в котором происходит ее плавление. По мере накопления расплава производят его разливку
Способ по патенту РФ № 2159822 осуществляют следующим образом. В тигель плавильного агрегата загружают тугоплавкий флюс из расчета заполнения тигля на 0,2…0,25 его рабочего пространства. После полного расплавления и перегрева флюса на 70-150°C выше его температуры плавления в расплав вводят приемное устройство - над тиглем с расплавом флюса в специальных корзинах помещают для прогрева отходы, подлежащие переплаву. Подогретую указанным образом шихту порционно загружают в расплав флюса на установленную чашу. Размер порций определяют экспериментально в зависимости от скорости расплавления, причем загрузку ведут до уровня, не превышающего уровень зеркала флюса. Прогретая шихта интенсивно плавится, при этом расплав накапливается на дне чаши. Наложение вибрации способствует прохождению обменных процессов в объеме чаши и протеканию расплава каплями и струями через слой флюса. Проходя через слой расплавленного флюса, струи и капли жидкого сплава очищаются от неметаллических включений и газов и опускаются на дно тигля, вытесняя флюс. По мере перемещения уровня флюса приемное устройство также поднимают. Нерастворенные приделки тугоплавких сплавов и шлак, задержавшиеся в чаше, удаляют.
По мере накопления расплава в тигле, производится его разливка. После слива металла, осветления и подшихтовки флюса процесс повторяют.
2
3
пл
Переплав стружки алюминиевого сплава АК9 по способу (патента РФ № 2159822), проводили в печи сопротивления САТ-0,15 (емкостью по жидкому металлу 150 кг). При переплаве использовали флюс состава: KCl 23-27%, NaF - 20-28%, NaCO - 8-12%, NaCl - остальное. Температура плавления такого флюса составляет T = 620°C.
Достаточно важным в способе патента РФ № 2159822 и его реализации в устройстве для переплава мелких отходов и стружки цветных сплавов, является то, что он предусматривает предварительную сушку и офлюсовывание стружки и других мелких отходов за счет предварительного расплава флюса и помещения отходов, подлежащих переплаву, для их прогрева над тиглем с расплавом в специальных корзинах. Однако, это делает процесс достаточно сложным, требующего специальные дорогостоящие устройства и высококвалифицированного опытного обслуживающего персонала.
Так персонал, обслуживающий печь, должен порционно загружать в расплав флюс, размер порций определяют экспериментально в зависимости от скорости расплавления, причем загрузку должны вести до уровня, не превышающего уровень зеркала флюса - иначе материал, например, из железной корзины может попасть в тот же переплавляемый алюминий и нарушить его требуемый химический состав по содержанию железа. Для этого требуются специальные механизмы поднятия и перемещения корзин над уровнем флюса.
Прогретая шихта интенсивно плавится, при этом расплав накапливается на дне чаши. Для прохождения обменных процессов в объеме чаши и протеканию расплава каплями и струями через слой флюса требуется наложение вибрации с помощью специальных вибраторов, что также удорожает процесс переплава, требует их квалифицированного обслуживания
Проходя через слой расплавленного флюса, струи и капли жидкого сплава очищаются от неметаллических включений и газов и опускаются на дно тигля, вытесняя флюс. По мере перемещения уровня флюса приемное устройство вместе с вибрационным механизмом также надо периодически поднимать и фиксировать на определенном уровне над зеркалом флюса, которое помимо всего может меняться и от попадающего не него засора, проходящего из сетчатых корзин и из-за вновь образующегося и поднимающегося из металла его шлаков и пленов (окислов и др.). Фиксировать и поддерживать эти уровни, в печах различной емкости и с различными стационарными и подъемными тиглями также трудно, и не всегда может быть осуществлено и экономически целесообразно, особенно для печей с не большой емкостью, например, емкостью до 30 кг по расплавляемому алюминию, и с возможностью ручного переноса металла на его разливку.
Нерастворенные приделки тугоплавких сплавов и шлак, которые задерживаются в чаше, необходимо удалять, а после слива металла из печи, для повторения процесса плавки, требуется осветление и подшихтовка флюса. Контролировать состав подшихтованного флюса, удовлетворяющего всем требования, для получения высококачественного металла, здесь также достаточно сложно и трудоемко. Во многих случаях такой способ переплава характеризуется достаточно большим расходом дорогостоящих флюсов.
2
3
пл
Кроме того, способ прототипа не предусматривает рафинирование металла от растворенных в нем газов, а также переход с одной марки переплава мелких отходов и стружки алюминиевого сплава на другую марку алюминиевого сплава. Так, переплав стружки алюминиевого сплава АК9, по способу прототипа (патент РФ № 2159822), проводили в печи сопротивления САТ-0,15 (емкостью по жидкому металлу 150 кг). При переплаве использовали флюс состава: KCl 23-27%, NaF - 20-28%, NaCO - 8-12%, NaCl - остальное. Температура плавления такого флюса составляет T = 620°C. Для различных других алюминиевых сплавов, например, для плавки пищевого алюминиевого сплава АК-12, может быть использован достаточно эффективный флюс следующего состава: KCl - 10%; NaF - 30%; Na3AlF6 - 10%, NaCl - 50%. Контролировать и подшихтовывать изменяющийся такой флюс для сплава АК-12, или другой требуемый флюс, при переходе на другой алюминиевый сплав, для качественного получения металла, по данному способу так же будет затруднительно и во многих случаях трудоемко и экономически не выгодным.
Таким образом данный способ по патенту РФ № 2159822 - переплава мелких отходов и стружки цветных металлов и сплавов, включающий и алюминиевые сплавы, хотя и имеет свои оригинальные решения, но и имеет много ограничений и недостатков. Способ применим только для некоторых металлов, в стационарных печах сопротивления, достаточно больших объемов, от 150 кг (САТ-0,15) и выше, разливку металла из которых осуществляют, например, сифонным способом в металлические изложницы.
Известна плавильная печь сопротивления с механизмом подъема тигля, содержащая футерованный корпус с опорами и рабочей камерой с заформованными в ее стенках нагревателями, а также размещаемый внутри рабочей камеры извлекаемый тигель с механизмом подъема (извлечения) вставного (съемного) плавильного тигля печи, выполненный в виде цилиндрического толкателя, подвижного вдоль вертикальной оси печи в верхней и нижней направляющих, причем верхняя направляющая имеет крестообразную форму и зафутерована в корпусе под рабочей камерой печи, а нижняя выполнена в виде втулки и закреплена снаружи корпуса печи на его днище, и при этом верхний конец толкателя контактирует с дном тигля, а нижний - связан с системой шарнирных рычагов, служащих приводом осевых перемещений толкателя, который выбираем в качестве прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320).
В частных случаях исполнения печей прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320), в ней толкатель и/или крестообразная направляющая выполнены из карбида кремния, и в качестве материала толкателя и/или крестообразной направляющей могут быть использованы отработавшие срок годности нагревательные стержни из карбида кремния для печей.
Выполнение плавильной печи сопротивления с механизмом подъема тигля по прототипу, дает возможность располагать вставной (съемный) плавильный тигель полностью в рабочей камере печи в зоне действия нагревателей, по мнению заявителей позволяет снизить тепловые потери, тем самым уменьшить непроизводительный расход электроэнергии, что способствует увеличению КПД печи, а выполнение крестообразной верхней направляющей и цилиндрического толкателя из карбида кремния способствует повышению ресурса работы этих деталей, поскольку, как известно, карбид кремния обладает низкой коррозией (не окисляется при высоких температурах) и имеет больший ресурс по сравнению с жаропрочной сталью. Использование же для их изготовления отработавших срок карбидокремниевых нагревательных стержней печей значительно снижает экономические затраты.
Возможность выдвижения тигля перед его извлечением из рабочей камеры по окончанию плавки на высоту, превышающую уровень выше свода печина величину «пояска», его верхняя часть должна выступать из рабочего пространства печи более чем на 30-70 мм высотой в зависимости от габаритов тигля и, соответственно, это обеспечивает возможность осуществлять процесс извлечения и переноса тигля с расплавом с помощью механизированного технического средства, например, рукой манипулятора, что позволило бы исключить на этой операции ручной труд и повысить безопасность процесса. С другой стороны такой размер «пояска» может быть и недостаточен для варьирования методов и средств извлечения и переноса тигля с расплавом, например, путем механизации этого процесса, а это снижает диапазон технологических возможностей обслуживания печи.
Перед извлечением плавильного тигля из рабочей камеры печи по окончанию плавления необходимо обеспечить его подъем над воротом нагревательной печи на величину, достаточную для надежного захвата тигля конкретным, предусмотренным технологией, техническим средством.
Плавильная печь по прототипу (Патент РФ на Полезную модель № 155320), позиционируется как экономически эффективная в работе и изготовлении, позволяет сократить энергозатраты на плавку и при необходимости (при значительных габаритах тигля) исключить ручной труд в процессе извлечения и переноса тигля с расплавом, а реализация полезной модели прототипа не требует дополнительных капиталовложений и может быть осуществлена в условиях действующего производства, например, путем модернизации имеющихся в эксплуатации плавильных печей сопротивления. Однако, стандартизированный ряд многих стационарных печей и их тиглей, находящихся в эксплуатации, по жидкому металлу определяются их емкостью в 20 кг, 30 кг, 60 кг, 100 кг, 150 кг, 200 кг, 250 кг, 300 кг и выше, поэтому, в условиях действующего производства, какая либо модернизация имеющихся в эксплуатации стационарных плавильных печей сопротивления с такими емкостями по жидкому металлу будет практически невозможно и нецелесообразна по всем экономическим и технологическим соображениям и показателям.
Кроме того, такая печь прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320) имеет много и своих специфических недостатков.
В печи прототипа тигель устанавливается на рабочий под печи, на котором жестко закреплена крестообразная направляющая, расположенная и закрепленная внутри печи, выбор материала для изготовления которой выбирается из условия обеспечения требуемых служебных свойств этой детали и ее экономической целесообразности. В частных случаях исполнения эта направляющая выполняется из карбида кремния, обладающего достаточно высокой коррозионной стойкостью, т.к. он не окисляется при высоких температурах. Наиболее экономичный вариант - это использование в качестве материала для изготовления направляющей отработавших свой срок годности нагревательных стержней из карбида кремния различных нагревательных печей. Через эту направляющую проходит верхний конец толкателя, который выталкивает плавильный тигель с расплавленным в нем металлом из рабочей камеры печи (при открытой ее крышки), на требуемую высоту над воротом нагревательной камеры печи, для ее захвата с помощью механизированного технического средства, например, рукой манипулятора, с помощью нажатия оператором ножной педали или приложения других усилий, расположенной в низу печи и снабженной рычажными и шарнирными механизмами передачи усилий.
Выполнение в печах прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320 толкателя и/или крестообразной направляющей из карбида кремния, или из использованных отработавший срок годности нагревательные стержни из карбида кремния различных нагревательных печей, на наш взгляд тоже не целесообразно, так как этот материал достаточно хрупкий, не выдерживает ударных нагрузок, плохо поддающийся какой-либо механической обработке.
Для осесимметричного хода толкателя и вертикального извлечения тигля с расплавленным металлом, с наружной, нижней части корпуса печи (на днище корпуса печи), также предусмотрено крепление направляющей, выполненной в виде втулки, из того же материала и той же формы, что и верхней направляющей. При этом нижний конец толкателя связан с системой шарнирных рычагов, служащих приводом осевых перемещений толкателя. По завершению извлечения тигля с расплавом из рабочей камеры печи, при снятии давления на педаль, толкатель с рычагами под собственным весом возвращаются в исходное положение.
Механизм подъема тигля, выполненный по прототипу (Патент РФ на Полезную модель № 155320) в виде цилиндрического толкателя, подвижного вдоль вертикальной оси печи в верхней и нижней направляющих, причем верхняя направляющая имеет крестообразную форму и зафутерована в корпусе под рабочей камерой, а нижняя выполнена в виде втулки и закреплена снаружи корпуса на его днище, и при этом верхний конец толкателя контактирует с дном тигля, а нижний связан с системой шарнирных рычагов, служащих приводом осевых перемещений толкателя, является достаточно сложным, затруднительным в изготовлении в виде крестообразной формы их определенных материалов, не содержит фиксирующих положений различных уровней выдвижения тигля с расплавленным металлом из печи, с помощью нажатия оператором ножной педали, расположенной в низу печи.
Для модернизации имеющихся в эксплуатации различных стандартных плавильных печей сопротивления больших емкостей (от 30 кг по жидкому металлу и выше) быть эффективной в использовании не может, даже только по той причине, что только при случайном выходе из строя тигля печи (его разъедании расплавляемым металлом, выгорании тигля, возможных возникающих трещин на нем, разрушении тигля при надежном его захвате манипулятором и т.п.), все это приведет к полному выходу печи из строя, так как в прототипе печи отсутствует система аварийного слива металла из плавильного пространства печи.
Печь прототипа является специфической и предназначена только для работы с определенными типа размерами тиглей, их определенной вместимостью (емкостью) по жидкому металлу и размерами. Кроме того, печь не позволяет технологически и эффективно традиционными методами получать различный расплавляемый металл требуемого качества, так как для его получения, требуется проводить плавку металлов с использованием различных твердых покровных и рафинирующих соляных флюсов, осуществлять скачивание шлаков и флюсов из плавильных тиглей, осуществлять процессы эффективной дегазации (рафинирования) расплавленного металла, например, различных алюминиевых сплавов, различными солями или нейтральными газами. Если, например, осуществлять скачивание шлака и флюсов из плавильных тиглей прототипа, выдвинутых на определенный уровень над сводом печи (на требуемую высоту над воротом нагревательной камеры печи), с помощью нажатия оператором ножной педали, расположенной в низу печи, то этому оператору потребуются и дополнительный помощник, в их синхронных действиях. При тщательном скачивании шлака, флюсов, окислов с поверхности расплавленного металла, скачиваемый флюс, шлаки, окислы металлов и другие загрязнители не должны попадать на наружную поверхность плавильного тигля или попадать внутрь печи - в требуемый технологический зазор, между наружной стенкой свода печи и ее тиглем. Это требует своего времени, требуется отключении печи, происходит остывание металла и самого тигля, производительность печи сильно уменьшается.
Стандартные тигли печи могут быть самые различные по конфигурации и из различного материала (керамические, шамото-графитовые, графитовые, и др.). Для их надежного захвата с помощью различных механизированных технических средств, различных манипуляторов, и безопасного перемещений их на разливку металла в различные формы, их поверхности не должны быть загрязненными металлами, скачиваемыми шлаками и другими загрязнителями. Кроме конусного захвата (стандартных конических) тиглей, различные манипуляторы и другие механизированные технические средства, для подъема, перемещения и наклона тиглей при разливке металлов, даже по расплавленному алюминию емкостью от 10 - 20 кг и выше, должны иметь и надежную автоматическую фиксацию донной части извлекаемого плавильного тигля с жидким металлом, особенно при его разливке. Это особенно важно для тиглей уже прошедших первые плавки металлов, с частичным окислением и выгоранием их поверхностного слоя. Стоимость таких манипуляторов и механизированных средств, с регулировкой усилием захватов достаточно высокая, что не всегда экономически оправдано и целесообразна.
Печь прототипа является специфической и предназначена только для работы с определенными типа размерами тиглей, их определенной вместимостью (емкостью) по жидкому металлу, габаритами и размерами. При не полной загрузке тигля печи по массе выплавляемого металла, в тигле большого размера, здесь также возникает много сложностей, как по получению его качественного металла, с использованием различных флюсов, так и проведения качественной технологии плавки.
При переходе на плавку металла другой марки, требуется дорогостоящая промывочная плавка.
При установке в печь (прототипа) тигля других, меньших размеров, увеличивается зазор между нагревательными элементами печи и нагреваемым тиглем с металлом, это приводит к уменьшению общего КПД печи, увеличивается расход электроэнергии на тепловые потери печи, увеличиваются затраты энергии на аккумуляцию тепла футеровкой печи, в тиглях малых размеров труднее провести требуемые технологические операции для получения требуемого качества металла, захватывающие манипуляторы так же должны быть сменными, что в общем экономически не выгодно.
Различные выдвижные тигли (шамото-графитовые, графитовые некоторые керамические, чугунные и другие) достаточно дорогие, и при работе в окислительной атмосфере сильно выгорают, срок их службы уменьшается, поэтому их часто облицовывают различными наружными (и внутренними) обмазками, как для получения требуемого качества металлов, так и для повышения их стойкости.
При снятии давления на педаль печи прототипа, толкатель с рычагами под собственным весом возвращаются в исходное положение. Такое движение тигля с возможным расплавляемым металлом или пустого тигля в рабочую камеру печи для ее загрузки, не является безопасным, требуется плавное регулируемое опускание тигля с металлом в печь, а этого предлагаемый в прототипе механизм не обеспечивает. Иначе возможны удар о направляющую и на под печи, разрушение тигля, выход печи из строя, возникновения аварийных ситуаций, пожара и других аварийных ситуаций.
Кроме того, толкатель и/или крестообразнаная направляющая, выполненные из карбида кремния, или из использованных отработавший срок годности нагревательных стержей из карбида кремния различных нагревательных печей, тоже могут разрушиться, так как эти материалы достаточно хрупкие и плохо выдерживают какие-либо ударные нагрузки.
Для надежной работы печи прототипа и плавного подъема тигля печи и плавного опускания тигля в печь, потребуются другие, достаточно дорогие механизмы, с их автоматизацией, фиксациями и их квалифицированным обслуживанием, что тоже характеризует механизмы печи как малоэффективные и пригодные лишь для печей с небольшим объемом тигля не более 5-10 кг по жидкому металлу.
Стоимость различных расходных выдвижных тиглей может быть достаточно высокой, некоторые использованные и вышедшие из строя тигли требуют своей утилизации, требуют дополнительной оплаты для вывоза их на полигон и захоронения, что так же является недостатком такой печи прототипа.
При полном извлечении тигля из печи прототипа, она не может быть использована для других целей, как, например, нагревательная печь сопротивления для термообработки некоторых, например, несимметричных деталей. При их укладке в печь, подъеме и извлечении таких деталей из печи с помощью механизма прототипа, они будут падать, разрушать футеровку печи, ее нагревательные элементы и печь в целом.
В корпусе с опорами печи прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320), размещена рабочая камера, в которой зафутерованы спирали - нагреватели и размещается извлекаемый тигель печи. Зафутерованные нагревательные элементы печи в футеровку печи значительно снижают эффективность работы таких нагревателей и печи в целом. Тепло от нагревательных элементов передается тиглю с расплавляемым металлом теплопроводностью, конвекцией и значительная часть излучением. Так, если даже нагревательные элементы печи располагаются в П-образном пазу футерованной камеры печи, то передача тепла излучением от нагревательной спирали к тиглю металла осуществляется только через открытое пространство паза, а остальное тепло идет на разогрев кладки печи и аккумуляцией ею тепла, до выхода работы печи на стационарный устойчивый режим работы и выход на устойчивые тепловые потери с ее боковой части. То же самое передача тепла теплопроводностью через воздушный зазор от нагревательных элементов на стенку тигля печи, будет много меньше, чем тепло идущее на нагрев самой футеровки, на которой (контактно) лежат нагревательные элементы. Конвективный обмен тепла, от нагревательных элементов к тиглю от зафутерованной П-образной части, будет очень незначительным. Поэтому такая печь прототипа, требует минимального зазора между зафутерованой спирали (нагревательного элемента) и наружной стенкой тигля, а это, как было отмечено выше, имеет много других технологических недостатков такой печи, для качественного получения расплавляемого металла.
Печь прототипа имеет и плохую ремонтопригодность в случае перегорания его заформованных в футеровку нагревательных элементов. Для их ремонта и обратной укладки в печь, потребуется много времени и дополнительных затрат, в том числе и на футеровочные материалы.
В печах по прототипу (Патент РФ на Полезную модель № 155320) трудно осуществлять процесс переплав различной стружки из различных цветных металлов и сплавов, например, различной (витой, колотой, сливной и другой) алюминиевой стружки, загрязненной различными смазочно-охлаждаемыми жидкостями (СОЖ), эмульсиями и другими водными технологическими средами.
Для переплава, например, такой различной алюминиевой стружки в печи прототипа, потребуется предварительная ее дорогостоящая подготовка, что требует много дополнительного оборудования и процесс ее подготовки к переплаву, и сам процесс переплава в печи с извлекаемым подъемным тиглем так же будет затруднительным, становится много аппаратным и еще более много затратным.
В отличие от прототипа (Патент РФ на Полезную модель № 155320), предлагаемая нами «Многофункциональная лабораторная электрическая печь сопротивления», содержащая свои вставные (съемные) плавильно-разливочные тигли, позволяет простыми, дешевыми и достаточно эффективными и доступными средствами, устранить многие недостатки прототипа, существенно расширить технологические возможности печи с ее вставными (съемные) плавильно-разливочными тиглями, позволяющими осуществлять плавку и литье не только алюминиевых чушек и кускового алюминия, емкостью по жидкому алюминию до 30 кг, но и эффективную плавку ее различной (витой, колотой, сливной и другой) алюминиевой сухой стружки, а также стружки загрязненной различными смазочно-охлаждаемыми жидкостями (СОЖ), эмульсиями и другими водными технологическими средами, позволит осуществлять эффективную плавку и литье различных других цветных металлов и сплавов, осуществлять различные виды термообработки различных черных и цветных деталей с рабочей температурой до + 1200°С.
В предлагаемой нами полезной модели «Многофункциональная лабораторная электрическая печь сопротивления» некоторые, схожие эффективные процессы, связанные с сушкой и офлюсовыванием стружки по патенту РФ № 2159822, также находят свое решение, с использованием специальной конусной насадкой, устанавливаемой на вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель, в значительно простом, технологичном, достаточно надежном и дешевом исполнении.
Задачей полезной модели является создание высокоэффективной, универсальной, не дорогой, надежной и удобной в обслуживании многофункциональной лабораторной электрической печи сопротивления, для плавки и литья различных алюминиевых сплавов и их различной стружки, в том числе сухой стружки и стружки загрязненной различными СОЖ, эмульсиями, моющими растворами и другими водными средами, проведения в ней различных методов термообработки деталей из черных и цветных металлов и сплавов, сушки в ней различных материалов и лакокрасочных покрытий, предназначенной для различных отраслей промышленности, научно-исследовательских институтов, ВУЗов, техникумов, различных малых предприятий, ремонтных мастерских.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в расширении технологических возможностей стационарных лабораторных плавильных печей сопротивления, в повышении их надежности, в упрощении обслуживания печи, в упрощении и удешевлении процессов качественного и эффективного переплава в одной и той же печи различных алюминиевых сплавов емкостью по жидкому алюминию до 30 кг, в том числе и их различной (витой, колотой, сливной и другой) сухой стружки и стружки, загрязненной различными смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ), эмульсиями, моющими растворами и другими водными технологическими средами, с возможностью переплава и литья в ней различных других цветных металлов и сплавов; с возможностью проведения в ней различных видов термообработки металлов из черных и цветных металлов с рабочей температурой печи до 1250°С; проведения в ней процессов сушки различных материалов (например, той же мокрой колотой, рубленой стружки, стружки от механических пил и других тонкостенных алюминиевых отходов), сушки различных лакокрасочных покрытий на деталях и для различных других целей.
Такая возможность многофункциональности лабораторной электрической печи сопротивления обусловлена возможностями использованиями в ней сменного, вставного (съемного) плавильно-разливочного тигля, выполненного из нержавеющего материала, имеющего рукоятки, для его установки в печь, извлечения из печи с расплавленным металлом, его перемещения и разливки металла в требуемые формы, на который может быть установлена вставная (съемная) конусная насадка, в которой происходят процессы сушки витой стружки, сушка возможных смесей витой, колотой, сливной и рубленой стружки, в которой происходят процессы офлюсовывания различной стружки, для уменьшения ее угара, и из которой происходит подача стружки в плавильный тигель на ее переплав.
Сущность заявленной полезной модели, как технического решения, выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточных для достижения указанного выше технического результата.
Многофункциональная лабораторная плавильная электрическая печь сопротивления, содержащая футерованный корпус с опорами, рабочую камеру с нагревательными элементами и размещенный внутри рабочей камеры извлекаемый тигель, отличающийся тем, что извлекаемый, вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель выполнен из нержавеющего металла, со сварными ручками, позволяющими устанавливать тигель осесимметрично в печь по направляющим в окне свода печи, и на котором устанавливается вставная (съемная) конусообразная насадка для сушки и офлюсовывания алюминиевой стружки, подаваемой в тигель на поверхность расплавленного флюса и в расплавленный металл под слой флюса, а под опорами пода печи устанавливается поддон, для аварийного выхода металла из рабочей камеры печи, при аварийном прогорании стенок плавильно-разливочного тигля.
В частном случае, вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель емкостью 30 кг по жидкому алюминиевому сплаву АК12, выполнен из сварной стандартной трубной заготовки с наружным диаметром 2019 мм, из нержавеющего металла марки 10Х18Н10Т, с толщиной стенки до 10 мм.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленной полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии условию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется на представленных чертежах: на фиг.1 представлена общая схема базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи для плавки различных алюминиевых сплавов и других, цветных металлов и сплавов; на фиг. 2 сечение А-А; на фиг. 3 сечение Б-Б; на фиг. 4 общая схема базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи с установленным на плавильно-разливочном тигле конусообразной насадки, для высокоэффективного переплава различной алюминиевой стружки.
Здесь: 1 - металлический корпус печи с опорами; 2 - многослойная футеровка печи; 3- спиральные нагревательные элементы, уложенные на огнеупорных полочках; 4 - вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель; 5 - сварные рукоятки для извлечения и установки тигля в печь; 6- крышка плавильно-разливочного тигля печи; 7 - конечный выключатель (защита от электричества при извлечении тигля); 8 - расплавленный флюс; 9 - расплавленный металл; 10 - отверстие для слива расплавленного металла в случае прогорания тигля; 11 - поддон аварийного выпуска металла из печи при прогорании плавильно-разливочного тигля печи; 12 - термопара печи; 13 - вставная (съемная) конусообразная насадка; 14 - алюминиевая стружка (витая, колотая, рубленая, в том числе содержащая СОЖ и водные эмульсии).
На фиг. 1 представлена схема базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи для плавки различных алюминиевых сплавов и других, цветных металлов и сплавов, их чушек и кускового лома. Внутри металлического корпуса 1 печи с опорами, располагается многослойная футеровка 2, содержащая теплоизоляционные и огнеупорные слои. Нагревательные элементы 3, выполняются в виде спиралей (фиг. 1, фиг. 3), из нихромовой проволоки типа Х20Н80, диаметром 4-5 мм и располагаются они на огнеупорных полочках. В отличие от заформованных нагревательных элементов прототипа печи, это делает многофункциональную печь более эффективной в теплопередачи тепла от нагревательных элементов на нагреваемый тигель излучением, конвекцией и теплопередачей. Кроме того, такая печь имеет высокую ремонтопригодность, в случае необходимости ремонта или замены нагревателей печи.
Размещение нагревательных элементов на огнеупорных полочках, также повышает ремонтопригодность печи, не требует большого расхода футеровочных материалов, не требует какой-либо разборки внутреннего огнеупорного слоя печи для извлечения, ремонта или замены нагревательных элементов печи, не требует большого расхода футеровочных материалов, сокращает время ремонта и простоя печи.
Вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель 4 печи, изготавливается сварным (фиг.1, фиг. 2), например, из стандартной трубной заготовки с наружным диаметром равным 219 мм, толщиной стенки до 10 мм, из жаропрочного, жаростойкого нержавеющего материала, например, марки 10Х18Н10Т. Такой материал, достаточно стойкий к расплавам различных алюминиевых сплавам и к требуемым их флюсам. Тигель таких размеров и высотой до 400 мм, снабженный носком (фиг.2), для слива металла, по жидкому алюминиевому сплаву, может быть объемом до 30 кг.
Плавильно-разливочный тигель 4 имеет сварные рукоятки 5 (фиг.1, фиг.2, фиг.4), для установки и извлечения его с расплавленным металлом. Его извлечение из печи и безопасный перенос на место разливки металла в формы (фиг. 2), могут вручную осуществить 2 рабочих - плавильщик и литейщик, или его подсобник - формовщик и другой персонал.
Максимальный вес отливки такого плавильно- разливочного тигля может быть до 30 кг по жидкому алюминиевому сплаву, это дает возможность использования печи в различных отраслях промышленности, в учебных процессах техникумов, ВУЗов, в НИИ, занимающихся подготовкой кадров по литью и обработке различных металлов, разработке новых сплавов, отработки технологий получения новых изделий, товаров народного потребления и в ремонтных мастерских.
Кроме того, в таких тиглях также можно осуществлять плавку и литье и различных других цветных металлов и сплавов (бабита, различных цинковых (например, сплавов ЦАМ), оловянистых, свинцовых, медных и других сплавов), что также делает печь универсальной и многофункциональной. Ограничение по массе выплавляемого другого металла и безопасного переноса тиглей на место разлива металла двумя рабочими, ограничивается общим весом до 50 кг. Однако, необходимо иметь в виду и то, что рабочий объем и габариты плавильно-разливочного тигля позволяют черпать из него металл и разливочными по емкости ковшами, что также расширяет и облегчает литье различных мелкоразмерных деталей из различных цветных металлов и сплавов, а также снижает общий вес тигля с расплавленным металлом, для его безопасного переноса на место разлива металла двумя рабочими.
Вставной (съемный) плавильно-разливочный тигель 4 печи имеет свою крышку 5. Футерованная крышка 6, имеет свою ручку, легко устанавливается и снимается с тигля, позволяет осуществлять загрузку в тигель различных кусковых алюминиевых чушек, вторичного кускового алюминия, твердых не больших алюминиевых отходов в виде колотой или рубленой стружки, засыпать на поверхность расплавляемого металла требуемое количество различных защитных (покровных) и рафинирующих флюсов, снижает потери тепла с верхней части плавильно-разливочного тигля, снижает доступ воздуха в зону нагрева и плавки металла, тем самым сокращая окисление металла и испарения шлака из плавильной зоны тигля.
Зазор, между наружной стенки вставного (съемного) плавильно-разливочного тигля и верхним окном свода печи (фиг. 1, фиг. 4) предусматривается достаточно малым, до 5-10 мм. При необходимости этот зазор может быть закрыт теплоизоляционными накладками, например, из листового асбеста или асбестовым шнуром. Верхняя часть свода печи с его окном, выполняется из металла и позволяет устанавливать тигель осесимметрично в печь по направляющим в окне свода печи.
Плавильно-разливочный тигель 4 печи, устанавливается и извлекается из печи в ее отключенном состоянии. Для защиты обслуживающего персонала печи от какого-либо поражения электрическим током, например, при случайном извлечение плавильно-разливочного тигля из включенной в сеть печи, на своде печи предусмотрен конечный выключатель 7, отключающий контакт которого упирается на сварную ручку, при поднятии которой печь автоматически отключается от питающей сети. Этот же конечный выключатель может фиксировать и осесимметричное установление тигля внутрь печи.
По мере расплавления технологического флюса 8 и металла 9 в тигле печи, при ее открытой крышке 6, в тигель можно легко вводить требуемую добавку металла, скачивать образующийся шлак, наводить требуемые рафинирующие и модифицирующие добавки, осуществлять дегазацию расплавленного металла перед его разливкой, с помощью специальных и достаточно традиционных инструментов и приспособлений. Отключение печи от сети при этом не требуется, металл и тигель не остывают, печь может оставаться в работе в режиме термостатирования. В отличие от прототипа это позволяет значительно повысить производительность печи, уменьшить расход электроэнергии, улучшить условия безопасности работы, получить высококачественный метал и качественное литье из него различных требуемых деталей и изделий.
Для до загрузки в тигель предварительно несколько подогретого кускового лома, что тоже иногда является важным и технологичным, он может частично располагаться на верхней части свода печи (вокруг печи), на ее металлической обшивке, не закрывая и не перекрывая сварных рукояток 5 вставного (съемного) плавильно-разливочного тигля 4, фиг. 2 (на схеме рисунка подогреваемый кусковой лом не показываем). Подогрев кускового лома и чушек на своде печи, может обеспечить их сушку, а также несколько сокращает требуемое потребление электроэнергии.
Для защиты печи от жидкого металла при случайном или аварийном проедании материала тигля расплавляемым металлом или даже в начальной стадии частичного разрушения рабочего тигля, на футерованном поде печи предусмотрено отверстие 10 для автоматического выхода (слива) расплавленного металла из печи в поддон 11, расположенного под подом печи и ее опорах (фиг.1, фиг. 4). Футерованная огнеупорными и теплоизоляционными материалами подина печи, выполняется конусообразной (фиг.1, фиг. 4), диаметр отверстия аварийного выпуска металла из печи не превышает 15 мм, потери тепла из него незначительные, на дно поддона 11, аварийного выпуска металла из печи при прогорании плавильно-разливочного тигля печи, может устанавливаться достаточно простые и дешевые и контактные датчик аварийной сигнализации, поддон может футероваться теплоизоляционными материалами, листовым асбестом и другими материалами.
Требуемая температура в печи, для плавки различных цветных металлов и сплавов регулируется, измеряется и поддерживается в заданных пределах термопарой 12 (фиг. 2). Рабочая температура печи с тиглями из таких материалов и нагревательными элементами, может регулироваться и поддерживаться термопарой и ее приборами в широких пределах, с максимальной температурой в печи равной до + 1250°С ± 5°С. В качестве датчика температуры используется платина-платинородиевая термопара 12.
Для замера температуры расплавленного металла в плавильно-разливочный тигель 4, при открытой его крышки 6, может быть легко вставлена требуемая погружная термопара со своим потенциометром. Для определения готовности и перегрева различных, например, алюминиевых сплавов до требуемой температуры их заливки в формы, может быть использована хромель-алюмелиевая термопара (ТХА), различных исполнений и точности измерений. Это позволяет оперативно и быстро получить требуемые параметры жидкого металла для качественного получения требуемых отливок.
Существенным преимуществом использования таких плавильно-разливочных тиглей, является и то, что после плавки и литья одной марки металла, он легко чистится от остатков расплавленного металла и без тщательных промывочных плавок может быть использован для плавки и литья различных других металлов и сплавов. Использование 2-х или 3-х таких однотипных тиглей расширяет возможности плавильной печи для плавки в ней различных других металлов и сплавов без требуемой промывочной плавки.
Для получения высококачественных различных алюминиевых сплавов, различных других цветных металлов и сплавов, для предотвращения загрязнения их материалом тигля, повышения износостойкости плавильно-разливочных тиглей, так же могут быть использованы различные защитные обмазки их внутренних и наружных поверхностей.
Отработанные или изношенные плавильно-разливочные тигли из нержавеющего металла, легко чистятся от остатков металла (например, от различных алюминиевых сплавов) и их можно сдавать в приемные пункты цветмета как чистые, не засоренные вторичные металлы, получая высокую оплату за сданный лом, тем самым сокращая затраты на требуемые тигли и уменьшения себестоимости выплавки и литья различных деталей и изделий.
На фиг. 4 показано существенное расширение технологических возможностей базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи сопротивления (фиг. 1) с ее вставными (съемные) плавильно-разливочными тиглями, позволяющими осуществлять плавку и литье не только алюминиевых чушек и кускового алюминия, но и осуществлять в ней эффективную плавку и различной (витой, колотой, сливной и другой) алюминиевой сухой стружки, а также стружки загрязненной различными смазочно-охлаждаемыми жидкостями (СОЖ), эмульсиями и другими водными технологическими средами, в виде до загрузки печи до требуемой емкости - требуемого количества металла в тигле, а также и как самостоятельной плавильной печи, для получения высококачественных вторичных алюминиевых сплавов (чушек) для их дальнейшего использования в качестве шихтовых материалов.
Для этих целей в базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи (фиг.1), с плавильно-разливочного тигля печи 4 снимается ее крышка 6, и вместо нее на плавильно-разливочный тигель 4, устанавливается вставная (съемная) конусообразная насадка 13, в который загружается, например, витая алюминиевая стружка, или смесь витой, сливной и другой формы стружки 14, требующая ее рациональный и ресурсосберегающий переплав.
Загрузка различной стружки в конусообразную насадку, должна быть такой, чтобы она была газопроницаемой, для тепла, идущего от расплавленного металла 9 и флюса 8, находящегося в плавильном тигле 4 (фиг. 4) с его открытой верхней части.
Такая сушка возможно мокрой (влажной) стружки и ее офлюсовывание (испаряющимся флюсами и отходящими газами с плавильного пространства тигля печи, позволяет экономить тепло, идущее через крышку 6 при обычной плавке твердых кусковых материалов в окружающее пространство, как тепловые безвозвратные потери базовой печи (фиг. 1), а осаждение на поверхностях стружки испаряющегося флюса 8, при последующем механическом (ручном) проталкиванием ее в тигель, на поверхность расплавленного флюса и в слой расплавленного металла под расплавленный флюс, позволить значительно сократить ее окисление и угар.
2
3
пл
В качестве флюсов 8, могут быть использованы различные их рабочие покровные и рафинирующие флюсы, в том числе и, например, для алюминиевого сплава АК9, известного состава: KCl 23-27%, NaF - 20-28%, NaCO - 8-12%, NaCl - остальное, имеющий температуру плавления T = 620°C, но с повышенным его содержанием легкоплавкой компоненты KCl, до 27%.
Сильно мокрую алюминиевую стружку, например, витую и другую стружку с большим содержанием СОЖ и эмульсий, предварительно можно подвергнуть вибрационной обработке, например, на недорогом вибростоле, для извлечения из нее СОЖ и эмульсий, с целью их регенерации и возврата обратно в производство, а стружку с остаточной влажностью направить на ее сушку и офлюсовывание в конусообразную насадку 13 печи (фиг. 4), для ее дальнейшего переплава.
Использование конусообразной насадки для сушки различной влажной стружки и ее офлюсовывание, с последующим механическим (ручным) проталкиванием ее в плавильное пространство тигля на поверхность расплавленного флюса и в слой расплавленного металла под расплавленный флюс, позволяет простыми и дешевым методом сократить окисление и угар различной стружки на 15-25% от ее чистого веса. Это дает возможность рационального и ресурсосберегающее использованию многофункциональной лабораторной электрической печь сопротивления для использования ее на различных малых предприятиях, в различных ремонтных мастерских, и для других предприятий, с не большим объемом выпускаемого качественного литья - до 3,0 тонн в месяц.
Таким образом в предлагаемой многофункциональной лабораторной электрической печь сопротивления можно достаточно просто и эффективно плавить не только кусковой состав алюминиевых сплавов, но и их различную стружку.
Над конусообразной насадкой 13, также как и над всей базовой, стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи (фиг.1), по условиям их безопасной эксплуатации, также, как и для различных других плавильных печей, должна быть установлена вытяжная вентиляция. Чаще всего для этих целей используют простой зонт с подключением к нему вытяжной вентиляции, который не мешает извлечению из печи плавильно-разливочных тиглей, установки и извлечения конусообразной насадки.
При извлечении плавильно-разливочного тигля 4, из базовой стационарной части многофункциональной лабораторной электрической печи (фиг.1), рабочее пространство печи может быть использовано и для проведения в ней различных других технологических процессов. Так в ней, также просто и надежно можно осуществлять и различные виды термообработки различных по конфигурации деталей, проводить: нагрев различных деталей под закалку; проводить в печи низкотемпературный и высокотемпературный отпуск различных деталей; осуществлять отжиг деталей и заготовок из различных черных и цветных металлов; проводить различные другие требуемые процессы термообработки с рабочими температурами печи до 1250°С; проводить в ней процессы сушки различных лакокрасочных покрытий на деталях и для различных других целей.
При нагреве под термообработку различных мелких деталей, они могут быть закреплены на специальных приспособлениях типе «елочка» и также легко и просто загружаться (и выгружаться) в рабочее пространство печи через ее верхнее окно свода печи. При этом крышка 6 (фиг.1) плавильно-разливочного тигля, может быть использована и как крышка самой многофункциональной лабораторной электрической печи сопротивления - используя ее же и для осуществления в печи различных требуемых процессов термообработки различных деталей и изделий. Это также расширяет технологические возможности печи, делает ее более универсальной и многофункциональной.
Для уменьшения тепловых потерь с наружных поверхностей печи, ее металлический кожух и конусообразная насадка красятся термостойкой светлой или белой краской, например, серебрянкой, что уменьшает тепловые потери тепла в окружающее пространство и делают печь более экономичной.
Печь работает следующим образом. Проводят требуемый внешний осмотр печи, ее готовности к подключению к питающей сети и наличие на участке требуемых вспомогательных инструментов. Подготовленный к плавке плавильно-разливочный тигель 4, двумя рабочими симметрично устанавливается в плавильное пространство печи, при этом его рукоятка должна замкнуть контакт конечного выключателя 7. Плавильно-разливочный тигель вручную загружается, например, кусковым ломом и чушками, требуемого алюминиевого сплава. На поверхность загрузки засыпают требуемое количество защитного и рафинирующего флюса. Плавильно-разливочный тигель 4 закрывается крышкой 6. Включается вытяжная вентиляция печи, на печь подается напряжение. Контроль температуры в камере печи контролируется по показаниям прибора, подключенного к термопаре 12.
По мере расплавления в тигле металла 9, на поверхности флюса 8 образуются шлаки, которые могут быть удалены вручную с помощь специального ручного инструмента. Отключение печи от сети при этом не требуется.
При необходимости, в тигель может быть добавлен предварительно подогретый кусковой металл или лом той же марки металла, взятый, например, со свода печи. Холодный кусковой лом, перед его погружением в плавильный тигель, можно подогреть над расплавом шлаковой ванны или расплавленным флюсом, с помощью специальных щипцов.
По мере готовности металла, скачивания с него шлака и отработанного флюса 8 (фиг. 4), проводят его дегазацию (рафинирование), например, хлористым цинком с использованием «колокольчика», или продувкой инертными газами. Ручным инструментом собираем с поверхности металла всплывшие загрязнители и плен (окисные пленки алюминиевого сплава). При этом печь может оставаться включенной и работать в режиме термостатирования.
Погружной термопарой определяем соответствие температуры расплавленного металла ее требуемой температуре перегрева для заливки его в форму.
В общем случае, технологический процесс плавки металла, здесь мало чем отличается от тех же стандартных технологически процессов плавки металлов в различных стандартных электрических печах с их неподвижными или поворотными тиглями.
При готовности металла, печь отключается от сети и двое рабочих аккуратно извлекают плавильно-разливочный тигель из печи, переносят его на место разливки металла в форму, устанавливают его на разливочный постамент и аккуратно наклоном тигля сливают металл из тигля, через его носок в форму, максимальный вес которой по металлу до 30 кг.
Металл из плавильно-разливочного тигля, для литья не больших отливок по весу, из плавильно-разливочного тигля может вычерпываться и переноситься вручную для его заливки и с помощью различных черпаков со своими сварными ручками.
После слива металла, разогретый тигель возвращается и устанавливается обратно в печь, для ее загрузки и последующей плавки. Оставление «болота» - до 10% жидкого металла в тигле, существенно сокращает время последующей плавки металла, в той же, но уже разогретой печи, до 25% по времени.
Для рациональной плавки различной сухой и влажной алюминиевой стружки используется конусообразная насадка 13. В нее укладывается, например, витая алюминиевая стружка, или смесь витой, сливной и другой формы стружки 14, требующая ее рациональный и ресурсосберегающий переплав.
Загрузка различной стружки в конусообразную насадку, должна быть такой, чтобы она была газопроницаемой, для тепла, идущего от расплавленного металла 9 и флюса 8, находящегося в плавильном тигле 4 (фиг. 4) с его открытой верхней части.
Поэтому, на дно конусообразной насадки рекомендуется укладки витой стружки, а далее смеси стружки-витой, сливной и колотой стружки, возможно их чередование слоями, чтобы она была газопроницаемой, для тепла, идущего от расплавленного металла 9 и флюса 8. В качестве флюсов 8, могут быть использованы различные их требуемые рабочие покровные и рафинирующие флюсы.
Конусообразная насадка 13, вместе с уложенной в нее газопроницаемой стружкой, может быть установлена на предварительно загруженный холодный плавильно-разливочный тигель, с уложенными в него холодным кусковым переплавляемым алюминием и флюсом, и в таком состоянии печь может быть включена в работу с холодного состояния. Над печью, с загруженной конусной насадкой, включается в работу вытяжная вентиляция. По мере расплавления металла 9 и флюса 8 (фиг.4), происходит сушка стружки и ее офлюсовывание.
Протекание процесса сушки влажной стружки и ее офлюсовывание наблюдаются визуально на верхней части короба как удаление влаги (пара) и гари, и на уровне зонта вытяжной вентиляции. При наличии на поверхности стружки различных СОЖ и эмульсий (содержащие в своем составе различные масла, нефтепродукты и различные добавки (антикоррозионные, противопенные, антибактерицидные, стабилизирующие и другие)), так же происходит их выгорание и испарения.
Сушка, выгорание масел и нефтепродуктов некоторых СОЖ и эмульсий (температура вспышки некоторых масел и нефтепродуктов находится в пределах 140-160°С), происходит с некоторым выделением дыма, однако сгорание масел и нефтепродуктов и переход их в сажу (углерод), не сильно сказывается на ухудшение качества выплавляемого металла. Выгораемые масла и другие нефтепродукты, остающиеся в виде сажи на поверхности стружки, дополнительно в дальнейшем, защищают ее от сильных окислений и выгорания металла стружки при высоких температурах и при проталкивании ее на поверхность расплава шлака или в слой расплавленного металла, под слой флюса.
Выгоревшие углеродосодержащие материалы, при плавке его на поверхности шлака легко переходят в шлак, а металл, проходя через слой шлака, очищается до высокой его чистоты.
При подаче ручным проталкивании осушенной и офлюсованной стружки на поверхность металлической ванны, под слой шлака, она так же эффективно плавится со снижением его угара и окисления. Обработка рафинирующим флюсом происходит на границе разделы жидкой металлической ванны расплавленного металла и расплавленным рафинирующим флюсом.
Таким образом, после окончания наблюдаемых процессов испарения влаги и дымообразования, на верхней части конусообразной насадки, после небольшой выдержки стружки в конусообразной насадке, ее вручную проталкивают в плавильный тигель. Это позволяет эффективно вводить в расплавляемый металл добавку, для пополнения ее общего объема расплава до 10-15% и более, без нарушения состава и качества получаемого металла.
Повторно также можно вставить в плавильно-разливочный тигель, уже с расплавленным металлом и флюсом, новую конусообразную насадку, с новой порцией уложенной в нее влажной стружкой, и процесс повторяется. Время сушки и офлюсовывание стружки, а также ее плавки при этом значительно сокращается.
При плавке, или оставления расплавленного металла в тигле в виде «болота», равного до 10% от всего объема тигля, и добавив в него несколько больший по объему требуемый рафинирующий флюс, таким образом можно переплавлять стружку до полного его объема в тигле - до 30 кг по жидкому алюминию, для получения высококачественных вторичных алюминиевых сплавов (чушек) для их дальнейшего использования в качестве шихтовых материалов.
Выбор того или иного режима работы печи определяется стоящей перед ней задачей: плавкой и литье кускового лама; плавка и литье кускового лома с дозагрузкой литья различной переплавляемой алюминиевой стружкой; плавка и литье различной стружки для получения алюминиевого сплава шихтового назначения; и других назначений получения новых материалов.
По окончании плавки стружки, конусообразную насадку 13 снимают с плавильно-разливочного тигля, происходит скачивание с него шлака и отработанного флюса 8 (фиг. 4), проводят его дегазацию (рафинирование), например, хлористым цинком с использованием «колокольчика», или продувкой инертными газами. Ручным инструментом собираем с поверхности металла всплывшие загрязнители, в том числе плена (окисные пленки алюминиевого сплава) и возможные углеродные загрязнители. При этом печь также может оставаться включенной и работать в режиме термостатирования.
Погружной термопарой определяем соответствие температуры расплавленного металла ее требуемой температуре перегрева для заливки его в форму.
При готовности металла, печь отключается от сети и двое рабочих аккуратно извлекают плавильно-разливочный тигель из печи, переносят его на место разливки металла в форму, устанавливают его на разливочный постамент и аккуратно наклоном тигля сливают металл из тигля, через его носок в требуемые формы, максимальный вес которых по металлу до 30 кг.
При загрузке в конусообразную насадку сухой стружки, процессы ее офлюсовывания и переплава в качественный металл, по длительности сокращаются, и выход годного увеличивается.
Общее время сушки и офлюсовывание различной стружки определяется опытным путем, зависит от состава и количества их загрязнителей (различных СОЖ, эмульсий, различных моющих растворов и других водных сред. Практика и опыт эксплуатации такого устройства, по расходу флюсов, выходу шлама, наличия проскоков окисленной части металла (плена), позволяет более полно, рационально и эффективно осуществлять переплав в печи различной алюминиевой стружки и стружки из различных других цветных металлов и сплавов.
Результаты опытных плавок на многофункциональной лабораторной электрической печи сопротивления алюминиевого сплава марки АК 12, и различной ее стружки, загрязненной различными СОЖ и эмульсиями, подтверждают, что она позволяет обеспечить получение высококачественного металла, удовлетворяющего всем требованиям получения высококачественных отливок с наименьшими затратами, простым и доступным устройством.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения не вызывает сомнений, поскольку предложенная печь (установка) может быть изготовлена промышленным способом из многих известных материалов с использованием известных технологий и технических средств (листовое железо, уголковое железо, пруток, трубы из нержавеющих металлов, огнеупорные и теплоизоляционные печные материалы, огнеупорные полочки, огнеупорные связующие, нихромовая проволока, резка, сварка, термопара и т.п.), что обуславливает, по мнению заявителя, его соответствие условию «промышленная применимость».
Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает возможность получения универсальной, многофункциональной, не дорогой, надежной, удобной и экономичной в эксплуатации многофункциональной лабораторной электрической печи сопротивления, обеспечивающей: плавку и литье различных алюминиевых сплавов, емкостью по жидкому алюминию до 30 кг; плавку и литье различной алюминиевой стружки, в том числе сухой стружки и стружки, загрязненной различными смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ), эмульсиями, моющими растворами и другими водными технологическими средами, с сокращением окисления и угара различной стружки до 15-25% от ее чистого веса; обеспечивающей переплав и литье в ней различных других цветных металлов и сплавов; обеспечивающей проведения в ней различных видов термообработки различных деталей из черных и цветных металлов с рабочей температурой внутри печи до + 1250°С; и для различных других целей.