Плавка меди. Самодельная электропечь для плавки металлов

Печь для плавки металлов в домашних условиях может использоваться также для быстрого нагрева металлических элементов, например, при их лужении или формовке. Характеристики работы представленных установок можно подогнать под конкретную задачу, меняя параметры индуктора и выходной сигнал генераторных установок - так можно добиться их максимальной эффективности.

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

По технологическому назначению металлургические печи делят на плавильные и нагревательные.

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

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

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

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

1.1 Общие сведения

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

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

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

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

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

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

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

1.2 Принцип работы печей для плавки на штейн

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

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

Рисунок 2 – Схема печи для плавки в жидкой ванне

1.3 Тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн

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

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

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

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

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

Изделия из меди активно используются не только в различных отраслях промышленности, но и в быту. В связи с этим вполне естественно, что у многих умельцев возникает вопрос о том, как расплавить медь и в домашних условиях изготавливать из нее различные изделия методом литья. Знание такой технологии, которая известна человечеству еще с древних времен, позволяет создавать различные предметы не только из меди, но и из ее сплавов – .

Характеристики меди

Медь является одним из первых металлов, которые человек научился добывать и перерабатывать. Изделия из меди и ее сплавов использовались еще в 3 веке до н.э., о чем свидетельствуют исторические данные и результаты археологических раскопок. Широкому распространению меди во многом способствовало то, что она достаточно легко поддается обработке различными механическими способами. Кроме того, ее можно легко расплавить.

Медь, поверхность которой отличается явно выраженной желтовато-красной окраской, в силу своей мягкости легко поддается обработке методом пластической деформации. Поверхность меди при ее взаимодействии с окружающим воздухом покрывается оксидной пленкой, которая и окрашивает ее в такой красивый цвет.

Большое значение имеют и такие характеристики меди, как электро- и теплопроводность, по которым она занимает второе место среди всех металлов, уступая только серебру. Благодаря таким свойствам изделия из нее активно используются в электротехнической промышленности, а также в тех случаях, когда необходимо обеспечить быстрый отвод тепла от нагретого предмета.

Еще одним важным параметром меди, напрямую влияющим на объем энерго- и трудозатрат, расходуемых при производстве изделий из нее, является температура плавления. Для чистой меди температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, составляет 1083°. Если смешать медь с оловом и получить бронзу, то температура плавления такого сплава будет составлять уже 930–1140° в зависимости от содержания в нем основной легирующей добавки. Такой , как латунь, который получают путем добавления к основному металлу цинка, обладает еще меньшей температурой плавления, которая находится в интервале 900–1050°.

Если вы решили реализовать в домашних условиях такой технологический процесс, как , важно знать еще один параметр – температуру ее кипения. При 2560° медь начинает буквально кипеть, что хорошо заметно по видео данного процесса. Появлению пузырьков на поверхности жидкого металла и активному газообразованию в нем способствует углерод, выделяющийся из меди в результате ее окисления, происходящего при сильном нагреве.

Если довести мель до кипения, то отливки из нее будут отличаться невысоким качеством, их структура и поверхность будут характеризоваться большим количеством пор, которые снижают не только ее декоративные, но и механические характеристики.

Пошаговая инструкция по плавлению меди

Плавка меди, если подготовить все необходимое для реализации такого технологического процесса и подойти к его выполнению правильно, позволяет даже в домашних условиях изготавливать медные изделия как декоративного, так и чисто практического назначения.

Для того чтобы расплавить медь, вам потребуются следующие инструменты, оборудование и расходные материалы:

• муфельная печь (желательно с регулировкой температуры нагрева);
• тигель, в котором вы будете расплавлять медь (для плавки меди используют тигли, изготовленные из керамики или огнеупорной глины);
• щипцы, при помощи которых горячий тигель будет извлекаться из печи;
• крюк (его можно изготовить из обычной стальной проволоки);
• бытовой пылесос;
• древесный уголь;
• форма, в которую будет выполняться литье;
• газовая горелка и горн.

Расплавить медь как в производственных, так и в домашних условиях можно, следуя нижеприведенному алгоритму.

Медь в измельченном состоянии помещают в тигель. Следует иметь в виду: чем меньше будут кусочки металла, тем быстрее он расплавится. Тигель после его наполнения медью помещают в печь, которую, используя регулятор температуры, необходимо прогреть до требуемого состояния. В дверцах серийных муфельных печей обязательно предусмотрено окошко, через которое можно наблюдать за процессом плавления.

Шаг второй

После того как вся медь в тигле расплавится, его необходимо извлечь из печи, используя для этого специальные щипцы. На поверхности обязательно присутствует окисная пленка, которую необходимо сдвинуть к одной из стенок тигля при помощи стального крюка. Расплавленный металл после освобождения его поверхности от окисной пленки следует максимально оперативно и аккуратно залить в предварительно подготовленную форму. Подробности и правила выполнения этой процедуры хорошо демонстрирует видео, которое несложно найти в интернете.

В том случае, если в вашем распоряжении нет муфельной печи, то разогревать тигель с медью можно при помощи газовой горелки, расположив ее вертикально под дном емкости. При этом важно следить за тем, чтобы пламя газовой горелки было равномерно распределено по всей площади дна тигля.

Если в домашних условиях необходимо расплавить легкоплавкие сплавы на основе меди (латунь и некоторые марки бронзы), то в качестве нагревательного устройства можно использовать обычную паяльную лампу, также расположив ее вертикально под дном тигля. При плавке, выполняемой данным и предыдущим способами, поверхность расплавленного металла будет активно взаимодействовать с кислородом, что приведет к интенсивному окислению. Чтобы уменьшить интенсивность окисления, расплавленную медь можно присыпать измельченным древесным углем.

Если в вашей домашней мастерской имеется горн, то его также можно использовать для того, чтобы расплавить медь, латунь или бронзу. В данном случае тигель с измельченным металлом помещается на слой раскаленного древесного угля. Чтобы процесс нагревания и плавления проходил более интенсивно, в зону горения угля можно обеспечить подачу воздуха, для чего подойдет обычный пылесос, работающий не на втягивание, а на выдувание. В том случае, если вы будете использовать пылесос, на его шланг необходимо изготовить металлический наконечник с отверстием для выдувания небольшого диаметра.

Подбирая муфельную печь для выполнения литейных операций с медью и ее сплавами, следует обращать внимание на температурный режим, который может обеспечить такое устройство. В зависимости от типа расплавляемого металла такая печь должна обеспечивать следующие температуры нагревания:

• медь – 1083°;
• различные марки бронзы – 930–1140°;
• латунь – 880–950°.

Возможно, что вы решите сделать печь для плавки самостоятельно, посмотрев видеоролик.

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

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

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

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

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

Рис.35. Стационарный газовый горн

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

4 – тигель; 5 – горелка

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

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

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

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

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

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

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

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

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