Печи для плавки алюминия

На рисунке 1 показана общая классификация печей для плавки алюминия [1]. Схематично показано, как зарождались, развивались и как связаны между собой различные типы печей – подовые (отражательные), тигельные и роторные.

Рисунок 1 – Классификация конструкций печей для плавки алюминия [1]

Подовые печи являются классическими и старейшими металлургическими печами. Их применяли еще наши предки, которые плавили свою бронзу, а позднее – железо. За прошедшие с тех пор столетия и даже тысячелетия было разработано много различных конструкций, которые применялись для различных специальных целей. При этом чем более специальной является конструкция печи, тем в более узкой области она применяется.

Отражательные подовые печи

Современные подовые печи для плавки алюминия – это отражательные печи. Их так называют потому, что в этих печах металл плавится в основном под воздействием лучистой энергии, которая поступает от раскаленного свода печи.

Развитие конструкции отражательных плавильных печей постоянно подталкивалось потребностью промышленности перерабатывать металлический лом различного вида, например, с большой удельной поверхностью, вроде стружки. Такие материалы нельзя эффективно переплавить в обычных отражательных (подовых) печах. Чтобы как-то преодолеть эту проблему в отражательных печах плавильщики покрывают поверхность расплава защитным флюсом. Однако при этом резко снижается эффективность нагрева расплава от излучения свода печи, что вызывает необходимость его интенсивного перемешивания. Поскольку перемешивать алюминиевый расплав вручную очень утомительно, то пришла идея двигать саму печь, а не расплав. Так, например, родились роторные печи для плавки алюминиевого лома (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Роторная печь для переплавки загрязненного алюминиевого лома [2]

Стационарные печи

Стационарная отражательная подовая печь (1.00) является базовой конструкцией для всех отражательных печей для плавки алюминия. Применение отражательных печей в качестве раздаточных печей привело к рождению наклоняемых печей (1.21). Наклон печи с регулируемой скоростью требуется для обеспечения постоянной скорости подачи  металла во время его разливки в литейные формы или кристаллизаторы.

Рисунок 2 – Стационарная отражательная печь (1.00) [1]

Рисунок 3 – Наклоняемая отражательная печь (1.21) [1]

Круглая и овальная печи

Прямоугольная форма печи не является оптимальной с точки зрения сокращения потерь тепла через стены. В частности, если задача печи только поддерживать заданную температуру алюминиевого расплава, то круглая печь (1.22) лучше и эффективнее будет справляться с этой задачей. Такая – круглая – конструкция совмещает низкие потери тепла через стенки печи с хорошими условиями для рафинирования металлического расплава. Из-за круглой формы печи размеры двери для снятия шлака получаются очень малыми, и это затрудняет обслуживание печи. Чтобы решить эту проблему поперечное сечение печи делают «сплющенным» и печь становится овальной (1.23). Оба вида печей – круглые и овальные – всегда делают наклоняемыми.

Рисунок 4 – Круглая отражательная печь (1.22) [1]

Рисунок 5 – Овальная отражательная печь (1.23) [1]

 

Печи с загрузкой сверху

Стандартная отражательная печь загружается через дверь в одной из стен. Однако на заводах по производству алюминиевого проката очень часто внутренний лом – технологические отходы – поступают к плавильной печи в виде «лохматых» пачек металла из профилей и различных обрезков. Загружать такие пачки через двери печи очень неудобно. Поэтому в этом случая бывают полезными печи с загрузкой сверху (1.11). Обычно такие печи имеют по периметру одно или несколько окон для снятия шлака. С другой стороны, ужесточение экологических требований и рост цен на энергоносители ограничивает применение таких печей с загрузкой шихты сверху только на некоторых специализированных металлургических предприятиях.

Рисунок 6 – Отражательная печь с загрузкой сверху [1]

Шахтные печи

Высокая стоимость энергии является основным поводом для создания конструкции шахтной плавильной печи (1.17). Эти печи используют сравнительно большое количество тепла отходящих газов, которые уходят из печи через дымоход. Материал для плавления – шихта – перед загрузкой непосредственно в печь попадает в так называемую шахту, через которую проходит поток горячих отходящих газов печи. Емкость и скорость плавления таких печей относительно невелика. Поэтому они применяются в основном на заводах по производству алюминиевых отливок.

Рисунок 7.1 – Шахтная отражательная печь (1.17) [1]

Рисунок 7.2 – Схема шахтной печи для переплавки алюминиевого лома [2]

Печи с сухим подом

Похожий подход применяется в так называемых печах с сухим подом (1.15). Эти печи применяют, когда нужно отделить алюминий от других металлов с более высокой температурой плавления, чем у алюминия, таких как латунь, медь или железо. Продукты сгорания печи сначала плавят алюминий в шихте, которая лежит на наклонном «сухом» поде. Расплавленный алюминий стекает по наклону в отделение печи, которое называют копильником. Затем операторы печи удаляют с сухого пода очищенные от алюминия более тугоплавкие металлы.

Рисунок 8 – Отражательная печь с сухим подом (1.15) [1]

Рисунок 8.1 – Печь с наклонным подом для переплавки алюминиевого лома [2]

Конструкция печи 1.16 является комбинацией шахтной печи и печи с сухим подом. Она также использует тепло отходящих газов для нагрева шихты. Такие печи также применяют в основном только на предприятиях по производству алюминиевых отливок.

Рисунок 9 – Отражательная печь с сухим подогреваемым подом (1.16) [1]

Печи с загрузочным колодцем

Стандартная подовая печь очень хорошо подходит для плавления больших слитков и чушек, брикетированного лома, увязанных алюминиевых профилей и тому подобной шихты. Однако в таких печах плавление шихты с большой удельной поверхностью неизбежно приводит к большим потерям металла из-за его повышенного окисления. Если эту «мелочь» – эти «семечки» – загружать прямо в жидкий металл, то контакт этого металла с отходящими газами и окружающим воздухом будет сведен до минимума. Поэтому подовые печи часто снабжают наружным боковым загрузочным колодцем (1.13). Однако даже если такой загрузочный колодец имеет хорошую крышку, потери энергии через него слишком велики и поэтому скорость плавления довольно низкая.

Рисунок 10 – Печь с наружным загрузочным колодцем (1.13) [1]

Рисунок 10.1 – Отражательная печь с открытым загрузочным колодцем [2]

Двухкамерные печи

Чтобы уйти от недостатков наружного загрузочного колодца разработали конструкцию печи с внутренним колодцем. Для этого просто разделили печь перегородкой на две камеры: одна камера – загрузочная – для загрузки шихты, другая камера – нагревательная – для ее плавления. Эти две камеры соединяются через общую ванну жидкого алюминия. Алюминий при этом свободно перетекает из одной камеры в другую. Такие печи называют двухкамерными (1.14).

Шихта загружается через боковое окно в загрузочный колодец и плавится под воздействием контакта с жидким металлом. Расплавленный алюминий сливают из печи через отверстие в дне нагревательной камеры.

Рисунок 11 – Отражательная двухкамерная печь (1.14) [1]

Источник:

1. Ch. Schmitz, Handbook of Aluminium Recycling, Vulkan-Verlag GmbH, 2014.
2. TALAT 1102

Дополнительная информация:

Отражательные и шахтные печи // ASM Handbook- Volume 15: Casting