Раздел 3. Производство отливок из чугуна 3. Печи для плавки чугуна. Плавка чугуна или так называемая вторичная плавка осуществляется в следующих плавильных агрегатах: в вагранках, индукционных печах ИТП и ИКП и дуговых печах переменного и постоянного тока (ДСП и ДППТ). Соответственно различают методы плавки чугуна: ваграночная, индукционная и дуговая. Применение плазменных печей получило ограниченное распространение. Их применяют для переплава крупногабаритного лома, например чугунных прокатных валков. Наиболее распространенным чугуноплавильным агрегатом до недавнего времени являлась вагранка. 3.1. Вагранка. Основные типы вагранок представлены на рис. 3.1. Вагранки (печи шахтного типа) Открытые Закрытые Без водяного охлаждения С водяным охлаждением С кислой футеровкой С основной футеровкой Без подогрева дутья С подогревом дутья - воздухом до 400оС(с применением рекуператора); - воздухом до 700 оС (с применением электронагревателей; - воздухом обогащенным кислородом (3-5% О2 ) Без копильника С копильником На рис. 3.2 представлена схема коксовой вагранки. Рис. 3.2. Коксовая вагранка Она имеет шахту –1, в нижней части которой расположены фурмы –2 для подачи воздуха, шлако-отделительное устройство –3 и копильник –4, устройство для дожигания продуктов сгорания кокса, в основном СО – 5, устройство для очистки охлажденных отходящих газов от пыли – 6, устройство для подогрева воздушного дутья (рекуператор) – 7. В шахту загружается холостая колоша кокса на высоту от уровня фурм, равную приблизительно диаметру шахты, а также рабочие калоши металлошихты, кокса и флюса. Чугун плавится за счет тепла, выделяющегося от сгорания кокса, стекает в нижнюю часть шахты, называемую горном, и либо накапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска чугуна на заливку. Горн и нижняя часть рабочей калоши – это по существу зона плавления, а вагранка с копильником –это агрегат непрерывного действия. Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняются вдвинутыми водоохлаждаемыми, быстросъемными. Корпус вагранки в плавильной зоне дополнительно охлаждается водой и имеет огнеупорную футеровку, которая чаще всего выполняется из шамотных кирпичей (изделий) – эта кислая футеровка. Реже используют основную футеровку. Это для малосернистых чугунов при производстве ответственных отливок. В вагранках с водяным охлаждением плавильной зоны (пояса) горн футеруют углеродистыми огнеупорами (SiC). Как отмечалось ранее для повышения температуры чугуна в плавильной зоне, а значит и выдаваемого в копильник, подогревают воздух поступающий в фурмы при помощи рекуператоров (за счет тепла отходящих газов) – это 400оС , специальными электрокалориферами (до 700оС) и добавлением в горячее дутье 3-5% кислорода. В последнем случае температура в плавильной зоне врозрастает до 2050оС (по данным немецких специалистов). Далее рассказать о ряде вагранок, установленных в ГДР. 3.1. 1. Принцип действия и разновидности конструкций коксовых вагранок. Вагранка – плавильная печь шахтного типа непрерывного действия, работающая по принципу противотока. Снизу вверх поднимается поток горячих газов, образующихся в результате горения кокса, навстречу ему опускается поток шихты. В0 результате теплообмена между этими потоками металлическая шихта прогревается, плавится, а получившийся жидкий металл перегревается выше температуры ликвидуса. В зависимости от размеров и конструкции производительность вагранок составляет от 3 до 100 тонн в час жидкого чугуна. Общий вид вагранки простейшей конструкции (вагранки с горном – копильником) производительностью примерно 5 тонн в час показан на рис. 3.3. Вагранка с горном – копильником (см. рис. 3.3) состоит из опорной части – I и рабочего пространства, которое конструктивно делится на горн - II, полезную высоту – III, трубу – IV и пылеуловитель -V. Кожух вагранки сварен из листовой стали и футерован огнеупорным материалом. Шихта, включающая в себя топливо - кокс, металлозавалку и флюсы, загружается через окно –4. Воздух, необходимый для горения кокса, подаётся из распределительного кольца -5 через фурмы –3. Накапливающийся в горне чугун периодически выпускается из вагранки через чугунную лётку –1. Для выпуска шлака, имеющего меньшую плотность, предусмотрена шлаковая лётка –2, и поэтому расположенная выше чугунной лётки -1. Продолжительность работы вагранки между ремонтами составляет 8…20 часов. Поэтому вагранки обычно устанавливают блоками – парами. Во время ремонта одной из вагранок блока плавку ведут во второй печи блока. + Рис. 3.3. Общий вид вагранки холодного дутья открытого типа Текущий ремонт вагранки проводится после каждой плавки, его объём определяется состоянием футеровки печи. Средний ремонт заключается в замене футеровки в наиболее напряжённых местах – в зоне плавления, у фурм и в других существенно разрушенных местах. При капитальном ремонте заменяется вся футеровка печи. Футеровка вагранки выполняется из шамотного кирпича на огнеупорном растворе, состоящем из 25…30% огнеупорной глины и 70…75% кварцевого песка или молотого шамота. Дно вагранки (лещадь) набивают тощей формовочной смесью. Чугунную лётку (рис.3.4,а) выполняют с помощью стандартного или изготовленного в цехе лёточного кирпича (рис. 3.4.-б). В кирпиче выполняются два отверстия: нижнее (сквозное) рабочее и верхнее (глухое) запасное. Диаметр отверстий в зависимости от размеров вагранки составляет 15…30 мм. В ходе плавки в перерывах между выпусками чугуна рабочее лёточное отверстие закрыто глиняной притычкой, которую вводят в отверстие с помощью стального прутка с приваренной торцевой площадкой для удержания притычки – (рис.3.4,б). После ремонта футеровки её просушивают с помощью газовых горелок во избежание растрескивания футеровки при плавке. Плавка в вагранке (рис.3.5,а) начинается с розжига холостой колоши - высокого слоя кокса расположенного на лещади вагранки. Кокс холостой колоши разжигают, используя естественную тягу трубы, чаще природным газом, а в случае его отсутствия в цехе – дровами. По окончании розжига высоту холостой колоши доводят до заданного уровня – на 1200…1500 мм выше основного ряда фурм. Высота холостой колоши является важнейшим технологическим параметром, влияющим на производительность вагранки, температуру выплавляемого чугуна и расход кокса. Поэтому первоначальную высоту холостой колоши контролируют с помощью мерной цепи сгрузом. На цепи имеется метка, которая при касании грузом кокса холостой колоши должна располагаться на уровне загрузочного окна. Способы поддержания установленного уровня холостой колоши в процессе плавки рассмотрены в дальнейшем изложении. Для холостой колоши следует отбирать крупные (100…150 мм) куски кокса. Это очень важно для получения перегретого чугуна, начиная с первых выпусков. Заключительной операцией подготовки холостой колоши к плавке является её продувка воздухом от воздуходувки в течение 2…5 минут. Рис. 3.4. Летка вагранки а) б) Рис.3.5. Схемы вагранок с горном – копильником (а) и с выносным стационарным копильником (б). 1- холостая колоша, 2 – флюс, 3 –металлическая колоша, 4 – рабочая коксовая колоша, 5 – загрузочное окно, 6 – шлаковая лётка, 7 – чугунная лётка, 8 – переходная лётка, 9 – смотровой глазок, 10 –выносной стационарный копильник. На холостую колошу -1 загружают чередующимися слоями флюс – 2 (известняк), металлические -3 и рабочие топливные -4 колоши до уровня загрузочного окна -5, как показано на рис.7.5-а. Металлическая колоша, как правило, состоит: из возврата собственного производства, чушкового чугуна, стального лома, чугунного лома, брикетов стружки, пакетов листовой стали, ферросплавов. Горение кокса происходит в холостой колоше. Образующиеся при этом газы прогревают столб шихты в шахте вагранки, а самый нижний слой металлозавалки плавится. Капли и струйки металла, стекая по кускам кокса, науглероживаются, перегреваются и скапливаются в горне между кусками кокса. Одновременно происходит образование шлака, который накапливается поверх слоя чугуна. В результате сгорания кокса высота холостой колоши уменьшается, но одновременно с этим расплавляется нижняя металлическая колоша и слой флюса. Рабочая топливная колоша, опускающаяся на холостую, пополняет угар последней. Таким образом, в процессе плавки высота холостой колоши меняется в пределах высоты рабочей коксовой колоши. По мере проплавления шихты загружают рабочие колоши шихты. Жидкий чугун и шлак выпускают из горна периодически. Недостатками этой конструкции вагранки являются: трудоёмкий и опасный способ выпуска металла и шлака и трудность получения заданного содержания углерода в чугуне, так как оно зависит от времени контакта чугуна с коксом в горне – копильнике. В вагранках (рис.3.5-б) с выносным стационарным копильником металл и шлак из горна перетекают по переходной лётке в копильник. Поэтому время контакта чугуна с коксом не зависит от ритма выпуска металла из печи и содержание углерода в нём более стабильно, чем в первой конструктивной схеме. Однако способ выпуска металла и шлака остаётся прежним. В вагранках с барабанным копильником (рис.3.6.) чугун по жёлобу – 2 стекает в поворотный копильник –1, в форме цилиндра с горизонтальной осью вращения, опирающийся на две пары роликов. Рис. 3.6. Схема вагранки с поворотным барабанным копильником. 1 – копильник, 2 – сифонный шлакоотделитель, 3 – порог, 4 – перегородка, 5 – шлаковый жёлоб. Шлак задерживается перегородкой –4 выносного сифонного шлакоотделителя-2 и удаляется в перпендикулярном направлении по короткому шлаковому желобу –5. Для слива металла в ковш копильник поворачивают на опорных роликах так, чтобы уровень металла в нём стал выше уровня сливного носка копильника. 3.1.2. Особенности горения кокса в вагранках. Главной горючей составляющей кокса является твёрдый углерод, температура воспламенения, которого составляет 850…950 оС. Выходя из фурм, кислород воздуха вступает во взаимодействие с углеродом кокса по реакции полного горения (рис.3.7.). Эта реакция происходит не мгновенно, а приводит к постепенному уменьшению концентрации кислорода по мере движения газов вверх. На высоте 200…600 мм над уровнем фурм эта реакция завершается вследствие израсходования кислорода из газовой фазы. Зона, в которой протекает указанная реакция, называется кислородной. Высота её зависит от качества кокса. При работе на мелком, пористом коксе поверхность контакта между углеродом и кислородом большая, а значит, реакция между ними происходит быстро и завершается на небольшой высоте. Использование плотного, крупного кокса приводит к увеличению высоты кислородной зоны. В дальнейшем будет показано, что высота кислородной зоны зависит от ряда других факторов. Рис. 3.7. Схема горения кокса в вагранке. Поднимаясь выше, CO2 частично восстанавливается кусками кокса, что приводит к уменьшению температуры газов, так как реакция редукции, приведённая на схеме, сопровождается поглощением тепла. Как было показано в п. 2.1., движущей силой этой реакции является энтропийный фактор, поэтому она может происходить лишь при температуре выше 900 оС. Зона, в которой происходит эта реакция, называется редукционной и имеет высоту 300…600 мм. Высота редукционной зоны зависит от плотности и размеров кусков кокса. В связи с тем, что, сходящая вниз шихта, испытывает торможение о стенки вагранки, плотность её у стенок меньше, чем у оси. Вследствие этого дутьё по сечению вагранки распределяется так же неравномерно – у стенок скорость потока газов выше, у оси – ниже. Поэтому в действительности граница между кислородной и редукционной зонами не плоская, а криволинейная и может быть представлена в первом приближении конусом АБС. 3.1.3. Изменение температуры и химического состава газовой фазы по высоте вагранки. Для облегчения понимания сути процесса при рассмотрении данного вопроса сделаны следующие допущения: -дутьё распределено равномерно по сечению вагранки, поэтому температура газов в каждом горизонтальном слое однородна; -граница между кислородной и редукционной зонами плоская; -шихта характеризуется некоторой средней температурой плавления, равной 1250 оС. В правой части рис. 3.8. показано изменение температуры газов в вагранке холодного дутья с горном - копильником. Температура газов на уровне фурм (холодного воздуха дутья) в среднем за год близка к нулю. Быстрый рост температуры газов в начале кислородной зоны замедляется по мере уменьшения концентрации кислорода в газовой фазе. В конце кислородной зоны температура газов достигает максимума (около 1650оС), после чего она снижается. Вначале падение температуры происходит быстрее, чем на более высоком уровне шахты. Это объясняется тем, что падение температуры газов на первом участке происходит как в результате передачи тепла шихте, так и в связи с эндотермической реакцией редукции. При температурах ниже 1000оС, реакция редукции практически прекращается, и дальнейшее снижение температуры газов связано только с теплообменом. На уровне загрузочного окна температура газов обычно составляет 400…600 оС в зависимости от высоты шахты вагранки. Металл, загружаемый в вагранку, проходит через четыре зоны: 1-я зона нагрева шихты, 2-я зона плавления, 3-я зона перегрева и 4-я зона горн – копильник. Высота 1-ой зоны должна быть достаточной для того, чтобы температура шихты повысилась от нуля на уровне загрузочного окна до условной средней температуры плавления (t пл.ср.), принятой равной 1250 оС. В этом случае во 2-ой зоне происходит плавление шихты при постоянной температуре (вертикальный участок температурной кривой). Из схемы видно, что температура газов в зоне плавления близка к максимальной (t газ.макс.). Это обеспечивает высокую скорость процесса плавления и производительность печи. 3-я зона перегрева включает в себя небольшую часть редукционной зоны, а также ту часть кислородной зоны, где температура газов выше температуры металла (выше точки А – пересечения температурных кривых газов и металла). Ниже этой точки капли металла проходят через захолаживающую зону у фурм, и температура их уменьшается. В 4-ой зоне также происходит снижение температуры металла вследствие потерь тепла через стенки и дно горна. Характер нижней ветви температурной кривой газов объясняется тем, что в горне печи движения газов и горения кокса не происходит. Газ и куски кокса, расположенные в горне, нагреваются каплями и струями стекающего металла, поэтому их температура не может быть выше температуры металла. Изменение состава газов по высоте вагранки показано на диаграмме, расположенной слева от температурных кривых. На уровне фурм газовая фаза представляет собой холодный воздух и состоит из кислорода и азота (21 и 79 объёмных процентов соответственно). По мере продвижения газов вверх, концентрация кислорода уменьшается, на смену ему появляется CO2. В верхней части кислородной зоны уже начинается реакция редукции, приводящая к образованию CO. При нормальной работе вагранки газы на выходе будут содержать: 15% CO2, 10% CO и 75% N2. Уменьшение содержания азота с 79 объёмных процентов в воздухе до 75 в отходящих газах объясняется тем, что образование CO приводит к увеличению количества молей газа в смеси. На смену 1 молю кислорода воздуха в ваграночном газе образуется два моля CO. Количество молей азота при этом не изменяется. Поэтому мольная и объёмная доли азота уменьшаются. В горне–копильнике на небольшом расстоянии от фурм, куда поступает вдуваемый воздух, в газовой фазе кроме азота находится кислород и CO2. Чем ниже рассматриваемое сечение от уровня фурм, тем меньше кислорода свежего дутья в него проникает. В связи с этим CO2 начинает восстанавливаться до CO. У самой лещади вагранки, если из горна выпущены металл и шлак, кислород отсутствует, количество CO2 незначительно и кроме азота в основном содержится CO. 3.1.4. Влияние высоты холостой колоши на процесс плавки в вагранке. Нормальной считается высота холостой колоши, обеспечивающая максимальную производительность вагранки. Для этого верхняя часть холостой колоши должна быть на уровне основания конуса АБС, изображающего в первом приближении границу между кислородной и редукционной зонами. В этом случае (рис.3.9,а) плавящиеся куски шихты, расположенные у стенок вагранки, омываются газами, температура которых максимальна. У оси вагранки плавящиеся куски шихты находятся уже в редукционной зоне, поэтому температура газов несколько ниже максимума. В составе газов кроме азота присутствуют CO2 и CO. Свободный кислород отсутствует, поэтому угар элементов не велик. При нормальной высоте холостой колоши производительность вагранки максимальная, температура на жёлобе достигает 1390 оС, а затвердевший шлак имеет стекловидный излом оливково- зелёного цвета. При заниженной холостой колоше (рис.3.9, б) куски шихты, расположенные у стенок (область К), плавятся в кислородной зоне. Температура газов здесь ещё не достигла максимума, а в их составе присутствует свободный кислород. Поэтому производительность вагранки понижена, а угар увеличен по сравнению с работой при нормальной высоте холостой колоши. Высота зоны перегрева снижается, и температура металла на жёлобе вагранки уменьшается. Увеличенный угар приводит к изменению цвета шлака – повышенное содержание в нём MnO и FeO сообщает шлаку чёрный цвет. На практике снижение высоты холостой колоши можно выявить по сочетанию трёх характерных признаков: - снижению температуры на жёлобе, - снижению производительности вагранки, - образованию чёрного шлака. Для восстановления нормальной высоты холостой колоши делают пересыпку, т.е. загружают увеличенную рабочую коксовую колошу. Понятно, что действие пересыпки начнётся по прошествии времени, необходимого для схода её вниз в пояс плавления. Время «схода колош» зависит от конструкции вагранки и составляет 30…40 мин. При завышенной холостой колоше (рис.3.9,в) плавящиеся куски шихты располагаются в редукционной зоне и омываются газами, температура которых значительно ниже максимальной. Поэтому производительность печи падает. В составе этих газов понижено количество газа окислителя CO2 и повышено количество восстановителя CO. Поэтому угар элементов при плавке несколько снижается. Высота зоны перегрева повышена, что приводит к увеличению температуры на жёлобе. t Г≤ t ГМАКС t Г<< t ГМАКС. CO2,CO, N2 O2, CO2, CO, N2. Рис. 3.9. Влияние высоты холостой колоши на процесс плавления шихты. а) – нормальная высота, б) – заниженная высота, в) - завышенная высота. При чрезмерно высокой холостой колоше температура газов выходящих из неё, может оказаться меньшей средней температуры плавления шихты. В этом случае плавление приостанавливается, хотя кокс холостой колоши продолжает гореть. Процесс плавления возобновится после того, как высота холостой колоши опустится ниже уровня точки Б (рис.3.8.). Это явление используют на практике при организации планового горячего простоя вагранки. Так, например, за 30…40 минут до предвиденного перерыва (в зависимости от времени схода колош в данной вагранке) делают пересыпку, т.е. загружают увеличенную рабочую коксовую колошу. К началу перерыва плавка приостановится вследствие чрезмерной высоты холостой колоши. Крышки на торцах фурм открывают и выключают дутьё. При этом горение кокса холостой колоши будет происходить только за счёт естественной тяги трубы. Выделяющегося при этом тепла достаточно только для поддержания температуры в печи («горячий простой»), плавления металла при этом не происходит. К концу планового перерыва высота холостой колоши снизится до нормального уровня и можно продолжить работу в обычном режиме. Открытие крышек на фурмах при выключении дутья обязательно, т.к. в противном случае внутри вагранки, при отсутствии движения газов, образуется большая концентрация CO. При возобновлении дутья происходит взрывное горение этого газа. Завышение холостой колоши используется также при необходимости перехода в ходе плавки с одного химического состава чугуна на другой. В этом случае металлические колоши шихт первого и второго состава разделяют пересыпкой. В результате этого после проплавления последней металлической колоши первого состава плавление преостанавливается. Это даёт возможность полностью слить из копильника чугун первого химического состава и после небольшой паузы приступить к наплавлению чугуна нового состава. 3.1.5. Влияние размеров рабочих колош на процесс плавления шихты в вагранке. В процессе плавки высота холостой колоши циклически меняется в пределах высоты рабочей коксовой колоши. Рассмотрим влияние этих изменений на процесс плавления шихты. Положим для упрощения, что дутьё распределяется по сечению вагранки равномерно и граница между кислородной и редукционной зонами плоская. Для достижения максимальной производительности вагранки газы, выходящие из холостой колоши, должны иметь температуру близкую к максимальной. Следовательно, высота холостой колоши должна быть как можно ближе к верхней границе кислородной зоны, но не опускаться ниже её во избежание повышенного угара. На рис. 3.10. показан отрезок температурной кривой ваграночных газов, расположенный выше верхней границы кислородной зоны, и совпадающий с этой границей нижний уровень холостой колоши. Слева показано изменение высоты холостой колоши при проплавлении относительно больших по высоте металлических колош, справа – уменьшенных. Из циклограмм видно, что при уменьшении рабочих колош минимальная (а, следовательно, и средняя за цикл) температура газов увеличивается. В результате этого производительность вагранки при плавке на уменьшенных рабочих колошах растёт. Аналогично можно показать, что на режиме максимального перегрева, когда высота холостой колоши должна быть максимальной, (уровень точки Б на рис.7.8.), также следует стремиться к уменьшению размеров рабочих колош. С этой точки зрения идеальной была бы непрерывная загрузка шихты. Однако дозирование реальной шихты, состоящей их кусков произвольной формы и массы, неосуществимо. Поэтому загрузку производят колошами, размеры которых определяются допустимыми колебаниями высоты холостой колоши за цикл. Из опыта эксплуатации вагранок установлено, что эта величина (равная высоте рабочих коксовых колош –h р.к.) зависит от производительности вагранки. Для малых вагранок (3 т/час) она не должна превышать150 мм, для средних (10…15 т/час) –200 мм и для крупных (20…25 т/час) –до250 мм. Приведённые данные позволяют определить массу рабочих коксовых и металлических колош. Численный пример. Определить массу рабочих колош для вагранки производительностью Q=12 т/час. Известно, что удельная производительность вагранок –q составляет примерно 8 тонн жидкого чугуна с одного квадратного метра площади её горизонтального сечения. Поэтому сечение вагранки –S должно быть: Объём рабочей коксовой колоши не должен превышать: , а масса при насыпной плотности кокса – : При удельном расходе кокса – 12% от массы металлозавалки масса металлической колоши составит: Полученный результат хорошо совпадает с практическими данными, согласно которым масса металлической колоши численно примерно равна 1/10 часовой производительности вагранки. 3.1.6. Влияние качества кокса на тепловые процессы в вагранке. Нежелательной особенностью процесса горения кокса в вагранке является неизбежность протекания реакции редукции, которая приводит к снижению температуры газов. Это в свою очередь снижает возможности перегрева чугуна и производительность печи. Поэтому для плавки в вагранке следует использовать кокс с минимальной реакционной способностью, т.е. способностью восстанавливать CO2 до CO. Для этого пористость кокса должна быть минимальной, не более 30…40%. Размеры кусков кокса в большой степени определяют производительность вагранки и температуру на жёлобе. Исследования показали, что при увеличении размеров кусков кокса от 25 до 100 мм (при сохранении всех прочих условий постоянными) температура чугуна повышается от 1300 до 1450 оС. Обычно кокс для вагранок пропускают через грохот с размерами ячеек 40х40 мм для отделения мелочи, которая не используется в плавке. Куски кокса должны по возможности быть однородными и соответствовать оптимальному размеру для данного диаметра вагранки: Диаметр, мм 700 900 1200 1700 Оптимальный размер кусков, мм 65 100 125 150 Кокс должен обладать достаточно высокой механической прочностью, чтобы выдерживать воздействие вышележащих слоёв шихты. Для получения качественного чугуна содержание серы в нём не должно превышать 0,6…1,4%. 3.1.7. Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки. Использование в шихте возврата не очищенного от пригара требует увеличения расхода флюса, приводит к увеличению массы образующегося шлака и количества тепла, расходуемого на его расплавление. А это в свою очередь снижает производительность вагранки и температуру чугуна на жёлобе. Куски шихты должны быть разделаны до размера, не превышающего 1/3 внутреннего диаметра вагранки, во избежание зависания в шахте. Компактные, но массивные куски, в зоне подогрева прогреваются медленно и опускаются в пояс плавления при температуре существенно ниже t пл. ср. Поэтому в поясе плавления завершается их подогрев, а плавление происходит только в кислородной зоне, как бы на заниженной холостой колоше. При этом плавление происходит медленно, сопровождается повышенным угаром и пониженным перегревом. 3.1.8. Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки. От количества кокса в рабочих колошах и интенсивности дутья зависят важнейшие показатели работы вагранки – её удельная производительность и температура выплавляемого чугуна. Увеличение удельного расхода кокса при неизменном расходе воздуха приводит к тому, что количество кокса в рабочей колоше становится большим, чем его выгорело из холостой колоши за время проплавления металлической колоши. Этот избыток кокса приводит к увеличению высоты холостой колоши и к увеличению температуры металла, но производительность вагранки при этом снижается. Увеличение удельного расхода воздуха при неизменном расходе кокса приводит к увеличению количества кокса, сгорающего в единицу времени, и выделяющегося при этом тепла. Производительность при этом увеличивается, а перегрев растёт благодаря уменьшению относительных тепловых потерь. Чрезмерная интенсификация дутья приводит к следующим нежелательным последствиям: -охлаждению кокса у фурменного сопла и, как следствие, зашлаковыванию фурм; -усилению неравномерности распределения дутья по сечению вагранки. Кроме того, при недостаточной высоте зоны подогрева, теплообмен в ней не успевает завершиться. Это приводит к снижению уровня зоны плавления и высоты зоны перегрева, в результате чего температура чугуна падает, а производительность продолжает расти. В зависимости от размеров кусков металлической шихты рекомендуются следующие расходы воздуха: Размер кусков, мм.…100 150 200 250 300 Расход воздуха, 140…150 130…140 120…130 100…110 90…100 м3/ м2.мин. 3.1.9. Способы интенсификации ваграночного процесса. Расширение зоны горения кокса. Значительная часть вагранок имеет два или три ряда фурм, расположенных один над другим на расстоянии 300…1000 мм. В каждый из рядов фурм воздух подаётся от своей фурменной коробки. Через нижний ряд фурм подаётся большая часть дутья (до 80%). Использование вторичного дутья позволяет улучшить равномерность распределения дутья по сечению вагранки, приводит к частичному дожиганию CO, образовавшемуся в редукционной зоне. Высота кислородной зоны увеличивается, и средняя температура в ней растёт. Расширение зоны высоких температур и дожигание CO позволяет сократить расход кокса на 10..15% или при неизменном расходе кокса повысить температуру чугуна на 40…50оC или производительность на10…15%. Подогрев дутья. В связи с высокой теплоёмкостью воздуха подогрев его до 500 оC равноценен добавке в печь ~ 20% теплоты, образующейся при сгорании кокса. Поэтому подогрев дутья оказывает существенное влияние на распределение температура газовой фазы. На рис. 3.11. показаны кривые изменения температуры газов при холодном и горячем дутье. Из сопоставления кривых видно, что подогрев дутья приводит к: - увеличению t газ. макс.; - уменьшению высоты кислородной зоны, т.к. процесс горения с участием горячего воздуха происходит быстрее; - увеличению высоты редукционной зоны, т.к. температура окончания реакции редукции остаётся неизменной, а температура её начала увеличивается (следует, однако, учитывать, что начальная скорость реакции редукции возрастает); - уменьшению высоты захолаживающей зоны у фурм. Суммарная высота зоны перегрева (на режиме максимального перегрева) не изменяется. h, м Рис. 3.11. Влияние подогрева дутья на распределение температуры газов в вагранке Важно отметить, что высокотемпературный режим плавки приводит к уменьшению полноты сгорания кокса и увеличению содержания CO в ваграночных газах. Однако в современных ваграночных комплексах эти газы после очистки их от пыли и дожигания CO используют для подогрева дутья. Использование тепла ваграночных газов достаточно для подогрева воздуха до 400…600 оС. Производственный опыт показывает, что подогрев дутья до ~ 500 оC позволяет получать температуру металла на уровне ~ 1500 оC при расходе кокса ~ 9% и удельной производительности ~ 8 т/м2 в час Результаты анализа рабочих параметров коксовых вагранок производительностью 10 т/ч (Германия) представлены в табл. 3.2 Таблица 3.2. Параметры Холодное дутье, два ряда фурм Холодное дутье, вдувание кислорода Горячее дутье (5000С) Горячее дутье с дополнительным электронагревом (7500С) Горячее дутье, вдувание кислорода (6,0%) Объем дутья, м3./т 750 550 524 474 403 Объем ко- лошниково-го газа, м3./т 860 650 586 532 480 Объем дымовых газов перед филь- тром, м3./т 3450 2610 1394 1264 1144 Температу-ра в зоне фурм, 0С 1572 1837 1944 2070 2151 Температу-ра в пла-вильной зоне, 0С 1971 2141 2209 2349 2429 Расход кокса,% 16,3 13,4 11,0 10,2 10,5 Содержа-ние СО в дымовых газах,% 20,0 18,0 16,0 16,0 16 Из таблицы 3.2 видно, что объем холодного дутья на вагранке с двумя рядами фурм по сравнению с различными вариантами горячего дутья уменьшается на 31…46%, объем колошникового газа – 32…44%, объем отходящих газов – 40…67%. Увеличение температуры горячего дутья, дутья с дополнительным электронагревом и обогащением его кислородом (6%) позволяет увеличить температуру в фурменной зоне по сравнению с холодным дутьем на вагранке с двумя рядами фурм с 15720С до 21510С, а температуру в плавильной зоне - с 19710С до 2429 0С. Заметно снижается расход кокса (в среднем на 30%), а содержание СО в дымовых газах – на 20%. Следует отметить, что во всех рассматриваемых случаях металлозавалка состояла из 40% стального лома, 20% литейного чугуна и 40% отходов собственного производства (возврата). Причем получали с шаровидным графитом следующего состава: 3,6 % С; 1,6 %Si; 0,2 % Mn. Во всех случаях температура чугуна на выпуске составляла 1520…1530 0С, что полностью удовлетворяла требуемой технологии. Что касается шлаков, то его общее количество составляло для холодного дутья 70 кг/т, а во всех других рассматриваемых случаях 65 кг/т, что находится на уровне отечественных ваграночных комплексов [65]. 3.1.10. Использование кислорода в ваграночном процессе. Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению содержания в нём балласта – азота и уменьшению массы продуктов горения. В результате этого t газ. макс. увеличивается. Действие обогащения кислородом дутья на перегрев металла в вагранке аналогично подогреву дутья. При расходе 30…40 м3 кислорода на тонну чугуна его температура превышает 1450 оC. Однако в связи с относительно высокой стоимостью кислорода в настоящее время этот метод практически не используется. При плавке в вагранках небольшой производительности практикуется продувка кислородом жидкого чугуна в выносном стационарном копильнике. Перегрев металла в этом случае достигается за счёт экзотермических реакций (главным образом окисления кремния, содержащегося в чугуне). При расходе кислорода 4…5 м3 на тонну чугуна перегрев достигает 80…100 оC. Угар кремния при этом не превышает 0,5% и компенсируется вводом в ковш соответствующего количества ФС75. Этот метод обычно используется не на всём протяжении плавильной кампании, а лишь в те периоды плавки, когда требуется чугун с повышенным перегревом. Кроме того, продувка копильника кислородом позволяет избежать затвердевания («закозления») металла в чугунной лётке при продолжительных вынужденных простоях печи. 3.1.11. Металлургические процессы плавки в коксовой вагранке. Образование ваграночного шлака. Источниками шлакообразования при плавке в кислой вагранке являются: - песок и пригар на поверхности кусков шихты (~2% от массы металла); - оксиды железа, кремния, марганца, образовавшиеся в результате угара элементов шихты (~1…2%); - частицы оплавившейся футеровки (~ 0,4…3%); - зола кокса (~1…2%); - флюсы, вводимые с целью понижения вязкости шлака. На практике эти источники образуют шлак, содержащий около 65% SiO2, 20% Al2O3, 8% FeO, 5% MnO. Шлак такого состава имеет низкую вязкость ~2 Па.с. Для лёгкого удаления шлака из вагранки его вязкость должна быть ~ 0,3…0,8 Па.с. Снижение вязкости шлака обеспечивается введением флюса – известняка. Окисление железа и легирующих элементов. В зависимости от соотношения CO/CO2 и температуры газовая смесь может быть восстановительной, окислительной или нейтральной по отношению к различным веществам. В таблице 3.3, составленной по экспериментальным данным Гиршовича Н.Г., приведены значения CO/CO2 в различных зонах вагранки и значения этих соотношений в смеси нейтральной по отношению к FeO. Из приведённой таблицы видно, что в кислородной зоне, где имеется свободный кислород, отношение CO/CO2 на порядок ниже, чем в нейтральной смеси. Поэтому характер атмосферы является окислительным по отношению к FeO и тем более окислительным по отношению к кремнию, марганцу, хрому и другим более активным элементам. Таблица 3.3. Данные о характере газовой фазы в зонах вагранки. Зона вагранки tгазов, оС CO/CO2 действи-тельное CO/CO2 в смеси нейтральной по отношению к FeO Характер газовой фазы Верхняя часть кислородной зоны 1630… 1700 0,32…0,77 10 Окислительный Редукционная 1620… 1325 1,1…2,1 6…7 Слабо окислительный Зона нагрева 1300… 500 1,4…0,6 5…1 Слабо окислительный В редукционной зоне и зоне нагрева это соотношение в 2…4 раза меньше нейтрального, поэтому характер атмосферы в них считают слабо окислительным. Окисление железа и легирующих элементов начинается уже в зоне нагрева шихты по реакциям, протекающим на поверхности кусков: Fe + CO2 = FeO + CO Si +2CO2 = SiO2 + 2CO Mn + CO2 = MnO + CO, C + CO2 = 2CO, За время схода колош эти реакции проникают вглубь кусков шихты не более чем на 0,25…0,3 мм. Поэтому при обычных размерах шихты они не оказывают заметного влияния на изменение химического состава металла. Однако при использовании в шихте стружки, отходов листовой штамповки и высечки указанные процессы приводят к практически полному окислению этих компонентов. Брикетирование стружки и пакетирование отходов листовой штамповки несколько уменьшают потери от их угара. В зоне плавления, расположенной, как правило, в редукционной зоне холостой колоши, свободный кислород отсутствует, и преобладающее значение имеет CO2. Окислительные процессы протекают по тем же реакциям, но при значительно бόльших скоростях. Это объясняется тем, что поверхность взаимодействия CO2 с металлом многократно возрастает в результате появления капель и струй металла. В зоне перегрева чугуна, располагающейся частично в редукционной и в кислородной зонах, окисление элементов происходит не только по реакциям с участием CO2, но и свободным кислородом: 2Fe + O2 = 2FeO, Si + O2 = SiO2 и т.п. Наряду с вышеприведёнными первичными реакциями протекают реакции вторичные, в которых окислителем является FeO. Моноксид железа хорошо растворяется в жидком металле и передаёт свой кислород более активным элементам чугуна: Si + 2FeO = SiO2 +2Fe +Q, Mn + FeO = MnO +Fe +Q, 2Cr+ 3FeO = Cr2O3 +3Fe +Q. Эти реакции идут более длинным путем, чем первичные, но с большей скоростью, т.к. протекают во всём объёме капель и струй металла, а не на их поверхности. Реакции окисления легирующих элементов протекают с выделением тепла и, поэтому, с повышением температуры замедляются. Раскислительная способность углерода при повышении температуры возрастает, что приводит к более полному восстановлению оксидов из шлака, стекающего по кускам кокса, по реакциям: SiO2 + 2C = Si + 2CO – Q, MnO + C = Mn + CO – Q, Cr2O3 + 3C = 2Cr + 3CO – Q. Поэтому при высокотемпературном режиме плавки угар элементов снижается. Этим объясняется первая часть одного из принципов, сформулированных литейщиками прошлого – «плавь горячо, - лей холодно». Угар Mn, Cr в вагранках горячего дутья ниже, чем при холодном дутье, а кремний в кислом процессе на горячем дутье может даже пригорать по тигельной реакции. Угар марганца в кислой вагранке больше угара кремния, несмотря на то, что концентрация Mn в 3…4 раза ниже концентрации Si, и его сродство к кислороду также меньше, чем кремния. В основной печи угар кремния увеличивается, а марганца снижается. Это является практическим подтверждением закономерности, рассмотренной в п. 2.4., – элементы, образующие кислотные оксиды, интенсивнее угарают в основных печах, а образующие основные оксиды – в кислых. В горне вагранки газовая фаза является окислительной в верхней его части, в середине – слабоокислительной и у лещади восстановительной. Влияние газовой фазы зависит от уровня металла и шлака, накапливающихся в горне. Чем ниже этот уровень, тем незначительнее окисление металла. При наличии выносного копильника угар металла при прохождении его через горн будет минимальным. Науглероживание чугуна в вагранке. Наиболее интенсивное науглероживание металла происходит при стекании капель и струй по кускам раскалённого кокса. Капли, образующиеся из чугунной части шихты - чушкового чугуна, возврата, чугунного лома, науглероживаются медленно, т.к. начальное содержание углерода в них близко к концентрации насыщенного раствора Cн . Концентрация углерода в каплях, образовавшихся из стального лома, за время их стекания по кускам кокса возрастает с 0,2…0,45 до ~2,5%. В копильнике вагранки происходит смешивание капель и усреднение концентрации в них углерода. Науглероживание неподвижной массы жидкого чугуна в горне-копильнике протекает значительно медленнее и приводит к повышению концентрации углерода на 0,3…05 %. В начале плавки интенсивность науглероживания максимальная, затем на протяжении 30…40 минут она снижается и в дальнейшем стабилизируется. Это объясняется тем, что площадь, занимаемая углеродом на поверхности кусков кокса в горне, в начале плавки максимальная. По мере растворения углерода в каплях металла эта площадь уменьшается и всё большая часть поверхности оказывается покрытой зольными пятнами. Таким образом, поверхность кусков кокса в горне пассивируется зольными пятнами. Для того чтобы с самого начала плавки получать чугун с заданной концентрацией углерода, в первых пяти – шести колошах шихты увеличивают количество стали в 1,5…2 раза. Мариенбах Л.М. предложил рассчитывать концентрацию углерода в жидком ваграночном чугуне по формуле: где: и - доли чугуна и стали в шихте (соответственно), Cчуг- среднее содержание углерода в чугунной части шихты, - содержание углерода в каплях металла, образовавшихся из стального лома. В связи с тем, что капли, образующиеся из чугунной части шихты, науглероживаются незначительно, Мариенбах Л.М. пренебрегает в расчёте этой составляющей процесса науглероживания. , где: - содержание углерода в стальном ломе (принимается по фактическим данным); – коэффициент науглероживания стали в области холостой колоши (выше фурм); l-коэффициент науглероживания стали в горне вагранки. Величину коэффициента выбираются по таблице 3.4. Значения коэффициента l определяются по формуле: , где: - коэффициент, равный 1 при наличии у вагранки копильника, и 1,5 – при горне – копильнике; - высота горна в метрах. Таблица 3.4. Значения коэффициента Расход кокса в %% от металлозавалки Удельный расход воздуха в м3/м2 в минуту 100…120 140…160 180…200 9 1,3 1,1 0,9 10 1,4 1,2 1,0 12 1,5 1,3 1,1 15 1,7 1,5 1,3 20 1,9 1,7 1,5 3.1.12. Изменение содержания серы при плавке в кислой вагранке. Помимо серы, содержащейся в шихте, в жидкий чугун переходит около половины серы, входящей в состав кокса. При плавке на обычной кусковой шихте растворение серы протекает наиболее интенсивно при стекании капель чугуна по кускам кокса. В начале плавки наблюдается повышенное содержание серы в металле. Затем, по мере смывания каплями металла углерода и серы с поверхности кокса, она пассивируется зольными пятнами, в результате чего содержание серы в металле снижается и стабилизируется. По практическим данным содержание серы в чугуне при кислой ваграночной плавке зависит главным образом от качества кокса и его расхода и составляет 0,1…0,14% (Таблица 3.5.) Это количество серы допустимо лишь для обычных серых чугунов. Таблица 3.5. Зависимость содержания серы в чугуне от содержания её в коксе. Марка кокса %S в коксе %S в чугуне КЛ1 <0,6 <0,1 КЛ2 <1,0 <0,12 КЛ3 <1,4 <0,14 3.1.12. Особенности плавки в вагранках с основной футеровкой. Футеровка выполняется магнезитовым, доломитовым или хромомагнезитовым огнеупорами, которые хорошо противостоят основному шлаку. Частицы оплавившейся футеровки увеличивают количество основных, а не кислотных оксидов в шлаке. Флюс - известняк CaCO3, даётся в удвоенном по сравнению с кислым процессом количестве –5…7%. Кроме того, для разжижения шлака добавляют 0,5…0,7% плавикового шлака CaF2. Шлак при таком соотношении источников самородного шлака и флюса становится основным. Его ориентировочный состав включает в себя: 40…50 % CaO, 25…30 % SiO2, 2…20 % Al2O3, 1,5…5 % MgO, 0,5…3 % FeO, 1…3% MnO, 0,5…1 % P2O5, 0,5…1% S. Десульфурация чугуна протекает по реакции (2.9). Три условия успешного протекания этой реакции, сформулированные в общем виде в п. 2.5., реализуются в условиях ваграночной плавки следующими технологическими приёмами: - увеличенным расходом флюса (для получения высокой основности шлака), - отказом от использования массивных неразделанных кусков шихты, мелкой окисленной шихты, недопущением работы на заниженной холостой колоше (для минимальной окисленности металла и шлака), - использованием подогрева дутья (для высокотемпературного режима плавки). При выполнении этих технологических рекомендаций коэффициент распределения серы может достигать значений 22…25. Установлена следующая зависимость содержания серы в чугуне от степени основности шлака: Степень основности шлака Содержание серы в чугуне, % До 0,8 0,08…0,1 0,8…1,3 0,04…0,08 1,3…1,6 0,03…0,04 1,7…2,0 0,01…0,03 Из приведённых данных видно, что при степени основности шлака близкой к 2 в основной вагранке можно выплавить чугун с содержанием серы, позволяющим получать высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Дальнейшее повышение основности шлака нецелесообразно, т.к. оно приводит к повышению температуры плавления шлака и даже при работе на горячем дутье его вязкость увеличивается, а , как следствие, уменьшается.Дефосфорация чугуна при наличии основного шлака протекает по реакциям (2.13 и 2.14). Для окисления фосфора по реакции (2.13) в вагранку вводят железную руду в количестве ~1%, неметаллизованные окатыши или мелкую окисленную шихту. Образование прочного нерастворимого в чугуне фосфорнокислого кальция достигается увеличением количества известняка до 7%. Низкотемпературный режим плавки обеспечивается отказом от подогрева дутья и завышения холостой колоши. При выполнении этих технологических приёмов содержание фосфора может быть снижено на 35…45%. Угар элементов. В соответствии с общими закономерностями угара (п.2.4), угар кремния в основной вагранке выше, а марганца ниже, чем в кислой. Следует отметить, что плавка в основных вагранках не нашла широкого практического применения в связи с большей сложностью процесса, высокой стоимостью и дефицитностью футеровки. 3.1.13. Особенности плавки в металлургических вагранках. В современных условиях растёт необходимость использования в качестве шихты отходов машиностроительных заводов - стальной и чугунной стружки, высечки, отходов листовой штамповки и стального лома. Во избежание значительного окисления такой мелкой шихты при контакте с ваграночными газами в шахте вагранки создают нейтральную или восстановительную атмосферу. Для этого расход кокса увеличивают до 15…20% и подогревают дутьё до ~500оС. При таких условиях ваграночные газы содержат ~25% CO, ~ 5% CO2, а температура на жёлобе достигает 1500…1550 оС. Недостаток углерода в «сталистой» шихте восполняется науглероживанием капель и струй металла в холостой колоше и в горне. Однако при увеличении расхода кокса содержание серы в чугуне может повыситься до 0,2%. Поэтому в металлургических вагранках используют основную футеровку и наводят шлак с оснóвностью 1,8…2,2. В нашей стране металлургические вагранки не нашли широкого применения. 3.1.14. Плавка чугуна в бескоксовых вагранках. Бескоксовые вагранки позволяют полностью устранить использование кокса при плавке чугуна, заменяя его природным газом, пропаном, дизельным топливом или другими видами горючего, включая угольную пыль. Наибольшее распространение получили газовые вагранки. Известно, что для перегрева жидкого металла необходимо отделить его от плавящихся твёрдых кусков шихты. В коксовых и коксогазовых вагранках эту функцию (незаметную на первый взгляд) выполняет коксовая холостая колоша. В бескоксовых вагранках (рис.3.12) такое отделение жидкой фазы от твёрдой достигается применением огнеупорной холостой колоши, устройством уступа (а) или перемычки (в) в шахте печи или выносной камеры перегрева (б). а) б) в) Рис. 7.12. Конструктивные схемы бескоксовых вагранок. а) с уступом, б) с выносной камерой перегрева, в) с перемычкой. 1- горелки, 2- водоохлаждаемые трубы, 3 – слой кускового огнеупора. В первых газовых вагранках использовалась огнеупорная колоша, которая обеспечивала не только разделение твёрдой фазы от жидкой, но и эффективный перегрев капель металла, стекающих по кускам огнеупора. Однако их работа была непродолжительной, так как огнеупорный материал под воздействием высокой температуры и веса шихты сплавлялся в сплошную массу и плавка прекращалась. Более удачной оказалась вагранка с колошей, состоящей из кусков огнеупорного материала смешанных с коксом или электродным боем. Конструктивно такая печь мало отличается от коксовой вагранки и позволяет работать в случае необходимости на коксе. Недостатком вагранок с уступом и выносной камерой перегрева является сложность выполнения футеровки и повышенный расход огнеупоров. Кроме того, затруднён перегрев и науглероживание металла. Промышленное применение в Германии и Англии получили вагранки с перемычкой (колосниковой решёткой) в виде металлических водоохлаждаемых труб - 2. Конструкция труб позволяет легко извлекать их для ремонта и замены. Средняя стойкость труб составляет несколько недель. На решётке из водоохлаждаемых труб находится слой кусков огнеупора -3 высотой 450…600 мм, играющий роль теплообменника. Горелки -1, расположенные под решёткой регулируются так, чтобы создать в печи восстановительную атмосферу. Для повышения содержания углерода в чугуне науглероживатель инжектируют в пространство под колосниковой решёткой. В связи с отсутствием или незначительным количеством кокса в газовых вагранках сера не пригорает, а, наоборот, наблюдается её угар до 40%. Расход газа в таких вагранках составляет около 100 нм3 на тонну выплавленного чугуна. 3.1.15. Стабилизация химического состава чугуна, выплавляемого в вагранках. Главной причиной нестабильности химического состава чугуна, выплавляемого в вагранках, является погрешности дозирования компонентов шихты при наборе рабочих металлических колош. По практическим данным эта погрешность составляет ±10% и более. Кроме того, химический состав отдельных кусков компонентов шихты, особенно стального и чугунного лома, зачастую существенно отличается от среднего расчётного состава. Для стабилизации химического состава рекомендуется использовать копильники, ёмкость которых приблизительно равна двум часовым производительностям вагранки. В этом случае в копильнике усредняется химический состав примерно двадцати металлических колош, при этом согласно теории вероятности погрешности взвешивания такого количества колош взаимно компенсируются. Вопросы на зачете и экзаменах: 1.Перечислите важнейшие процессы протекающие в вагранке. 2. Какой должна быть высота холостой колоши? 3. В каких случаях делают пересыпку? 4. Какой должна быть величина рабочих колош вагранки? 5. Как устанавливают требуемую высоту холостой колоши при розжиге вагранки? 6. . Назовите признаки работы на заниженной холостой колоше. 7. Назовите способы повышения температуры металла на жёлобе вагранки. 8. Перечислите важнейшие процессы протекающие в вагранке. 9 .Назовите особенности плавки в основных вагранках. 10. Назовите особенности конструкции и технологии плавки в бескоксовых вагранках.