Материал: Методические указания к лабораторным работам по производству отливок из чугуна и стали для студентов направления Металлургия. Печенкина Л.С

2.2. Металлургические основы ваграночного процесса

По условиям теплообмена между металлом, газами и коксом шахту вагранки можно условно разбить на 4 зоны:

I зона - подогрева шихты (от завалочного окна вниз до того уровня, где температура поверхности кусков чугунной шихты достигает плавления, 1150 - 1200 °С); размеры этой зоны непостоянны;

II зона - плавления (от низа I зоны до места образования капель чугуна);

III зона - перегрева жидкого чугуна (от низа II зоны до нижнего ряда фурм);

IV зона - горна вагранки: кокс и его продукты горения имеют более низкую температуру (из-за недостатка киcлорода).

В вагранке протекает ряд химических реакций: угар элементов чугуна под воздействием окислительной атмосферы; образование шлака из флюсов, окислов элементов чугуна, частиц неметаллических материалов и других источников; взаимодействие жидкого чугуна со шлаком и его насыщение серой и углеродом из кокса.

При горении твердого кокса в вагранке (основная масса эксплуатируемых вагранок - коксовые) протекают реакции:

C + 0,5 O2 = CO + 26420 ккал/моль (110964 КДж/моль);

С + O2 = CO2 + 9460 ккал/моль (395052 КДж/моль);

CO + 0,5 O2 = CO2 + 67640 ккал/моль ( 284088 КДж/моль);

C + CO2 = 2CO – 41220 ккал/моль (173124 КДж/моль).

Зона холостой колоши, где имеется свободный кислород, кислородная зона; зона, где происходит увеличение концентрации СО в ваграночных газах, редукционная зона. Холостая колоша – слой кокса, простирающийся от фурм до зоны плавления.

Состав колошниковых газов меняется в зависимости от расхода кокса, воздуха, способа подвода воздуха, температуры его подогрева, размеров кусков кокса, его реакционной способности и других факторов (рис. 8, табл. 6).

14

Продукты горения топлива в вагранке являются не только источником теплоты, но и важным металлургическим фактором, влияющим на металлургические процессы, протекающие в печи.

Таблица 5

Нормальный ряд вагранок закрытого типа конструкции института Гипростанок

2.3. Технологические основы ваграночной плавки

Для получения чугуна, требуемого химического состава требуется составить шихту, т.е. подобрать в определенном количестве разные шихтовые материалы и учесть те изменения, которое произойдут с химическим составом этих материалов в разных зонах вагранки.

Общий порядок расчета ваграночной шихты следующий: а) по заданному химическому составу чугуна определяют средний химический состав шихты (по средним значениям угара или пригара конкретного элемента, с последующим экс-

периментальным уточнением); б) рассчитывают отдельные составляющие шихты (ана-

литически, графически или методом подбора).

Для получения качественного чугуна, которым можно заливать формы, вагранка должна быть подготовлена к плавке.

После подготовки вагранки к плавке приступают к загрузке шихты (отдельными колошами металла и кокса). Вначале на холостую колошу подается известняк (30-40% от массы колоши кокса), затем колоши шихты.

Масса известняка принимается равной 2,5-4% массы металлической части шихты. В случае необходимости для улучшения жидкоподвижности шлака можно добавлять плавиковый шпат (≤ 15% от массы известняка). Обычно масса металлозавалки принимается равной (1/10÷1/12)-часовой производительности печи. Загрузка первого столба в вагранку производится следующим образом: в первых 5-6 колошах металла общую массу снижают на 20%, при этом долю стального лома увеличивают в 1,5-2 раза, чтобы уменьшить пригар углерода; в первые колоши не дают крупные куски металлолома (например, бой изложниц); после завалки первых 5-6 колош металла загружают удвоенную топливную колошу (дают «пересып-

ку»).

Последовательность загрузки шихтовых материалов в бадью должна быть следующей: стальной лом, чушковый чугун, машинный лом, литники и возврат производства, известняк, ферросплавы. Если в бадью загружают кокс, то это делают после возврата собственного производства (затем известняк и ферросплавы).

16

Рис. 8. Изменение состава (а) и температуры (б) газов по высоте шахты вагранки от уровня фурм до завалочного окна

Таблица 6

Состав колошниковых газов (%) при подаче воздуха через один ряд фурм

После загрузки вагранки шихтой до уровня загрузочного окна пускают дутьѐ.

В процессе плавки вагранщик следит за работой вагранки: своевременно выпускает чугун и шлак, обеспечивает нормальную работу всех механизмов и приборов, изменяет режим плавки, производит кратковременные остановки вагранки в соот-

17

ветствии с условиями производства и устраняет неполадки в еѐ работе.

Период окончания плавки определяет мастер, который дает команду на прекращение завалки шихты. По мере проплавления столба шихтовых материалов необходимо снижать давление дутья для того, чтобы оставить неизменным расход воздуха; в противном случае увеличенный расход воздуха усилит окисление металла. После проплавления последней металлической колоши (отсутствие капель чугуна у фурм) прекращается подача воздуха в вагранку. Перед выбивкой вагранки необходимо, чтобы под ней не было сырости. Открывается летка (металлическая) и спускается весь металл. Затем открывается запорное устройство дверцы подины, и остатки плавки вываливаются под вагранку. Они охлаждаются водой, вывозятся из цеха.

В обычной слабоокислительной атмосфере происходит взаимодействие газов с компонентами чугуна:

Fe + CO2 = FeO + CO

Si + 2CO2 = SiO2 + 2CO

Mn + CO2 = MnO + CO

3Fe + SO2 = FeS + 2FeO

C + CO2 = 2CO

Fe3C + CO2 = 3Fe + 2CO

В зоне нагрева все компоненты шихты окисляются по указанным реакциям (с поверхности в глубину).

Во второй зоне куски металла начинают плавиться с поверхности. Зона плавления располагается в редукционной зоне холостой колоши.

В третьей зоне капли чугуна перегреваются, окислы железа (на поверхности капли) растворяются в металле и окисляют элементы, имеющие большее сродство к кислороду, чем железо. В зоне перегрева жидкого чугуна заканчивается формирование шлака.

18