Методика выплавки чугуна в газовых вагранках

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

В литейном производстве широко используется процесс плавки чугуна в вагранках. В качестве топлива для этих печей применяют преимущественно кокс. В коксе имеется вредная примесь - сера, которая при плавке частично переходит в металл, ухудшая его качество. Кроме того, кокс - непрочный материал, и часть его в шахте вагранки разрушается, образуя уходящую с продуктами горения пыль. В ваграночных газах кроме пыли содержатся угарный газ и вредные соединения серы, ухудшающие при поступлении в атмосферу экологическую среду. Поэтому многократно делались попытки заменить ваграночный кокс используемым для отопления металлургических печей газообразным топливом. Известно, что в коксовой вагранке металл плавится в противотоке газов на холостой коксовой колоше, а затем, стекая в виде капель и струек по горящему коксу холостой колоши, перегревается. Принцип перегрева чугуна, имеющий место в коксовой вагранке, пытались использовать при плавке чугуна в газовых вагранках. Для этого предлагалось заменить холостую коксовую колошу огнеупорами, разогреваемыми продуктами сгорания горючего газа. Такие вагранки испытывались, но опыты показали, что конструкция вагранок, принятые способы плавки и примененные для холостой колоши огнеупоры не обеспечили необходимых для эффективного ваграночного процесса условий. Огнеупорная колоша быстро оплавлялась, ваграночный процесс нарушался, плавки приходилось прекращать.

Стабильность плавильного процесса не достигалась. В результате систематизированных исследований с применением моделирования созданы новые газовые вагранки различных конструкций, в том числе и с холостой огнеупорной колошей (насадкой), которые прошли промышленное испытание. Разработки этих чугуноплавильных агрегатов выполнены на уровне изобретений. Актуальность и новизна этих разработок подтверждена рядом патентов, полученных как в нашей стране, так и в зарубежных странах.

1. Устройство вагранки

Вагранка (рис. 1.) представляет собой шахтную печь, диаметр которой колеблется в пределах 700-- 2300 мм, а производительность 4-- 50 т/ч. По конструктивным особенностям вагранки делят на два типа: с копильником и без него. Первые применяют при производстве крупных отливок, когда необходимо накопить большое количество расплава, а вторые -- при получении мелких и средних отливок с небольшой толщиной стенок, когда требуется расплав, обладающий более высокой жидкотекучестью.

Рис. 1. Схема устройства вагранки открытого типа с копильником: 1 -- летка, 2 -- дверцы днища, 3 -- горн, 4 -- колонны, 5 -- подовая плита, 6 _ лещадь. 7 -- окна, 8 -- фурмы, 9 -- кирпичная кладка, 10 -- кожух, 11 -- чугунные кирпичи, 12 -- загрузочное окно, 13 -- искроуловитель. 14 -- шахта. 15 -- бадья, 16 -- металлическая шихта, 17 -- коксовая колоша, 13 -- копильник, 19 -- летка для расплава, 20 -- желоб

Газовые вагранки плавки чугуна.

Назначение: газовая вагранка является агрегатом для выплавки чугуна без применения кокса. Чугун газовой вагранки по качеству выше чугуна коксовой вагранки, при этом выбросы в атмосферу значительно ниже и соответствуют допустимым санитарным нормам.

Характеристики разработки: разработанные газовая вагранка и технология плавки обеспечивают снижение топливо-энергетических затрат при выплавке чугуна и могут быть использованы в литейных цехах и участках. Расход природного газа на производство одной тонны чугуна составляет 110-120 нмі вместо 250-270 кг кокса, экономический эффект достигает 50 грн (из расчета на выплавку одной тонны чугуна). Внедрение газовой вагранки вместо коксовой обеспечивает снижение выбросов СО в 100 раз, SO2 и пыли почти в 10 раз. Окупаемость разработки - 1,0 - 1,5 года.

Рис. 2. Общий вид газовой вагранки

Газовая вагранка представляет собой пламенную печь шахтного типа. Она существенно отличается от коксовой и коксогазовой вагранки. В газовой вагранке отсутствует традиционная холостая коксовая колоша, она имеет постоянную высоту зоны плавления над газовыми горелками и ограниченную по размерам зону перегрева. Газовые вагранки конструктивно различаются на: а) вагранки с уступами в шахте; б) вагранки с перемычкой в шахте и в) вагранки с выносной камерой перегрева. В вагранке, изображенной на рис. 8 по высоте шахты выполнены два уступа 6 и 12, предотвращающие попадание шихтовых материалов в нижнюю часть камеры сжигания газа 4, зону перегрева.

Верхняя часть шахты вагранки (выше уступов 6 и 12) предназначена для нагрева и расплавления шихты, а нижняя - для перегрева жидкого чугуна. Как верхний, так и нижний уступы испытывают высокие термические нагрузки, поэтому охлаждаются водой. По всему периметру нижней части камеры сжигания газа и перегрева встроены в один или в два раза туннели - трубки, в которых находятся газогорелочные устройства.

Перед плавкой камера перегрева нагревается газовыми горелками до температуры 1600°С. Затем после достижения необходимого температурного режима и состава печной атмосферы в шахту вагранки загружают шихту. Металл плавится, стекает в камеру перегрева вагранки, откуда непрерывно поступает в копильник.

Основные преимущества без коксовых вагранок такие:

- значительное уменьшение загрязняющих выбросов в атмосферу

( СО более 100 раз, SO2 и пыли до 10 раз )

- качество чугуна улучшается за счет уменьшения в нем неметаллических включений, газов, а также серы;

- жидкий чугун без коксовых вагранок является ценным сырьем для высокопрочного чугуна с шаровидным графитом;

- приблизительно равные капитальные затраты с коксовыми вагранками

Но значительно ниже капитальных затрат для электроплавки

Однако не взирая на большие преимущества этих агрегатов над коксовыми вагранками они не нашли широкого употребления в литейном производстве.

Основной причинной этого есть трудности получения нужной температуры жидкого чугуна. Эти трудности обусловлены отсутствием холостой коксовой колоши на которой перегревался жидкий чугун в коксовой вагранке.

Автор считает наиболее эффективным способом перегрева чугуна перегрев его в переходном канале в потоке метала с параметрами «теплотехнически тонкого тела» Условия успешного перегрева в этом способе есть:

- стабильное существование потока метала в параметрах «теплотехнически тонкого тела»

- стабильно высокая температура в зона перегрева;

- высокая степень изоляции зоны перегрева для уменьшения потерь тепла в этой зоне.

2. Шихтовые материалы

Шихтовые материалы для выплавки чугуна обычно состоят из металлической шихты, топлива и флюсов.

Металлическая шихта.

При составлении шихты для чугунного литья применяют доменные чугуны, ферросплавы, природно-легированные чугуны, содержащие невысокий процент легирующего элемента (Ni, Сr, Mo, Ti и др.), а также возврат собственного производства (брак, литники), чугунный и стальной лом. Применение машинного лома в шихте снижает себестоимость литья и повышает его механические свойства.

Металлическая шихта для чугунного литья чаще всего составляется примерно в следующих пропорциях: доменного чугуна 20--40%, машинного лома и отхода литейного производства 60--40%, стального лома 0--40%, ферросплавы по расчету.

Топливо.

Для плавки чугуна в вагранке применяют кокс. Вследствие отсутствия в коксе летучих составляющих он при горении дает концентрированное пламя с высокой температурой, что очень важно для нормального хода плавки в вагранке.

Флюсы.

В процессе работы вагранки в ее рабочем пространстве образуется шлак, источником которого служат зола топлива, окислы металлов, другие примеси (песок, футеровка печи). Этот шлак, если не принимать специальных мер для его разжижения, липнет к кускам кокса и футеровке печи, нарушая тем самым работу вагранки. Для разжижения шлака при загрузке каждой колоши добавляют некоторое количество флюкса, в качестве которого применяют известняк, доломит, плавиковый шпат, мартеновский шлак.

3. Футеровка вагранки

Футеровкой называется слой из огнеупорного материала, расположенный внутри кожуха вагранки по всей ее высоте - от пода до искрогасителя. От срока службы футеровки в значительной степени зависит стоимость эксплуатации вагранки, а следовательно, и себестоимость отливок. Стойкость футеровки определяет величину затрат материалов и труда па ее ремонт. Футеровка вагранки работает в тяжелых условиях. Она подвергается одновременному действию высоких температур порядка 1700° С, разъедающему действию шлаков, истиранию и ударам от загружаемой шихты. Кроме того, футеровка вагранки испытывает резкие колебания температуры, например после выбивки вагранки, в результате чего футеровка растрескивается и разрушается.

Исходя из перечисленных условий работы, к футеровке предъявляют специальные требования. Прежде всего футеровка должна обладать высокой огнеупорностью; химической стойкостью против разрушения ее шлаками, металлом, газами; термической стойкостью (не давать трещин при резких колебаниях температуры); механической прочностью и плотностью. Однако очень трудно найти такой огнеупорный материал, который обладал бы всеми этими свойствами. B условиях ваграночной плавки наибольшее распространение получила футеровка. из шамотного кирпича, являющегося практически. нейтральным материалом.

По условиям работы футеровку вагранки можно разделить на пять частей: горн, пояс плавления, шахта, пояс ниже загрузочного окна и труба с искрогасителем.

Труба и искрогаситель испытывают действие сравнительно невысоких температур до 800° С и поэтому футеруются в один ряд шамотным кирпичом низшего класса.

Пояс высотой примерно в 1 м ниже загрузочного окна следует футеровать чугунным кирпичом, предохраняющим огнеупорную футеровку от механического разрушения в процессе загрузки. Чугунные кирпичи находятся в зоне низких температур порядка 500-600° С н поэтому служат довольно долго.

Шахта от пояса чугунных кирпичей до правильной зоны футеруется огнеупорным кирпичом уже более высокого класса. В наихудших условиях находится футеровка в плавильном поясе, где имеет место одновременное воздействие высоких температур, шлаков, газов, металла и истирающее действие опускающихся материалов. Огнеупорный материал для плавильного пояса подбирают в зависимости от химического состава шлаков, образующихся при плавке. При кислых шлаках футеровку выполняют из шамота или кварцитов, а при основных шлаках - из магнезита. Для плавильного пояса, области фурм и горна рекомендуется применять огнеупорные кирпичи высшего класса А.

При выборе формы кирпичей и кладке футеровки следует стремиться к тому, чтобы толщина швов была не более 4 мм, так как выгорание футеровки и ее разрушение идет главным образом по швам. Во избежание получения больших швов применение прямого кирпича допустимо лишь для вагранок диаметром не менее 1200 мм, а для вагранок меньшего диаметра - только для наружных рядов. Для внутренних рядов следует применять ребровой клин, чередуя его с прямым кирпичом. В случае применения радиальных кирпичей швы имеют одинаковую толщину и могут быть сделаны как угодно тонкими; швы же между прямоугольными кирпичами расширяются от центра к наружной поверхности вагранки. Ясно, что при выгорании внутреннего слоя футеровки швы на футеровке будут непрерывно расширяться. Это приведет к быстрому разрушению кладки.

Уничтожение швов между кирпичами, при условии сохранения огнеупорности материала, привело бы к значительному увеличению стойкости футеровки. Поэтому за последнее время все большее распространение получает так называемая набивная огнеупорная футеровка, создающая при спекании прочный монолит. Ее преимущества заключаются не только в повышении стойкости, но и в дешевизне используемых материалов.

Наиболее распространен следующий состав огнеупорной массы: 90 - 95% кварцевого песка, 5-10% графита, 6-8% воды (дополнительно). Эту смесь в сухом состоянии перемешивают в бегунах в течение 5-10 мин. Для изготовления набивной футеровки в вагранку на уровне фурм устанавливают из отдельных секторов опалубку - металлический цилиндр диаметром, равным внутреннему диаметру вагранки, высотой 300-400 мм. Кольцевое пространство между опалубкой и кожухом вагранки плотно набивают огнеупорным составом. Когда масса уплотнена по всей высоте цилиндра, на него устанавливают новый цилиндр, и набивка продолжается. Применение набивной футеровки для ремонта плавильного пояса позволяет значительно снизить трудоемкость и стоимость ремонтных работ. Хорошей стойкостью по отношению к кислым шлакам обладает набивная масса, включающая 35-40% цирконового концентрата, 10-30% графита и 35-50% огнеупорной глины. Количество влаги (сверх 100%) до 3%. Массу применяют для горна вагранки. Срок службы горна - более недели.

4. Технология плавки чугуна

В индукционных печах возможно получение чугуна разнообразного состава, при этом использование в качестве шихты отходов кузнечного, прокатного листоштамповочного, токарно-фрезерного переделов существенно снижает производственные затраты при получении чугуна требуемых марок. В индукционных печах можно выплавлять чугун с содержанием стального скрапа и стружки (самого дешёвого шихтового материала) вплоть до 100 % благодаря хорошей возможности легирования. Напротив, в газовых вагранках применение стального лома ограничено 40 - 60 %, так как управление процессом науглероживания бескоксовой плавки весьма затруднительно. А использование стальной и чугунной стружки вообще исключено из-за большого угара. Для получения серого чугуна и высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, имеющих целый ряд преимуществ перед другими сплавами, необходимо точно управлять химическим составом по многим элементам и, прежде всего, по углероду, сере, марганцу, хрому, фосфору и др., поскольку в ИПСЧ плавка ведётся с так называемым «холодным» шлаком, практически не участвующим в химических реакциях, управление химическим составом сплава по ходу плавки производится добавлением легирующих материалов и точным управлением температурой расплава. Сочетание этих возможностей позволяет реализовать технологию получения отливок, в которых значительно снижены внутренние напряжения и существенно повышены прочностные характеристики. По этой методике на стадии легирования расплава, полученного из шихты с содержанием 40 - - 80 % стального лома, при повышении температуры до 1450 °С добавляется углерод, что позволяет достичь его содержания в расплаве 3,8 - 3,9 %. Затем расплав догревается до температуры 1530 - 1550 °С и выдерживается при этой температуре 10 - 30 минут. На стадии выдержки происходит процесс науглероживания расплава, скорость которого зависит от интенсивности электромагнитного перемешивания и способа организации циркуляционных потоков внутри ванны расплава. Кроме этого, на стадии выдержки происходит очистка от неметаллических включений и дегазация расплава, а также протекает процесс «созревания» металла. При использовании этой методики в производстве отливок не только повышается прочность, но и уменьшается их сжатие, не превышающее 0,3 %, что в конечном итоге приводит к снижению напряжения в отливках, а это позволяет избежать энергозатратной операции их отжига. Подобное производство отливок со сниженным напряжением невозможно организовать без использования индукционных печей.

Характеристики чугуна в значительной мере зависят от содержания вредных примесей и, прежде всего, серы. Для модификации на ВЧШГ серый чугун должен иметь низкое содержание серы. В вагранках выплавить металл с низким содержанием серы невозможно, и необходима десульфуризация расплава. Известные способы десульфуризации чугуна требуют установки специальных устройств или индукционных миксеров. Поэтому при получении серого чугуна нужных марок или для модификации на ВЧШГ используются дуплекс-процессы. В дуплекс-процессе плавка металла ведётся в коксовых или газовых вагранках с возможным содержанием в шихте большой доли первичных материалов. Затем осуществляется перелив расплава в ИПСЧ, и вводятся добавки, позволяющие десульфиризировать чугун, точно вывести его химический состав. Кроме этого, в ИПСЧ обеспечивается выдержка металла при заданном температурном режиме. Однако себестоимость плавки чугуна в любом случае получается меньше при моно-процессе, и наиболее полно технологическим требованиям подготовки чугуна соответствует индукционный метод плавки в ИПСЧ.

Весьма существенным преимуществом плавки в ИПСЧ по сравнению с вагранками и дуговыми печами является пониженное на 25 - 30 % содержание газа (азота, водорода, кислорода) в расплаве металла, а также значительное уменьшение содержания неметаллических примесей. Это повышает прочность отливок и уменьшает каверны на их поверхности, что позволяет снизить отходы металла при дальнейшей обработке на 20 - 25 % и уменьшить металлоёмкость оборудования.

Прочность и все другие свойства сплавов, в конечном счёте, определяются их чистотой от примесей, формой, размером и распределением зёрен, т.е. структурой. При этом в понятие структуры включается как микроструктура, так и макроструктура - наличие в металле газовых и усадочных раковин, пористости, трещин, неметаллических включений и т.д. Таким образом, задача повышения качества металла сводится к получению соответствующей структуры, свободной от каких-либо дефектов. Измельчение зерна кристаллической структуры достигается повышением скорости зарождения центров кристаллизации, которая регулируется вводом модификаторов. Эффективность действия модификаторов возрастает при максимально равномерном распределении в объёме металла, и чем больше энергия извне будет внесена в расплав для перемешивания, тем выше эффект модифицирования. В индукционных печах имеется возможность управления процессами электромагнитного перемешивания изменением частоты возбуждения тока в обмотках индуктора, организацией пульсирующего и бегущего электромагнитного поля в ванне расплава металла и управления удельным силовым давлением, а также перераспределением мощности по высоте индуктора.

Благодаря садочному режиму работы в ИПСЧ, при котором металл не подвергается многократному перегреву, и щадящему температурному режиму выдержки чугуна в период разливки, в расплаве сохраняются центры кристаллизации, что также способствует формированию мелкозернистой структуры в отливках.

Таким образом, с производственно-технологической точки зрения для литейного производства ИПСЧ имеют существенные преимущества по сравнению с вагранками и дуговыми печами. Более высокая удельная мощность позволяет быстрее нагревать чугун (со скоростью 30 - 35 °С/мин.), а потери исходного материала из-за угара снижаются. Циркуляция расплава под действием электромагнитных сил в индукционной тигельной печи приводит к равномерному температурному распределению и хорошему перемешиванию. В сочетании с отсутствием загрязняющих веществ это обеспечивает высокую точность химического состава металла, расплавленного индукционным методом. Перегрев расплава, труднодостижимый при использовании вагранок, можно успешно реализовать в индукционных печах. Эти технологические преимущества дают наибольшую гарантию качества чугуна и возможность получения высокопрочных специальных чугунов, а также обеспечивают более высокое качество литых изделий.

Заключение

вагранка футеровка шихтовый копильник

В газовой вагранке можно получать чугун требуемого химического состава без удорожания шихты, с механическими свойствами, удовлетворяющими любой марке серого чугуна. В газовой вагранке значительно облегчается получение высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Технологический процесс плавки чугуна в газовой вагранке отличается минимальными затратами по сравнению с другими процессами плавки, экономным энергохозяйством, минимальными вредными выбросами (SO2, CO и пыли), гибкостью и возможностью работы с получением требуемого для литейного производства количества металла, причем требования по качеству всегда могут быть учтены.

Плавка чугуна на газообразном топливе решает проблему улучшения экологических условий в чугунолитейных цехах. Разработаны способы плавки в чугуноплавильных агрегатах, позволяющие уменьшить расход топлива на 15-20%; повысить термический коэффициент полезного действия печей на 18-25%, снизить потери металла в связи с окислением на 10-14%. Основой этих способов плавки является применение горячего воздушного дутья с регулированием в зависимости от температуры воздуха величины коэффициента расхода воздуха и температуры газообразного топлива, подаваемого на сжигание, с учетом состава шихты. Выявлены математические модели, позволяющие управлять процессом плавки чугуна в газовых вагранках с достижением эффективности способов.

Литература

1. Долотов, Г.П. Печи и сушила литейного производства / Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков. - М. Машиностроение, 1990. - 302с.

2. Ананьин, А.А. Краткий справочник вагранщика / Ананьин А.А., Чернобровкин В.П. - М.: Машиностроение, 1964. - 119с.

3. В.А. Грачев, А.А. Черный. Современные методы плавки чугуна. Саратов: Приволж. кн. изд., 1973. - 342с.

4. Черный А.А. Особенности сжигания природного газа в газовых вагранках // Литейное производство. - 1996. - № 5.

5. Черный А.А. Планирование экспериментов и математическое моделирование процессов / А.А. Черный. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1977. - 80с.

Размещено на Allbest.ru