Современные тенденции в литейном производстве

2.2.2. Плавка чугуна в вагранке

Вагранка отличается от домны тем, что в ней практически не происходит химических реакций, изменяющих состав чугуна. По конструкции вагранка, в отличие от домны, как правило, имеет цилиндрическую форму. Вагранку гораздо легче остановить, чем доменную печь, для ремонта или в случае другой необходимости, вследствие сравнительно небольших размеров. Несмотря на создание в настоящее время ряда новых плавильных агрегатов, основное количество чугуна для отливок выплавляется в вагранках. Вагранка, рис. 2.4, представляет собой шахтную печь, диаметр которой колеблется в пределах 700— 2300 мм, а производительность 4— 50 т/ч.

Рис. 2.4. 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

Кожух вагранки 10 изготовляют из листовой стали в виде цилиндра, внутренняя поверхность которого выкладывается огнеупорным кирпичом 9. Между кожухом и огнеупорным кирпичом оставляется зазор размером 20—50 мм, который засыпается кварцевым песком. Кожух вагранки устанавливается на массивную стальную подовую плиту 5, имеющую посредине отверстие (равное внутреннему диаметру футеровки), которое закрывается дверцами 2, снабженными запорным устройством. В свою очередь, подовая плита опирается на четыре колонны 4, установленные на бетонный фундамент. Дно 6 вагранки, называемое лещадью, набивается слоем формовочной смеси. В нижней части вагранки у лещади предусмотрено отверстие – летка 1 для выпуска чугунного расплава в копильник 13, а затем через летку 19 и желоб 20 в разливочный ковш. Для выпуска шлака в копильнике предусмотрена шлаковая летка. Для введения необходимого для горения топлива воздуха в шахте вагранки предусмотрены окна 7 и специальные трубы S, называемые фурмами; в них воздух поступает из фурменной коробки, соединенной с вентилятором. Чтобы обеспечить равномерность распределения воздуха, он вводится в плавильную зону двумя рядами фурм, располагаемых в шахматном порядке.

Завалка исходных материалов в вагранку производится с колошниковой площадки через загрузочное окно 12 бадьей 15. Отходящие при плавке газы удаляются через верхнюю часть шахты 14, после чего направляются в искроуловитель 13. Для предохранения футеровки печи от ударов кусками загружаемой шихты верхнюю часть шахты вагранки выкладывают пустотелыми чугунными кирпичами 11.

По виду используемого при плавке топлива вагранки подразделяют на коксовые, коксогазовые и газовые.

Технологический цикл работы вагранки включает следующие операции: подготовку вагранки к плавке, розжиг, загрузку и пуск, обслуживание вагранки во время работы, остановку вагранки.

Подготовка вагранки к плавке, в основном, заключается в ремонте огнеупорной футеровки. Ремонт может быть капитальным, средним и текущим. При капитальном ремонте заменяется вся огнеупорная футеровка вагранки, при среднем – футеровка в наиболее напряженных местах: зоне плавления, фурменном поясе, переходной летке и других местах, подвергнувшихся значительному разрушению. Текущий ремонт производится после каждой плавки. Его объем определяется длительностью плавки и состоянием футеровки после плавки.

Длительность цикла работы вагранок без водяного охлаждения составляет 8 – 20 ч. При использовании водяного охлаждения длительность работы вагранки может быть доведена до 1 месяца.

Огнеупорная футеровка производится путем кладки шамотного кирпича на растворе, состоящем из 25–30% огнеупорной глины, 70–75% молотого шамота или 25–30% огнеупорной глины и 70–75% кварцевого песка.

После сушки на подину вагранки укладывают дрова для розжига кокса холостой колоши. Высота холостой колоши является одним из важнейших технологических факторов, от которого зависят производительность вагранки и температура выплавляемого чугуна; она должна быть 1,2–1,5 м над основным рядом фурм. Во время продувки выдувается коксовая пыль и мелочь, кокс разгорается. Можно загружать шихту. После розжига холостой колоши включают воздуходувку и подают в вагранку воздух; продувку производят в течение 2–3 мин.

Технология плавки в вагранке содержит еще много чисто эмпирических рекомендаций. Например, рекомендуется контролировать правильность выбора высоты холостой колоши по времени появления первых капель чугуна в зоне фурм. Если дутье подают сразу после полной завалки первого столба, то первые капли должны появляться у фурм через 15–20 мин. Если они появились раньше, то высота холостой колоши недостаточна. Для холостой колоши необходимо отбирать крупный кокс с размером кусков 100–150 мм. Загрузка осуществляется в такой последовательности: топливо–флюсы–металл. После небольшой выдержки для прогрева шихты включают подачу воздуха, и начинается процесс плавки.

Топливная рабочая колоша имеет слой кокса толщиной 150–200 мм. Расход топлива на топливную колошу составляет 8–18% (обычный расход 10–12%). Например, при толщине слоя кокса 150 мм для вагранки диаметром 700 мм масса топливной колоши составляет 27 кг, а металлической – 270 кг, т. е. приблизительно 1/10 часовой производительности вагранки.

При более интенсивном дутье необходимо давать больше кокса, чтобы не допустить спускания верхнего уровня холостой колоши, так как это может резко снизить температуру чугуна и ухудшить его качество. Избыток топлива в рабочих колошах может вызвать подъем верхнего уровня холостой колоши и замедление плавления. В рабочую колошу кокса дают флюс в количестве 2–3% от массы металл завалки.

Дальнейший ход плавки зависит от правильного соотношения количества подаваемого воздуха и расхода кокса. Количество воздуха, подаваемого в вагранку, обычно оценивается в кубических метрах в минуту на 1 м2 площади свободного поперечного сечения вагранки. Норма подачи воздуха в вагранку составляет в среднем 100–130 м3/м2∙мин, а в отдельных случаях 160 – 180 м3/м2∙мин) при выплавке, например, низкоуглеродистого чугуна.

Во время плавки в вагранке необходимо соблюдать правильность взвешивания и загрузки шихты. Нельзя допускать зависания шихты в шахте вагранки или ее опускания более чем на высоту двух колош ниже завалочного окна.

При плавке должны контролироваться следующие параметры: количество подаваемого воздуха, его давление, температура чугуна. Необходимо следить, чтобы не зашлаковывались фурмы, их следует регулярно очищать. В аварийных случаях для разжижения шлака требуется добавить плавиковый шпат.

При окончании плавки в вагранке останавливают воздуходувку, выпускают шлак и жидкий чугун, открывают днище вагранки, при этом подина и холостая колоша вываливаются, кокс тушат водой.

Шлак является одной из основных фаз, участвующих в металлургическом процессе, его состав и свойства могут оказывать существенное влияние на ход плавки и свойства получаемого металла.

Источниками образования ваграночного шлака служат угар таких элементов, как Si, Mn, Fe, оплавление футеровки, загрязнение шихты (песок и посторонние примеси), зола топлива, флюсы. Всего шлака может быть 5 – 10% от массы металла. В состав шлака входят CaO, SiО2, А12О3, MnO, FeO, MgO. Могут входить и окислы других металлов: Сг2О3, TiО3, V3О3, P2О6, К2О5, Na2О, а также сльфиды (FeS и др.) Основные составляющие шлака: кремнезем, окись кальция СаО, глинозем А12О3. Для кислых ваграночных шлаков показатель кислотности составляет 1,2–1,9.

Состав шлака зависит от типа применяемой футеровки, количества и состава флюсов. Различают кислый и основной процессы плавки. При кислом процессе вагранку футеруют шамотом и применяют в качестве флюса известняк в количестве 2–3%. Вовремя, плавки образуется кислый шлак. В его составе преобладает Si02 (40-60%), а также содержится 10–20% А12О3 и 10–30% (СаО+MgO).

При основном процессе футеровку выполняют из основных огнеупоров. В качестве флюса добавляют 7–10% известняка. Шлак получается следующего состава: 20–30% SiО2, 5–10% А12О3, 40–50% СаО, 10–15% MgO. В соответствии с общими закономерностями физико-химических процессов элементы, при окислении которых образуются кислые окислы, более интенсивно окисляются при основных шлаках, и наоборот. Поэтому при основном процессе кремний будет больше окисляться, чем при кислом процессе, а марганец – наоборот. При основном процессе, как следствие, будет больше содержание углерода в полученном чугуне.

Главное преимущество основного процесса заключается в возможности удаления из металла до 40–50% S и 30–40% Р.

В основных шлаках имеется свободная окись кальция, которая способствует удалению серы. Десульфурация тем эффективнее, чем выше отношение СаО к SiО2 в шлаке, выше температура и меньше содержание FeO в шлаке,

Фосфор удаляется тем интенсивнее, чем выше содержание СаО и FeO в шлаке и чем ниже температура.

Плавку чугуна в вагранках, как правило, производят при кислых шлаках, так как этот процесс проще, футеровка дешевле. На протекание ваграночного процесса оказывает влияние не только взаимодействие шлака и металла как химических реагентов, но и поведение шлака как жидкой фазы. В зависимости от состава шлак может иметь различную температуру плавления и вязкость. При высокой вязкости шлака нарушается ваграночный процесс, так как могут образовываться настыли над фурами, где температура несколько ниже; вязкий шлак плохо разделяется с металлом, поскольку в шлаке могут оставаться включения металла – корольки, – безвозвратные потери металла.

2.2.3. Плавка чугуна в электропечах

2.2.3.1. Плавка чугуна в дуговых электрических печах

Для плавки чугуна применяют трехфазные сталеплавильные дуговые печи с зависимой дугой, в которых электрическая дуга образуется между электродами и металлом. Вместимость их составляет от 0,5 до 75 т. Они маркируются буквенной аббревеатурой ДСП и цифрами, например ДСП-12 или ДСП-50, что обозначает дуговую сталеплавильную печь вместимостью 12 и 50 т соответственно.

Схема дуговой печи приведена на рис. 2.5. Через свод 1 печи проходят три графитовых электрода 2, расположенные равномерно вокруг вертикальной оси печи. Между каждой парой электродов горит дуга прямого действия, замыкающаяся через металл. Печи имеют автоматическую систему перемещения электродов, поддерживающую заданную длину дуги в каждой из фаз.

Рис. 2.5. Схема дуговой электропечи переменного тока:

1 – свод; 2 – электроды; 3 – рабочее окно; 4 – выпускное отверстие

Электроды диаметром до 550 мм и длиной до 1800 мм имеют резьбовые отверстия в торцах. По мере сгорания нижних частей электродов, их наращивают, для чего в верхнюю часть работающего электрода ввинчивают соединительный графитовый ниппель, а на него навинчивают новый электрод. Расход электродов составляет 5-7 кг/т чугуна. Удельная мощность ДСП – от 200 до 700 кВт/т. Печи малой вместимости загружают через рабочее окно 3, а большой вместимости – сверху, при этом свод приподнимается и поворачивается в сторону или печь выкатывается с низу. Для слива шлака печь наклоняют в сторону рабочего окна, для выпуска металла – в сторону выпускного отверстия 4.

Дуговые электропечи прямого нагрева имеют высокий КПД при расплавлении шихты, они обеспечивают получение «горячего» шлака и, соответственно, возможность эффективного проведения рафинирующих процессов, в том числе и десульфурации чугуна, что особенно важно при получении высокопрочного чугуна. Кроме того, производительность их при одинаковой вместимости на 25-30% выше, чем индукционных печей. Однако эти печи имеют и существенные недостатки: низкий КПД при перегреве, значительный шум, обильное выделение дыма при работе и повышенный угар элементов. Поэтому они применяются преимущественно как плавильный агрегат в дуплекс-процессе плавки чугуна.

В последние годы вместо трехфазных дуговых печей для плавки чугуна успешно применяют дуговые печи постоянного тока (ДППТ). Их конструктивной особенностью является наличие только одного верхнего сводового электрода (катода), расположенного вдоль вертикальной оси печи, и подовых электродов (анодов) в подине печи. Схема дуговой печи постоянного тока приведена на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Схема дуговой печи постоянного тока:

СЭ – сводовый электрод; ПЭ1 и ПЭ2 – подовые электроды

Сводовый электрод является графитовым, а подовые электроды – медными водоохлаждаемыми. Источник электропитания, наряду с силовым трансформатором, включает тиристорный преобразователь.

Центральное размещение дуги обеспечивает более благоприятные условия для работы футеровки, поэтому износ её составляет менее 0,3 мм за одну плавку, а стойкость – до 2000 плавок и более без проведения ремонта. Постоянный ток обеспечивает более стабильное горение дуги, многократное сокращение пыли и газовых выбросов, а также низкий уровень шума. Наличие трех подовых электродов обеспечивает электродинамическое перемешивание расплава в ванне печи, что предохраняет расплав чугуна от местного перегрева. При этом снижается угар металла (до 1,5%) и уменьшается расход графитированных электродов.

ДППТ может эффективно работать как в плавильном, так и в миксерном режимах. В этом плане они представляю собой наиболее универсальный плавильный агрегат. Они отличаются низким расходом электроэнергии и графитированных электродов, длительной межремонтным сроком службы футеровки и низким расходом огнеупорных материалов, малым угаром шихты и существенным (на 40%) снижением эффекта мерцания (скачков тока) в питающей сети, а также минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду в части пыле-, газо- и шумовых выделений.

В дуговых электропечах чугун можно выплавлять по основному и кислому процессам. Основной процесс применяют при необходимости получения чугуна с пониженным содержанием серы. Он протекает с большим расходом электроэнергии, так как связан с наведением шлаков и большей продолжительностью плавки. Кислый процесс применяют, когда нет необходимости в проведении десульфурации чугуна.

Процесс плавки в дуговой электропечи имеет ряд особенностей. Они обусловлены:

–наличием «горячего» шлака и возможностью эффективного проведения процесса десульфурации;

–наличием зон высокого перегрева расплава под электродами и относительно большой температурной неоднородностью по объему металла в ванне печи;

–активным участием огнеупорной футеровки в протекании металлургических процессов.

Эти факторы оказывают соответствующее влияние на угар компонентов шихты, содержание газов и неметаллических включений в выплавленном чугуне.

Угар углерода и других компонентов при плавке в дуговой электропечи несколько выше, чем при других видах плавки. Среднестатистический угар углерода за цикл плавки и перегрева до температуры 1550С составляет от 10 до 25% от первоначального и зависит от исходного содержания углерода в шихте, состава шихты и состава шлака.

Плавление шихты производят в режиме максимальной мощности печи путем проплавления в шихтовом слое «колодцев» под электродами и последующего сталкивания шихты в эти колодцы. В этот дуга горит прерывисто, нестабильно, шумно (до 100 дБ) и дымно.

При формировании жидкой ванны расплава на его поверхность наводят шлак. Для этого в кислых печах используют кварцевый песок (до 2 мас. %) с небольшими добавками извести или известняка (10 и 20 мас.% соответственно от массы песка). Шлак должен иметь невысокую вязкость (легко сливаться с пробной ложки), а после затвердевания иметь плотный зеленоватый излом. Чёрный цвет и пузырчатый излом шлака свидетельствует о повышенном содержании в нем FeO. Такой шлак надо раскислять или частично скачать и навести новый. Основной шлак в печах с основной футеровкой получают при добавке около 3% известняка от массы шихты.

После полного расплавления мощность снижают во избежание перегрева и оплавления стен, и свода печи открытой дугой. Перегрев чугуна до заданной температуры происходит неравномерно – под электродами температура существенно выше, чем у откосов печи. Для выравнивания температуры и химического состава металла по объему ванны в печах емкостью более 20т часто применяют электромагнитное перемешивание. В этот период плавки значительная часть энергии, излучаемой дугой, передается своду и стенкам печи. КПД печи резко снижается, составляя 5-20%. Для уменьшения тепловой нагрузки на свод и стены печи нередко заглубляют электрическую дугу в жидкий металл. Глубина жидкого колодца приблизительно равна диаметру электрода. После достижения заданной температуры перегрева скачивают шлак, добавляют оставшуюся часть карбюризатора и наводят новый шлак.

Для усвоения углерода в печах, не имеющих устройств электромагнитного перемешивания, требуется увеличение продолжительности плавки по сравнению с печами с электромагнитным перемешиванием. Поэтому плавка синтетического чугуна требует повышенного (на 100-200 кВт∙ч/т чугуна) расхода электроэнергии на плавку.

Плавка в дуговых печах характеризуется повышенным растворением в жидком металле водорода и азота. Это объясняется тем, что в зоне горения дуги эти газы существуют в атомарном и частично ионизированном состоянии.

В процессе плавки следует периодически раскислять шлак добавками электродного боя, древесного угля или других карбюризаторов для предотвращения «кипа» ванны металла, протекающего по эндотермической реакции: [FeO] + [С] = [Fe] + {СО}. Раскисление шлака приводит к раскислению металла, вследствие чего реакция кипения не получает развития.

По результатам первого экспресс-анализа корректируют химический состав металла. Последовательность ввода ферросплавов и их количество устанавливают в зависимости от сродства каждого легирующего элемента к кислороду с учетом закономерностей угара в кислых и основных печах. Феррохром и ферромарганец вводят в конце плавки. Титан легко окисляется как в кислой, так и в основной печи, поэтому его вводят непосредственно перед выпуском металла. В основных печах угар кремния возрастает, поэтому ферросилиций вводят перед выпуском плавки. В кислых печах присадку ферросилиция можно проводить в любое время, так как угара кремния практически не происходит, однако, учитывая неблагоприятное влияние кремния на науглероживание чугуна и модифицирующий эффект, присадку ферросилиция следует давать перед выпуском чугуна из печи.

Процесс плавки в дуговой печи постоянного тока состоит из тех же этапов. При этом первый период проводят на высоком напряжении и небольшом токе дуги. Длинная дуга обеспечивает стабильный электрический режим, интенсивный нагрев печных газов, плавный нагрев всего объема шихты. Колебания активной мощности по сравнению со средним значением не превышают ± 10-20%. Колебания давления в печи за счет стабилизации электрического режима подавлены, подсоса воздуха в печь, как это происходит в ДСП, не наблюдается. В течение первого периода в шихте образуется расширяющаяся вверх воронка, которая исключает обрушивание шихты на сводовый электрод. Во второй период обеспечивается стабильный электрический режим при колебании мощности не более ± 5 %, что способствует быстрому расплавлению шихты и не приводит к заметному локальному перегреву металла. Ток дуги в этот период удваивают, а напряжение в 2 раза снижают.

Перегрев расплава под дугой во втором и третьем периодах предотвращается соответствующим размещением подовых электродов, формирующим тороидальное вращение металла в вертикальной плоскости, при котором поток металла с большой скоростью подтекает под дугу и уходит вглубь расплава. В этих условиях температурное поле расплава выравнивается за счет интенсивной конвективной теплопередачи через расплав, а высокая скорость движения металла под дугой не допускает его локального перегрева. Во всех периодах плавки происходит минимальный угар металла, не образуется первичный шлак. Состав шлака и его активность можно регулировать подачей шлакообразующих элементов. Образованный шлак жидко подвижен и из-за интенсивного перемешивания металла эффективно взаимодействует с расплавом.

Третий период проводят на короткой дуге: при напряжении на дуге в четыре раза меньшем, чем в первом периоде, а силе тока в четыре раза большем. При этом происходит до плавление шихты, нагрев расплава, рафинирование и перемешивание расплава и шлака. В этот период можно эффективно проводить (за счет активного перемешивания) окислительный процесс подачей кислорода или железной руды.

В процессе рафинирования нагрев металла ведется на полной мощности при коротких включениях дуги. Доля энергии, передаваемой в этот период непосредственно от дуги к расплаву, превышает 80% подведенной. Интенсивная теплопередача от дуги к расплаву реализуется при усиленном воздействии поля электромагнитных сил на расплав. Скорость теплопередачи от дуги к расплаву увеличивается пропорционально росту силы тока.

В процессе плавки постоянно происходит эффективное перемешивание металла и его активное взаимодействие со шлаком, что позволяет легче, чем на печи переменного тока, проводить процессы десульфурации и дефосфорации. Перемешивание также обеспечивает получение чугуна, однородного по химическому составу и температуре, способствует более полному удалению растворенных газов и неметаллических включений из расплава.

2.2.3.2. Индукционный нагрев