Раздел 6. Выплавка чугуна в литейных цехах

Выплавка чугуна

Плавка чугуна в литейном производстве (вторичная плавка) производится в следующих плавильных агрегатах: вагранках (В), индукционных печах (ИТП), дуговых печах (ДСП). Соответственно различают методы: ваграночный, индукционной и дуговой плавки чугуна.

Пламенные печи стационарные и вращающиеся (ПлС, ПлВ) используют очень редко для переплава крупногабаритного лома, например, чугунных прокатных валков, или получения одновременно больших масс металла.

В крупносерийном и массовом производстве отливок широкое распространение получили дуплекс– и триплекс–процессы плавки чугуна.

Дуплекс-процессы для двух типов печей (возможно сочетание одной из плавильных печей с АРУ). Триплекс-процессы, включающие плавку в одной из печей, доводку в другой и заливку в форму при помощи АРУ. В этом случае возможно сочетание дуплексов с АРУ.

Кроме того, возможно и весьма энергетически экономично применение дуплекс-процесса доменная печь – электропечь. При этом жидкий чугун из доменной печи сливают для доводки в индукционную или дуговую печь.

а – вагранка; б – индукционная тигельная печь; в – индукционная канальная печь; г – дуговая печь; д – АРУ – автоматическое различное устройство; 1 – ХII – дуплекс-процессы соответственно В–ДСП; В–ИКП; В–ИТП; ИТП–ИТП; ИТП–ИКП; ИТП–ДСП; ДСП –ИТП; ДСП–ИКП; ДСП–ДСП; плавильная печь–АРУ; XIII – триплекс-процессы: плавильная печь – миксер – АРУ.

Рисунок 34 – Классификация процессов плавки и технологические схемы основных видов печей для плавки чугуна:

Технологические схемы плавильных печей

Наиболее распространенным чугуноплавильным агрегатом является вагранка. Она имеет шахту, в нижней части которой расположены фурмы 2 для подачи воздуха, шлакоотделительное устройство 3 и копильник 4. В шахту загружается холостая колоша кокса на высоту 1, 2-1, 5 м от уровня фурм, а также рабочие колоши состоящие из металлошихты, кокса и флюса. Чугун плавится за счет теплоты, выделяющейся от сгорания кокса и стекает в нижнюю часть вагранки, называемую горном, и скапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска на заливку.

Пламенные печи ПлС и ПлВ работают периодически. В рабочее пространство загружают твердую шихту или заливают жидкий металл из вагранки, включают горелки или форсунки и ведут плавку.

Индукционные печи (ИТП), получающие все более широкое распространение, просты по конструкции. Металл находится в тигле. Шихту обычно загружают в так называемое «болото», т.е. в жидкий металл от предыдущей плавки (~1/3 массы плавки). Индукционные токи наводятся в металле индуктором 2, охватывающим тигель в виде обмотки. Выпуск готового чугуна осуществляется путем наклона печи.

Дуговые печи ДСП загружают шихтой сверху, свод 4 при этом отводится в сторону, шихта, а затем жидкий металл находятся в ванне 2. Расплавление производится при помощи дуговых разрядов, создаваемых электродами 3. Выпуск готового чугуна осуществляется путем наклона печи по желобу 2.

В качестве печи ожидания наиболее целесообразно применять ИКП, так как они имеют более высокий КПД по сравнению с другими электропечами. Генерация теплоты в этих печах производится в канале 1, заполненном жидким металлом 3 и охватывающем подобно обмотке трансформатора сердечник 1 с первичной обмоткой.

В АРУ обычно также используется индукционный канальный источник генерации теплоты (как и в ИКП). Металл 1, находясь в канале 2, постоянно подогревается. Для автоматической разливки используют давление на металл сжатым воздухом через отверстие 3 в своде. При этом уровень в основной емкости понижается, и металл через отверстия 4 выжимается из АРУ и поступает в литейную форму 5.

1 – твердый металл; 2 – кокс или карбюризатор; 3 – флюсы; 4 – подаваемый газ; 5 – футеровка печи; 6 – жидкий металл; 7 – жидкий шлак; 8 – газовая фаза печи

Рисунок 35 – Схема взаимодействия фаз по зонам (а) и периодам плавки (б)

Плавка чугуна в вагранках

В настоящее время самым распространенным чугуноплавильным агрегатом является вагранка, простота конструкции которой обеспечила ей широкое распространение во всем мире. Однако открытые коксовые вагранки выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газов и пыли, а также не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к температуре и качеству чугуна при производстве сложных отливок. В связи с этим вагранки оснащают устройствами для дожигания и очистки отходящих газов и подогрева воздушного дутья.

Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняют вдвинутыми водоохлаждаемыми, быстросменными, по типу фурм доменных печей. Вагранки имеют огнеупорную футеровку; в большинстве случаев эта футеровка выполняется из шамотных огнеупорных изделий.

Рисунок 38 – Классификация вагранок

Для футеровки остальных зон используют изделия ШБВ и ПБВ. Кроме кислой футеровки, которая выполняется из шамотных и полукислых огнеупоров, вагранки могут иметь основную футеровку. Она используется лишь в тех случаях, когда надо получить из вагранки малосернистый чугун за счет применения основных шлаков. Работают эти вагранки обычно на горячем дутье.

Для футеровки горна вагранок с водяным охлаждением, имеющих длительный цикл работы, применяют углеродистые огнеупоры в виде блоков или набивной углеродистой массы.

Накопление металла может осуществляться в нижней части вагранки, называемой горном, или в специальном копильнике. В соответствии с этим различают вагранки с копильником и без него.

Кокс в вагранке находится в виде толстого слоя холостой колоши и более тонких слоев рабочих колош. Его горение при подаче воздуха в фурмы определяет физико–химические условия процесса плавки.

Рисунок 39 – Изменение температуры и состава газов по зонам вагранки (t_г и t_M – температуры газов и металла)

В районе фурм кислород подаваемого в вагранку воздуха реагирует с углеродом кокса

С + О₂ = СО₂.

За кислородной зоной холостой колоши следует редукционная зона, в которой происходит восстановление (редукция) двуокиси углерода до окиси

СО₂ + С = 2СО.

При расходе кокса 10–12% от металлозавалки и подаче воздуха 100–120 м³/(м²∙ мин) в результате протекания реакций горения и восстановления суммарный коэффициент расхода воздуха а 0, 8, и ваграночные газы при выходе из холостой колоши содержат 15% СО₂, 10% СО и 75% N₂.

Вагранку подразделяют на четыре зоны.

I. Зона нагрева. Твердые шихтовые, материалы реагируют с газовой фазой, атмосфера окислительная, происходит окисление железа по реакции

Fe + СО₂ = FeO + СО.

На поверхности металлических кусков шихты возможно окисление и других элементов чугуна, металл также насыщаться серой из газа

3Fe + SО₂ = FeS + 2FeO.

Известняк в этой зоне разлагается по реакции

СаСО₃ = СаО + СO₂.

Топливо теряет влагу и летучие вещества.

II. Зона плавления. Металлические компоненты шихты расплавляются. Процессы окисления, насыщения серой и обезуглероживания протекают более интенсивно, чем в зоне I. Происходят вторичные реакции окисления элементов закисью железа FeO, которая, стекая вместе с расплавленным металлом, реагирует с Si, Mn и С по реакциям типа

Me + FeO = Fe + MeO.

III. Зона перегрева. Ее подразделяют на две подзоны IIIа – редукционную зону и IIIб – кислородную зону холостой колоши. В подзоне IIIа протекает реакция восстановления СО₂. Жидкий металл стекает по кускам кокса в виде капель и струек, перегревается, начинаются процессы науглероживания, растворения углерода и серы из кокса и восстановления элементов по реакциям

С + (МеО) = [Ме] + {СО}.

В этой зоне начинается шлакообразование.

В подзоне IIIб кокс горит по реакции. Происходит интенсивное окисление элементов по реакциям типа Me + 1/2O₂ = МеО, и в первую очередь – железа, закись которого окисляет Si, Mn, С по реакции типа. В этой зоне наблюдается энергичное науглероживание при контакте капель металла с коксом, восстановление элементов по реакциям типа и заканчивается образование шлака.

IV. Зона накопления, т.е. горн. Металл и шлак в этой зоне немного охлаждаются. Металл скапливается в горне и, контактируя с коксом, растворяет углерод, а также серу кокса. Вагранки, в которых накопление металла производится в горне, дают чугун с повышенным содержанием углерода и серы.

В итоге всех физико-химических процессов угорает 15 – 25% Si, 25 – 30% Mn от первоначального их содержания в шихте. Количество углерода и серы в итоге увеличивается.

Угорает некоторое количество железа. Его окислы, окислы кремния и марганца, зола топлива и оплавившаяся футеровка образуют ваграночный шлак.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78