2. Ваграночный процесс

В качестве топлива при плавке в вагранках можно применять кокс каменноугольный, антрацит, древесный уголь, торфяной кокс и воздушно-сухой торф; возможна плавка и на дровах; преимущественное применение имеет каменноугольный кокс.

Кислород воздуха, поступающего в вагранку через фурмы, встречает на своем пути толстый слой раскаленного кокса холостой колоши и, соединяясь с углеродом, образует окись углерода по формуле:

При наличии свободного кислорода окись углерода сгорает в двуокись углерода по формуле:

 

 

Поднимаясь вверх по шахте вагранки, CO2 встречает раскаленные куски топлива и взаимодействует с углеродом последнего; в результате этого двуокись углерода частично восстанавливается в окись углерода по формуле:

эта реакция может происходить до тех пор, пока газы не поднимутся до зоны, где температура окажется близкой к 500°. Количество образовавшейся окиси углерода зависит также и от времени соприкосновения двуокиси углерода с углеродом топлива: чем больше время этого соприкосновения, тем большее количество двуокиси углерода восстановится в окись углерода.

Отсюда следует, что для уменьшения потерь тепла, происходящих в результате приведенной реакции, необходимо стремиться к быстрому удалению СО₂ из вагранки (путем увеличения количества дутья). В тех же целях при прочих равных условиях следует предпочитать для вагранки менее пористое топливо, так как задержка СО₂ в порах топлива увеличивает возможность перехода СО₂ в СО.

Выше зоны восстановления СО₂ в СО будет область, где состав газов остается постоянным, а температура по мере движения кверху будет падать за счет расхода тепла на нагревание загруженных в вагранку чугуна и топлива.

На рис.2. представлен график распределения температур в вагранке, а на рис.3. — распределение СО₂ (в %) по сечению вагранки.

Из рассмотрения графика температур видно, что в вагранке имеется область максимальных температур; она носит название плавильного пояса. Опытами установлено, что высота плавильного пояса для чугуна составляет около 200 мм.

Чугун начинает плавиться с момента вступления его в плавильный пояс. Для правильного хода плавки необходимо, чтобы вся металлическая колоша успела расплавиться в течение того времени, когда нижележащий слой топлива выгорит на высоту плавильного пояса. Отсюда следует, что предельная высота чугунной колоши зависит от высоты плавильного пояса и скорости выгорания нижележащих слоев топлива.

При правильной плавке в момент окончательного расплавления чугунной колоши ее верх должен дойти до нижней границы плавильного пояса.

Следующий за слоем чугуна слой топлива должен иметь такую толщину, чтобы в момент окончательного расплавления одного слоя чугуна начал плавиться другой. Если слой топлива будет слишком толст, то в расплавлении чугуна наступит перерыв, во время которого горение топлива будет бесполезным; при слишком тонком слое топлива чугун будет получаться холодный.

Определение веса коксовой колоши можно произвести по эмпирической формуле:

где Р_к — вес кокса в кг;

F — площадь поперечного сечения вагранки в м²;

q — объемный вес кокса в кг/м3 (приблизительно 450 кг/м3);

h — высота рабочей колоши в м (принимается равной 150—200 мм в зависимости от диаметра вагранки).

Вес металлической колоши может быть подсчитан также по эмпирической формуле:

где k — расход кокса в рабочей колоше в % от веса металлической колоши; величина k принимается равной от 10 до 16% веса металла в рабочей колоше.

Топливо, сжигаемое в вагранках, должно обладать высокой теплотворной способностью, содержать минимальное количество влаги и серы, давать минимальное количество золы, быть достаточно прочным при высоких температурах, т. е. не слишком измельчаться при движении от колошника к горну под влиянием механического воздействия вышележащих слоев и высокой температуры, быть возможно более плотным.

Хотя вагранка по устройству в основном подобна доменной печи, однако в доменном процессе целью является восстановление железа из окислов, в ваграночном — расплавление и перегрев металла. В доменном процессе СО играет роль восстановителя и поэтому является полезным и необходимым участником процесса; в ваграночном процессе наличие СО связано с неполнотой использования теплотворной способности топлива и, следовательно, вредно.

Расплавляемый в вагранке металл подвергается химическим изменениям; эти изменения будут тем меньше, чем короче время нахождения расплавляемого металла в зоне наивысших температур. Отсюда следует, что в целях уменьшения изменений химического состава расплавляемого металла и, в частности, в целях уменьшения угара металла следует стремиться к тому чтобы плавильный пояс, обеспечивая расплавление шихты, был возможно тоньше.

Для уменьшения размера холостой колоши желательно более низкое положение плавильного пояса.

Для уменьшения угара чугун тотчас после расплавления нужно выпускать в копильник 1 (рис.4.).

При отсутствии копильника изоляция поверхности накопленного в горне металла достигается за счет глубины горна.

В табл.1. приведен тепловой баланс нормальной вагранки.