Работа вагранки
Вагранка может быть подразделена на несколько зон (рис. 7).
Первая зона - зона нагревания. В этой зоне сырье нагревается до определенной температуры, при этом теряет влагу. При температуре 300-400°С начинается процесс снижения уровня оксида железа. Температурные границы этой зоны – 200…800°С.
Вторая зона - зона преобразования заложенного в вагранку сырья. Температура в ней варьируется – 800…1250°С. В этой зоне доломит (CaCO3, MgCO3) распадается и высвобождается CO2. Амфиболит может начать разрушаться, так как он становится более ломким при высоких температурах. Происходит дальнейшее снижение уровня оксида железа. Заложенный кокс находится в неактивном состоянии, пока он не нагревается до температуры 1000°С. Прямое снижение оксида железа (FeO) возможно за счет частичного протекания реакции восстановления.
Рисунок 7. Схема работы вагранки (производство минеральной ваты)
— — — — температура газа
—————— температура сырья
Третья зона непродолжительна, в ней идет плавление заложенных в вагранку материалов. Температура плавления магматических пород варьируется 1250…1400°С. Образующиеся из доломита в процессе обжига оксиды кальция и магния не плавятся при таких температурах – они растворяются в расплаве. Температура плавления магматической породы зависит от качества породы и ее зернистости. При таких высоких температурах прочность амфиболита уменьшается. Подвергаясь весовой нагрузке столба шихты, материал разрушается, процесс плавления происходит легче. Похожее происходит с доломитом, температура разрушения которого приблизительно 800°С.
Четвертая зона – зона горения кокса. Она расположена над фурмами. В этой зоне кокс нагревается до температуры, при которой он начинает гореть вместе с кислородом. Подаваемое дутье может быть холодным, или может подогреваться в теплогенераторе, что усилит процесс горения кокса. Кокс даёт при горении либо углекислый газ CO2, либо угарный газ CO. В первом случае высвобождается намного больше энергии. Такое горение называется полным окислением, и оно идет в тех частях вагранки, где кокс получает для горения наибольшее количество кислорода. При нормальных условиях работы вагранки СО в отходящих газах не должен превышать 4,0%.
При температурах более 600°С создаются идеальные условия для формирования CO. Реакция зависит от температуры, поверхности контакта кокса с СО2 и времени, в течение которого газ остается в контакте с раскалѐнным коксом. С точки зрения энергоэффективности процесса, данная реакция крайне нежелательна, так как требует потребления кокса и процесс идет с отбором тепла. Выделение СО усугубляет загрязнение атмосферы и увеличивает восстановление F2O3 до чугуна, который скапливается в подине вагранки. Поэтому производители минваты стараются использовать кокс с наименьшей реакционной способностью (литейный кокс), а не доменный, который имеет весьма пористую структуру и дает при горении большой % СО.
В четвертой зоне температура достигает предела. Мы подразделяем температуру на температуру отходящих газов, кокса и расплава. Исследования показывают следующие максимальные температуры: температура расплава - 1500°С, кокса - 1800°С, газа – выше 2000°С. Расплав нагревается до 1300…1500°С при прохождении сквозь всю рабочую зону и сохраняет данную температуру даже на выходе из вагранки.
Пятая зона – подина (днище) вагранки. Ее называют зоной сепарации. В этой части чугун отделяется от силикатного расплава и опускается на дно вследствие своей более высокой плотности.