3.Технологический процесс плавки чугуна в вагранке

3.1ТЕПЛОВЫЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЛАВКИ

Тепловые процессы при плавке в вагранке определяются горением топлива, теплообменом между топливом, продуктами его сгорания и шихтовыми материалами, а также химическим взаимодействием между металлическими компонентами, шлаком и газовой фазой. В качестве топлива в коксовых вагранках, кроме кокса, иногда используются различные виды коксобрикетов, термоантрацит и литейный антрацит. Основной горючей составляющей в них является углерод, горение которого может протекать по следующим реакциям:

Содержание СО и СО2 в отходящих газах колеблется в широких пределах в зависимости от качества и расхода кокса, температуры, количества дутья и ряда других причин (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Состав отходящих газов коксовой вагранки

Основным продуктом реакций в кислородной зоне является СО2. В редукционной зоне преимущественно идет реакция (3.4). Высота кислородной зоны при холодном дутье равна 6 – 8 диаметрам кусков кокса, а при подогреве воздуха до 500 °С – 4 – 6 диаметрам. Изменение расхода дутья не оказывает заметного влияния на высоту зоны. Температурный режим иллюстрируется рис.11.

В связи с интенсивным отбором тепла от газов на плавление и перегрев чугуна реакция восстановления СО2 идет не полностью и практически прекращается при температуре газов около 1000°С в так называемой третьей, подготовительной зоне.

27

В соответствии с теплотехническими процессами вся шахта вагранки может быть разделена на зоны: нагрева шихты до температуры плавления; плавления; перегрева жидкого металла; охлаждения металла (горн). Как показали исследования, температура металла находится в прямой зависимости от высоты расположения h зоны плавления и при подогреве дутья, например до 450 °С, рассчитывается по

гранки главным образом за счет реакции восстановления СО2.

Из факторов, влияющих на температуру металла (tМе) при плавке в вагранке, основными являются: количество и температура подогрева дутья, степень обогащения его кислородом, расход и качество кокса, количество стального скрапа в шихте, угар элементов и др. Например, подогрев дутья на каждые 100°С или обогащение его кислородом на 1% повышает температуру в кислородной зоне

на 70 – 75°С, а tМе на

15 – 25°С. Увеличение расхода кокса с 8 – 10% до 12 – 14% повышает tМе на 60

– 100°. Дальнейшее увеличение расхода кокса оказывает заметное влияние на tМе только тогда, когда из-за недостаточного объема шахты вагранки, крупногабаритной шихты или чрезмерного форсирования дутья нагрев шихты до температуры плавления происходит в условиях незавершенного теплообмена. При увеличение расхода дутья уровень начала расплавления поднимается, а уровень его окончания – снижается; максимальный нагрев чугуна обеспечивается в кислородной зоне, поэтому полное расплавление шихты должно заканчиваться на возможно более высоком уровне, во всяком случае выше границы между редукционной и кислородной зонами. Такое расположение зоны плавления уменьшает угар элементов, получающий наибольшее развитие в кислородной зоне. Однако при этом нужно учитывать, что угар 1% Si повышает tМе на 220°, а угар 1% Mn – на 65°.

Оптимальный удельный расход воздуха, обеспечивающий максимальную высоту среднего уровня зоны плавления и, соответственно, максимальную тем-

пературу металла, зависит от приведенной толщины кусков шихты

28

нм3/(м2·мин)

Для того чтобы уменьшить высоту зоны плавления и сохранить преимущества от высокого удельного расхода дутья, полезно применять вагранки с доменным профилем шахты. При таком профиле зона плавления находится в наиболее широкой части шахты – в распаре, а зона горения – в наиболее узкой части – в горновой, и поэтому высота зоны плавления при иных равных условиях будет минимальной.

Металлургические процессы заключаются в диссоциации известняка, образовании шлака, угаре элементов и других окислительно-восстановительных реакциях между газовой фазой, шихтой и шлаком.

Содержание влаги в шихте невелико (1,5 – 2,5% – в известняке, 3 – 6% – в коксе) и испарение ее происходит в самом верхнем слое шахты ва-

гранки. В этой же зоне происходит выделение из кокса летучих веществ, составляющих обычно не более 1% от массы кокса. Интенсивное разложение известняка происходит при t = 900÷ 1000°С, когда упругость его диссоциации, увеличивающаяся с подъемом температуры, превышает парциальное давление CO2. В этих условиях образующаяся при разложении известняка CO2 легко удаляется из его внутренних пор, увеличивая реакционную поверхность и ускоряя тем самым процесс диссоциации. Известняк подается в вагранки для образования жидкотекучего шлака из посторонних продуктов, поступающих вместе с шихтой, из сплавившейся футеровки, золы кокса, продуктов окисления шихты. Состав шлака определяет его основные свойства: температуру плавления, вязкость и основность. Наиболее тугоплавкими являются окислы SiO2 (tпл = 1625°С), СаО (tпл = 2370°С), Al2O3 (tпл = 2060°С). Образование двойных и тройных соединений этих окислов, особенно эвтектического состава, понижает tпл шлака (например, эвтектика, состоящая из 62% SiO2, 14,75% Al2O3 и 23,75% СаО, имеет tпл = 1155°С).

Состав и свойства ваграночного шлака оказывают большое влияние на характер плавки и свойства полученного металла. Шлак в вагранке образуется в результате угара элементов чугуна (1 – 2% массы металла, из них кремний угарает на 10 – 20%, марганец на 10 – 30%, железо на 0,25 – 1,5%), оплавления футеровки (0,4 – 3%), прилипания к шихте песка и формовочной смеси (2%), образования золы топлива (1 – 2%), ввода флюсов в целях понижения вязкости шлаков (2,5 – 4%), флюсы полностью переходят в шлак. Таким образом, шлака образуется 6 – 8% массы жидкого чугуна. Средний состав шлака для кислого процесса следующий, %: 40 – 60 кремнезема, 20 – 35 извести; 2 – 20 глинозема; 1 – 5 маг-

29

незии; 0,5 – 10 закиси железа; 1 – 5 закиси марганца; 0,1 – 0,5 оксидов фосфора; 0,05 – 0,03 серы; 0,2 – 0,3 чугуна в виде запутавшихся капель.

Три составляющие – кремнезем, оксид кальция и глинозем – дают 80 – 90% всей массы шлака. Их соотношение определяет температуру плавления шлака и его жидкотекучесть. Шлак должен иметь высокую жидкотекучесть, обеспечивающую его легкое отделение от чугуна, стекание по стенкам шахты без образования настылей, дополнительное поглощение серы из чугуна и легкость удаления через шлаковую летку. Вязкость шлака снижается, а жидкотекучесть повышается при замене части СаО на MgO с повышением содержания в шлаке FeO и МnО. Однако повышенное количество FeO и МnО свидетельствует о холодном ходе плавки и повышенной окисленности чугуна Шлак становится темным, почти черным, вместо зеленого. Оксиды FeO и МnО сильно разрушают футеровку печи.

Для получения шлака с наибольшей жидкотекучестью рекомендуется, чтобы отношение кремнезема к глинозему в нем было 6 – 8, а отношение оксида кальция к оксиду магния 2. Хорошо понижает вязкость ишака плавиковый шпат CaF2, который ускоряет реакции обмена между шлаком и чугуном, увеличивает растворимость серы в шлаке. Однако плавиковый шпат сильно разъедает футеровку печи и дорого стоит.

Состав шлака надо подбирать таким образом, чтобы он меньше взаимодействовал с основными составляющими футеровки печи, последняя для уменьшения разрушения должна быть по возможности менее пористой. Для шамотной футеровки желательно иметь шлак по составу, близкий шамоту, %: 40 – 48 SiO2; 10 – 15 А12О3; 25 – 30 СаО; до 8 FeO; 5 – 8 МnО; 3 – 5 MgO. Для вагранки, футерованной основными материалами, желательно иметь шлак следующего состава, %: 25 – 30 SiО2; 40 – 50 СаО; 2 – 20 А1203; 1 – 5 MgO; 0,5 – 3 FeO; 1 – 3 МnО; 0,5 – 1,0 P2O5; 0,5 – 1,08 S.

Характерные составы шлаков приведены в табл. 3.2

30

Наиболее подвижными являются шлаки состава: 45 – 50% СаО; 35 – 40% SiO2; 10 – 15% Al2O3. Уменьшение содержания СаО до 35% незначительно сказывается на вязкости шлака, а увеличение его содержания свыше 50% приводит к резкому ее повышению; окислы FеО, MnO, MgO в обычных концентрациях, наоборот, значительно снижают вязкость шлака, чему также способствует присадка в качестве флюса, кроме известняка, плавикового шпата. Количество и основность шлака определяются, главным образом, расходом известняка (рис. 12). В футерованной вагранке масса шлака может быть определена по уравнению:

где МеОшл – содержание окислов Fe и Мn в шлаке, %; А – содержание золы в коксе. %; К – расход кокса, %;

С повышением tМе массовая доля FeO и МnО в шлаке резко снижается (рис. 13). Количество шлака, его основность и содержание в нем FeO и МnО наряду с расходом кокса, температурным и шлаковым режимом плавки оказывают большое влияние на угар элементов (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Угар элементов при плавке в коксовой вагранке, %.

Примечание.

Знак "–" – угар; "+" – пригар.

31