книги из ГПНТБ / Титов, Н. Д. Технология литейного производства учебник для машиностроительных техникумов

горна поступает в копилы-шк. После плавки необходимо ремонтиро­ вать желоб вагранки: очистить от настылей п шлаковых наростов и обмазать его огнеупорной массой, применяемой для ремонта шахты вагранки. В случае необходимости футеровку желоба меняют пол­ ностью. После ремонта желоб просушивают.

Под набивают после ремонта вагранки. Сначала закрывают от­ кидное днище вагранки, а затем приступают к набивке пода формо­ вочной наполнительной смесью. Смесь набивают слоями 40—50 мм. Общая толщина набивки 150—250 мм. Чугунную и шлаковую летки лучше всего делать из специальных огнеупорных кирпичей

(рис. 170).

В кирпиче имеются два отверстия: одно — действующее, а вто­

ром около 200 X 200 мм для розжига дров и доступа воздуха к ним. Стружку и дрова поджигают. Розжиг начинают при закрытых фур­ мах и открытом отверстии в рабочем окне. После того как дрова хорошо разгорятся, загружают первую порцию кокса холостой ко­ лоши, который должен быть однородным с размерами 80—175 мм (по диаметру). Для ускорения розжига холостой колоши, в исключи­ тельных случаях, применяют искусственную подачу воздуха от вентилятора. При этом выделяется большое количество теплоты, вызывающей оплавление футеровки еще до начала плавки, кроме того, увеличивается расход кокса.

Розжиг холостой колоши можно производить природным или генераторным газом с помощью форсунок, вставляемых в рабочее окно или открытые фурмы. Розжиг холостой колоши газом длится 25—35 мин. После того как кокс разгорится, определяют высоту хо­ лостой колоши железным щупом диаметром до 10 мм с загнутым под прямым углом концом. Специальная метка на щупе показывает, до какой высоты необходимо поднять холостую колошу по отношению к порогу загрузочного окна. При высоте холостой колоши ниже за­ данной в вагранку добавляют кокс. Необходимо следить за равно­

270

мерным расположением столба кокса, не допускать его односторон­ ней засыпки. Под высотой холостой колоши подразумевается часть столба кокса, находящегося выше фурм. В вагранках с одним рядом фурм высота холостой колоши определяется расстоянием от верхней кромки фурм, а в вагранках с 2—3 рядами фурм — от верхнего ряда фурм. Обычно высота холостой колоши над фурмами составляет 800—1600 мм в зависимости от качества кокса, количества и тем­ пературы дутья, конструкции и диаметра вагранки и т. д.

Высоту холостой колоши устанавливают опытным путем. Если высота холостой колоши выбрана правильно, расплавленный чугун появится у фурм через 5—6 мин после пуска дутья; при слишком высокой колоше чугун появится через 10—20 мин, а иногда и позже.

Когда кокс холостой колоши хорошо разгорится, вагранщик заделывает кирпичом отверстие в рабочем окне, набивает зазор между стенкой и дверцей формовочной смесью, обмазывает глиной кромки дверцы и плотно ее закрывает. После полного разгара хо­ лостой колоши ее продувают воздухом в течение 2—3 мин при от­ крытых фурмах во избежание взрыва. В процессе продувки выдувают золу, коксовую мелочь и несколько снижают содержание серы в чу­ гуне первого выпуска.

К моменту выпуска чугуна из вагранки желоб вагранки должен быть хорошо высушен газовыми горелками. Копильник необходимо разогревать одновременно с вагранкой генераторным или природ­ ным газом. Для этого устанавливают горелку под сводом копильника так, чтобы факел был направлен на подину. В этом случае копильник хорошо и быстро прогревается.

Загрузка шихты в вагранку. На разогревшуюся холостую колошу загружают шихту отдельными слоями, состоящими из металличе­ ской части, кокса и флюсов, до порога загрузочного окна. Размер рабочей колоши кокса следует подбирать по объему, а не по массе. Наилучшая высота слоя рабочей колоши кокса 150—200 мм. По высоте рабочей коксовой колоши и площади сечения вагранки можно определить объем, а по нему и массу рабочей колоши. При этом считают, что масса 1 м3 кокса составляет 450 кг. Допустим, что

отсюда масса коксовой колоши 450-0,57 = 257 кг. Расход кокса составляет 10—16% массы металлической завалки. По массе рабочей коксовой колоши можно определить массу металлической колоши при любом расходе топлива. Допустим, что масса рабочей коксовой колоши равняется 12% массы металлической завалки,

257

которая составит ^ -^ = 2100 кг.

Расход кокса зависит от характера отливок. Для тонкостенных отливок требуется более горячий металл, поэтому расход кокса

271

большой, а для толстостенных отливок можно уменьшить расход топлива за счет увеличения массы металлической колоши.

Правильная загрузка вагранки металлом, топливом и флюсом влияет на ход плавки. Так как при длительных плавках футеровка вагранки выгорает и диаметр шахты вагранки увеличивается, осо­ бенно в Поясе плавления, то высота холостой колоши уменьшается, нарушается нормальный ход плавки. Чтобы восстановить высоту

шихты в бадью, взвешивание, транспортирование, подъем шихты на колошниковую площадку, загрузка в вагранку и подача порож­ ней бадьи на шихтовой двор полностью механизированы и автомати­ зированы. Предварительно взвешенная металлическая шихта по­ дается на колошниковую площадку в саморазгружающихся бадьях. Металл в бадьи загружается на шихтовом дворе из специальных бункеров (каждый металл из своего бункера). Взвешивание метал­ лической шихты производится на механизированной весовой тележке (рис. 171). Подъем шихты на колошниковую площадку и загрузка ее в вагранку осуществляется скиповым подъемником (рис. 172). Подача топлива и флюсов также механизирована.

Пуск дутья и процесс плавки чугуна в вагранке. После загрузки вагранки до уровня загрузочного окна и выдержки для подогрева шихты включают дутье при открытых фурмах, чтобы предотвратить взрыв, который может произойти при смешивании воздуха с СО,

272

проникшим в распределительную фурменную коробку. Через 1—2 мин после пуска дутья фурмы можно закрыть. Чугунная летка должна быть открыта до появления чугуна на уровне фурм, т. е. в течение 5—6 мин, после этого ее можно закрыть.§

§ 2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПЛАВКИ В ВАГРАНКЕ

При плавке в вагранке находятся шихтовые материалы и газы, движущиеся навстречу друг другу. Шихтовые материалы опуска­ ются сверху вниз и нагреваются газами, которые движутся снизу вверх и охлаждаются, отдавая теплоту шихте. Кроме процессов теплопередачи в вагранке осуществляются многочисленные хими­

зона холостой колоши; IV — кислородная зона холостой колоши и V — горн вагранки (рис. 173). Разберем процессы, происходящие в различных зонах коксовой вагранки.

Шахта вагранки. В этой зоне нагревающийся твердый металл вступает в химические реакции только с газовой фазой. Железо,

273

соединяясь с газами, образует Fe30 3 и Fe30 4, а также может наугле­ роживаться. При этом происходит растворение углерода в метал­ лической фазе. Растворимость углерода в у—Fe изменяется от 0,8% при 723° С до 2% при 1130° С. Избыточный углерод находится в виде графита либо в форме карбида.

Образование этих обеих фаз протекает по реакциям

2СО^=СО, + С; 2CO-b3Fe — COa + Fe3C

В результате окисления углерода образуются газообразные продукты, удаляющиеся с поверхности металла, в результате окис­

сколько ниже их температуры плавления. Если шихта хорошо

металла. Если металлическая шихта плавится в пределах зоны III, не содержащей кислорода, то металлургические процессы, проте­ кающие в зоне II, совершенно идентичны процессам, протекающим

взоне /.

Впериод плавления возможно поглощение серы металлом по реакции

3Fe + S02 == FeS -|- 2FeO

274

значительно интенсивнее, чем в верхних слоях шахты вагранки. Газы в этой зоне не изменяют своего состава, по сильно охлаждаются, так как они отдают теплоту на нагрев и плавление металла.

Редукционная зона. В этой зоне капли металла перегреваются за счет высокой температуры газовой фазы и главным образом за счет раскаленного кокса. Атмосфера в зоне, как и в первых двух зонах, слабоокислнтельная.

Окислы железа, образующиеся на поверхности капли металла, растворяются в самой капле и передают кислород элементам чугуна, имеющим большее сродство с кислородом, чем железо, а именно кремнию, марганцу и частично углероду. В то же время капли металла, соприкасаясь с топливом, растворяют углерод и серу топлива.

Между газом и топливом происходит реакция С02 + С = 2СО.

Вследствие протекания этой реакции, а также передачи теплоты каплям металла температура газов резко снижается, но остается несколько выше температуры плавления металла. В этой же зоне происходит ошлакование твердой извести СаО жидким кремнеземом Si02 с образованием шлака.

Кислородная зона. Атмосфера в зоне IV более окислительная, чем в зоне III, так как в.ней имеется свободный кислород. Капли металла перегреваются за счет теплоты газов и кокса и вследствие окисления примесей чугуна газовой фазой. Проходя струю холод­ ного воздуха у фурм, капли шлака охлаждаются, а капли чугуна перегреваются за счет теплоты окисления примесей.

В зоне перегрева температура наивысшая — 1600—1650° С. Железо окисляется по реакции

2Fe + Oa = 2FeO.

Затем кислород соединяется со следующими элементами:

2FeO + Si = S i0 2 + 2Fe;

FeO + Мп = MnO + Fe;

FeO + C = CO + Fe

Если в чугуне имеется хром, то и он окисляется:

3FeO + 2Сг = Сг20 3 + 3Fe

При сильном перегреве чугуна выгорание кремния, марганца и хрома может прекратиться. Чем больше перегрев чугуна, тем интенсивнее выгорание углерода при одновременном насыщении жидкого чугуна углеродом из кокса. В зоне IV вагранки сера кокса сгорает в основном в S02.

Горн вагранки. Атмосфера в горне окислительная в верхней части, в средней — слабоокислительная и у подины неокислитель­ ная.

275

В зоне V металл и шлак охлаждаются за счет потерь теплоты через стенки и дно горна.

Влияние газовой фазы зависит от уровня металла н шлака, скапливающегося в горне вагранки. Если уровень шлака в вагранке, не имеющей копилышка, поднимается до фурм или близко к ним, происходит окисление металла через шлак за счет кислорода воз­ духа. Чем ниже уровень шлака, тем менее окислительной будет атмосфера в горне вагранки. Чем больше глубина горна, тем дальше от фурм находится уровень шлака, тем меньше окисление металла в горне, и наоборот: чем меньше глубина горна, тем ближе к фурмам уровень шлака и больше окисление металла в горне. Чем толще слой шлака, тем медленнее происходит процесс передачи кисло­ рода металлу, тем меньше его окисление.

Если вагранка имеет копильник, то угар металла при прохож­ дении его через горн будет минимальным. В горне продолжается процесс растворения углерода в жидком металле, если это раство­ рение не достигло предела насыщения в расположенных выше зонах III и IV.

Этим пределом насыщения можно считать содержание углерода, соответствующее эвтектическому.

При науглероживании содержание углерода обычно не превы­ шает эвтектического более чем на 0,1—0,2%.

В первых порциях чугуна растворяется сера из поверхностных слоев кусков кокса, расположенных в горне вагранки. Плавясь, металл стекает в горн отдельными каплями и струйками, не пере­ мешивающимися друг с другом. Поэтому в вагранках, не имею­ щих копильника, достаточно полного перемешивания чугуна не про­ исходит.

Процессы, протекающие в копильнике. Чугун стекает с подины горна через соединительный канал в копильник, где происходит перемешивание чугуна и за счет диффузии его состав выравни­ вается.

В копильнике кислородом закиси железа будут окисляться кремний и марганец, так как кремний и марганец имеют большое сродство с кислородом. Продукты окисления всплывают в шлак.

Чугун в копильнике остывает в результате потери теплоты через стенки копйльника.

Вследствие прохождения металла через все зоны вагранки происходит угар тех элементов, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо. Практически угар кремния составляет 20—25%, а иногда и больше; 25—30% Мп, 20—25% Сг. Никель, кобальт и медь совсем не выгорают. Углерод угорает, но одно­ временно происходит насыщение чугуна углеродом, и поэтому чугун в конечном счете насыщается до эвтектического состава.

В некоторых случаях необходимо получать в вагранках низ­ коуглеродистые чугуны. Для этого в шихту добавляют стальной лом, а фурмы располагают на небольшой высоте (250—300 мм) от подины, чтобы уменьшить науглероживание чугуна и его насыще­

276

ние серой. В этом случае можно получить чугун с содержанием

2,7—2,8% С.

Ннзкоуглероднстые чугуны можно получать в вагранках с сили­ катной холостой колошей. Для этого часть холостой колоши ниже уровня фурм заменяют шамотным кирпичом, выложенным в клетку. Эту часть колоши предварительно сильно разогревают, чтобы умень­ шить охлаждение чугуна. При добавке в шихту около 35% сталь­ ного лома в вагранках с силикатной колошей можно получать чугун с содержанием до 2,2—2,3% С.

Шлаки в ваграночном процессе. Ваграночный шлак влияет на характер плавки и свойства чугуна. Количество и состав вагра­ ночного чугуна зависят от ряда факторов: режима плавки, каче­ ства исходных шихтовых материалов и флюсов, а также от кон­ струкции вагранок. В процессе плавки источниками образования шлака являются: 1) зола топлива, переходящая в шлак (1—2% массы металла); 2) угар элементов: 10—35% Si, 15—50% Мп, 0,25—1,25% Fe, в результате угара примесей в вагранке обра­ зуется 1—2% шлака; 3) оплавление футеровки (0,4—4% массы металла); 4) песок (0,3—2%) и окислы (0,25—0,75%), попадающие в вагранку с шихтой; 5) флюсы, которые добавляют для понижения вязкости шлака (3—4% массы металла). Всего в процессе плавки образующийся шлак составляет 3—4% массы металла.

Шлак состоит из кремнезема, окиси кальция и глинозема, суммарное содержание которых достигает 80—90% всей массы шлака. Соединения типа К20 и Na20 находятся в шлаке в не­ больших количествах (0,2—0,5%), фосфор — в пределах 0,1—0,5%, сера 0,2—0,8% и окислы металлов остальное. Шлак содержит небольшое количество чугуна — 0,2—0,5% завалки.

Ваграночный шлак должен обладать низкой температурой плавления и хорошей жидкотекучестью (малой вязкостью). Высо­ кое содержание окислов железа в шлаке ухудшает механические свойства чугуна, способствует образованию пористости.в отливках, снижает стойкость футеровки и увеличивает угар элементов в вагранке. Окислы марганца (МпО) повышают механические свойства чугуна в результате легирования его марганцем, но с увеличе­ нием содержания марганца снижается стойкость футеровки.

Окислы магния (MgO до 10%) в шлаке повышают прочность чугуна. Такие окислы, как СаО, А1а0 3 и Si02 в допустимых пре­ делах не влияют на механические свойства чугуна. Шлаки, бедные окислами, не изменяют форму графита и структуру основной ме­ таллической массы. Шлаки разрушают футеровку, поэтому в печах с кислой футеровкой нельзя применять основные шлаки и наоборот.

Для вагранок, футерованных шамотным кирпичом, желательно иметь шлаки следующего состава: 42—48% Si02, 10—15% А120 3; 25—30% СаО; менее 8% FeO; 2—5% МпО и 3—5% MgO. В ваг­ ранке можно обогащать чугун фосфором, марганцем, никелем и другими элементами. Для этого следует увеличить количество окислов указанных элементов в шлаке. Для ввода в чугун фосфора

277

необходимо применять апатито-нефелиновую руду, для ввода мар­ ганца — марганцевую руду, мартеновский шлак.

Способы удаления серы из чугуна. При плавке чугуна в обычной вагранке на кислых шлаках содержание серы будет зависеть от содержания серы в шихте и топливе. Установлено, что серы перей­ дет в металл тем меньше, чем меньше ее в применяемом коксе, так как кокс является главным источником насыщения чугуна серой. Крупные куски и минимальное количество кокса в колоше уменьшают содержание серы, так как меньше площадь соприко­

сновения металла с коксом. Со­ держание серы в чугуне зависит от высоты холостой колоши кокса (чем ниже холостая ко­ лоша, тем меньше серы). Подача воздуха в вагранку способствует удалению серы в атмосферу с газами (S02).

Для удаления серы из чу­ гуна применяют обработку ва­ граночного чугуна кальциниро­ ванной содой, карбидом каль­ ция, магнием и кальцием.

Жидкий чугун обрабатывают содой следующим образом: в ковш пли копплышк наливают жидкий чугун, а затем в жид­

кий чугун вводят присадку соды. При этом в присутствии угле­ рода, действующего как раскислитель, будут протекать следую­ щие реакции:

Na2C03 + FeS + С = Na2S -г Fe + СО + СО.,;

Na2C03 + MnS + С = Na2S + Mn + СО + С02

Чтобы сера не восстанавливалась и не перешла в чугун, необ­ ходимо на поверхность его насыпать известь, а затем удалять шлак с поверхности чугуна счищалкой. Расход соды на 1 т жидкого чугуна составляет 1—1,5 кг, при этом количество серы в чугуне уменьшается на 30—40% общего количества серы, находящейся

вжидком чугуне.

Сцелью уменьшения содержания серы и фосфора чугун пла­

вят в вагранках с основной футеровкой. В качестве огнеупорного материала для футеровки вагранки используют магнезитовый, Доломитовый и хромомагнезитовый кирпич. Это позволяет приме­ нять основные шлаки и резко (на 40—60%) снизить содержание серы в чугуне. Основность ваграночного шлака определяется отно­ шением содержания основных окислов в шлаке к кислым:

%СаО + %MgO+ % МпО + % FeO

%Si02 + % (ALA-рSi02) + %ТЮ2 + % Р20 6

278

и повышенной (более 2,5) основности.

Зависимость содержания серы в чугуне от основности шлака приведена на рис. 174.

Подогрев дутья или применение кислорода в дутье также спо­ собствует снижению содержания серы в чугуне.

Для получения в вагранке с основной футеровкой чугуна с низ­ ким содержанием фосфора необходимо иметь в шлаке повышенную концентрацию СаО и FeO.

Хорошие результаты достигаются при одновременном вводе в вагранку в качестве флюса известняка и железной окалины или руды. В этом случае необходимо иметь основность шлака в преде­ лах 1,8—1,9. Чем больше в шлаке FeO, тем быстрее будет проте­ кать процесс обесфосфоривания чугуна.

§ 3. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ В ВАГРАНКЕ

Для увеличения производительности вагранки, повышения тем­ пературы чугуна и экономии топлива применяют следующие спо­ собы интенсификации процесса плавки: 1) регулирование количе­ ства подаваемого воздуха; 2) регулирование количества и каче­ ства топлива; 3) подогрев дутья; 4) обогащение дутья кислоро­ дом.

Подача оптимального количества воздуха в вагранку. Коли­ чество воздуха влияет на высоту зоны горения и на температуру, развивающуюся в вагранке. С увеличением количества подавае­

В результате удлиняется н путь движения капель чугуна в области высоких температур и перегрев чугуна увеличивается. Кроме того, повышается температура газов, так как топливо полностью сгорает. Поэтому при увеличении количества подаваемого воздуха расши­ ряется зона высоких температур, повышается температура газов и столба кокса холостой колоши.

Установлено, что оптимальное количество подаваемого в ваг­ ранку воздуха должно быть примерно 150 м3/мин на 1 м2 площади поперечного сечения вагранки.

При увеличенном расходе топлива и постоянном расходе воз­ духа производительность вагранки уменьшается, хотя температура чугуна повышается. Это объясняется тем, что через зону высоких температур проходит меньше чугуна. На производительность ваг­ ранки и перегрев чугуна влияет не только количество воздуха, но и количество и качество топлива. При холодном и горячем дутье

сувеличением количества подаваемого воздуха температура чугуна

ипроизводительность вагранки повышаются (рис. 175). На произ­ водительность вагранки и повышение температуры чугуна влияет

279