Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

25.10.2023

Размер:

14.28 Mб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 3514 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

Рис. 40. Номограмма для определения основных размеров газовой ваг ранки в зависимости от тепловых условий.

J 30

Правый нижний квадрат номограммы	связывает температуру
чугуна на желобе копильника или в ковше сразу после		выпуска с
температурой газов и удельным съемом	металла с 1 м2	площади

бассейна. Этот раздел номограммы построен на основании опытных данных, в соответствии с которыми изменение удельного съема на 1 т/м2 влечет за собой изменение температуры получаемого чугуна на 5°, а изменение температуры газов в камере перегрева вызывает примерно равное себе изменение температуры металла. Здесь име ется в виду температура газов по показаниям термопары, располо женной на высоте 100—200 мм от поверхности бассейна. При сжи гании газа в вагранке, конструкция которой обеспечивает тепловое

напряжение (3-т4) • 10б ккал/м3	• час и пирометрический		коэффици
ент -мпир = 0,85, как это имеет	место в газовой вагранке		с уступами
в шахте, температура газов будет		зависеть только от	величины
теоретической температуры горения
tc	= tT	'"^пир.

Теоретическая температура горения, в свою очередь, зависит от со става используемого природного газа и применения каких-либо ме тодов интенсификации процесса, например подогрева воздуха или обогащения воздуха кислородом. При построении номограммы бы ло принято, что сжигание газа производится при оптимальных зна чениях коэффициента расхода воздуха а и скорости выхода газо воздушной смеси из сопла горелки.

Левый нижний квадрат номограммы выражает графически за висимость: *

где GM —производительность вагранки, т/час; <7М—съем металла, т/м2; Р6— площадь поверхности бассейна, м2.

Два раздела номограммы, расположенные в ее средней части, связывают производительность вагранки и удельный расход газа со скоростью газов в шахте при определенном ее диаметре. Левый квадрат построен в соответствии с формулой:

& r = l 3 2 - G M - ° ' 2 2 6 .

Правый квадрат по осп абсцисс имеет логарифмическую шкалу скорости газов на свободное сечение шахты при 0°С, соо нм/сек. Расчет для построения производился исходя из того, что 1 нм3 при родного газа при сжигании с а = 1 дает 11,3 нм3 продуктов сгора ния, потеря газов через шлаковую летку принята 10%. Количество продуктов сгорания, проходящее через шахту, будет

VT =	Gu-br.U,3-a-0,9.

131

В итоге деления на площадь сечения с определенным диаметром получилась скорость газов на свободное сечение шахты.

Логарифмическая шкала скорости ю0 по оси абсцисс отложена в правом верхнем квадрате, который служит для определения ко

эффициента теплопередачи Куш в зависимости		от со0	и	средней
температуры газов в шахте tcp.	Номограмма для определения Куш
построена на основании зависимости:
Л,1/ш =	4 У - ш 0 -tcp .
При этом приняты значения	^„ = 700, 800, 900,	1000,	1100,	1200 и
1300°С.

Левый верхний квадрат предназначен для определения объема

металлозавалки в шахте в зависимости				от производительности ва
гранки и величины параметра:
Kvm		• Atcp
См	' -^'"м ~ЬЯт
Пучок наклонных прямых выражает зависимость:
f>	А"Кш- А^с р			,r
	~Z	Г77Г	„-qT	у ш-
	Ск-М		„-qT

По объему шахты, загружаемой шихтовыми материалами, могут

быть найдены ее размеры. При этом		форма	горизонтальных		сече
ний и профиль шахты	выбираются,	исходя	из оптимальных		газо
динамических условий.
На номограмме показан пример пользования ею.
Предположим, что задана производительность				вагранки
5,5 т/час и температура	чугуна 1395°С. Необходимо определить при
оптимальных условиях	сжигания газа с холодным воздухом разме
ры бассейна и шахты.	Определение начинаем с правого нижнего
квадрата. Температура	газов нашего случая		tr=2000 • 0,85= 1700°С.
Проводим против абсциссы 1395°С вертикаль до прямой				£Г =1700°С.

Получаем удельный съем металла <7„ = 4 т/м2. На этом уровне ведем прямую до пересечения с вертикалью GM =5,5 т/час. На пересече нии будем иметь величину площади бассейна F 6 = 1,375 м2, что со ответствует диаметру 1320 мм. Проводя затем вертикаль произво

дительности		в левый	средний	квадрат -до пересечения				с	кривой
br	= / ( G M ) ,	получим	на левой	оси ординат		этого	квадрата		величи
ну ^г =89,5 нм3/т, которая характеризует					экономичность			агрегата.
Горизонталь		6Г = 89,5 в правый		средний	квадрат до прямой				приня
того диаметра шахты О ш = 900 мм дает					значение		(Оо~2,15		нм/сек.
Продолжая эту линию в правый верхний						квадрат до			прямой
tcp	=1000°С, получаем значение
		AVui~2l00		ккал/м3-нас-град.

132

Затем подсчитываем значение параметра	— — . Для	наше-
го случая Д4 Р =380° С, См -Ы" + <7Т=266, поэтому _ ^ ^ £ £ _		=3000.
	См ' Д^"м + 9т

Откладываем это значение на оси ординат левого верхнего квадра та и на пересечении с вертикалью GM = 5,5 т/час получаем Vm = = 1,83 ж3 , что при диаметре шахты 900 мм соответствует высоте за грузки шихты

Я ш = - ^ l =	ЬВ	= 2 , 9 м.
SU I	д - 0 , 9 а
	4

Таким образом, номограмма, построенная на основании резуль татов проведенных исследований, позволяет определить основные размеры газовых вагранок.

6. М Е Т А Л Л У Р Г И Ч Е С К И Е О С О Б Е Н Н О С Т И П Л А В К И Ч У Г У Н А В Г А З О В О Й В А Г Р А Н К Е

Изменение содержания полезных элементов чугуна при плавке в газовой вагранке

Анализ продуктов сгорания в камере перегрева газовой вагран ки, результаты которого приведены в табл. 27, показывает, что с увеличением коэффициента расхода воздуха возрастает содержа

ние свободного кислорода в продуктах								сгорания	и уменьшается СО
и Н2 . Содержание					С 0 2 при увеличении			значения а до 1 повышает
ся, а затем			снижается.							Т а б л и ц а	27
										Т а б л и ц а	27
		Состав		и температура		продуктов сгорания в газовой				вагранке
Коэффициент			расхода воздуха, а . . .				0,95	0,98	1,00	1,02	1,05
Состав		сухих	продуктов		сгора	с о 2	9,9	10,9	11,6	11,4	11,1
ния	в	камере	перегрева газо
вой	вагранки		при	загруженной
шахте,		объемный		%		0 2	нет	нет	0,1	0,5	1,2
						н 3	0,8	0,3	0,1	нет	нет
						с о	1.6	0,6	0,1	0,1	нет
Температура			в камере		перегре		1680	1700	1695	1690	1675
ва	при	загруженной шахте, °С . . . .

133

Из табл. 27 видно, что при а = 1 в продуктах сгорания имеется свободный кислород, который в процессе плавки чугуна в газовой вагранке может окислять железо, а через его окислы — и другие полезные примеси чугуна. Расчеты показали, что указанного коли

чества	кислорода при а = 1 достаточно, чтобы окислить около 1%
железа	от веса металлической шихты.

Зависимость угара элементов в чугуне от коэффициента расхода

воздуха при плавке	в газовой		вагранке	представлена в табл.		28.
					Т а б л и ц а	28
Угар элементов		при плавке в газовой			вагранке
	Угар	элементов в чугуне, %
Коэффициент расхода					Температура получаемого
воздуха, а	С		Si	Mn	чугуна, °С
воздуха, а	С		Si	Mn
0,92	3,8		8,0	15,2	1320
0,95	4,1		9,8	17,8	1355
0,98	6,8		12,0	22,2	1390
1,00	7,6		14,2	24,2	1395
1,02	8,5		16,4	27,3	1400
1,05	9,4		19,1	30,3	1380
1,10	10,0		24,4	33,4	1355

Данные угаров элементов в чугуне получены при многофакельном сжигании газовоздушной смеси.

Видно, что угары кремния, марганца и углерода возрастают с увеличением коэффициента расхода воздуха в газовоздушной сме си. С ростом а температура получаемого чугуна повышается до


значения		а = 1,02, а затем		начинает снижаться. Несовпадение мак
симума		температуры газов, которое			наблюдается при а = 0,98
(табл. 27), и температуры				получаемого	чугуна (табл. 28) объясня
ется	некоторым		повышением температуры металла при а = 1,02 за
счет	окисления		элементов	чугуна свободным кислородом газовой

фазы. Понижение температуры металла при а > 1,02 связано с тем, что теплоты окисления элементов чугуна становится недостаточно,


чтобы компенсировать		понижение температуры за			счет уменьше
ния теплоотдачи от продуктов сгорания				металлу.
Изменение	угара углерода в чугуне при переходе с однофакель-
ного на многофакельное		сжигание газа не имеет резко выраженно
го характера. Это объясняется двойным				влиянием	многофакельно
го сжигания газа на металлургический				процесс: с одной стороны,
уменьшается	кислородный		потенциал газовой фазы, а с другой —
увеличивается	температура		системы. Эти два фактора влияют на
угар углерода в противоположных направлениях,					в связи с чем
количественно	угары углерода при односопловой и				многосопловой

134

горелочных системах совпадают. На угары кремния и марганца оба


фактора действуют в сторону					уменьшения их величин, что видно
из сравнения опытных данных.
С увеличением			скорости выхода			газовоздушной		смеси		из соп
ла горелки	при а = const угары				углерода, кремния			и марганца в
чугуне возрастают			в связи с некоторым повышением					температуры
в факеле, а следовательно, и в камере перегрева металла,										и дис
социацией продуктов				сгорания.
Анализ	данных			многочисленных. экспериментальных					и	произ
водственных		плавок		в газовых вагранках показал, что при сжига
нии холодной		газовоздушной смеси с а = 0,98					1 и подаче 2—5%
природного	газа от его расхода				на	сжигание	через	третий		(верх
ний) ряд многосопловой горелочной						системы общий		угар	углерода

в чугуне находится в пределах 5—12%, кремния 8—12%, марган ца 15—20% в зависимости от состава шихты и первоначального содержания элементов в шихте.

Газовые вагранки позволяют получать чугун с содержанием углерода в пределах от 2,1 до 4%, что при условии оптимального сжигания газа достигается за счет шихтовки. Так, для снижения содержания углерода в получаемом чугуне в состав шихты добав ляется в соответствии с расчетами стальной лом. Повышенное со держание углерода в чугуне достигается при использовании в со

ставе шихты передельных и литейных чугунов		(ЛК-3, ЛК-4, ЛК-5),
содержащих свыше 4% углерода.
Содержание кремния и марганца в получаемом из газовых			ваг
ранок чугуне регулируется подбором состава шихты с учетом			уга
ра' этих элементов при плавке, добавлением	в шихту низкопроцент
ных лигатур или на струю жидкого металла		высокопроцентных
лигатур (ферросилиция, ферромарганца).
Расчет шихты для выплавки в газовой	вагранке чугуна		опре

деленных марок производят аналогично расчету шихты для коксо

вых вагранок с той лишь		разницей, что обязательно	производят
расчет	и по углероду. В табл. 29 приведены составы		шихт и хими
ческие	составы шихтовых	материалов и получаемого чугуна для

четырех наиболее распространенных марок чугуна.

Сера при плавке чугуна в газовой вагранке

Сера относится к вредным примесям чугуна, так как снижает его прочность и пластичность. В коксовых вагранках содержание серы в чугуне увеличивается в связи с переходом ее в жидкий ме талл из кокса. -

При плавке чугуна в газовой вагранке содержание серы в по лучаемом металле меньше, чем в исходной шихте, на 20—50%, при чем в чугуне отливок серы обычно 0,03—0,05%, а при использова-

135

				Т а б л и ц а 29
Расчет шихты для выплавки различных			марок чугуна в газовой		вагранке
			Марка чугуна
Состав шихты и содержание
элементов в чугуне		СЧ 15-32	СЧ 18-36	СЧ 21-40	СЧ 24-44
		СЧ 15-32	СЧ 18-36	СЧ 21-40	СЧ 24-44
С о с т а в ш и х т ы :		42	38	33	30
Чугун литейный	. . . .	42	38	33	30
		30	30	30	30
		25	30	36	33
Ферросилиций доменный .		—	—	—	5
Ферросилиций доменный .		3	2	—	—
Чугун зеркальный . . .		—	—	1	2
Содержание в	шихте, %:	—	—	3,3	3,15
С		3,75	3,6	3,3	3,15
Si		2,5	2,1	1,65	1,5
Мп		0,6	0,75	0,75	0,75
Угар, %:		12	11	9	8
		12	11	9	8
Si	.	12	10	8	8
Мп		15	20	20	20
С о д е р ж а н и е	в в ы п
л а в л е н н о м	ч у г у н е ,
1%:		3,3	3,2	3,0	2,9
		3,3	3,2	3,0	2,9
		2,2	1,9	1,5	1,4
		0,5	0,6	0,6	0,6
нии собственного возврата ее содержание				понижается	до 0,023—
0,027%. '

Уменьшение серы в чугуне в первую очередь связано с окисли тельными процессами на поверхности твердых кусков металла в

зоне	нагрева	шихты. В связи с тем что при достигаемых темпера
турах	в этой	зоне (до 1200°С) изобарный	потенциал образования
FeO меньше		по величине, чем образования	FeS, происходит окис
ление серы и		переход ее в газовую фазу.

В газовой вагранке возможно окисление серы при поступлении капель и струек жидкого металла в бассейн и в самом бассейне с открытой от шлака поверхностью. Кислород в этом случае расхо дуется из газовой фазы (продуктов сгорания).

В ванне жидкого металла возможно окисление серы кислоро дом, растворенным в металле, с выделением S02 . Возможна также аналогичная реакция в шлаке, например за счет кислорода (FeO). Из жидкого металла через газовую фазу вагранки удаляется мень шее количество серы, так как парциальное давление S0 2 IB газовой

фазе, равновесное с ванной, имеет весьма малую	величину (око
ло Ю - 7 ат). Ввиду этого удаление серы в газовую	фазу, например

136

в	мартеновских печах,	составляет 10—15% (при содержании	серы
в	шихте 0,04—0,05%)	[85]. Поэтому десульфурация в газовой	ваг

ранке сводится в основном к переводу серы из металла в шлак.

Чем больше в	шлаке FeO, СаО, МпО, тем больше серы перехо
дит из металла в	шлак. В соответствии с общими закономерностя

ми удалению серы из металла способствуют жидкоподвижные шлаки с высокой температурой, что характерно для шлаков газо вой вагранки, перегреваемых на поверхности бассейна продуктами сгорания, имеющими высокую температуру.

В связи с тем что сродство серы с марганцем больше, чем с же лезом, в жидком чугуне протекает также реакция:

FeS + Mn - > MnS -4-Fe.

Температура плавления сернистого марганца высокая (1620°С), но в соединении с Si0 2 и другими окислами он образует легкоплав кие комплексы [85], которые всплывают на поверхность жидкого металла и удаляются со шлаком.

Шлаки при плавке чугуна в газовой вагранке

Источниками образования шлака при плавке чугуна в газовой вагранке являются окислы, вносимые с шихтой и образующиеся в процессе окисления элементов чугуна газовой фазой, флюсы, до бавляемые к металлической шихте, а также оплавляющаяся и раз мываемая жидкими окислами, флюсами и металлом огнеупорная футеровка.

При плавке чугуна в коксовых вагранках с шамотной футеров кой в качестве флюса обычно применяется известняк, который, из меняя химический состав кислого шлака, делает шлак жидкоподвижным и легко отделяемым от жидкого металла. В коксовых ваг ранках в шихту добавляется 3—3,5% известняка от веса металлозавалки. В процессе плавки образуется 6—8 кг шлака на 100 кг за


гружаемой металлической	шихты. Состав		шлака колеблется в до
вольно широких пределах: 40—50% Si02 ;			1 —15%	FeO;	10—25%!
А12 03 ; 15—35% СаО; 1—4% MgO; 1—5% МпО.					футеров
При плавке чугуна в газовых вагранках с шамотной
кой шахты и высокоглиноземистой		кладкой камеры перегрева в
связи с отсутствием кокса	и его	золы количество		добавляемого

к шихте известняка может быть уменьшено. Для определения оп тимального количества флюса, добавляемого к металлозавалке, были проведены опытные и производственные плавки в газовых вагранках. В этой серии плавок поддерживался постоянным коэф фициент расхода воздуха а == 0,98 и через третий ряд сопел много сопловой горелочной системы подавалось на подсвечивание про-

137


дуктов	сгорания			5% природного газа		от его расхода на сжигание.
Шихта	состояла			из 40% литейного		чугуна ЛК-1 и 60% возврата
собственного			производства.		Применяемый		в качестве флюса ме
таллургический				известняк	имел следующий		химический	состав:
69,4%	СаО; 1,8%			MgO; 3,5% А1й03; 0,45/% FeO; 2% Si02 ; 22,85%
COj. Количество				добавляемого в шихту известняка изменялось в
пределах		0,25—1,5% от веса металлозавалки. В процессе						плавки
отбирался		шлак		на анализ	с порога	нижнего уступа, с поверхно
сти бассейна в камере перегрева и на выходе из шлаковой								летки
копильника.			Результаты анализов			шлака,	взятого на выходе из
шлаковой		летки		копильника	при различных		количествах добавляе

мого к шихте известняка, но других одинаковых условиях, при ведены в табл. 30.

					Т а б л и ц а 30
Зависимость состава шлака от количества флюса
			Химический	состав шлака
Количество известняка
в % к металлозавалке	SI02	FeO	А1 а 0 3	СаО	MgO	MnO
	SI02	FeO	А1 а 0 3	СаО	MgO	MnO
0,25	' 45,6	9,8	34,4	7,4	0,31	2,49
0,50	45,0	5,6	27,6	18,6	0,55	2,65
1,00	44,2	4,4	23,4	24,0	0,72	3,28
1,50	43,3	3,05	18,0	31,0	0,90	3,75

Из табл. 30 видно, что с увеличением количества известняка, добавляемого к шихте, повышается содержание в шлаке СаО, MgO

и	заметно снижается содержание AI2O3, которая поступает в шлак
в	основном	из высокоглиноземистых огнеупоров камеры перегре
ва. Близким		по составу к шлаку коксовых вагранок и жидкопод-

вижным получается шлак, когда к металлической шихте добавля ется 1% известняка. При плавке в газовой вагранке с таким коли

чеством известняка		образуется 2,5—3 кг шлака на 100 кг			металло
завалки, что в 2—3 раза меньше, чем яри плавке в				коксовых ваг
ранках.
Результаты определения			химического состава	шлака,		взятого
по высоте	камеры	перегрева	и на выходе из шлаковой		летки ко
пильника, для случая добавления в металлозавалку				1%	известня
ка приведены в табл. 31.
Данные	табл. 31 свидетельствуют о том, что на пороге					нижнего
уступа, а следовательно, и в зоне плавления FeO в шлаке						больше,
чем в бассейне и копильнике. (Под FeO понимается				суммарное со

держание железа в шлаке, пересчитанное на FeO.) По мере пере мещения шлака вместе с жидким металлом кислород FeO частич-

138

Т а б л и ц а 31

>.Изменение состава шлака по зонам вагранки

					Химический состав шлака, %
Место отбора		шлака
	на анализ		Sr'Oa	FeO	А1 а 0 3		CaO	MgO	МпО
			Sr'Oa	FeO	А1 а 0 3		CaO	MgO	МпО
Порог	нижнего	уступа .	36,6	16,0	8,8		36,0	1,10	1,50
Бассейн камеры перегре-			43,4
			43,4	5,6	21,2		25,9	0,90	3,00
Копильник		. . . .	44,2	4,4	23,4		24,0	0,72	3,28
но расходуется на			окисление	кремния, марганца				и углерода	чугу
на, в связи с чем содержание				FeO в шлаке уменьшается, но увели
чивается количество Si0 2 и МпО, причем						Si0 2	поступает в шлак и
с оплавляющейся			футеровки. Процентное				содержание AI2O3 в
шлаке	повышается		за счет поступления			его из высокоглиноземи

стой футеровки камеры перегрева. В связи с увеличением в камере перегрева и копильнике общего количества шлака по сравнению с

исходным его количеством в зоне			плавления процентное		содержа
ние СаО в шлаке уменьшается.
7. П О Л У Ч Е Н И Е О Т Л И В О К И З С Е Р О Г О Ч У Г У Н А , В Ы П Л А В Л Е Н Н О Г О
	В К О К С О В Ы Х И Г А З О В Ы Х В А Г Р А Н К А Х
	Механические свойства серого чугуна
Исследование механических			свойств чугуна проводилось [78,
80] на стандартных образцах и специально разработанных						пробах,
заливаемых	чугуном,	выплавленным в производственных				газовой
и коксовой	вагранках.
Результаты определения химического состава и механических
свойств чугунов, выплавленных при проведении				экспериментально-
производственных плавок на газовой и коксовой				вагранках,, приве
дены в табл. 32.
Данные	таблицы	показывают,	что газовая вагранка		позволяет
выплавлять	широкий	диапазон серых чугунов с пластинчатым гра

фитом и что механические свойства этих чугунов выше по сравне нию с чутунами, имеющими то же значение величины углеродного эквивалента, но выплавленными в коксовой вагранке.

Превышение предела прочности при растяжении чугуна, вы плавленного в газовой вагранке, над пределом прочности при рас тяжении чугуна коксовой плавки возрастает с увеличением углерод ного эквивалента. В среднем указанное превышение предела проч ности при растяжении чугуна газовой плавки равно 20 %,

139

<<< < Предыдущая 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 / 3514 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 > Следующая >>>

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ