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

весных металлоотходов в слабощелочном растворе едкого натра. Этот метод не получил распространения. Более распространен по­ догрев шихты. Предварительный нагрев шихты благоприятно ска­ зывается на технологии приготовления жидкого металла. В процес­ се подогрева шихты из нее удаляются вещества, содержащие водо­ род, насыщение которым чугуна нежелательно. Устранение влаги из шихты предохраняет от возможных взрывов и выбросов металла из печи. В результате предварительного подогрева производитель­ ность плавильной индукционной печи повышается и плавка в ней становится более экономичной. Теоретически при предварительном подогреве шихты до 760°С производительность плавильной установ­ ки может вырасти на 50% по сравнению с плавкой на холодной за­ валке. Однако, учитывая коэффициент полезного использования электроэнергии 0,7—0,9, действительно возможный рост производи­ тельности печи будет ниже. Как показывает практика эксплуата­ ции, производительность индукционной печи емкостью Э т и мощно­ стью 1750 кет при использовании подогретой шихты увеличилась на 37%, а емкостью 23 г — на 26%.

В настоящее время существует много устройств для подогрева шихты, использующих в качестве топлива газ, мазут, а также элект­ рическую энергию.

Фирма «Brown Boverb (ФРГ), поставляющая преимущественно тигельные индукционные печи для плавки чугуна, изготовляет и пе­ чи специальной конструкции для предварительного подогрева ших­ ты [138]. Подогревательные печи фирмы, обеспечивая высокую ско­ рость подогрева шихты до нужной температуры, решают также проблемы, связанные с очисткой. Влага и другие летучие вещества (масла, эмульсии) полностью удаляются из шихты. Цветные ме­ таллы (свинец, баббит, бронза и другие сплавы), попавшие в шихту, расплавляются в процессе подогрева и осаждаются на поду печи. Газы, пары влаги, дым, выделяющиеся в нагревательных печах, улавливаются и удаляются вытяжной вентиляцией за пределы це­ ха. В индукционные плавильные печи загружается подготовленная чистая шихта, исключается засорение воздуха цеха.

С целью механизации и автоматизации подачи подогретой ших­ ты из нагревательных в плавильные печи печи подогрева размеща­ ют непосредственно на плавильной площадке. При этом обеспечива­ ется отсос тепловых потерь нагретой шихты автоматическим ди­ станционным управлением загрузочной системы. Оба типа агрега­ тов, т. е. нагревательные и плавильные печи, находятся под управле­ нием одного и того же оператора. Для плавильных индукционных печей емкостью до 9 г печь подогрева снабжена краном со стрелой, который, поворачиваясь к индукционной печи, подает подогретую шихту непосредственно в тигель плавильной печи. Для плавильных печей средней емкости (до 12 т) камера топки нагревательной печи

212

Рис. 66. Установка печи для подогрева шихты.

делается стационарной, но нагревательная камера поворачивается вместе с консольным краном к плавильным индукционным печам (рис. 66). Установка, состоящая из двух индукционных печей 1 и одной нагревательной печи 2 с краном 3, позволяет значительно уве­ личить производительность плавильных агрегатов и повысить эконо­ мичность плавки. Для больших плавильных индукционных печей фирмой разработана нагревательная печь другого типа. Подогретая шихта из нагревательной печи разгружается с помощью механизма поворота на конвейер, транспортирующий ее в плавильную печь. Когда конвейер не используется по назначению, он убирается из плавильной площадки и, таким образом, не мешает обслуживанию индукционных печей (скачивание шлака, заливка). В литейных це­ хах большой мощности иногда на каждую пару крупных плавиль­ ных индукционных печей устанавливается одна печь для подогрева шихты соответствующей мощности [138].

В литейном цехе английской фирмы «G. Clacey,Ltd» имеется спе­ циальная установка для обработки стружки перед ее загрузкой в индукционные печи (рис. 67), расположенная на складе шихты пер­ пендикулярно загрузочному пролету индукционных печей, рядом с закромами для хранения необработанной стружки. Загрузка уста­ новки стружкой производится с помощью электромагнита мостового крана, управляемого с пола, который подает стружку на решетку буферного бункера /, откуда тарельчатым питателем 2 и вибраци­ онным конвейером 3 она выдается во вращающийся сушильный ба­ рабан диаметром 1370 мм и длиной 7,3 м. Барабан работает на жидком топливе. В барабане сушка стружки проводится в 3 стадии: 1) косвенный и непосредственный нагрев стружки с дистиляцией

213

Рис. 67. Установка обработки стружки перед загрузкой ее в индукционную печь.

масла и испарением влаги; 2) собственно сушка и предварительное охлаждение сухой стружки; 3) окончательное охлаждение стружки и выдача ее из сушильного барабана. Косвенный нагрев стружки осуществляется нагревательной камерой 15 с перфорированным сводом, через отверстие которого продукты горения обогревают ко­ жух барабана. Непосредственно нагревает стружку горелка 7, по­ дающая тепло внутрь барабана. Температура в барабане измеряет­ ся термопарами 27. Вторая стадия — сушка стружки не требует под­ вода тепла извне, так как здесь достаточно тепла, сохранившегося в стружке после первой стадии. Затем начинается постепенное охлаж­ дение стружки. На третьей стадии заканчивается охлаждение стружки и одновременно подогревается воздух, который поступает в сушильный барабан через загрузочное отверстие. Тепло, выделяе­

щего сгорания 4 и затем в дымовую трубу 26. Чистая, сухая и охлажденная стружка из барабана поступает в приямок, из которо­ го ленточным транспортером и элеватором подается в закрома сухой стружки [139].

В США для больших установок индукционных плавильных печей сконструировано специальное устройство для обработки и подогре­ ва шихты перед загрузкой. Шихта подогревается до 600°С непосред­ ственно перед загрузкой, в проходных печах, обогреваемых природ­ ным газом. Высокий к. п. д. таких печей, а также дешевизна топлива

214

по сравнению с электрической энергией обеспечивает снижение стоимости металла, выплавляемого в индукционных печах [140].

В литейном цехе фирмы «ВпШоп Iron Wrks» (США), выпускаю­ щем свыше 325 т чугунных отливок в день, установлены четыре ти­ гельные индукционные печи промышленной частоты емкостью по 9 г [141]. Печи оборудованы установками для подогрева шихты с авто­ матизированной системой загрузки. В подогревателях, работающих на газе, шихта перед загрузкой в печь нагревается до 700°С. Каж­ дый подогреватель размещен на печной площадке непосредственно около печей. При периодической загрузке печей порциями подогре­ той шихты весом до 1 т суммарная производительность блока печей составляет не менее 18 т1час. Шихта печей состоит из 56% стального скрапа, 40% возврата и 4% доменного ферросилиция. Взвешивание шихты осуществляется с точностью ±0,2% на специальной установ­ ке. Перед загрузкой печей оператор предварительно вводит в печь определенную порцию углеродсодержащих добавок. Подогретая шихта, которая находится в поворотном бункере, высыпается из не­ го после того, как бункер встанет под печью, а пневмопривод откро­ ет днище. Время подогрева шихты составляет около 14 минут, по­ этому загрузка печей может повторяться чаще, чем через 17—18 ми­ нут, так как 3—4 минуты необходимы для удаления шлака, загруз­ ки и возобновления запаса шихты в подогревателе. При подогреве шихты автоматически регулируется скорость и время нагрева. Когда температура шихты достигнет 700°С, мощность газовых горелок ав­ томатически понижается. Подогреватели загружаются автоматичес­

темы состоит из двухскоростного подъемника, смонтированного в

шихты применяется довольно простая сушильная установка, состоя­ щая из газовой горелки с зонтом, которая монтируется над коробом с шихтой. Результаты работы установки вполне удовлетворитель­ ны [142].

Устройство несколько иного типа используется в Англии. Оно представляет собой цилиндрическую клеть, снабженную внизу дву­ мя створками грейферного типа. Внутренний диаметр клети около

215

2600 мм, высота ее около 2340 мм. В верхней части устройства уста­ новлена газовая горелка. Горячие продукты горения, пройдя слой шихты, удаляются из клети в ее нижней части. Стенки цилиндриче­ ской части клети зафутерованы огнеупорным кирпичом толщиной 2,5 дм. Челюсти грейфера не зафутерованы вообще, поскольку тем­

грейфера размыкаются. Устройство просто по конструкции и отли­ чается надежностью в работе (143]. В отличие от подогревателя с нижним расположением горелок этот подогреватель выделяет зна­ чительно меньше вредностей в пространство цеха (всего 0,16 кгЫас на 1 г шихты) {144].

В ФРГ имеются плавильные установки с 30-тонными индукцион­ ными печами мощностью до 6200 кет, снабженные устройствами для предварительного подогрева шихты. Подогрев шихты осуществля­ ется з четырех методических печах, работающих на газовом топли­ ве. Температура подогрева шихты 600°С. Применение предваритель­ ного подогрева шихты позволило повысить производительность плавильных печей на 25%, удешевить плавку металла и упростить устройство вытяжной вентиляции {145].

Итак, преимущества подогрева шихты для индукционной плавки чугуна весьма существенны: уменьшается стоимость электроэнергии и эксплуатационных расходов на 1 т жидкого чугуна, понижаются капитальные затраты плавильных агрегатов на 1 т расплавленного металла, уменьшается выделение газов и дыма из печи, удаляются легкоплавкие металлы. Поэтому предварительный подогрев шихты следует широко применять при выплавке чугуна в индукционных электропечах.

Технология выплавки чугуна в индукционной электропечи

Некоторые вопросы технологии при плавке чугуна в индукцион­ ных печах уже были рассмотрены в предыдущих разделах. Остано­ вимся на наиболее важных сторонах плавки: загрузке и расплавле­ нии, металлургических процессах науглероживания и обессеривания металла и получении металла определенного химического состава с заданными механическими свойствами.

Загрузка и расплавление. В крупных зарубежных литейных це­ хах, где смонтированы индукционные установки для плавки чугуна, как уже указывалось выше, операции загрузки шихты в печи меха­ низированы и автоматизированы.

Подача материалов в печь производится в определенной после-

216

довательности. Например, через каждые 20 минут в печь загружа­ ется 200 кг стального скрапа, 160 кг возврата и чушкового чугуна, через каждые 40 минут в печь вводится 22 кг кокса до тех пор, по­ ка в чугуне не будет обеспечено требуемое содержание углерода [142].

Шихта не должна падать в тигель с большой высоты во избежа­ ние его повреждения. Лучше, если шихта сползает. Сползание ших­ ты может быть обеспечено с помощью склизов, вибрационных кон­ вейеров, бадьей специальных конструкций. Удар шихты о футеровку должен быть боковым, а не верхним, так как в первом случае футе­ ровка работает на сжатие, а во втором — на срез, причем при этом ударной нагрузке подвергается наиболее хрупкая ошлакованная часть футеровки. Шихта перед загрузкой, как правило, подогревает­ ся, но если этого нет и шихта влажная и загрязнена маслом, эмуль­ сиями, то рекомендуется наполнять ее так, чтобы влажный лом не погружался сразу же в жидкий металл во избежание выбросов. Во­ обще же первую порцию сырого материала следует загружать при отключенной печи, когда движения металла в ней нет [146].

Плавка в индукционной печи может быть прерывной и непрерыв­ ной. При непрерывной плавке количество жидкого металла, выдава­ емого из печи за один раз, составляет 70—80%, а иногда и 100%. Преимуществом этого способа плавки является малое время реак­ ции между расплавом и огнеупорной футеровкой при высоких тем­ пературах. Благодаря этому типичная реакция SiC>2 + 2CZ^L 2СО +; + Si не получает должного развития. Другим преимуществом этого вида плавки является возможность сокращения количества проб ме­ талла для химического анализа и уменьшения времени на сопутст­ вующие операции. Существенным недостатком прерывной плавки является уменьшение 'мощности печи при периодическом опорожне­ нии. Вследствие этого при режиме плавки емкость печи выбирается несколько большей, чем она была бы выбрана при другом режиме и при одинаковой потребности в металле за определенный промежуток времени.

При непрерывной плавке (из печи за один раз выдается не более ! /ю всего металла) уменьшение потребляемой мощности не наблю­ дается. Замеры температуры и определение химического состава делаются через более длительные промежутки времени. При таком способе плавки можно автоматизировать работу печи и добиться оп­ тимальной работы агрегата. При непрерывной плавке металла в пе­ чи величина кусков шихты должна быть не особенно мала, чтобы не наблюдалось очень быстрого растворения. Это необходимо для того, чтобы обслуживающий персонал смог за это время ввести легирую­ щие, науглероживающие, раскисляющие и другие добавки с учетом температуры металла.

Большое значение при плавке чугуна в индукционной печи име-

217

При выборе частоты тока индукционной печи необходимо учиты­ вать емкость печи, величину кусков шихты и т. д. Так, например, печь малой емкости имеет лучшие показатели при высоких частотах, а печь большей емкости — при низких. Если же печь работает на ча­ стотах меньших, чем оптимальная (при данных размерах печи), то будет наблюдаться сильное перемешивание металла, что может при­ вести к увеличению количества неметаллических включений в ме­ талле. Кроме того, наблюдается большая потеря металла за счет его окисления. В этом случае некоторые виды скрапа (например, струж­ ка, если в печи нет жидкого металла) не могут быть применены, а срок службы футеровки сокращается втрое. При частоте, выше опти­ мальной, перемешивание ванны металла очень слабое, что отражает­ ся на гомогенности металла, находящегося в печи [147].

можно не соблюдать. При данной требуемой производительности пе­ чи с понижением частоты тока потребляемая мощность становится меньше. С увеличением емкости эта разность увеличивается. Удель­ ный расход энергии у печей промышленной частоты меньше, чем у высокочастотных печей. Исключением являются печи емкостью ме­ нее 1 т [148]. Рекомендуется вести плавку в печи только тогда, когда она заполнена металлом не менее, чем на 2U высоты. В этом случае процент используемой энергии близок к 100 [149].

Перегрев металла в печах промышленной и промежуточной ча­ стоты протекает 'быстро. Скорость перегрева в первых 10°С/лшн, во вторых — 30°С/лшн. После достижения в печи необходимой темпера­ туры металла следует подавать ток небольшой силы. В печах боль­ шой емкости (10—15 т) для поддержания температуры металла по- •стоянной требуется 20—30 квт-ч на тонну жидкого металла в час.

стальной обрези и других малоценных отходов с дальнейшим науг­ лероживанием расплава и доведением его химсостава до заданного. В работе [151] приведены результаты исследований процесса получе­ ния синтетического чугуна из стружки в индукционной высокоча­ стотной печи с кислым тиглем емкостью 150 кг.

Установлено, что общий угар металла определяется номенклату­ рой шихтовых материалов и их окисленностью, способом ввода фер­ росплавов и карбюризатора, температурой нагрева и выдержкой ме­ талла. При выплавке чугунов из стальной стружки угар металла

218

меньше по сравнению с выплавкой из чугунной в 2—2,5 раза; при вводе ферросплавов и карбюризатора в завалку он меньше примерно в 1,5 паза, чем при вводе в жидкий металл. Так как стружка всегда в какой-то степени загрязнена, различают весовой и истинный угар металла. Для определения последнего весь образующийся шлак со­ бирали, взвешивали и анализировали. По этим данным рассчитыва­ ли количество в нем окислов Fe, Mn, Cr, Si, вносимых шихтой, а раз­ ницу относили на засоренность шихты. Истинный угар металла мень­ ше весового на 20—25%. Истинный угар при выплавке синтетиче­ ских чугунов из стальной стружки составлял от 0,3 до 6,2%, а из чу­ гунной 5,3—9,0%. Авторы [151] это объясняют большей поверх­ ностью и окисленностью чугунной стружки по сравнению со сталь­ ной, что подтверждается и количеством образующегося шлака и со­ держанием в нем окислов Fe, Mn, Si.

Степень и скорость усвоения ферросплавов и карбюризатора, равно как и угар элементов, зависят от способа их ввода, температу­ ры нагрева и выдержки металла. В качестве карбюризатора исполь­ зовали бой графитовых электродов. Степень и скорость усвоения уг­ левода зависят еще от размера кусков карбюризатора: если они больше 40 мм — скорость усвоения углерода уменьшается на 20— 25%. Скорость усвоения углерода жидким металлом с 1,3—1,62% С, 0,15—0,46% Si при 1400—1470°С достигает 0,12% в минуту, в сред­ нем 0,09%, продолжительность науглероживания до 3,2—3,6% С со­

Си 45 в Ж И Д К И Й металл выше, чем при вводе в завалку, в 1,4—1,5 ра­ за, он почти не зависит от выдержки металла, но изменяется с на­ гревом. Кремний выгорает только до 1420—1450°С, а при дальней­ шем нагреве восстанавливается углеродом, и при 1500—1550°С на­ блюдается его пригар с образованием окиси углерода. Скорость ус­ воения Si малоуглеродистым жидким чугуном с 1,3—1,62% С и 0,15—0,46% Si при 1420—1460°С составляет в среднем 0,1% в мину­ ту, а высокоуглеродистым чугуном при этой же температуре — толь­ ко 0,04% в минуту. Общий угар Si не превышает 25%, а при вводе ферросилиция в жидкий малоуглеродистый чугун составляет в сред­ нем 14,1%.

Марганец усваивается из Mn 1 на 80—90% со скоростью (при 1460°С) 0,1% в минуту; угар Мп для большинства плавок не превы­ шает 18% и зависит от способа ввода ферромарганца, от температу­ ры нагрева и почти не зависит от выдержки. При вводе ферромар­ ганца в жидкий металл одновременно с ферросилицием и боем элек­ тродов Мп горит меньше, чем при вводе в завалку. Степень и ско­ рость усвоения Сг жидким чугуном определяется температурой и

219

при 1365°С составляет 0,08, а при 1470°С —0,18% в минуту, угар ра­ вен 31,5 и 5,5% соответственно.

Максимальное содержание серы в чугунах, выплавленных из стальной стружки, составляет 0, 055%, а для большинства плавок не превышает 0,03%. При выдержке чугуна количество серы почти не изменяется, а при нагреве выше 1450°С несколько понижается. При 0,093% S в чугунной стружке содержание S в чугуне не превы­ шает 0,07%. Содержание фосфора в чугунах, выплавленных из стальной стружки, очень низкое, но несколько выше, чем в самой стружке; при нагреве металла содержание фосфора увеличивается в результате восстановления углеродом из окислов.

Механические свойства синтетических чугунов несколько выше ваграночных с равным углеродным эквивалентом С э , зависят от ис­ ходных шихтовых материалов, состава, температуры нагрева и вы­ держки металла. Структура синтетических чугунов при близких тем­ пературах заливки зависит не только от их состава, но и от исходных шихтовых материалов. У чугунов с равным С э структура металли­ ческой основы примерно одинаковая, но форма и количество графи­ та зависят от исходных шихтовых материалов. Так, у чугунов, полу­ ченных из стальной стружки, включения графита крупные, изолиро­ ванные и компактные, либо это очень длинные слабо завихренные пластины с притуплёнными окончаниями. Напротив, у чугунов, по­ лученных из чугунной стружки, пластины графита мелкие и сред- . ние, сильно завихренные, пересекающиеся между собой. Разница в количестве и форме графита при равном С э и близких температу­ рах заливки сказывается на механических свойствах: у чугунов, вы­ плавленных из стальной стружки, они более высокие, чем у чугунов из чугунной стружки. Прочность при разрыве и изгибе и твердость

снижается твердость, увеличивается прочность при изгибе и стрела прогиба, но почти не изменяется прочность при разрыве. Это свя­ зано с уменьшением в металле газов, особенно азота, и неметалли­ ческих включений.

Содержание азота в чугунах из стальной стружки несколько вы­ ше, чем в ваграночных [152] и синтетических, выплавленных из чу­ гунной стружки [151]. Это объясняется более высоким процентом азота в самой стальной стружке и внесением его ферросплавами, ко­ торых при этом вводится в несколько раз больше. Кислорода во всех синтетических чугунах почти столько же, сколько и в ваграноч­ ных, а в некоторых случаях даже значительно меньше [152]. Содер­ жание водорода несколько выше.

Результаты всесторонних промышленных исследований процесса получения синтетического чугуна приведены в работе [114].

Наиболее важным металлургическим процессом при плавке син-

220

тетического чугуна в индукционной электропечи является науглеро­ живание расплава, так как вся технико-экономическая целесообраз­ ность применения индукционных электропечей основана на примене­ нии в качестве шихтовых материалов стружки и других малоценных отходов. Науглероживание металла можно производить загрузкой углерод содержащих добавок прямо в шихту, что, например, часто наблюдается в американской практике. На одном из заводов науг­ лероживание производится коксом, загружаемым или в шихту, или непосредственно в жидкий металл. При науглероживании коксом усвоение углерода достигает 80%. Если после расплавления содер­ жание углерода в металле ниже требуемого, то в ванну металла вво­ дят графит, а если оно завышено — добавляется стальной скрап. Дополнительное науглероживание, как правило, приходится произ­ водить в среднем для одной плавки из десяти. При надлежащем уровне шихтовки обеспечивается постоянный состав чугуна с задан­ ным содержанием углерода в течение всей смены независимо от ос­ татка металла в печи [142]. Рекомендуется также вводить пылевид­ ный графит в струе газа на зеркало металла с последующей продув­ кой газа. Можно вводить углеродсодержащие добавки в специаль­ ном встряхивающем ковше [153]. После того как содержание углеро­ да поднялось до необходимого значения, целесообразно довести и содержание кремния до желаемого. Усвоение углерода металла в значительной степени зависит от времени его растворения, темпера­ туры металла и химического состава исходного металла. Растворе­ ние углерода — процесс, идущий с поглощением тепла. Поэтому в период науглероживания необходимо поддерживать температуру металла. Если науглероживающие вещества вводятся на ванну жидкого металла, то предварительно необходимо тщательно очис­ тить зеркало металла от шлака [154].

Большая работа по изучению процессов науглероживания про­ ведена в институте проблем литья АН УССР [114, 155].

Экспериментальная работа большей частью проводилась в ли­ тейном цехе каунасского завода «Центролит». Опытные плавки ве­ ли в тигельных индукционных электропечах с кислой футеровкой ИЧМ-1А, ИЧТ-6, ASEA-8, емкостью 1, 6, и 8 г. В качестве шихтовых материалов применяли дробленую стальную и чугунную стружку, ферросилиций Си 45 и Си 75, науглероживающие реагенты: бой эле­ ктродов, электродный порошок, сланцевый кокс, графит.

Электромагнитное перемешивание жидкого сплава в электропе­ чах промышленной частоты оказывает сильное влияние на процесс науглероживания. Установлено, что высокая интенсивность переме­ шивания в значительной степени способствует быстрому и полному усвоению карбюризатора (рис. 68 а) . Науглероживание является эн­ дотермическим процессом. Поэтому происходит падение температу­ ры в среднем на 50°С на 1% усвоенного углерода.-

221