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

экспериментировали в Японии, показана на рис 89Чугун из вагран­ ки / по желобу 2 поступает в приемник 3 устройства для электро­ перегрева, в котором установлен электрод 4. Далее, чугун проте­ кает по каналу 5 и поступает в выходной приямок 6, в котором ус­ тановлен второй электрод и из которого металл по желобу 7 уже в перегретом состоянии поступает в ковш. Электроды подключены к трансформатору 8.

На этой установке проведено исследование эффективности подо­ грева струи жидкого чугуна. Оборудование для нагрева состояло из трансформатора мощностью 100 ква и двух графитовых стержнейэлектродов. Трансформатор имел 5 ступеней напряжения вторичной цепи: 12, 14, 16,18 и 20 в. Графитовые стержни диаметром 130 мм и длиной 750 мм вставлялись в желоб у его основания и у конца. Меж­

электросопротивления. Опыты проводились на вагранке производи­

при 1450—1500°. Установлено, что электроподогрев дает очень быст­ рое повышение температуры чугуна. Последняя очень легко подда­ ется регулировке путем переключения ступеней трансформатора.

262

При производительности ва­ гранки 1 т1час для перегрева чугуна на желобе на 100° до­ статочна мощность трансфор­ матора 65 кет. Эрозия силиманитовой трубы невелика. Рас­ ход электродов не превышает 0,7 кг на 1 т чугуна. Электрод на выходе изнашивается не­ сколько больше, чем на входе. Весьма невелико влияние элек­ троподогрева на состав чугуна. Отмечено повышение содержа­ ния углерода на 0,03—0,09%. К-п.д. установки для подогрева достигает 28—45% и может воз­ растать с повышением темпера­ туры чугуна. Предполагается,

ность быстрой замены устройства резервным и позволяет исполь­ зовать одно и то же устройство для разных вагранок, однако созда­ ет дополнительные потери тепла. Его целесообразно применять для увеличения температуры металла из действующих плавильных агрегатов без их дополнительной реконструкции.

Наиболее целесообразным является электроподогрев чугуна в газовых чугуноплавильных печах.

На рис. 90 дана принципиальная схема газоэлектрической чугу­ ноплавильной печи, построенной на заводе «Тбилисский центролит» [182]. Печь состоит из вертикальной шахты / диаметром 800 мм, в нижней части которой металл плавится под действием раскаленных продуктов горения природного газа, подводимого по трем горелкам. Горелки установлены в торце отражательной части печи 3, выпол­ ненной в виде двух сообщающихся сосудов, соединенных между со­ бой закрытым каналом. Протекая по этому каналу, жидкий металл замыкает электрическую цепь между графитовыми 300-миллиметро­ выми электродами 4 и перегревается соответственно подводимой электрической мощности. Шлак выпускается через летку б, ме­ талл — через летку 5. Ток от трансформатора 190 ква к электродам подводится по медным шинам и медным водоохлаждаемым держа­ телям. Рабочее напряжение регулируется в пределах от 14 до 42 в

263

путем переключения ступеней со стороны высокого напряжения 380 в.

Производственные плавки продолжительностью 7—8 часов пока­

конструкции затруднительно в результате сильного повышения дав­ ления газов в печном пространстве [182], что объясняется несовер­ шенством конструкции газовой части печи.

Вагранки с углеродистой электронагреваемой насадкой

Нагрев углеродистых материалов при пропускании через них электрического тока используется в криптоловых лабораторных пе­ чах, в которых производится нагрев до весьма высоких температур (1500—2000°С). Такой же принцип положен в основу разогрева на­ садки из углеродистых материалов в печах для хлорирования маг­ ния. Были попытки использовать данный принцип в печах для вос­ становления железа из руды [183]. Для этого была предназначена так называемая печь Геру. Она состоит из шахты, в которую загру­ жается только кокс, и наклонного канала, по которому поступает руда. В шахте установлен электрод для подвода электрического то­ ка, который затем проходит через слой шихты к поддону, являюще­

замыкается через кокс и несколько дуговых разрядов, возникаю­ щих в промежутках между кусками кокса. При этом электри­ ческая энергия превращается в тепловую, и это тепло интенсифици­ рует процесс плавки. Дополнительное выделение тепла за счет электроэнергии способствует поднятию температурного уровня про­ цесса, увеличению производительности и температуры чугуна или при прочих равных условиях— снижению расхода кокса. По дан­ ным работы [184], расход кокса снизился с 176 до 142 кг на тонну ме­ талла.

По оценке авторов работы [184], применение такого метода ис­ пользования электроэнергии в вагранке экономически и технически

264

Рис. 91. Электрогазовая вагранка с углеродистой колошей.

целесообразно. Особенно авторы подчеркивают то преимущество, что в этой вагранке можно предотвращать периоды плавки, неиз­ бежно имеющие место в коксовых вагранках (пуск, повторный пуск после простоя). Использование дополнительного независимого ис­ точника тепла расширяет также металлургические возможности вагранки.

265

266

и протекание физико-металлургических процессов происходит за счет тепла, выделяющегося в углеродистой насадке при прохожде­ нии через нее электрического тока.

Автором в Головной лаборатории по использованию новых видов топлива в вагранках была проделана экспериментальная работа по испытанию нового способа.

Экспериментальные установки показаны на рис. 92.

Вначале были проведены опыты по разогреву насадки из угле­ родистых материалов на установке, состоящей из двух графито-ша- мотных плит 1 и 4 (рис. 91 а) с токоподводами 5 и 6, образующих вместе со стенками 2 и 8 из высокоглиноземистых огнеупоров квад­ ратного сечения колодец для размещения насадки 7 из углероди­ стых материалов.

Вкачестве углеродистого материала использовалась смесь кокса

играфита. Во время опытов производился замер тока и напряжения во вторичной цени трансформатора и температуры в слое углероди­ стого материала (при помощи платинородий — платиновой термо­ пары). Спай термопары, защищенной чехлом из чистой окиси алю­ миния, помещали в слой углеродистого материала.

267

Через 38 минут после включения тока температура достигала 1600°С. Напряжение падало, а сила тока возрастала в 5 раз. Это сви­

резкое возрастание проводимости наблюдается только при разогре­ ве слоя примерно до 800°С; в дальнейшем с ростом температуры ток

ский режим вполне стабилен и установка может работать длитель­ ное время.

С целью проверки возможности науглероживания чугуна через слой углеродистого материала пропускали жидкий чугун. В резуль­ тате контактирования чугуна с коксом и графитом в слое содержа­ ние углерода и кремния в чугуне возросло на 0,2—0,3% и 0,2—0,3% соответственно. Содержание углерода повысилось в результате его перехода в чугун из кокса и графита, а кремния в результате про­ текания реакции:

Si0 2 + С = Si + 2СО.

Данная реакция, так же как и растворение углерода в чугуне, протекает с поглощением тепла и развивается более интенсивно при повышенных температурах. Это позволит в условиях ваграночной плавки при наличии кислых шлаков и высокой температуры процес­ са увеличивать содержание в чугуне двух важнейших элементов — углерода и кремния, в результате чего экономическая целесообраз­ ность использования электроэнергии в заключительной стадии полу­ чения жидкого чугуна сочетается с непрерывным процессом его на­ углероживания и раскисления, которые не могут протекать в обыч­ ной газовой вагранке.

Новый способ перегрева и науглероживания чугуна'был осуще­ ствлен в построенной и испытанной в Головной лаборатории элект­ рогазовой вагранке (рис. 92 б). Вагранка выложена огнеупорными высокоглиноземистыми блоками и имеет квадратное сечение 400 X Х400. В нижней ее части расположена электронагреваемая коло­ ша 2 из углеродистого материала, а в средней части установлена га­ зовая горелка /, к которой подается газ от газопровода среднего давления и воздух от воздуходувки. Верхний электрод 4 цилиндри­ ческий, в качестве нижнего электрода используется плита 3. Газо­ воздушная смесь сжигается над углеродистой колошей, и реакции восстановления С 0 2 и Н 2 0 , протекающие с поглощением тепла, не могут развиваться, поскольку продукты сгорания не проходят через слой углеродистых материалов. Слой углеродистых материалов пе-

268

ред плавкой разогревается .с помощью электросистемы, и лишь пос­ ле разогрева слоя включается горелка. В качестве шихты в опыт­ ных плавках был использован чугунный лом однородного химсоста­ ва. Шихта состояла из 100% этого лома, химсостав которого был проверен по нескольким образцам. Далее, во время плавки были отобраны пробы на химсостав чугуна, миновавшего науглерожива­ ние, т. е. сразу же после расплавления и после науглероживания (на выходе из вагранки).

Химический состав исходного чугуна и чугунов, полученных в га­ зовой вагранке без науглероживания и с науглероживанием, приве­ ден в табл. 62.

Т а б л и ц а 62

Изменение угара элементов при пропускании чугуна через электронагревательную

<колошу, %

Из приведенных данных видно, что при переплаве чугунного ло­ ма без науглероживания наблюдается угар всех элементов: углеро­ да 6,8%, кремния 9,3% и марганца 14,3%. Угар серы и фосфора — незначительный.

Следует отметить, что условия плавки в газовой части электро­ газовой вагранки данной конструкции значительно отличаются от условий в обычных газовых вагранках, так как отсутствует камера перегрева. Поэтому угар серы получился ниже обычно получаемо­ го в газовых вагранках.

Анализ образцов, взятых после прохождения металлом углеро­ дистой электронагреваемой колоши (табл. 62), показал содержание углерода 4,19%, т. е. его пригар составил 19,4%. При этом угары кремния и марганца значительно снизились, а серы и фосфора — увеличились. Снижение угара кремния и марганца объясняется вос­ становлением их углеродом кокса. Поведение серы и фосфора в электрогазовой вагранке требует дальнейшего уточнения. Результа­ ты испытаний в целом показали широкие возможности электрогазо­ вой вагранки по науглероживанию и раскислению чугуна.

269

Таким образом, электрогазовая вагранка сочетает в себе способ­ ность перегрева чугуна до высоких температур, что обеспечивается применением электроэнергии, с возможностью одновременного не­ прерывного науглероживания и раскисления чугуна, аналогично тому, как это происходит в обычной коксовой вагранке, с той разни­ цей, что в электрогазовой вагранке'можно достичь болеее высокого температурного уровня, регулируя электрическую мощность, что ставит ее на уровень дуплекс-процесса газовая вагранка — индукци­ онная электропечь.

Электрогазовая вагранка, показанная на рис. 91 в, представляет собой вагранку, аналогичную вышеописанной с той лишь разницей, что она имеет отапливаемый копильник 4, который соединен с шах­ той / двумя каналами 2 и 3. Нижний канал 3 служит для прохода металла из шахты в копильник, а верхний канал 2 — для выхода продуктов сгорания из копильника в шахту. В нижней части шахты расположены электроды 6 и 7 насадки 8 из углеродистых материа­ лов. В копильнике установлена горелка 5 для сжигания природного газа. Расплавление шихты происходит за счет тепла продуктов сго­ рания, поступающих в шахту. Перегрев металла производится при прохождении его через колошу из углеродистых материалов, интен­ сивно разогреваемую электрическим током. Преимуществом этой вагранки является то, что металл в копильнике не остывает, а, на­ оборот, в какой-то степени перегревается.

Недостатком всех этих вагранок является трудность обеспечения хорошего контакта и нестабильность электрического режима, что приводит к неравномерному разогреву насадки. Значительное пре­ имущество вагранок такого типа — возможность ведения кремнийвосстановительного процесса и науглероживания чугуна одновре­ менно с его перегревом.

5. П Р И М Е Н Е Н И Е Д Л Я П Л А В К И Ч У Г У Н А Г А З О Д У Г О В Ы Х П Е Ч Е И

Применение низкотемпературной плазмы для плавки металлов

Мощным средством интенсификации процессов в последнее вре­ мя стало применение низкотемпературной плазмы. Широкое распро­ странение получают генераторы низкотемпературной плазмы — плазмотроны, в которых практически любой газ можно нагревать до 3000—4000°С. Возможность использования значительных мощно­ стей и концентрации огромной тепловой энергии в малом объеме, высокая скорость нагрева отрывают дорогу плазменному нагреву во многие отрасли промышленности, в том числе и в металлургию [185, 186].

Плазмотрон (рис. 93) состоит из источника тока 1, регулировоч-

270

Рис. 93. Устройство плазмотронов: а—принципиальная схема плазмотрона; б — плазмотрон с прямой дугой; в — плазмотрон с косвенной дугой.

ного сопротивления 2, отключающего устройства 3, двух электро­ дов 4, между которыми в корпусе 5 горит дуга 6, образующая фа­ кел плазмы 7, при подаче через выходное отверстие 8 плазмообразующего газа [185]. По характеру плазменной струи плазмотроны делятся на два основных типа: с прямой (рис. 93 б) или косвенной (рис. 93 а) дугой.

В настоящее время существует очень много разнообразных кон­ струкций плазмотронов. Отмечается [186], что нагрев плазменной струей менее экономичен, чем нагрев электрической дугой. Напри­ мер, первые опытные плавки вольфрама плазменной струей в водоохлаждаемом тигле оказались неудачными, так как к. п. д. плазмо­ трона не превышал 6% при потребляемой мощности 15 кет. Однако при увеличении мощности и расхода газа коэффициент полезного действия плазмотрона возрастает, благодаря чему становится воз-

271