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

Из приведенных данных видно, что перегрев чугуна на всех участ­ ках всеми видами теплопередачи растет при увеличении темпера­ турного уровня процесса, что свидетельствует, о широких возможно­ стях применения электроэнергии для интенсификации перегрева чу­ гуна.

Металлургические особенности плавки чугуна при высокой температуре

Температурные условия и состав атмосферы печи оказывают ре­ шающее значение на протекание физико-химических процессов при плавке металла. В обычных газовых вагранках, так же как и в кок­ совых вагранках, атмосфера окислительная, максимальная темпера­ тура газов около 1750°С. В этих условиях происходит угар основных элементов чугуна: углерода, кремния и марганца. Применение элект­ роэнергии для интенсификации сжигания газа (в виде дугового раз­ ряда) приводит к увеличению температуры. Реакции окисления кремния и марганца:

марганца также приводит к уменьшению его угара.

282

Увеличение температурного уровня только на 100° позволяет зна­ чительно снизить расход чушкового чугуна в шихте. В табл. 69 при­ ведены составы шихт для получения различных марок чугуна, рас­ считанные для условий высокотемпературного протекания процесса.

Т а б л и ц а 69

Составы шихт для получения различных марок чугуна в высокотемпературном процессе, %

шихте чушкового чугуна ниже на 3—5% против обычно применяемо­ го. Снижение стоимости шихты оправдывает дополнительные зат­ раты на интенсификацию процесса.

Но поистине безграничные металлургические возможности от­ крывает перед металлургами применение совместно с газом дугово­ го разряда такой мощности, которая обеспечила бы получение при температуре 1800—1850°С восстановительной атмосферы. Это мож­ но достигнуть при сжигании газа с а = 0,4-^0,5. Остальное тепло по­ лучается за счет электроэнергии. Атмосфера печи при этом будет содержать газы-восстановители СО, Н 2 и свободный сажистый угле­ род. Водород и окись углерода будут восстанавливать из окислов железо, кремний, марганец, а сажистый углерод при определенных условиях будет растворяться в жидком чугуне и науглероживать его. При этом в шихте можно использовать любые малоценные от­ ходы: стружку, обрезь, а также окислы железа в виде руды, окаты­ шей и т. д.

При использовании электроэнергии для интенсификации процес­ са в газовых вагранках можно по необходимости создавать любую

283

атмосферу: окислительную, нейтральную и восстановительную, из­ меняя лишь вводимую электрическую мощность и соотношение рас­ ходов воздуха и газа.

Это открывает широкие возможности регулирования протекаю­ щих физико-химических процессов, что позволяет считать примене­ ние низкотемпературной плазмы одним из перспективных путей ин­ тенсификации плавки чугуна.

6. Э Л Е К Т Р О Ш Л А К О В А Я В Ы П Л А В К А Ч У Г У Н А

Способ электрошлакового переплава стали, разработанный в ин­ ституте электросварки им. Е. О. Патона, находит в настоящее вре­ мя широкое распространение для получения качественных сталей и является одним из наиболее прогрессивных и перспективных процес­ сов электрометаллургии.

Электрошлаковая обработка чугуна

Электрошлаковая обработка начинает применяться также и при производстве чугуна [189—192]. Основное отличие электрошлаково­ го процесса от обычного дугового процесса сварки или плавки ме­ талла состоит в том, что плавление металла — расходуемого элект­ рода — происходит не за счет тепла дуги, а за счет тепла, выделяю­ щегося в жидкой шлаковой ванне при прохождении электрического тока (рис.98). Разведение шлаковой ванны первоначально осу­ ществляется электрической дугой, и после наведения достаточного объема жидкого шлака дуговой процесс/переходит в электрошлако­ вый — бездуговой; электрод по мере погружения в шлаковую ванну плавится за счет тепла перегретого шлака и в виде капель проходит через слой шлака. Высокая температура шлака и его большая по­ верхность с жидким металлом способствуют интенсификации ме­ таллургических процессов, несмотря на сравнительно небольшое время пребывания металла в жидком состоянии. При электрошла­ ковой плавке имеет место значительная десульфурация металла.

Исследования [189] показали, что в процессе переплава содержа­ ние серы снизилось с 0,087 до 0,004%, а содержание углерода повы­ силось с 3,08 до 3,44%, в остальном же состав чугуна практически не изменился. Существенно снизилось содержание газов: кислорода, азота и водорода. В структуре чугуна произошло сильное измельче­ ние графитовых включений. Металлическая основа сохранилась пер­ литной, но дисперсность перлита существенно возросла.

284

зуется высокими значениями и зависит.от температуры шлака: при 1500—1550°С она составляет около 50%, а при 1700°С превышает 90%. Полученные высокие значения степени десульфурации обус­ ловливаются большой межфазной поверхностью металл — шлак и интенсификацией процесса электрическим током. Авторами [190] на этой установке были проведены опыты по совместной десульфура­ ции и дефосфорации чугуна. Результаты опытных плавок показали, что процесс обеспечивает совместную дефосфорацию и десульфурацию чугуна. Были достигнуты степень дефосфорации 76—93% и де­ сульфурации 62 — 97%.

Затем авторами была создана полупромышленная установка в заводских условиях [191]. Установка (рис. 99) представляет собой однофазную дуговую печь с двумя электродами 1 и 9, с углеродистой или гарнисажной футеровкой. В печи расплавляется и перегревается шлак с высокой рафинирующей способностью. Жидкий чугун путем заливки его в чашу с отверстиями в дне 7 дробится на капли, рафи­ нируется при проходе их через слой шлака и выпускается из печи.

Полупромышленная установка имела мощность 400 квт, емкость до 500 кг при силе тока до 4000 а и напряжении 40—108 в. Для де­ сульфурации чугун обрабатывался известково-глиноземистым шла­ ком с 6% MgO, 4 4 % С а О и 5 0 % А1 2 0 3 при температуре шлака 1650 —

285

Рис. 99. Установка для электрошлакового рафи­ нирования.

1750°С и металла 1450—1500°С. Для дефосфорации использовали шлак с 40% СаО, 60% CaF2 и 23% Fe2 03 (сверх 100%) при темпера­ туре 1350—1450°С (температура металла 1320—1400°С). Установ­ лено, что при дефосфорации чугуна на 88,5% удаляется и сера (97,5%), вопреки распространенному мнению относительно низкой десульфурирующей способности окислительных шлаков [191].

Были проведены [192] опыты по получению электрошлаковым процессом высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Опыты подтвердили возможность получения этим способом шаровидной формы графита в чугуне. Авторы [192] объяснили образование шаро­ видного графита восстановлением M g и Са из шлака при высоких температурах и модифицированием чугуна этими элементами.

Водной из зарубежных работ [193] рекомендуется методом эле­ ктрошлакового переплава получать непосредственно отливки анало­ гично тому, как получают слитки при электрошлаковом переплаве стали. Электрошлаковый процесс может быть использован и для пе­ регрева чугуна на желобе [194].

Вработе [195] приведены результаты исследований по примене­ нию электрошлакового процесса в индукционных тигельных печах для активизации металлургических процессов. Проведенные экспе-

286

рименты подтверждают целесообразность индукционных печей для плавки металла с использованием рафинирования синтетическим шлаком, подогреваемым нерасходуемыми электродами.

Испытания способа непосредственного электрошлакового пере­ плава шихты для переливки легкоокисляющейся шихты проведены

вТашкентском политехническом институте [196].

Вопытную установку вводилась чугунная стружка следующего состава: 3,37% С, 2,16% Si, 0,58% Мп, 0,092% S, 0,182% Р. В резуль­ тате электрошлакового переплава ее в кислых шлаках был получен чугун: 3,10% С, 4,10% Si, 0,57% Мп, 0,056% S, 0,180% Р. Наиболее характерным результатом является значительное восстановление кремния из шлака.

Особый интерес приобретает возможность получения в электро­ шлаковом процессе чугуна с использованием окислов железа, на­ пример окисленной стружки, окалины, руды, окатышей и т. п. Это значительно снизит стоимость шихты.

Однако применение электрошлакового способа для осуществле­ ния всего процесса выплавки чугуна связано со значительным рас­ ходом электроэнергии, который превысит 1000 квт-ч1т (для стали он составляет 1800—2000 квт-ч/т). Поэтому наиболее целесообраз­ ным является создание дуплекс-агрегатов, в которых расплавление производится природным газом, а перегрев — электроэнергией пу­ тем электрошлаковой обработки чугуна.

Электрошлаковые печи для плавки чугуна

Принципиальная схема электрошлаковой печи для перегрева и обработки жидкого металла приведена на рис. 100. Она состоит из собственно печи 5, в которой происходит технологический процесс электрошлаковой обработки чугуна, и из механизма перемещения электрода, смонтированного на колонне 16. Ванна печи выполнена в цилиндрическом кожухе 6 огнеупорной футеровкой 4 из материа­ лов, устойчивых к той системе шлаков, которая применяется для осуществления технологического процесса. Рабочее пространство печи перекрывается сводом 7, в котором имеется отверстие для вво­ да электрода 8. Электрод закрепляется в электрододержателе 9, к которому подводится электрический ток по токопроводу 10. Электрододержатель укреплен на траверсе 11, которая жестко соединена с тележкой 18, передвигающейся при помощи катков/7 по вертикаль­ ной колонне 16. Перемещение тележки с траверсой осуществляется при помощи привода 21 через систему блоков 12, 13, 15, смонтиро­ ванных на неподвижной траверсе 14 и подвижной 11. Для уравнове­ шивания веса движущихся частей в системе привода имеется проти­ вовес 20, расположенный внутри колонны 16. Электрический ток к

287

Рис. 100. Электрошлаковая печь для перегрева и обработки жидкого металла.

288

электроду подводится при помощи гибких кабелей 19 типа МГЭ. В однофазной конструкции печи, показанной на рисунке, вторым эле­ ктродом 24 является заземленная подина печи, выполненная из электропроводных материалов. Для заливки расплавленного метал­ ла в печь имеется приемный лоток 27. Шлаковая летка 26 с жело­ бом 25 служит для удаления избытков шлака. Готовый чугун выпус­ кается по желобу / через летки 2, выполненные в открывающейся дверке 3. Форма печи напоминает копильник вагранки, в качестве которого она и может быть использована <как в периодическом, так и в непрерывном цикле работы.

Технологический процесс электрошлакового перегрева и обра­ ботки чугуна в миксере данной конструкции осуществляется следу­ ющим образом. В рабочее пространство печи через приемный лоток 27 засыпают небольшую порцию флюса и при помощи электрической дуги расплавляют его. Постепенно добавляя флюс в печи, создают слой синтетического шлака 22 требуемой толщины и определенного химического состава. Химический состав некоторых флюсов, приме­ няемых при электрошлаковом переплаве, приведен в табл. 70 [197].

Т а б л и ц а 70

Флюсы для электрошлакового переплава

После наведения шлаковой ванны и перегрева шлака до темпе­ ратуры порядка 1600°С в печь заливают расплавленный чугун. Слой чугуна 23, находясь под слоем высокоактивного шлака 22, по кото­ рому непрерывно пропускают электрический ток, интенсивно пере­

Наиболее выгодна комбинация электрошлакового миксера с га­ зовой вагранкой, так как в этом случае наиболее дешевый и легко

электрошлаковым способом, показана на рис. 101. Она состоит из га­ зовой вагранки / и электрошлакового миксера 11, соединенных меж­

290

t

б — вид спереди.

ном случае не требуется перегревать чугун до высокой температуры, конструкция ее очень проста. Это обычная цилиндрическая или слег­ ка конусная шахта 2 с футеровкой 3. Возле подины 17 в нижней час­ ти шахты установлены газовые горелки 18, к которым подводится воздух от воздушной коробки 19 и газ от газопровода 20. Шахта имеет наружное поливное водяное охлаждение. Вода из коллекто­ ра 21 стекает по стенкам шахты и собирается в приемной коробке

291