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

дается при одновременной работе центровых и боковых фурм, создающих сопротивление движению газов у стенок.

Вдвинутые внутрь вагранки фурмы основного ряда при работе дополнительных фурм способствуют более равномерному распре­ делению газового потока в холостой колоше, но не устраняют пери­ ферийный ход газов выше зоны плавления в вагранках с цилиндри­ ческими и эллиптическими внутренними профилями. Устранения пе­ риферийного хода газов выше зоны плавления можно достигнуть применением профиля шахты, при котором резко повышается со­

На основании расчетных констант и критериев подобия была разработана и изготовлена модель вагранки сварной конструкции с вертикальным разъемом (рис. 6). Конструкция кожуха позволяла выполнять в верхней части по шаблонам различные внутренние профили моделей вагранок, а в нижней части — копильник. Футе­ ровка моделей вагранок и копильников производилась кислыми ог­ неупорными материалами с содержанием в сухом виде 36% глино­ зема и 64% кварцевого песка. Модель вагранки собиралась из двух половин, которые скреплялись болтами. Для удобства обслужива­ ния, сборки и разборки модель устанавливалась на специальном стенде.

Подготовленная к плавке модель вагранки оснащалась конт- рольно-'измерительной аппаратурой, в комплект которой входили* платинородий-платиновые и хромель-алюмелевые термопары, ус­ тановленные через 200 мм по высоте с тем, чтобы иметь полную кар­ тину распределения температуры, пирометрические и газозаборные трубки, газоанализаторы типа Орса, трубки Пито, расходомеры, термометры и пр. Схема замеров параметров ваграночного процес­ са приведена на рис. 6.

Опытные плавки в действующих моделях вагранок проводились на одинаковых по составу и качеству шихтовых материалах, при этом использовался чушковый чугун следующего химического со­ става: 3,4% С; 1,73% Si; 0,62% Мп; 0,09% S; 0,18% Р. Габариты чу­ шек находились в пределах 40X28X10 и 120X28X10 мм. Чушки за­ ливались в открытые земляные формы из одного ковша. Кокс при­ менялся Енакиевского коксо-химического завода с содержанием 3,91% влаги, 10,06% золы, 0,92% общей серы, 1,11% летучих. Зола

20

технологические операции, что и в производственных вагранках. Роз­ жиг холостой колоши производился дровами и длился в течение часа на естественной тяге при открытых летках копильника. Затем хо­ лостая колоша продувалась 1—2 минуты сжатым воздухом, после чего замерялась и корректировалась ее высота, и при выключен­ ном дутье производилась загрузка рабочих колош в последователь­ ности известняк —• металл — кокс. Известняк загружался в цент­ ральную часть модели вагранок, а чугун и кокс равномерно по все­ му сечению модели горизонтальными слоями независимо от про­ филя. В заполненной модели шихта прогревалась в течение 15— 20 минут, после чего включали дутье, доводили расход воздуха и давление в фурменной коробке до расчетных значений, и начина­

21

жидким чугуном и шлаком, температура которых замерялась не­ прерывно. После стабилизации ваграночного процесса многократ­ но производился одновременный отбор газов на анализ из четырех мест шахты. По окончании завалки рабочих колош при заполнен­ ной шихтой шахте быстро перекрывалось дутье и шахта глушилась сверху огнеупорной пастой, а затем закрывалась крышкой. Про­ цесс плавки прекращался, и начиналось охлаждение («заморажи­ вание») шихтовых материалов и жидкого чугуна. Показания при­ боров снимались еще полчаса, а затем приборы отключались. Анализ отобранных ваграночных газов производился в газоана­ лизаторах типа Орса.

валась на направляющие стенда. Развинчивались болты, скрепля­ ющие обе половины модели, и с помощью домкратов верхняя по­ ловина модели отрывалась от нижней. Затем верхняя половина снималась и устанавливалась вертикально на стенде. В нижней половине модели оставалась «замороженная» шихта. Верхняя, свободная от шихты половина модели позволяла выявить измене­ ние внутреннего профиля и установить степень разгара футеровки. Состояние шихтовых материалов и футеровки в различных зонах фиксировалось путем съемок и зарисовок. Размеры зоны плавления, ее форма и расположение шихтовых материалов определялись после снятия слоя шихты по разъему. Исследование по каждому профи­ лю заканчивалось взвешиванием шихтовых материалов, расплав­ ленного чугуна, шлака, химическими анализами.

Методом «замораживания» шихты в процессе плавки установ­ лено, что при всех профилях, кроме доменных, зона плавления приближалась по форме к конусу с вершиной, направленной к по­ ду. Граница начала зоны плавления соответствовала границе на­ иболее интенсивного движения газов, установленной водяным мо­ делированием. При доменных профилях, способствующих более равномерному распределению газового потока, зона плавления выравнивалась. Наиболее увеличенной высота зоны плавления с близкими к горизонтальному расположению границами ее начала и конца была при доменном профиле 4, который является оптималь­ ным в отношении равномерного распределения газового потока в пределах поперечных сечений вагранки.

Во время плавок в действующих моделях вагранок произво­ дился замер температур у стенок и в центральной части шахты. При этом удалось установить, что при всех внутренних профилях вагранок, кроме 4, наблюдалась более высокая температура у сте­ нок и несколько ниже в центральной части шахты. Так, при про­ филе 7 разность температур составляла 240°С, а при профиле 4а — только 10°С.

22

Известно, что наиболее высокая температура наблюдается в той части шахты вагранки, где происходит интенсивное движение га­ за-теплоносителя. Поэтому по разности температур у стенок и в центре вагранки можно заключить, что наиболее сильное движе­ ние газа у стенок наблюдалось при профиле 7, несколько меньше —

Обнаружилось, что при больших размерах вагранок эллиптич­ ность профиля в поперечных сечениях шахты дает ощутимый поло­ жительный эффект. При этом вагранки с заплечиками по распре­ делению газов не уступают вагранкам с эллиптической шахтой. Од­ нако наиболее равномерное распределение газовых потоков созда­ ется в вагранках с доменными профилями 4а и 4, которые являются предельными в равномерном распределении .газов по сечениям шахт. При выполнении внутреннего профиля вагранки с отклонени­ ями от 4а к цилиндрическому движение газа у стенок будет возра­ стать, при отступлениях от профиля 4 в сторону увеличения диамет­ ра вагранки в зоне плавления с нарастающей интенсивностью газ будет двигаться в центре и с ослаблением движения у стенок. С уве­ личением диаметров вагранки горизонтальные сечения доменного профиля лучше выполнять эллиптическими, что позволяет сочетать преимущества доменного и эллиптического профилей.

При доменном профиле средняя температура газов была выше, чем при других внутренних профилях вагранок. Следовательно, доменный профиль способствует общему повышению температур, что положительно сказывается на ходе ваграночного процесса.

Во время плавок в действующих моделях вагранок отбирались на анализ ваграночные газы. Отбор и химический анализ газов производился многократно, в результате чего удалось установить средние значения его химического состава (табл. 8).

Содержание кислорода было одинаковым (0,6%) Для всех про­ филей. Приведенные в табл. 8 данные указывают на то, что в ваг­ раночных газах при доменных профилях несколько снижается

23

среднее содержание С 0 2 и повышается СО. Это можно объяснить более высокими температурами в холостой колоше и большей дли­ ной пути горячих газов через редукционную зону.

Наиболее равномерный химический состав ваграночного газа по сечениям шахты и особенно у зоны плавления был при домен­ ном профиле 4. При других внутренних профилях в связи с пре­

при профиле 4.

Согласно методике исследования короткие плавки в действую­ щих моделях вагранок должны были исключить значительное из­ менение начальных внутренних профилей в процессе плавок. Од­ нако даже при коротких плавках состояние футеровки в моделях вагранок было не одинаковым. Зона оплавления футеровки ока­ залась наиболее широкой при внутренних профилях действующих

действующих моделях вагранок с доменными профилями футеров­ ка имела в распарах волнистую поверхность без значительных уг­ лублений и выступов, причем область оплавления футеровки была наиболее узкой при профиле 4. Модель вагранки с профилем 5 по разгару футеровки занимала промежуточное положение среди мо­

24

мое

МОТ к х

Рис. 7. Влияние профиля на разгар футеровки и температуру жидкого чугуна.

профилем, обеспечивающим наиболее равномерное распределение газового потока (профиль 4). Следовательно, разгар футеровки в вагранках связан с периферийным характером движения газов.

Разгар футеровки и средняя температура жидкого чугуна, за­ полнявшего копильники действующих моделей вагранок, показа­ ны графически на рис. 7. Температура шлака во всех случаях бы­ ла приблизительно на 50°С выше.

При осмотрах холостой колоши действующих моделей вагра­

где кокс не горел, мелкие капли объединялись, и уже в виде круп­ ных капель чугун стекал в копильник. При доменных профилях 4а, 4 капли чугуна в редукционной и кислородной зонах были мельче, чем при других внутренних профилях действующих моде­ лей вагранок. При профилях 4а, 4 температура жидкого чугуна

25

лодном дутье и футерова­ лись шамотными огнеупорными материалами. Расход кокса состав­

лял 12%, а известняка 3% от веса металлозавалки.

Экспериментами на производственных вагранках подтверди­ лись результаты, полученные на моделирующих ваграночный про­ цесс установках. Наиболее равномерное движение газов по сече­

ние газов у стенок заплечиков и шахты ослаблялось, на что ука­ зывало снижение температур у стенок и появление «настылей» на заплечиках. При диаметрах в зоне плавления 1650—1700 мм и уг­ ле диффузорности заплечиков 56° обнаруживалось усиление движе­ ния газов в тех местах, где наблюдались пониженные газодинами­ ческие сопротивления. В этом случае происходило одностороннее выгорание футеровки в заплечиках.

27

Профили производственных вагранок оказывали такое же вли­ яние на изменение статического давления газов у стенок шах­ ты, как и моделей.

Таким образом, установлено, что изменением внутреннего про­ филя за счет удлинения пути для газов у стенок шахты можно добиться более равномерного распределения газового потока по поперечным сечениям вагранки. Из исследованных профилей оп­ тимальными в этом отношении являются доменные профили 4а, 4.

противлений по сечениям шахты и более равномерному движению газов.

Опытами на производственных вагранках подтвердилось не­ которое снижение среднего содержания СОг и повышение СО в отходящих газах три доменных внутренних шрофилях вагранок (табл . 10) .

температуре в кислородной и восстановительной зонах холостой колоши при доменных профилях 4а, 4. При доменных профилях у стенок в верхней части шахты наблюдалась более высокая темпе­ ратура, чем при цилиндрическом. Следовательно, средняя темпе­ ратура потоков газов при этих профилях была выше, чем при ци­ линдрическом. Понижение температуры газов на выходе из цилин­

Производительность вагранок при одинаковом расходе кокса находилась в прямой зависимости от количества подаваемого воз­ духа и состава ваграночных газов.

Опытами на действующих моделях вагранок установлено, что раз­ гар футеровки связан с периферийным характером движения га­ зов. Характеру движения газов соответствует распределение теп-

28

ла в пределах отдельных сечении вагранки. Чем больше горячих га­ зов движется у стенок, тем выше температура внутренней поверх­ ности и тем интенсивнее происходит оплавление футеровки. Заме­ ры зоны оплавленной футеровки при различной длительности пла­ вок в производственной «вагранке с цилиндрическим /профилем по­ казали, что оплавление футеровки начинается с первых минут плав­ ки. Процесс разрушения огнеупорной футеровки можно представить следующим образом.

шихты, поскольку путь для газа у стенок короче, чем в центре ваг­ ранки. В связи с тем что в зоне ил авлени я раскаленные гйзы имеют температуру, превышающую температуру оплавления материала стенки, увеличение количества движущихся газов у стенок приво­ дит к разгару футеровки. Наиболее интенсивно футеровка оплавля­ ется в первые два часа плавки. Постепенно с изменением внутрен­ него профиля в связи с разгаром футеровки повышается сопротив­ ление движению газов у стенки. Это приводит к более равномерно­ му распределению газового потока по сечениям шахты. С уменьше­ нием количества движущихся газов у стенок разгар футеровки за­ медляется, что позволяет в цилиндрических вагранках проводить довольно длительные плавки.

Изложенное выше подтверждается изменением температур у, стенок шахты при плавках в цилиндрической вагранке. В течение первых 15 минут температура газов у стенок шахты резко повыша­ ется, что связано с разогревом шихты при сравнительно ровной еще холостой колоше. Далее в течение примерно двух часов температу­ ра газов довольно значительно снижается, (Поскольку в этот период при преимущественном периферийном движении газов большое ко­ личество тепла расходуется на оплавление футеровки. В дальней­ шем с изменением внутреннего профиля количество движущихся газов у стенок уменьшается, разгар футеровки замедляется, в ре­ зультате чего наблюдается более замедленное снижение температур у стенок.

Значительные теплопотери на оплавление футеровки и через стенки шахты не позволяют получать из цилиндрических вагранок жидкий чугун с высокой температурой в течение всего периода плавки.

На рис. 9 приведены относительные величины объема оплавлен­ ной футеровки в сравнении со средними температурами жидкого чугуна в копильниках вагранок. При доменном профиле 4 благода­ ря снижению интенсивности движения раскаленных газов у стенки значительно уменьшается (до ~80% по объему по сравнению с ци-

29