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

5, являющейся открытой водяной рубашкой пояса горелок. Кроме того, в футеровке нижней части шахты имеются трубы 4 для воз­ душного охлаждения уступов, перекрывающих газовые горелки.

В электрошлаковый миксер 11 через отверстие в верхней части вставлен электрод 8, закрепленный в электродержателе 7. Электрод перемещается траверсой 27, находящейся на ползуне 26, двигаю­ щемся от ходового винта по направляющей 25, смонтированной на ос­ новании 22, в котором сосредоточены приборы управления 24, элект­ рический и ручной 23 приводы. Подина 16 миксера выполнена из электропроводных материалов и заземлена. Для подачи сыпучих фракций синтетического шлака на миксере установлен бункер 9 со шнеком 10. В миксере постоянно находится слой шлака 12 и металл 13, который периодически выпускают через летку 15 по желобу 14.

Работает электрогазовая вагранка следующим образом. Снача­ ла разжигают горелки и разогревают шахту до температуры в ниж­ ней части 1500—1600°С. Затем в шахту забрасывают немного метал­ ла, который быстро расплавляется и образует слой металла на по­ дине электрошлакового миксера. Затем частично в шахту, частично непосредственно в миксер вводят компоненты синтетического шлака и включают электрическую цепь. Шлак расплавляется за счет тепла дуги и частично газом, и по мере образования шлаковой ванны дуго­ вой процесс переходит в бездуговой — электрошлаковый. После то­ го, как электрошлаковый процесс установился, о чем можно судить по электроизмерительным приборам, в шахту вагранки загружают металлическую шихту. Металл расплавляется и через переходную летку поступает в электрошлаковый миксер, где под слоем высоко­ перегретого шлака подвергается интенсивной химико-термической обработке.

Для проведения исследований по электрошлаковой выплавке чу­ гуна в Головной лаборатории по использованию новых видов топли­ ва в вагранках были разработаны и построены экспериментальные электрогазовые вагранки трех принципиально различных кострукций:

1)с вертикальным подвижным электродом в копилышке (рис.

Ю2);

2)с неподвижными электродами в нижней части шахты, запол­ ненной насадкой из углеродистого материала (рис. 103);

3)с неподвижными электродами в копильнике (рис. 104). Экспериментальная электрошлаковая вагранка (рис. 102) имеет

шахту / с форкамерой-туннелем 3 и горелкой 2 для сжигания газа и миксер 6, соединенные между собой переходной леткой 7. Все это смонтировано на единой опорной конструкции 4. Электрическая цепь образована подвижным электродом 8 через шлак и металл к неподвижному электроду 5, вмонтированному в электропроводную подину. Электроды подключены к трансформатору ТСД-1000.

292

Вагранка, показанная на рис. 103, имеет также шахту и копильник, только электрошлаковый процесс обработки чугуна произво­ дится не в копильнике, а в нижней части шахты, которая заполнена насадкой 1 из углеродистых материалов (кокса, электродного боя и т. д.). Стенки нижней части шахты с двух сторон выполнены из элект-родроводных плит'4, в которые вмонтированы неподвижные электроды 2 с токоподводами 3. Газовая горелка 6 находится выше насадки. Кроме того, две газовые горелки установлены в копильни* ке. Металл после прохождения электрошлаковой обработки в коло­ ше 1 собирается внизу шахты в бассейне 5 и затем по специальному каналу вытекает в копильник.

В третьей конструкции электрошлаковой вагранки (рис. 104)

293

электроды 4 с плитами 5 находятся в копильнике 2. Две горелки 3 установлены в копильнике и одна 6 в шахте 1. Электрический ток в данном случае проходит через слой шлака в горизонтальном на­ правлении от одного электрода к другому.

На электрошлаковых вагранках были изучены особенности теп­ ловой работы, металлургические особенности процесса плавки, воп­ росы качества металла.

Особенности тепловой работы электрошлаковых вагранок

В обычной газовой вагранке необходимость соблюдения высоко­ го температурного уровня процесса получения чугуна приводит к по­ вышенному разгару футеровки. В электрогазовой вагранке нет не­ обходимости развивать в газовой части печи очень высокие темпера­ туры, так как перегрев чугуна осуществляется при помощи электро­ энергии, и в газовой части печи, даже при использовании в шихте стального лома, достаточно иметь температуру газов 1500—1600°С, что значительно упрощает требования к процессу сжигания газа и резко увеличивает срок службы огнеупоров.

Опытным путем установлено, что при максимальной температуре продуктов сгорания около 1600°С процесс расплавления протекает стабильно, футеровка сохраняется гораздо лучше.

На основе многочисленных опытных данных был произведен рас­ чет материального и теплового баланса электрошлаковой выплавки чугуна.

Расчет теплового баланса шахты для расплавления проводился обычным для газовых вагранок способом.

Т а б л и ц а 71

Тепловой баланс шахты электрогазовой вагранки

295

Для определения температуры V зададимся температурой на­ ружного конца t"— 100°С и путем простейшего графического постро­ ения получим / ' = 1200°С. Это близко к опытным данным, так ка'к во время опытов было замечено нагревание электрода до высоких тем­ ператур.

Из них чисто электрические потери составляют всего 57 ккал, остальные — за счет теплопроводности электрода. Этот тепловой по ток может быть рассеян в окружающее пространство, однако его может лимитировать теплопередача через ту часть электрода, которая встроена в стенку печи. Тепловой поток через эту часть электро­ да равен:

257

Уменьшение удельного расхода газа объясняется тем, что в эле­ ктрогазовой вагранке тепло от сгорания газа расходуется только на нагрев и расплавление шихты, тогда как в обычной газовой ваг­ ранке и перегрев чугуна осуществляется также за счет тепла сжи­ гаемого газа. Долю этого тепла можно установить из уравнения

~~ ^пл) =0,23 (1400—1200) =46 ккал/кг. Доля тепла, расходуемого

299

на перегрев от общего количества тепла, составляет 15,7%. Это соответствует опытным данным.

Наиболее сложным процессом в электрошлаковых вагранках является перегрев чугуна. Расплавленный жидкий чугун из газовой части печи поступает в электрошлаковый миксер для перегрева. Перегрев чугуна осуществляется при прохождении его в виде ка­ пель и струек через слой шлака и путем контактного теплообмена на поверхности раздела шлак — металл.

цессу электрошлакового переплава стали. Время прохождения капли через шлаковый промежуток равно 0,1—0,3 секунды [197].

Расчет показал, что нагрев капель при их движении через шлак составляет 30—45°С. По некоторым данным, перегрев капли равен всего 12°С [197].

Исходя из этого, а также учитывая, что в электрошлаковых ваг­ ранках металл в основном будет поступать в электрошлаковую часть установки в виде струек, а не в виде капель, можно сделать вывод, что перегрев металла при прохождении его через шлак составляет весьма незначительную часть от общего перегрева ме­ талла.

Решающим является процесс теплообмена на границе ш л а к - металл, причем чем выше температура шлака, тем более интенсив­ ным будет процесс теплообмена. Температура шлака при электро­ шлаковом переплаве является функцией химического состава шла­ ка (табл. 73) [197].

Т а б л и ц а 73

Зависимость температуры шлака от его состава

шлаковом миксере шлак любого химического состава можно в принципе разогреть до любой заданной температуры, так как здесь в отличие от классической схемы ЭШП нет кристаллизатора и тепло остается в системе шлак — металл — печь.

Определяющим процессом теплопередачи в электрошлаковом

300

Миксере является процесс передачи теНла от Шлака к металлу, ко­ торый относится к сложному случаю теплообмена соприкосновени­ ем, в котором тесно переплетены два вида теплопередачи: тепло­ проводность и конвекция.

Сложность процесса передачи тепла от шлака к металлу опре­ деляется еще и тем, что верхняя поверхность шлака будет нахо­ диться в сложных условиях лучисто-конвективного теплообмена с рабочим пространством печи, а выделение тепла будет происходить внутри слоя шлакового расплава. Этим обусловлен сложный ха­ рактер распределения температуры внутри слоя шлака. Температу­ ра имеет максимальное значение в центре слоя, понижаясь как к верхней, так и к нижней поверхности, так как обе поверхности от­

ловые потоки для каждого из слоев: шлака и металла для различ­ ных условий.

Средний тепловой поток внутри слоя шлака можно определить

дет выделяться тепло, необходимо приблизить непосредственно к металлу. В схеме печи с вертикальным электродом тепло выделяет­ ся во всем промежутке, однако только в зоне действия электродов, а в периферийных зонах, где электрический ток не проходит, шлак будет прогреваться только за счет теплопроводности.

В печи с неподвижными электродами следует стремиться мак­ симально приблизить слой электронагреваемого шлака к поверх­ ности металла. Как показали плавки на экспериментальной элек­ трошлаковой вагранке, в печи с неподвижными электродами проис­ ходит интенсивное движение шлака, что способствует более интен­ сивной передаче тепла металлу.

Несмотря на весьма сложные условия теплообмена в электро-

301