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

9

a

мм sod cm

Рис. 12. Зависимость удельной производительности от высоты а, и тем­ пературы чугуна от давления дутья б для различных диаметров шахты.

температуры чугуна в горне достигают 20°С на каждые 100 мм высоты горна. Увеличение расхода кокса с 10 до 15% повышает t4 на 30—40°С, a g снижается на 1,2—1,4 т/м2-час. Влияние длитель­ ности плавки незначительно. Размеры толщины футеровки не от­ разились на показателях плавки.

Совместное влияние исследуемых факторов и относительная сила влияния каждого были установлены при решении многофак­ торной корреляционной модели. Получены уравнения множествен­ ной регрессии, по которым можно определить ожидаемые произ­ водительность и температуру чугуна для данных конструкции ваг­ ранки и условий плавки.

Расчеты уравнений регрессии и коэффициентов корреляции многофакторной корреляционной модели с большим числом фак­ торов на ЭВМ типа БЭСМ-2М в Свердловском отделении матема­ тического института им. Стеклова АН СССР по программе и алго­ ритмам института для вагранок диаметром 900 мм дали уравнения:

g = 5,83 + 0,01 W + 0,00087 Р - 0,024 Кр - 0,0014dK —

— 0,00013/гх к - 0,00004//„ +0,0058 et ;

40

t, = 1274+0,02б7/гх к +2,38 /\р +0,74 ех + 0,037 Р - 0,031 М -f- + 0,17 rfK - 0,081 К + 0,0049 //„ + 0,024 №.

Члены уравнения расположены в порядке уменьшения силы влияния параметра на показатель. Подобные результаты получе­ ны и для вагранок других диаметров.

Используя полученные уравнения, можно определить произво­

ранок можно оценить правильность выбранных параметров и за­ ранее назначить оптимальный режим плавки.

Вопрос о рациональном числе рядов фурм до настоящего вре­

процесса.

4.МЕТАЛЛУРГИЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА В ВАГРАНКЕ

Ввагранке происходят сложные физико-химические процессы. Между газовой фазой, твердой шихтой и жидким металлом помимо процессов теплопередачи осуществляются многочисленные химиче­ ские процессы.

Вагранку по высоте можно разделить на пять зон: I — шахта

41

ВI зоне вагранки нагревающийся твердый металл может всту­ пать в химические реакции только с газовой фазой, и гетерогенные процессы будут зависеть от температурных условий, парциального давления реагирующих газов, а также от степени развитости по­ верхности металла.

Вгазовой фазе вагранки содержание С 0 2 больше, чем СО. По­

этому железо может окисляться по следующей реакции:

F e - f C 0 2 ^ F e O + C O - Q .

Все элементы, встречающиеся в шихтовых ваграночных мате­ риалах, имеют весьма малые упругости диссоциации окислов, и по­ этому они способны окисляться даже в условиях слабо окислитель­ ной атмосферы I зоны вагранки. Следовательно, если на поверхно­ сти металла наряду с атомами железа окажутся атомы кремния, марганца или углерода, то может произойти их окисление газовой фазой. Однако окислительные реакции протекают на поверхности металла в слое глубиной не более 0,25 мм и при обычных габаритах шахты резкого влияния на ваграночный процесс не оказывают.

В случае применения в составе шихты тонкого листового мате­ риала или небрикетированной стружки, если при этом не были при­ няты специальные меры, окисление и обезуглероживание могут до­ стигнуть ощутимых для ваграночного процесса величин. Так, на­ пример, при плавке в вагранке чугунной стружки навалом к момен­ ту плавления металл теряет значительную часть содержащегося в нем углерода, кремния и марганца и вместо чугуна, по существу, получается сталь.

Зона I I вагранки — это зона плавления металла. Кусок метал­ ла шихты, нагревшись в зоне плавления, начнет плавиться, и, пока не расплавится, его температура будет более или менее постоянной

иравной температуре плавления металла.

Впериод плавления кроме окисления основных элементов га­ зовой фазой металл насыщается серой но реакции:

3Fe + S0 2 = FeS + 2FeO.

Из зоны плавления металл поступает в виде капель и струек в редукционную зону вагранки I I I . В этой зоне капли металла пере­

ется, но все же остается выше температуры плавления металла. В

42

этой зоне происходит также образование жидкоподвижного рас­ плавленного шлака. Газовая фаза в редукционной зоне слабо окис­ лительная. Образующиеся на поверхности капель металла окислы железа растворяются в чугуне капель, где передают кислород эле­ ментам, имеющим большее сродство с последним, чем железо, т. е. кремлию, марганцу, хрому и частично углероду. В то же время кап­ ли металла, соприкасаясь с топливом, растворяют углерод и серу топлива.

По сродству к кислороду металлы располагаются в следующий ряд [1]: Си, Ni, Со, W, Fe, Сг, Mn, V, Si, Ti, Al, Mg, Ca. Металлы, стоящие справа от железа, обладают большим сродством к кислоро­ ду и способны отнимать кислород у его окислов. При плавке чугуна в вагранке образующиеся окислы железа в окислительной атмос­ фере не в состоянии удержать кислород в присутствии кремния, марганца и других элементов, обладающих большим сродством к кислороду, чем железо.

Если плавка ведется в вагранке с магнезитовой или доломито­ вой футеровкой, при которой образуется основной шлак, то реак­ ция окисления кремния практически протекает лишь в одном на­ правлении, поскольку она завершается образованием прочных со­ единений типа Si0 2 Ca O и Si02 -2CaO.

При ведении плавки в вагранках с шамотной футеровкой, при которой образуются кислые шлаки, реакция окисления кремния может изменить свое направление, при этом восстановителями кремния могут быть углерод или марганец. Восстановление крем­ ния углеродом и марганцем может протекать по реакциям:

Поскольку эти реакции протекают с поглощением тепла, то со­ гласно принципу Ле-Шателье их благоприятное развитие в сторону восстановления кремния возможно лишь при высоких температурах металла.

При плавке чугуна в вагранке окисление марганца может про­ исходить за счет закиси железа по реакции:

43

Mn + FeO = MnO +Fe + Q.

Температура плавления закиси марганца 1785°С, и практически закись марганца, так же как и двуокись кремния, -не растворяется в чугуне. Образующийся основной окисел прочно закрепляется в. кислом шлаке, и процесс становится необратимым.

При наличии основного шлака и достаточно высокой температу­ ры системы в ней может протекать эндотермическая реакция вос­ становления марганца:

MnO + C = Mn + C O - Q .

Благодаря наличию свободного кислорода в этой зоне возможны следующие реакции элементов:

2Fe + 0 2 = 2FeO + Q , . Si + 0 2 = Si0 2 + Q,

2Mn + 0 2 = 2MnO + Q,

2C + 0 2 = 2GO + Q.

Здесь протекают также вторичные реакции окисления элемен­ тов, происходит растворение углерода в жидком чугуне, заканчива­ ются процессы шлакообразования.

В V зоне — горне вагранки металл и шлак охлаждаются за счет потерь тепла через стенки и подину горна. Влияние газовой фазы зависит от уровня металла и шлака, скапливающихся в горне ва­ гранки. Если уровень шлака в вагранке, не имеющей выносного копильника, поднимается до фурм или близко к фурмам, происходит окисление металла через шлак за счет кислорода воздуха. Образо­ вавшаяся закись железа растворяется в чугуне и передает свой кислород элементам, имеющим большее сродство с килородом, чем железо. Чем ниже уровень шлака от фурм, тем менее окислитель­ ная атмосфера в горне вагранки у поверхности шлака и тем незна­ чительнее окисление чугуна в горне вагранки. Практически чем глубже горн, тем дальше от фурм уровень шлака и меньше окис­ ление металла в горне вагранки и, наоборот, чем мельче горн, тем ближе к фурмам уровень шлака и больше окисление металла в гор-

44

не вагранки. Чем толще слой шлака, тем медленнее происходит процесс передачи кислорода в металл и меньше окисление метал­ ла.

В вагранке с копильником угар металла при прохождении его через горн будет минимальным. В горне вагранки продолжается процесс растворения углерода и серы в жидком металле, а также происходит перемешивание металла, и состав чугуна получается бо­ лее равномерным.

Углерод в ваграночном процессе

Одним из основных элементов чугуна является углерод, от ко­ личества и формы которого зависят свойства металла и качество от­ ливок.

В результате плавки в коксовой вагранке происходит науглеро­ живание металла за счет углерода кокса.

Науглероживание металла в коксовой вагранке является слож­ ным физико-химическим процессом, состоящим в растворении угле­ рода в чугуне и,частичном его химическом взаимодействии с состав­ ными частями чугуна.

В последнее время были высказаны две теории процесса наугле­ роживания чугуна в коксовой вагранке.

Л. М. Мариенбах, А. И. Смирнов, А. М. Выходец [21, 22] при­ держиваются теории конвективной диффузии, в соответствии с ко­ торой даже при малых скоростях движения расплавленного метал­ ла по коксу преобладает перенос углерода потоком. При этом ско­ рость растворения углерода кокса металлом ограничивается пре­ дельной насыщенностью углерода в пограничных слоях жидкого чугуна, интенсивностью отвода растворившегося углерода от диф­ фузионных слоев и диффузией.

Польский ученый Р. Кржежевокий [23] в своих взглядах при­ держивается теории Нернста, в основе которой молекулярная диф­ фузия, происходящая под влиянием разности концентраций в не­ подвижной среде. По этой теории, науглероживание чугуна увели­ чивается при повышении коэффициента диффузии, времени пребывания чугуна в контакте с коксом, а также увеличении по­ верхности соприкосновения раскаленного кокса с расплавленным чугуном.

В реальных условиях обе теории переноса углерода подтвержда­ ются. При движении капель и струек чугуна по раскаленным кус­ кам кокса более выраженной является конвективная диффузия, тогда как в горне, где металл практически неподвижен и находится постоянно в контакте с коксом, преобладает молекулярная диф­ фузия.

На процесс науглероживания металла оказывает влияние ряд

45

факторов. Одним из основных факторов, предопределяющих содер­ жание углерода в ваграночном чугуне, является химический состав переплавляемой шихты. Шихта обычно составляется из двух основ­ ных составляющих, резко отличающихся по содержанию углеро­ д а , — стального лома и различных видов чугуна (лом, доменный чу­ гун и отходы). Стальной лом содержит мало углерода (0,2—0,4%) и добавляется в шихту с целью снижения содержания углерода в жидком чугуне. До зоны плавления сталь доходит практически без изменения содержания углерода. После расплавления капли стали, стекая по раскаленному коксу, науглероживаются. Особенно силь­ но этот процесс идет в зоне перегрева. Здесь содержание углерода в жидком металле увеличивается до 1,7—2,5%. Несколько меньше науглероживание металла идет в горне. При использовании 100% стали в металлозавалке количество углерода в.получаемом вагра­ ночном чугуне достигает 2,0%.

При повышении содержания кремния в металлической шихте и жидком чугуне уменьшается способность металла к науглерожива­ нию. М. С. Петрушевский и П. В. Гельд установили, что кремний значительно понижает растворимость углерода в чугуне. Это под­ тверждает также известная диаграмма Ф. Вюста и О. Петерсона, а также диаграмма железо — углерод — кремний, учитывающая по­ вышающееся содержание кремния.

Фосфор, сера и никель, аналогично кремнию, понижают способкость чугуна к растворению углерода, а марганец и хром, наоборот, повышают ее. Один процент кремния и фосфора понижают раство­ римость углерода в жидком чугуне соответственно на 0,317 и 0,33%, а один процент марганца и хрома повышают растворимость угле­ рода в металле соответственно на 0,027 и 0,07%. Растворимость уг­ лерода металла изменяется от воздействия никеля и серы. Так, при температуре 1200°С один процент никеля и серы понижают раст­ воримость углерода соответственно на 0,4 и 1,6%, а при 1400°С— на 0,07 и на 1,47%.

На содержание углерода в чугуне оказывает влияние качество используемого кокса, особенно его зольность. Зола, расплавляясь и скапливаясь на поверхности кусков кокса, препятствует непосред­ ственному соприкосновению капель металла с коксом. Так, напри­ мер, при одинаковых условиях плавки кокс с 10% золы обеспечива­ ет получение чугуна с 3,2—3,3% С, при содержании в коксе 15% золы получается чугун с 3% С и при 20% золы в чугуне — 2,8% С. Поэтому для науглероживания чугуна надо применять .малозольный кокс, который позволяет вести плавку в вагранках холодного дутья. США и ФРГ производят высокоуглеродистый кокс с высокой плотностью, с зольностью 3,5% вместо обычных 8—11%, с объемом пор 34% против 50% у обычного литейного кокса. Скорость плавки на таком коксе увеличивается на 20—40%, чугун получается более

46

горячим и более науглероженным, повышается стойкость футеров­ ки, снижается расход кокса. Высокоуглеродистый кокс все шире применяется за рубежом благодаря указанным преимущест­ вам [24].

Науглероживанию чугуна в коксовой вагранке способствуют ос­ новные окислы, интенсивно смывающие с кусков кокса холостой колоши кислые окислы, из которых в основном состоит его зола. Такая очистка кокса благоприятствует более тесному взаимодейст­ вию капель металла с углеродом горящего кокса. В связи с этим в основных вагранках науглероживание чугуна происходит интенсив­ нее, чем в кислых.

Увеличение температуры чугуна оказывает благоприятное влия­ ние на процесс науглероживания расплава в коксовой вагранке, так как повышается подвижность атомов углерода и их внедрение в глубь металла. Повышение температуры кокса также способствует лучшему переносу углерода в жидкий чугун, потому что атомы уг­ лерода на поверхности горящего кокса имеют наибольшую кинети­ ческую энергию. Растворимость углерода увеличивается с повыше­ нием температуры металла [26].

Растворимость графита в жидком железе при стабильной систе­ ме выражается эмпирической формулой [26]:

С= 1,30 + 2,57-10 t~3,

где С — растворимость углерода, вес. %;

t — температура раствора в пределах 1153—2000°С.

Так как растворение углерода в железе во всех случаях идет со значительным поглощением тепла, то для повышения содержания углерода в чугуне температуру перегрева металла в горне коксовой вагранки необходимо поддерживать в пределах 1400—1450°С.

Кремний и марганец в ваграночном процессе

Кремний и марганец являются важными элементами в чугуне, в значительной степени определяющими его свойства. Влияние этих элементов на свойства чугуна различно.

Кремний и марганец при плавке в обычной коксовой вагранке окисляются. Угар кремния составляет 10—30%, а марганца 15— 40% [3]; по другим данным — соответственно 10—20 и 15—25% [1]. Увеличение расхода воздуха, снижение расхода кокса, увеличение размеров кусков кокса, уменьшение его реакционной способности и повышение плотности приводят .к увеличению угара кремния и мар­ ганца. Существенное влияние на угар кремния и марганца оказы­ вает качество металлической шихты. По данным П. М. Карпова [27],

47

после определения состава жид­ кого чугуна вычислялся угар расчетных элементов в отходах собст­ венного производства в зависимости от приведенной толщины. Уста­ новлено, что чем меньше приведенная толщина, т. е. чем больше по­ верхность отливки и тоньше литье, тем угар кремния выше.

Для выяснения влияния содержания стального лома на угар контролируемых элементов была принята шихта: по 25% литейного чушкового чугуна и стального лома и 50% отходов собственного про­ изводства. Во всех плавках при выяснении влияния стального ло­ ма использовался литейный чушковый чугун одной партии с извест­ ными величинами угара расчетных элементов; отходы собственного производства представляли собой один вид бракованных отливок из чугуна одной и той же вагранки цеха и с одним химическим со­ ставом. Для удобства расчета шихт величины угара расчетных эле-

48

ментов чушковых чугунов, отходов собственного производства во всех случаях сохранялись постоянными, а изменения величины угара относились к стальному лому.

Для определения угара кремния в ферросплавах Си 10 и Си 45 в шихту вводились эти ферросплавы в зависимости от процента кремния, вносимого ферросплавом. Полученные данные об угаре расчетных элементов отдельных составляющих использовались при составлении шихт из различных компонентов для плавки в вагран­ ках производительностью 5, 10, 14 и 25 т/час с обеспечением удов­ летворительной стабильности химического состава жидкого чугуна.

На основе исследований установлены угары кремния и марган­ ца для каждого компонента ваграночной шихты [28]. Средние вели­ чины этих угаров приведены в табл. 12.

ролируемых элементов в каждой составляющей устраняет необхо-: димость в назначении средней величины угара для всей массы ма^ териалов.

Угар Si или Мп в каждом частном случае при составлении ших* ты будет соответствовать величине, определяемой по формуле:

k