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

г д е Aq — угар данного элемента во всей металлозавалке;

А/— угар данного элемента в соответствующей составляющей металлозавалки;

tii— содержание соответствующей составляющей в металло­ завалке;

xi— содержание данного элемента в соответствующей состав­ ляющей металлозавалки;

xQ — содержание данного элемента во всей металлозавалке.

Большая часть исследований по угару Si и Мп проведена в наи­ более распространенных вагранках с кислой футеровкой. Угар эле­ ментов при плавке в вагранке с основной футеровкой имеет другие , закономерности и в значительной степени определяется шлаковым режимом. Установлено [29], что на угар кремния значительное влияние оказывает содержание закиси железа в первичных и ко­ нечных шлаках. Механизм угара элементов весьма сложен и труд­ но поддается полному аналитическому выражению. Поэтому це­ лесообразно пользоваться для расчетов опытными величинами угаров для данных условий и уточнять их по результатам регуляр­ ных химических анализов шихтовых материалов и выплавленного чугуна.

Расчет шихты

Расчет шихты для выплавки серого чугуна в коксовых вагран­ ках производится обычно по двум элементам — Si и Мп, поскольку содержание углерода автоматически выравнивается до требуемого за счет науглероживания в холостой колоше.

При расчете прежде всего исходят из условия получения требуе­ мой марки чугуна по ГОСТу 1412-70.

Характеристика марок чугуна и ориентировочный химический состав, рекомендуемый в ГОСТе для каждой марки чугуна, приведе­ ны в табл. 13.

Химический состав чугуна уточняется в зависимости от характера отливки, толщины ее стенок, технических условий и метода получе­ ния отливки.

По точному значению химического состава чугуна на основе опытных величин угаров элементов рассчитывают требуемый хими­ ческий состав шихты, а затем производят подбор шихтовых мате­ риалов. Критерием подбора должен быть требуемый химсостав и наименьшая стоимость шихты. Подбор целесообразно осуществ­ лять на электронных вычислительных машинах [200]. В табл. 14 приведены составы унифицированных шихт, рекомендуемых [201] для автомобильной промышленности.

Наиболее прогрессивным направлением в подборе шихтовых материалов является оптимизация шихты с применением ЭВМ»

50

поскольку в этом случае возможно рассчитать сотни и тысячи вари­ антов, чтобы выбрать оптимальный, т. е. имеющий наименьшую сто­ имость.

Сера и фосфор в ваграночном процессе

Сера и фосфор относятся к вредным примесям чугуна.

Сера понижает прочностные характеристики чугуна, так как располагается в виде эвтектики Fe — FeS по границам зерен. Сера вносится в вагранку с шихтой, флюсами и топливом. В исходной ме­ таллической шихте серы меньше, чем в получаемом чугуне. Флюсы вносят мало серы. Основная масса серы, переходящей в жидкий ме­ талл, поступает с коксом. Кокс содержит ее до 1,5%, что приводит к повышению содержания серы в выплавленном чугуне до 0,1—0,15%. Такое количество считается нормальным для обычного серого чугу­ на, но совершенно недопустимо при производстве отливок из вы­ сококачественных и высокопрочных чугунов.

Основные пути снижения содержания серы в ваграночном чугу­

не:

1. Управление шлаковым режимом (изменение состава и коли­ чества шлаков).

2.Применение основного процесса плавки.

3.Обработка чугуна содой.

4.Обработка чугуна карбидом кальция.

5.Обработка чугуна магнием.

Подробное изучение поведения серы в ваграночном процессе [1]

52

показало, что и в обычной кислой коксовой вагранке можно сни­ жать содержание серы следующими путями:

1)применением малосернистого кокса;

2)применением более крупного кокса;

3)меньшей высотой холостой колоши;

4)увеличением расхода воздуха;

5)повышением содержания СаО в шлаке;

6)увеличением Мп в шихте, например добавкой марганцевой

руды;

7)увеличением общего количества шлака;

8)регулярным скачиванием (выпуском) шлака с поверхности металла.

Наиболее эффективным средством получения малосернистого чугуна является процесс плавки с основными шлаками. Процесс относят к основному, когда основность, определяемая отношением

основности 1,7—2,0 содержание серы снижается до 0,01—0,03%. Обработка чугуна содой, карбидом кальция и магнием приводит

к химическому взаимодействию этих веществ с сульфидами в чу­ гуне и переходу продуктов реакции в шлак или газовую фазу, что обеспечивает активную десульфурацию, но эти процессы связаны с дополнительной обработкой чугуна и поэтому целесообразны лишь в отдельных случаях, когда пониженное содержание серы в чугуне особенно важно.

В отличие от серы содержание фосфора в чугуне при плавке в вагранке с кислым процессом практически не изменяется.

Для получения малофосфористого чугуна применяют обычно основной процесс, отличающийся от процесса по получению мало­ сернистого чугуна. Если для десульфурации чугуна повышенное со­ держание FeO в шлаке нежелательно, то для дефосфорации оно не­ обходимо, Десульфурация лучше протекает при высоких темпера­ турах, а дефосфорация, наоборот, при пониженных температурах, так как окисление фосфора происходит по экзотермическим реак­ циям с участием FeO. Таким образом, для обесфосфоривания необ­ ходим основной окислительный процесс, протекающий при пони­ женных температурах.

5. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ И ОСНОВЫ ЕГО АВТОМАТИЗАЦИИ

Автоматизация процесса плавки основывается прежде всего на определенных взаимосвязях конструктивных и технологических па-

53

раметров, которые в виде формул или номограмм связывают произ-' водительность и температуру чугуна с основными параметрами плавки [30].

Результаты экспериментальных исследований взаимосвязей ос­ новных параметров ваграночной плавки содержатся в работах

54

1

I

'ms то W5 то /ш hbo <sss*~~~500°^ Температура баграномога чугуна, "С

Рис. 15. Номограмма Л . М. Мариенбаха.

Г. Юнгблутта, В. Паттерсона, Л. М. Мар-иенбаха, американских уче­ ных [5, 30].

Например, В. Паттерсоном на водоохлаждаемых вагра-нках диа­

Л. М. Мариенбах приводит в номограмме, построенной для про­ изводственных вагранок среднего размера, работающих на отечест­ венных сортах кокса из угля Донецкого месторождения, соотноше­ ния между расходом топлива, температурой и количеством возду­ ха, удельной производительностью и температурой металла (рис. 15) [30].

Приведенные выше экспериментальные -номограммы, выражаю­ щие взаимосвязи между основными параметрами, отражают общие

55

ратуре подогрева дутья были получены различные показатели про­ цесса. Это означает, что полученные номограммы нельзя рассматри­ вать в качестве универсальной программы управления ваграночным плавильным процессом. Однако содержащаяся в номограммах ин­ формация при соответствующей математической обработке может быть применена для создания обобщенного алгоритма управления плавильным процессом.

В настоящее время для создания алгоритмов управления про­ цессом плавки целесообразно применять формулы, полученные В. М. Горфинкелем, и методику расчета коксовых вагранок по ра­ ботам А. К. Юдкина и Л. М. Мариенбаха.

Основной задачей автоматического управления процессом плав­ ки является стабилизация температуры и химического состава вы­ плавляемого чугуна и производительности вагранки. Создаваемые для этой цели средства автоматизации должны обладать высокой надежностью работы в производственных условиях. Схема автома­ тизации технологического процесса должна строиться на минималь­ ном количестве контролируемых и регулируемых параметров. Ра­ ционально ограничиться рассмотрением форм взаимосвязей между следующими параметрами: температурой и химическим составом жидкого металла, производительностью вагранки, удельным расхо­ дом топлива, удельным расходом и температурой воздуха, соста­ вом и температурой ваграночных газов (30]. Реализация этих взаи­ мосвязей может быть осуществлена на основе:

1) автономного регулирования одного или нескольких парамет­ ров;

2)применения управляющих машин, воздействующих на объ­ ект непосредственно или через оператора;

3)применения автоматических систем управления, приспособ­ ленных к самообучению, самоорганизации или другим видам при­ способления к изменяющимся внешним условиям.

В практике ваграночного производства были испытаны следу­ ющие автономные системы регулирования:

1. Регулирование расхода воздуха по весу и объему, заключаю­ щееся в сохранении постоянства объемного или весового количест­

3. Регулирование расхода воздуха по экстремальному значению температуры жидкого металла, обеспечивающее при постоянно из­ меняющихся параметрах плавки получение жидкого чугуна с наи­ более высокой в данных условиях температурой.

Практическое использование каждого из перечисленных спосо-

56

бов в определенных условиях приводит к некоторым преимуществам по сравнению с методами ручного управления процессом плавки.

Система автономного регулирования, способная к самонастрой­ ке, в состоянии обеспечить наивысшую температуру перегрева чугу­ на в данных условиях; системы регулирования расхода воздуха по объему, весу или содержанию СОг в ваграночных газах способству­ ют стабилизации температуры и химического состава чугуна. Од­ нако системы автономного регулирования, работающие по жестко­ му алгоритму, не в состоянии одновременно стабилизировать на заданном уровне химический состав, температуру и количество вы­ плавляемого чугуна при изменяющихся внешних условиях.

Значительно шире возможности системы управления, включа­ ющей управляющую машину. Простейшим примером такой систе­ мы может служить вычислительная машина, определяющая пара­ метры плавки (расход топлива, расход и температуру дутья), необходимые для достижения заданной температуры чугуна и про­ изводительности вагранки [30]. Значения параметров, рассчитан­ ные машиной, реализуются регулятором дутья и автоматическим дозатором кокса.

Преимущества управляющей системы, содержащей вычислитель­ ную машину, по сравнению с системой автономного регулирования заключаются в возможности одновременной стабилизации на за­ данном уровне нескольких взаимосвязанных параметров. Однако такая система управления также может оказаться неудовлетвори­ тельной, так как в жесткой, заранее заданной программе расчета параметров могут не учитываться изменения характеристик про­ цесса и других условий работы системы. В этом случае система управления должна быть дополнена подалгоритмом, предусматри­ вающим накопление информации и учет изменяющихся условий, позволяющих осуществить процесс самоулучшения алгоритма. Си­ стема, обладающая памятью и способностью к использованию на­ копленной информации, к самоулучшению и приспособлению к изменяющимся условиям, в состоянии устойчиво обеспечить основ­ ные цели и задачи автоматизации процесса плавки чугуна. Исходя из этого структура управляющей системы, удовлетворяющей всему комплексу задач автоматизации ваграночного процесса, должна строиться по следующим принципам [30]:

1. Система должна содержать вычислительную машину, автома­ тически рассчитывающую оптимальные значения расхода кокса и расхода дутья для заданных значений температуры чугуна и про­ изводительности вагранки.

2.Программа расчета параметров плавки должна основываться на статистической характеристике ваграночного процесса, получен­ ной из эксперимента, проведенного в рабочих условиях.

3.Алгоритм управления должен содержать подалгоритм само-

57

улучшения, предусматривающий приспособление программы расче­ та и управления к изменяющимся условиям.

4. Технологические принципы управления должны базироваться на автоматической стабилизации параметров оптимального тепло­ вого режима плавки, установленного вычислительной машиной.

Комплексная автоматизация плавки чугуна и загрузки вагранки шихтовыми материалами ставит ряд сложных задач, в том числе:

1.Расчет оптимального состава шихты.

2.Расчет оптимальных значений расходов топлива и дутья.

3.Введение найденных пропорций в программу взвешивания шихты, ферросплавов и кокса.

4.Наблюдение за приборами, контролирующими входные и вы­ ходные параметры процесса, логическая оценка и анализ первич­ ной информации.

5.Перестройка программы регуляторов дутья и задатчиков до­ заторов по данным логического анализа.

6.Централизованное управление механизмами подачи и загруз­ ки шихты.

Качественное выполнение сложного управляющего комплекса могут обеспечить управляющие вычислительные машины, непосред­ ственно связанные с объектом при,помощи контрольно-измеритель­ ных приборов.

Первые специализированные вычислительные машины для ав­ томатизации расчетов шихты и теплового режима вагранки были разработаны в ТНИИСА и испытаны на Кутаисском автозаводе. Эти машины предназначались для предварительного изучения тех­ нологического процесса и послужили базой последующих разрабо­ ток в этом институте управляющих машин для комплексной авто­ матизации процессов плавки чугуна.

Специализированная машина для расчетов ваграночной шихты представляет собой аналоговую трансформаторную модель, пред­ назначенную для решения системы линейных алгебраических урав­ нений, моделирующих задачу составления сложной шихты, содер­ жащей до десяти составляющих. Задача расчета теплового режима вагранки решалась на базе реализации математической модели вы­ шеприведенной номограммы Л. М. Мариенбаха.

Таким образом, имеется принципиальная возможность комплек­ сной автоматизации ваграночного процесса плавки. Однако подав­ ляющее большинство вагранок работают без автоматики, что объ­ ясняется сложностью и дороговизной систем автоматики, а- также универсальностью самой вагранки и заложенными в ней большими металлургическими и теплотехническими возможностями.

Применение комплексной автоматизации и ЭВМ позволит на­ ряду с обычными эффектами автоматизации вскрыть резервы и пер­ спективы ваграночной плавки, которая, очевидно, еще на долгие го-

58

ды останется основным видом агрегата для плавки чугуна в литей­ ном производстве.

6. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА В ВАГРАНКАХ

Применение подогрева воздуха

Применение горячего дутья в коксовых вагранках известно уже более 100 лет [9].

Способы подогрева воздуха для вагранок подразделяются на следующие виды:

1.Нагрев в регенераторах.

2.Нагрев в рекуператорах:

зов, подаваемых в рекуператор и дожигаемых в специальной топке; г) расположенных вне вагранок, за счет тепла дополнительно

сжигаемого топлива.

3. Добавление горячих продуктов сгорания к дутьевому воздуху: а) возврат части ваграночных газов; б) добавка к дутьевому воздуху горячих продуктов сгорания до­

полнительно сжигаемого топлива.

Подогрев дутья в регенераторах осуществлялся в вагранке кон­ струкции Шюрмана: Эта вагранка эксплуатировалась в Германии [9]. Она имела два регенератора и одну шахту. Регенераторы по­ очередно подключаются в работу на нагрев воздуха, который до­ стигал 250—280°С.

Другим известным регенеративным подогревателем является воздухоподогреватель Н. Е. Нинуа [7], в котором насадка из шари­ ков контактирует поочередно с отсасываемыми ваграночными га­

няются.

В работе [31] описана вагранка с рекуперативным воздухоподо­ гревателем, вмонтированным в шахту. Температура воздуха под­ держивалась 90—100°С, максимум 150°С. Температура чугуна по­ высилась с 1320—1350 до 1350—1380°С, т. е. на 30°. Общий расход кокса снизился с 14,2 до 12,2%, при этом производительность ваг­ ранки возросла на 13%. Предлагались вагранки с рекуператором, располагаемым частично в шахте, частично в трубе, и в виде короб­ чатых секций, располагаемых ниже загрузочного окна. Однако все

59