3.5. Литейная печь (вагранка)
Вагранка – печь шахтного типа для плавки чугуна в литейных цехах.
Кроме вагранки для плавки чугуна используются и другие печи:
1) тигельные, в которых нагреваемый чугун не контактирует ни с топли- вом, ни с продуктами горения; 2) пламенные стационарные (мартеновские и др.); 3) пламенные вращающиеся (барабанные и др.); 4) электропечи (ду- говые, индукционные и др.); 5) малобессемеровские конвертеры. Вагранки являются самыми распространенными печами в чугунолитейных цехах, – в них выплавляется около 95 % всего чугуна. Это связано с тем, что вагранки просты по конструкции, имеют высокий к.п.д. и удобны в эксплуатации. В свою очередь, вагранки разделяют по видам используемого топлива на кок- совые, коксогазовые и газовые. Преимущество коксовых вагранок в ис- пользовании дешевой шихты с относительно низким содержанием кремния и марганца, низкая окислительная способность атмосферы внутри печи, а также возможность стабильной работы без подогрева воздуха в воздухопо- догревателях. Преимущество газовых вагранок в использовании газообраз- ного топлива – более дешевого по сравнению с коксом. Принято считать, что наиболее низкая себестоимость плавки чугуна в коксогазовых вагран- ках.
Пример конструкции коксовой вагранки приведен на рис. 3.9. Вагран- ка состоит из 4 основных частей: 1) копильник – для накапливания чугуна перед разливкой. Наружные габариты копильника: диаметр – 0,9-3,0 м, вы- сота – 1,8-3,5 м; 2) шахта – часть вагранки от загрузочного окна до подины, заполненная шихтой и продуктами плавки. Наружные габариты шахты: диаметр – 1,1-3,0 м, высота – 3,7-9 м; 3) труба (дымовая труба) – часть ва-
65
гранки, создающая разрежение в верхней части шахты для удаления в атмосферу пыле- газовых продуктов плавки. Наружные габа- риты трубы: диаметр – 1,1-3,0 м, высота не менее 6,5-10 м; 4) искрогаситель – устройст- во, предназначенное для улавливания круп- ных раскаленных частиц и пыли, содержа- щихся в пылегазовых продуктах плавки. На- ружные габариты искрогасителя: диаметр –
2,5-6 м, высота – 3-8 м.
По высоте вагранки по ходу движения шихты выделяют от 3 до 5 зон. Рассмотрим
5-зонную схему: 1-я зона – шахта вагранки, в которой твердая шихта опускается и нагрева- ется движущимися навстречу газами; 2-я зона
– зона плавления; 3-я зона – редукционная
(отводящая) зона холостой колоши (понятие о холостой колоше – ниже), в которой протекает эндотермическая реакция СО
2
+ С = 2 СО и температура газов в которой по ходу металла увеличивается от температуры, достаточной для плавления шихты до максимального зна- чения; 4-я зона – кислородная зона холостой колоши, внутри которой металл перегревается и достигает своего температурного максиму- ма; 5-я зона – горн вагранки, в котором скап- ливается расплавленный металл и температура газов примерно равна температуре металла.
Принцип работы вагранки следующий.
Через загрузочное окно с колошниковой пло- щадки посредством загрузочных бадей (ко- лош) в шахту печи засыпается шихта, вклю-
чающая доменный чугун, чугунный и сталь- ной лом, чугунную и стальную стружку, соб- ственный возврат литейного цеха (литники и т.п.), флюсы (плавиковый шпат – CaF
2
, из- вестняк – СаСО
3
, известь – СаО, основной мартеновский шлак, а также железную руду – для удаления фосфора) и кокс. Шихта подает- ся порциями –колошами. В самом начале работы вагранки на подину загру- жают так называемую холостую колошу, состоящую из крупных (около
100 мм) кусков кокса. Верхний уровень колоши должен быть на 0,5-0,7 м
Рис. 3.9. Схема коксовой вагранки:
1 - копильник; 2 - шахта; 3 - тру- ба (дымовая труба); 4 - искрога- ситель; 5
- чугунная лётка;
6 - шлаковая лётка; 7 - переход- ная
(соединительная) лётка;
8 - воздушные фурмы; 9
- воз- душная коробка; 10 - трубопро- вод подачи воздуха; 11 - колош- никовая площадка; 12
- загру- зочная бадья; 13
- загрузочное окно; 14
- загрузочный кран;
15 - откидное днище для уда- ления остатков плавки; 16 - горн;
17 - опорные колонны
66
выше уровня фурм. С помощью дров или природного газа кокс зажигают. В дальнейшем разогрев слоя кокса до 1400-1500
°С осуществляется продувкой его воздухом через фурмы. На слой раскаленного кокса загружают первую металлическую колошу, а на нее – первую рабочую колошу кокса. Затем тем же порядком: металл-кокс загружается несколько колош до уровня загрузоч- ного окна. Флюс обычно загружается вместе с металлом.
По окончании загрузки шихты включается на рабочий режим дутьевой вентилятор, подающий воздух на фурмы. При горении кокса холостой коло- ши выделяется большое количество горячих газов с высокой температурой
(около 1600-1750
°С). Эти газы проходят через слой шихты и расплавляют металл в первой металлической колоше. Температура плавления стальной части шихты в зависимости от содержания углерода составляет 1400-
1500
°С, тогда как температура плавления чугуна при медленном нагреве близка к 1150
°С. Капли металла стекают по кускам раскаленного кокса и на- греваются в общей своей массе до температуры примерно 1500
°С.
Стекающий на подину металл вместе с образовавшимся шлаком через соединительную (переходную) лётку поступает в копильник. Для обработки жидкого чугуна в копильнике возможна добавка к металлу ферросплавов, раскислителей и модификаторов, а также возможна продувка чугуна кисло- родом для повышения температуры металла или изменения химсостава (для справки: модификаторы – вещества, которые в малом количестве способст- вуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме, что улучшает механические свойства металла. В вагранке модификаторами могут быть ферросилиций, силикокальций, алюминий и магний). Когда ко- пильник будет достаточно заполнен, выпускают шлак через шлаковую лётку.
После спуска шлака металл выпускают через металлическую (чугунную) лётку.
Недостаток схемы вагранки с использованием копильника связан с
большими потерями в нем теплоты металла, в результате чего в копильнике температура металла может понизиться на 70-80
°С с 1450-1500 °С до 1370-
1420
°С. Для компенсации снижения температуры металла копильники ино- гда делают обогреваемыми посредством установки горелок со сжиганием дополнительного газообразного топлива. Поэтому в тех случаях, когда не надо накапливать металл для крупных отливок, например, в мелкосерийном производстве мелких отливок применяют схему непосредственного разлива чугуна из вагранки без копильника.
Во время расплавления металлической колоши часть кокса холостой колоши сгорает. Количество кокса, подаваемого в шахту с рабочей коксовой колошей должно быть таким, чтобы компенсировать сгоревший кокс. В этом случае плавка металла всегда будет на одном и том же горизонте, что обес- печит стабильность работы вагранки.
67
Ваграночные газы, образовавшиеся при сжигании кокса проходят через слой шихты и постепенно охлаждаются от 1500-1600
°С до 300-600 °С. На выходе из слоя газы состоят из: 9-16 % (объемн.) СО
2
; 8-16 % СО; 1-2 % Н
2
О,
0-0,1 % SO
2
, 70-75 % N
2
. Теплота сгорания ваграночного газа очень низкая:
1-2 МДж/м
3
. В газах содержится некоторое количество пыли – обычно 8-
14 кг на 1 тонну выплавленного чугуна. Ваграночная пыль – это мелкодис- персные образования, в основном, с частичками менее 100 мкм. Пыль обра- зуется при истирании кокса, флюсов и огнеупоров, а также вносится с пес- ком, глиной, горелой землей. Самые мелкие фракции пыли состоят из оки- слов, образующихся в ходе плавки (FeO, MnO, MnO
2
, SiO
2
).
Для грубой очистки от пыли служит искрогаситель. Первоначальным его назначением было улавливание искр (раскаленных частиц кокса). На рис. 3.9 приведен камерный искрогаситель. Его к.п.д. пылеулавливания су- хой пыли составляет всего 15-25 % и то для крупных частиц (примерно
100 мкм). Поэтому искрогасители часто оборудуют водяными душирующи- ми устройствами. В этом случае к.п.д. пылеулавливания повышается до 40-
75 % с удалением как крупных, так и мелких фракций.
Так как в ваграночном газе содержится много СО, то перед выбросом газа в атмосферу его надо чистить от СО. Практически единственным спосо- бом очистки от СО является его дожигание.
Производительность вагранок зависит от их габаритов и составляет от
1,5 до 30 т/час.
Срок службы футеровки зависит от условий ее охлаждения и материала футеровки в плавильном поясе и составляет обычно до 5-6 дней, изредка – более недели (до 1 месяца). В большинстве случаев футеровку выполняют кислой из специального шамотного ваграночного кирпича с огнеупорностью не ниже 1670
°С в 1-й зоне и 1730 °С – в остальных зонах. Такая огнеупор- ность соответствует максимально допустимым рабочим температурам около
1350-1400
°С. В плавильном поясе неохлаждаемая футеровка может распла- виться уже через 3-4 часа выплавки чугуна. Если требуется, чтобы вагранки работали длительное время (около недели, месяца), они должны иметь водя- ное охлаждение плавильного пояса и горн должен быть выполнен из футе- ровки, типа углеродистых огнеупоров в виде блоков или набивной углероди- стой массы. Кроме кислой футеровки вагранки могут иметь основную футе- ровку из магнезитового или хромомагнезитового кирпича. Основная футе- ровка
применяется редко и только в тех случаях, когда необходимо выпла- вить малосернистый чугун.
Важным условием высокопроизводительной работы вагранки при дли- тельном периоде работы является обеспечение условий для равномерного проникания газов в слое шихты по сечению шахты. В цилиндрической шахте газы поднимаются преимущественно вдоль стен, поэтому футеровка пере- гревается, а металл приходит по центру сечения в зону плавления недогре-
68
тым. Чем больше диаметр цилиндрической шахты, тем ярче проявляется этот негативный эффект. Для улучшения равномерности проникания газов при- меняют дорогие высококачественные шихтовые материалы или изменяют профиль шахты. Самые лучшие характеристики имеют вагранки, профиль которых напоминает профиль доменной печи. Стойкость таких вагранок мо- жет быть в 2-4 раза больше, а температура жидкого чугуна на 40-70
°С выше по сравнению с соответствующими показателями цилиндрических вагранок.
Иногда для повышения производительности, повышения температуры чугуна и для снижения расхода кокса применяется подогрев воздуха горения в отдельно расположенном воздухонагревателе, имеющем самостоятельное отопление.
Примерный материальный баланс процессов, протекающих в коксовой вагранке при плавке серого чугуна, приведен в табл. 3.10, а соответствующий тепловой баланс вагранки приведен в табл. 3.11.
При составлении балансов приняты следующие условия. Состав метал- лической шихты: С - 2,75 %; Si - 2,7; Mn - 0,7; S - 0,06; P - 0,09; Cr - 0,3; Ni -
0,2 и Fe - 93,2 %. Состав кокса: C
Р
- 85 %; H
P
- 0,4; O
P
- 0,5; N
P
- 1; S
P
- 0,05;
W
P
- 3; A
P
- 9,6 %. Угары при плавке: Si - 15 %; Mn - 20 %; Fe - 0,5 %. Пригар при плавке: С - 20 %; S - 50 %. Состав образующегося ваграночного газа:
СО
2
- 13,38 % (объемн.); СО - 12,2; Н
2
О - 1,3; SO
2
- 0,02; N
2
- 73,1 %. Состав шлака: Si - 16 %; Mn - 3; Fe - 11; A
P
- 18; СаО - 32; шамотная футеровка -
19 %. Дутьевой воздух подогревается в рекуператоре за счет использования физической и химической энергии ваграночных газов.
В данном примере расход топлива составил: 2725/29,308 = 93 кг у.т./т металла. В целом, удельный расход условного топлива в вагранках составля- ет 80-150 кг у.т./т металла. Меньший расход топлива соответствует случаю подогрева дутьевого воздуха за счет утилизации энергии ваграночных газов.
Если воздух подогревается в специальных устройствах с подачей дополни- тельного топлива (например, для экономии дорогостоящего кокса), то это топливо должно суммироваться с топливом, сжигаемым в объеме печи.
Для сокращения расхода топлива в вагранках и повышения экономич- ности их работы можно рекомендовать следующее:
1. Использование физической и химической теплоты ваграночных газов для подогрева до 200-300
°С в рекуператоре, устанавливаемом в трубе ва- гранки. Это мероприятие помогает экономить до 15-20 % кокса, повысить производительность вагранки на 15-20 %.
2. Подогрев воздуха до 400-500
°С в отдельно стоящем рекуператоре за счет глубокой утилизации теплоты ваграночных газов, отбираемых в верхней части шахты печи и сжигаемых в специальной топке после сухой очистки.
При этом снижается расход кокса на 30-40 %, повышается производитель- ность вагранки на 30-35 %.
69 3. Обогащение воздушного дутья кислородом. Это приводит к умень- шению потерь теплоты с ваграночным газом за счет уменьшения его расхо- да. В результате получается экономия топлива и повышается температура выплавляемого чугуна.
4. Изменение профиля цилиндрической шахты вагранки на профиль доменной печи, за счет чего газовый поток равномерно распределится по се- чению шахты и, таким образом, будет повышена стойкость вагранки и уве- личена температура металла.
5. Загрузка в вагранку кусков кокса, обработанных флюсами или други- ми веществами (известковое молочко, шамотная обмазка и т.п.), блокирую- щими взаимодействие кокса с газами при низких температурах. Это позволит коксу пройти 1-ю зону (шахта вагранки) при минимальном взаимодействии с
СО
2
. В результате содержание СО в ваграночном газе резко падает, а расход кокса уменьшается.
Таблица 3.10
Ориентировочный материальный баланс ваграночного процесса
(кг/кг выплавленного металла)
Приход
На 1 кг чугуна
Расход
На 1 кг чугуна
1. Шихта 1,004 1.
Выплавленный металл 1,000 2. Дутьевой воздух 0,725 2.
Ваграночный газ 0,816 3. Кокс 0,100 3.
Шлак 0,053 4. Известняк 0,030 5. Шамотная футеровка 0,010
Итого 1,869 Итого 1,869
Таблица 3.11
Ориентировочный тепловой баланс коксовой вагранки
(на 1 кг выплавленного металла)
Приход кг кДж
%
Расход кг кДж
%
1. Химическая энергия кок- са
2725 85,6 1. Физическая теплота на расплавление и перегрев металла (t = 1400
°С)
1280 40,1 2. Физическая теплота воз- духа (t = 400
°С)
298 9,3 2.
Химическая энергия ваграночных газов
942 29,5 3. Химическая энергия окисления Si
118 3,7 3. Физическая теплота ваграночных газов
(t = 500
°С)
434 13,6 4. Химическая энергия окисления Fe
23 0,7 4. Аккумуляция теплоты кладкой, потери теплопроводностью через кладку и др.
330 10,4 5. Химическая энергия ре- акций шлакообразования
14 0,4 5. Физическая теплота на расплавление и перегрев шлака (t = 1350
°С)
95 3,0 6. Химическая энергия окисления Mn
10 0,3 6. Физическая теплота воды на охлажде- ние вагранки
50 1,6 7. Химическая энергия разложения из- вестняка
49 1,5 8.
Теплота испарения влаги 8 0,3
Итого 3188 100,0
Итого 3188 100,0
70
4. Установки для обработки стали в ковше Ковш в металлургии – стальной или чугунный сосуд, предназначен- ный для кратковременного хранения, транспортирования и разливки рас- плавленного металла или шлака. С целью защиты от разъедающего дейст- вия горячего металла и с целью уменьшения тепловых потерь, корпус ков- ша обычно футеруют внутри огнеупорным кирпичом. Перемещают ковш с помощью мостовых кранов или на железнодорожных тележках. Вмести- тельность ковша доходит до 480 тонн.
После разливки в ковше удобно проводить дополнительную обработ- ку стали для удаления примесей. Такую обработку жидкой стали называют внепечной обработкой или вторичной металлургией. Развитие внепечной обработки позволило резко упростить технологическую цепочку в черной металлургии путем гарантированно качественной разливки стали на МНЛЗ
(машины непрерывного литья заготовок) взамен разливки в слитки.
В общем случае, примесями можно считать газы (О
2
, СО, Н
2
, N
2
), ок- сидные неметаллические включения (Al
2
O
3
, MnO, Cr
2
O
3
, TiO
2
и др.), ки- слород в соединении с металлами, примеси цветных металлов (свинец, сурьма, олово, цинк и др.), а также серу, фосфор, а в некоторых случаях – углерод и другие восстановители (марганец, кремний).
Для удаления примесей в ковшах применяются следующие техноло- гии: 1. Обработка металла вакуумом; 2. Продувка металла газами (инерт- ными, окислительными и восстановительными); 3. Перемешивание объема
металла со специально приготовленным шлаком; 4. Продувка металла по- рошкообразными материалами; 5. Обработка металла порошковой прово- локой. Из них первые три имеют резко отличающиеся признаки. Продувка порошками и гранулами (CaF
2
, CaO, железная руда, FeMn, FeSi, Са, Mg, C и др.) обычно осуществляется в струе инертного (аргон) или восстанови- тельного (природный газ) газа и конструкции ковшей для реализации этого способа близки к конструкциям, реализующим продувку металла газами.
Обработка стали порошковой проволокой заключается в подаче в ковш с жидкой сталью порошковых материалов в стальной оболочке посредством трайб-аппаратов. После ввода такой проволоки тонкая оболочка расплавля- ется и порошки распределяются в объеме металла. Подача порошкообраз- ных материалов необходима для быстрого и равномерного раскисления, а также точного легирования стали.
Качество стали в основном определяется длительностью (чем дольше идет процесс обработки, тем качественнее сталь) и способом внепечной обработки. В процессе длительной обработки происходит большая потеря теплоты от объема металла в окружающую среду, падает температура жид- кой стали и снижается эффективность обработки. Для компенсации тепло-
71
вых потерь от металла и поддержания его температуры на высоком уровне в течение достаточно длительного времени необходимо либо перегревать сталь в сталеплавильной печи, либо подогревать ее в ковше. Как правило,
2-й вариант более экономичен при необходимости перегрева металла в ста- леплавильной печи более чем на 70-75
°С. С одной стороны, дополнитель- ный расход энергии в ковше приводит к увеличению себестоимости произ- водства стали, а с другой – дает такие преимущества, как получение низко- и высоколегированных сталей из обычных углеродистых конвертерных ма- рок, спасение "холодных" плавок взамен возврата металла в сталеплавиль- ную печь и т.д.
Существуют два основных способа подвода энергии к жидкой стали в ковше: непосредственный нагрев электрической дугой и химический спо- соб – путем продувки стали кислородом с окислением предварительно вве- денных в неё веществ. Например, быстрый нагрев химическим способом можно получить в том случае, когда в сталь предварительно введена алю- миниевая проволока посредством трайб-аппарата.
Первый способ является основой установок называемых ковш-печь
(см. LF-процесс ниже). Ковш-печь – это установка в виде ковша с крышкой для рафинирования стали путем ее продувки снизу азотом или аргоном и подогрева электродами, вводимыми через отверстия в крышке.
Второй способ лежит в основе работы установки химического нагрева.
При ориентировочных расчетах считается, что ввод 0,04 кг алюминия на
1 тонну стали с последующей продувкой кислородом (расход 0,022-
0,03 м
3
на 1 т стали) повышает среднемассовую температуру стали на 1
°С.
После продувки кислородом обязательна продувка аргоном для удаления остатков кислорода.
Наибольший эффект дает комплексный подход к внепечной обработке металла. Основные наиболее распространенные процессы комплексной об- работки стали следующие:
AP-процесс (Arc Process – дуговой процесс) –электродуговой подогрев металла при
продувке аргоном через верхнюю фурму, наводке высокоос- новного шлака и вдувании порошков силикокальция в струе аргона;
LD-RHOB-процесс (LD-процесс, т.е. кислородно-конвертерный про- цесс продувки чугуна, RH-процесс, т.е. циркуляционного вакуумирования,
Oxygen Blowing – кислородная продувка) – обработка конвертерной стали вакуумом в установке циркуляционного вакуумирования с подачей в ваку- ум-камеру кислорода для дожигания СО до СО
2
и нагрева металла в про- цессе обработки;
LF-процесс (Ladle-Furnace – ковш-печь) – укрытие ковша огнеупорной крышкой с отверстиями под электроды, подогрев металла с помощью дуги в процессе продувки аргоном и одновременно наводка на поверхности ме- талла высокоосновного шлака;
72
LRF-процесс (Ladle-Refining-Furnace – ковш-рафинирование-печь, разновидность LF-процесса) – в дополнение к LF-процессу: обработка ва- куумом под герметичной крышкой (взамен свода с электродами) с отводом к вакуум-насосам с одновременным перемешиванием аргоном, далее раз- ливка через промежуточный ковш в изложницы, находящиеся в вакуумной камере;
VAD-процесс (Vacuum Arc Degassing – вакуумно-дуговая дегазация) – нагрев электрической дугой, продувка аргоном без вакуума, обработка ва- куумом с наводкой высокоосновного безокислительного шлака и заключи- тельная продувка аргоном;
VOD-процесс (Vacuum Oxygen Decarburization – вакуумно- кислородное обезуглероживание) – продувка кислородом металла, находя- щегося в ковше, который, в свою очередь, находится в вакуумной камере.
Представляется логичным называть термином "ковш-печь" или "ков- шовая печь" все те
установки внепечной обработки, в которых происходит подвод энергии, т.к. эти установки полностью подходят под понятие "печь", данное в разделе 1. Правда с введением всеохватывающего термина "ковш-печь" неуместным становится употребление термина "внепечная об- работка".
Перед изучением работы установок "ковш-печь" рассмотрим более подробно три основные технологии обработки стали: вакуумом, инертным газом и синтетическим шлаком, а также простейшие устройства, реали- зующие эти технологии.
Скачать 2.15 Mb.