Металургійні основи ваграночної плавки

Вагранка працює за принципом протитоку шихтових матеріалів і газової фази.

Шихтові матеріали опускаються вниз, а гази, які утворюються при спалюванні коксу, рухаються вгору. Між газами і шихтою окрім теплопередачі відбуваються різні хімічні процеси.

Вагранку по висоті можна розбити на 5 зон, в яких відбуваються різні процеси (рис.42):

1) Зона підігріву.

2) Зона плавлення.

3) Редукційна зона.

4) Киснева зона.

5) Горн вагранки.

1. Зона підігріву – тут шихтові матеріали нагріваються газами з температурою 500-600^оС, які рухаються. Протікають реакції окислення на поверхні твердих кусків шихти, поверхня металу насичується сіркою. Паливо втрачає вологу і леткі речовини. Відбувається дисоціація вапняку СаСО₃ → СаО + СО₂.

2. Зона плавлення – температура газів більше 1100^оС, тому метал починає плавитись. Йдуть процеси окислення, насичення сіркою і зневуглецювання інтенсивніше, ніж в зоні підігріву, внаслідок розплавлення окисної плівки, яка перешкоджала цим процесам. Краплі металу стікають вниз. Гази не міняють свого складу, але сильно охолоджуються, оскільки віддають тепло на нагрів і плавлення металу.

3. Редукційна зона – атмосфера слабо окислювальна. Краплі металу перегріваються через високу температуру газів та за рахунок розпеченого коксу. Оксиди заліза розчиняються в краплях і передають кисень кремнію, марганцю, вуглецю. Краплі металу стикаються з коксом і розчиняють сірку і вуглець. Відбувається реакція СО₂ + С → СО. Відбувається ошлаковування СаО, SiO₂ з утворенням шлаку.

4. Киснева зона – середовище окислювальне, оскільки ця зона знаходиться в районі фурм і в ній є вільний кисень. Окислюються інтенсивно залізо, кремній, марганець, вуглець, хром.

FeO + Si → Fe + SiO₂ + Q

FeO + Mn → Fe + MnO + Q

Метал перегрівається за рахунок теплоти горіння коксу і екзотермічних реакцій окислення. Тому в цій зоні найвища температура – 1500-1650^оС. Вуглець інтенсивно вигорає і одночасно насичує чавун вуглецем коксу.

5. Горн вагранки – середовище окислювальне у верхній частині, слабо окислювальне – в середній частині, неокислювальне – біля подини. Метал і шлак охолоджуються через втрати тепла крізь футерівку.

Якщо рівень металу і шлаку у горні високий (біля фурм), то інтенсифікуються процеси окислення. Чим нижче рівень металу і шлаку, тим менше окислення.

В горні продовжується насичення металу вуглецем коксу. Межа насичення – евтектичний склад – 4,3% вуглецю. Метал стікає в горн окремими цівками, тому у вагранках без копильника не відбувається повного перемішування металу. При наявності копильника чавун стікає в нього з подини по жолобу. В копильнику відбувається перемішування чавуну і вирівнювання його за хімічним складом. Температура металу знижується через втрати тепла крізь стінки копильника.

Рисунок 42. Зони теплообміну у вагранці.