Плавка чугуна в вагранках

В настоящее время самым распространенным чугуноплавильным агрегатом является вагранка, простота конструкции которой обеспечила ей широкое распространение во всем мире. Однако открытые коксовые вагранки выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газов и пыли, а также не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к температуре и качеству чугуна при производстве сложных отливок. В связи с этим вагранки оснащают устройствами для дожигания и очистки отходящих газов и подогрева воздушного дутья.

Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняют вдвинутыми водоохлаждаемыми, быстросменными, по типу фурм доменных печей. Вагранки имеют огнеупорную футеровку; в большинстве случаев эта футеровка выполняется из шамотных огнеупорных изделий.

Рисунок 38 – Классификация вагранок

Для футеровки остальных зон используют изделия ШБВ и ПБВ. Кроме кислой футеровки, которая выполняется из шамотных и полукислых огнеупоров, вагранки могут иметь основную футеровку. Она используется лишь в тех случаях, когда надо получить из вагранки малосернистый чугун за счет применения основных шлаков. Работают эти вагранки обычно на горячем дутье.

Для футеровки горна вагранок с водяным охлаждением, имеющих длительный цикл работы, применяют углеродистые огнеупоры в виде блоков или набивной углеродистой массы.

Накопление металла может осуществляться в нижней части вагранки, называемой горном, или в специальном копильнике. В соответствии с этим различают вагранки с копильником и без него.

Кокс в вагранке находится в виде толстого слоя холостой колоши и более тонких слоев рабочих колош. Его горение при подаче воздуха в фурмы определяет физико–химические условия процесса плавки.

Рисунок 39 – Изменение температуры и состава газов по зонам вагранки (t_г и t_M – температуры газов и металла)

В районе фурм кислород подаваемого в вагранку воздуха реагирует с углеродом кокса

С + О₂ = СО₂ .

За кислородной зоной холостой колоши следует редукционная зона, в которой происходит восстановление (редукция) двуокиси углерода до окиси

СО₂ + С = 2СО.

При расходе кокса 10–12% от металлозавалки и подаче воздуха 100–120 м³/(м²∙мин) в результате протекания реакций горения и восстановления суммарный коэффициент расхода воздуха а 0,8, и ваграночные газы при выходе из холостой колоши содержат 15% СО₂, 10% СО и 75% N₂.

Вагранку подразделяют на четыре зоны.

I. Зона нагрева. Твердые шихтовые, материалы реагируют с газовой фазой, атмосфера окислительная, происходит окисление железа по реакции

Fe + СО₂ = FeO + СО.

На поверхности металлических кусков шихты возможно окисление и других элементов чугуна, металл также насыщаться серой из газа

3Fe + SО₂ = FeS + 2FeO.

Известняк в этой зоне разлагается по реакции

СаСО₃ = СаО + СO₂.

Топливо теряет влагу и летучие вещества.

II. Зона плавления. Металлические компоненты шихты расплавляются. Процессы окисления, насыщения серой и обезуглероживания протекают более интенсивно, чем в зоне I. Происходят вторичные реакции окисления элементов закисью железа FeO, которая, стекая вместе с расплавленным металлом, реагирует с Si, Mn и С по реакциям типа

Me + FeO = Fe + MeO.

III. Зона перегрева. Ее подразделяют на две подзоны IIIа – редукционную зону и IIIб – кислородную зону холостой колоши. В подзоне IIIа протекает реакция восстановления СО₂. Жидкий металл стекает по кускам кокса в виде капель и струек, перегревается, начинаются процессы науглероживания, растворения углерода и серы из кокса и восстановления элементов по реакциям

С + (МеО) = [Ме] + {СО}.

В этой зоне начинается шлакообразование.

В подзоне IIIб кокс горит по реакции. Происходит интенсивное окисление элементов по реакциям типа Me + 1/2O₂ = МеО, и в первую очередь – железа, закись которого окисляет Si, Mn, С по реакции типа. В этой зоне наблюдается энергичное науглероживание при контакте капель металла с коксом, восстановление элементов по реакциям типа и заканчивается образование шлака.

IV. Зона накопления, т.е. горн. Металл и шлак в этой зоне немного охлаждаются. Металл скапливается в горне и, контактируя с коксом, растворяет углерод, а также серу кокса. Вагранки, в которых накопление металла производится в горне, дают чугун с повышенным содержанием углерода и серы.

В итоге всех физико-химических процессов угорает 15 – 25% Si, 25 – 30% Mn от первоначального их содержания в шихте. Количество углерода и серы в итоге увеличивается.

Угорает некоторое количество железа. Его окислы, окислы кремния и марганца, зола топлива и оплавившаяся футеровка образуют ваграночный шлак.