Технология плавки чугуна в вагранке

Технологический цикл работы вагранки включает следующие операции: подготовку вагранки к плавке, розжиг, загрузку и пуск, обслуживание вагранки во время работы, остановку вагранки.

Подготовка вагранки к плавке в основном заключается в ремонте огнеупорной футеровки.

Ремонт может быть капитальным, средним и текущим. При капитальном ремонте заменяется вся огнеупорная футеровка вагранки, при среднем – футеровка в наиболее напряженных местах: зоне плавления, фурменном поясе, переходной летке и других местах, подвергнувшихся значительному разрушению. Текущий ремонт производится после каждой плавки. Его объем определяется длительностью плавки и состоянием футеровки после плавки.

Длительность цикла работы вагранок без водяного охлаждения составляет 8 – 20 ч. При использовании водяного охлаждения длительность работы вагранки может быть доведена до 1 месяца.

Огнеупорная футеровка производится путем кладки шамотного кирпича на растворе, состоящем из 25–30% огнеупорной глины, 70–75% молотого шамота или 25–30% огнеупорной глины и 70–75% кварцевого песка.

После сушки на подину вагранки укладывают дрова для розжига кокса холостой колоши. Высота холостой колоши является одним из важнейших технологических факторов, от которого зависят производительность вагранки и температура выплавляемого чугуна; она должна быть 1,2–1,5 м над основным рядом фурм. Во время продувки выдувается коксовая пыль и мелочь, кокс разгорается. Можно загружать шихту.

После розжига холостой колоши включают воздуходувку и подают в вагранку воздух; продувку производят в течение 2–3 мин.

Технология плавки в вагранке содержит еще много чисто эмпирических рекомендаций. Например, рекомендуется контролировать правильность выбора высоты холостой колоши по времени появления первых капель чугуна в зоне фурм. Если дутье подают сразу после полной завалки первого столба, то первые капли должны появляться у фурм через 15–20 мин. Если они появились раньше, то высота холостой колоши недостаточна. Для холостой колоши необходимо отбирать крупный кокс с размером кусков 100–150 мм. Загрузка осуществляется в такой последовательности: топливо–флюсы–металл. После небольшой выдержки для прогрева шихты включают подачу воздуха, и начинается процесс плавки.

Топливная рабочая колоша имеет слой кокса толщиной 150–200 мм. Расход топлива на топливную колошу составляет 8–18% (обычный расход 10–12%). Например, при толщине слоя кокса 150 мм для вагранки диаметром 700 мм масса топливной колоши составляет 27 кг, а металлической – 270 кг, т. е. приблизительно 1/10 часовой производительности вагранки.

При более интенсивном дутье необходимо давать больше кокса, чтобы не допустить спускания верхнего уровня холостой колоши, так как это может резко снизить температуру чугуна и ухудшить его качество. Избыток топлива в рабочих колошах может вызвать подъем верхнего уровня холостой колоши и замедление плавления. В рабочую колошу кокса дают флюс в количестве 2–3% от массы металлозавалки.

Дальнейший ход плавки зависит от правильного соотношения количества подаваемого воздуха и расхода кокса. Количество воздуха, подаваемого в вагранку, обычно оценивается в кубических метрах в минуту на 1 м² площади свободного поперечного сечения вагранки. Норма подачи воздуха в вагранку составляет в среднем 100–130 м³/(м² ∙мин), а в отдельных случаях 160 – 180 м³/м² ∙мин) при выплавке, например, низкоуглеродистого чугуна.

Во время плавки в вагранке необходимо соблюдать правильность взвешивания и загрузки шихты. Нельзя допускать зависания шихты в шахте вагранки или ее опускания более чем на высоту двух колош ниже завалочного окна.

При плавке должны контролироваться следующие параметры: количество подаваемого воздуха, его давление, температура чугуна. Необходимо следить, чтобы не зашлаковывались фурмы, их следует регулярно очищать. В аварийных случаях для разжижения шлака требуется добавить плавиковый шпат.

При окончании плавки в вагранке останавливают воздуходувку, выпускают шлак и жидкий чугун, открывают днище вагранки, при этом подина и холостая колоша вываливаются, кокс тушат водой.

Шлак является одной из основных фаз, участвующих в металлургическом процессе, его состав и свойства могут оказывать существенное влияние на ход плавки и свойства получаемого металла.

Источниками образования ваграночного шлака служат угар таких элементов, как Si, Mn, Fe, оплавление футеровки, загрязнение шихты (песок и посторонние примеси), зола топлива, флюсы. Всего шлака может быть 5 – 10% от массы металла.

В состав шлака входят CaO, SiО₂, А1₂О₃, MnO, FeO, MgO. Могут входить и окислы других металлов: Сг₂О₃, TiО₃, V₃О₃, P₂О₆, К₂О₅, Na₂О, а также сльфиды (FeS и др.)

Основные составляющие шлака: кремнезем, окись кальция СаО, глинозем А1₂О₃. Для кислых ваграночных шлаков показатель кислотности составляет 1,2–1,9.

Состав шлака зависит от типа применяемой футеровки, количества и состава флюсов. Различают кислый и основной процессы плавки. При кислом процессе вагранку футеруют шамотом и применяют в качестве флюса известняк в количестве 2–3%. Во время плавки образуется кислый шлак. В его составе преобладает Si0₂ (40-60%), а также содержится 10–20% А1₂О₃ и 10–30% (СаО+MgO).

При основном процессе футеровку выполняют из основных огнеупоров. В качестве флюса добавляют 7–10% известняка. Шлак получается следующего состава: 20–30% SiО₂, 5–10% А1₂О₃, 40–50% СаО, 10–15% MgO. В соответствии с общими закономерностями физико-химических процессов элементы, при окислении которых образуются кислые окислы, более интенсивно окисляются при основных шлаках, и наоборот.

Поэтому при основном процессе кремний будет больше окисляться, чем при кислом процессе, а марганец – наоборот. При основном процессе, как следствие, будет больше содержание углерода в полученном чугуне.

Главное преимущество основного процесса заключается в возможности удаления из металла до 40–50% S и 30–40% Р.

В основных шлаках имеется свободная окись кальция, которая способствует удалению серы. Десульфурация тем эффективнее, чем выше отношение СаО к SiО₂ в шлаке, выше температура и меньше содержание FeO в шлаке,

Фосфор удаляется тем интенсивнее, чем выше содержание СаО и FeO в шлаке и чем ниже температура.

Плавку чугуна в вагранках, как правило, производят при кислых шлаках, так как этот процесс проще, футеровка дешевле. На протекание ваграночного процесса оказывает влияние не только взаимодействие шлака и металла как химических реагентов, но и поведение шлака как жидкой фазы. В зависимости от состава шлак может иметь различную температуру плавления и вязкость. При высокой вязкости шлака нарушается ваграночный процесс, так как могут образовываться настыли над фурами, где температура несколько ниже; вязкий шлак плохо разделяется с металлом, поскольку в шлаке могут оставаться включения металла – корольки, – безвозвратные потери металла. Вязкость шлака должна быть 0,3–0,8 Па∙с.