Производство чугуна в вагранке

Для выплавки чугуна можно применять практически все известные типы плавильных агрегатов, обеспечивающих получение расплава необходимого состава. Плавка чугуна или так называемая вторичная плавка осуществляется в следующих плавильных агрегатах: в вагранках, индукционных печах ИТП и ИКП и дуговых печах переменного и постоянного тока (ДСП и ДППТ). Соответственно различают методы плавки чугуна: ваграночная, индукционная и дуговая. Более стабильные результаты и гибкость процесса обеспечиваются в цехах, оборудованных электродуговыми и индукционными печами.

Вагранка – простой распространенный плавильный аппарат в чугунолитейных цехах,это шахтная плавильная печь непрерывного действия. Ее рабочее пространство заполнено кусками кокса и металла. Теплота в печи выделяется при сгорании кокса. Металл плавится и перегревается, соприкасаясь с раскаленным коксом и его продуктами горения. Одновременно металл насыщается углеродом и серой – образуется чугун. Производительность от 50 до 100 т/ч. Основные типы вагранок представлены на рис. 15.

Вагранки (печи шахтного типа) подразделяются:

– на коксовые и газовые;

– открытого и закрытого типа;

– без водяного и с водяным охлаждением;

– с кислой и основной футеровкой;

– без подогрева и подогревом дутья:

– воздухом до 400 ºС (с применением рекуператора);

– воздухом до 700 ºС (с применением электронагревателей;

– воздухом, обогащенным кислородом (3…5 % О₂).

– без копильника и с копильником.

Современная вагранка – шахта в виде вертикального стального цилиндра с толщиной стенок 6…10 мм, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом и установленного на подовую плиту, покоящуюся на колоннах.

На рис. 15, а изображена коксовая вагранка со стационарным копильником, а на рис. 15, б изображена газовая вагранка.

В шахту загружается холостая колоша кокса на высоту от уровня фурм, равную приблизительно диаметру шахты, а также рабочие калоши металлошихты, кокса и флюса.

 

Рис. 15. Схемы различных типов вагранок:

а – на твердом топливе: 1 – огнеупорный желоб; 2– летка жидкого металла;

3 – шлаковая летка; 4 – копильник; 5 – съемный свод; 6 – соединительная летка;

7 – фурмы; 8 – фурменный пояс; 9 – кожух и 10 – двухслойная футеровка вагранки;

11 – труба и 13 – шахтная часть вагранки с однослойной футеровкой;

12 – загрузочное окно; 14 – чугунные пустотелые блоки; 15 – шиберы и патрубки;

16 – рабочее окно; 17 – дверца;18 – лещадь; 19 – подовая плита; 20 – опоры вагранки;

21 – окно для провала;22 – площадь для удаления остатков плавки (провала);

б – газовая вагранка: 1 – горелки; 2 – керамическая калоша; 3 – шихта,

4 – футерованная стенка вагранки; 5 – загрузочное окно; 6 – жидкий металл;

7 – копильник; 8 – горелка для обогрева копильника, 9 – желоб

 

 

Общие сведения

Чугун плавится за счет тепла, выделяющегося от сгорания кокса, стекает в нижнюю часть шахты, называемую горном, и либо накапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска чугуна на заливку. Горн и нижняя часть рабочей калоши – это по существу зона плавления, а вагранка с копильником – это агрегат непрерывного действия. Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняются вдвинутыми, водоохлаждаемыми и быстросъемными. Корпус вагранки в плавильной зоне дополнительно охлаждается водой и имеет огнеупорную футеровку, которая чаще всего выполняется из шамотных кирпичей (изделий) – эта кислая футеровка. Реже используют основную футеровку. Это для малосернистых чугунов при производстве ответственных отливок. В вагранках с водяным охлаждением плавильной зоны (пояса) горн футеруют углеродистыми огнеупорами (SiC). Для повышения температуры чугуна в плавильной зоне, а значит и выдаваемого в копильник, подогревают воздух, поступающий в фурмы при помощи рекуператоров (за счет тепла отходящих газов) – это 400 ºС, специальными электрокалориферами (до 700 ºС) и добавлением в горячее дутье 3…5 % кислорода. В последнем случае температура в плавильной зоне возрастает до 2050 ºС

Принцип действия и разновидности конструкций коксовых вагранок

Вагранка – плавильная печь шахтного типа непрерывного действия, работающая по принципу противотока. Снизу вверх поднимается поток горячих газов, образующихся в результате горения кокса, навстречу ему опускается поток шихты. В результате теплообмена между этими потоками металлическая шихта прогревается, плавится, а получившийся жидкий металл перегревается выше температуры ликвидуса. В зависимости от размеров и конструкции производительность вагранок составляет от 3 до 100 т/ч жидкого чугуна. Общий вид вагранки простейшей конструкции (вагранки с горном – копильником) производительностью примерно 5 т/ч показан на рис. 15, а.

Вагранка с горном-копильником (см. рис. 15, а) состоит из пяти частей: опорной части – I и рабочего пространства, которое конструктивно делится на горн – II, полезную высоту – III, трубу – IV и пылеуловитель – V.

Кожух вагранки сварен из листовой стали и футерован огнеупорным материалом толщиной 6…10 мм. Шихта, включающая в себя топливо – кокс, металлозавалку и флюсы, загружается через окно 12. Воздух, необходимый для горения кокса, подается из распределительного кольца 8 через фурмы 7. Накапливающийся в горне чугун периодически выпускается из вагранки через соединительную летку 6 в копильник. Для выпуска шлака, имеющего меньшую плотность, предусмотрена шлаковая летка 3, и поэтому расположена выше чугунной летки 2. Продолжительность работы вагранки между ремонтами составляет 8…20 ч. Поэтому вагранки обычно устанавливают блоками – парами. Во время ремонта одной из вагранок блока (перефутеровка) плавку ведут во второй печи блока.

Розжиг вагранки

Розжиг вагранки начинается с загрузки на горящие дрова 1-й порции кокса (холостой колоши), заполняющей часть шахты на 0,7…1 м выше фурм. Когда кокс холостой колоши разгорится, включают дутье, затем шахту загружают до загрузочного окна рабочими колошами, состоящими из порций металла, топлива и флюса (известняка, основного мартеновского шлака, реже плавикового шпата). После подогрева шихты вновь включают дутье, и начинается процесс плавки. Новые порции загружают по мере расплавления шихты, которая постепенно опускается в зону плавления и подогревается поднимающимися вверх горячими газами. Противоток переплавляемых материалов и продуктов горения в вагранке способствует эффективному использованию топлива. Расплавленный и перегретый металл собирается в горне вагранки или стекает в копильник, откуда он по мере надобности выпускается через нижнюю летку в ковши для разливки  в формы, флюсы, сплавляясь с золой топлива, сплавившейся футеровкой и окислами, образуют шлак, выпускаемый через верхнюю шлаковую летку, расположенную в верхней части горна или копильника.

Основное топливо вагранки – литейный кокс, который частично заменяют литейным антрацитом, термоантрацитом или коксобрикетами. Применение коксобрикетов снижает расход топлива, повышает производительность вагранки, уменьшает содержание серы в чугуне и улучшает его свойства. Металлическая шихта вагранки состоит из доменного литейного чугуна в чушках, чугунного лома, собственного возврата литейного цеха, стального скрапа и ферросплавов.

Воздух подается от воздуходувки под давлением 5…17 кн/м²(500…1700 мм вод. ст.) через фурменный пояс в зону горения топлива. Для более равномерного распределения вдуваемого воздуха по сечению вагранки ставят два и более ряда фурм (от 4 до 8 фурм в каждом ряду). Это снижает расход топлива на 15…20 % и повышает производительность вагранки на 25 % с одновременным повышением температуры металла.

Для интенсификации процесса плавки в вагранке применяют подогрев дутья, обогащение его кислородом, добавление газообразного топлива. Обогащение дутья кислородом уменьшает удельный объем продуктов горения и повышает температуру газов. В зависимости от степени обогащения расход топлива снижается на 30…50 %, производительность вагранки повышается на 40…80 %, а температура жидкого чугуна достигает 1500 ºС (вместо 1300…1320 ºС). Частичная замена кокса природным газом в вагранке производится вдуванием продуктов горения газов в верхнюю часть холостой колоши, что значительно проще, чем подогрев дутья, и экономически более эффективно.

Для плавки чугуна применяют и специальные газовые вагранки (рис. 15, б), работающие только на газообразном топливе, на основе противотока газа и металла, что позволяет длительное время стабильно вести плавку. Производительность вагранки варьируется в широких пределах и зависит от ее размеров и расхода газа.

Вследствие разрушения футеровки в плавильном поясе вагранки работают по 12…18 ч, после чего подвергаются текущему ремонту. При необходимости ежедневной или круглосуточной выплавки чугуна работают попеременно на 2 или 3 вагранки.

Во избежание загрязнения атмосферы колошниковой пылью и отходящими газами разрешается строительство только так называемых закрытых вагранок, оборудованных рекуператорами, пылеулавливателями и газоочистными устройствами, системой автоматических приборов и регуляторов. Отличительная особенность ее – доменный профиль плавильной зоны.