Зависимость механических свойств сплавов от толщины стенок отливок 12 страница

Численный пример. Допустим, требуется определить массу ра­бочих колош для вагранки производительностью Q_B= 12 т/ч. Изве­стно, что удельная производительность вагранок — составляет примерно 8 т жидкого чугуна с 1 м² площади ее горизонтального сечения в час. Поэтому сечение вагранки S должно составлять:

д_в 8 т/(м² -ч)

Объем рабочей коксовой колоши не должен превышать V= Sh_{p K} = 1,5 м² • 0,2 м = 0,3 м³, а масса при насыпной плотности кокса р_к = 0,5 т/м³ будет равна ^т_Р.к = 0,5 т/м³ • 0,3 м³ = 0,15 т.

При удельном расходе кокса 12 % от массы металлозавалки масса металлической колоши составит:

Wp.K -100 0,15 т-100%

tfWr = ——--------------- = — = 1,25 т.

*^ет 12 12%

Полученный результат хорошо согласуется с практическими данными, согласно которым масса металлической колоши чис­ленно равна 1/10 часовой производительности вагранки.

Влияние качества кокса на тепловые процессы в вагранке

Нежелательной особенностью процесса горения кокса в ваг­ранке является неизбежность протекания реакции редукции, ко­торая приводит к снижению температуры газов. Это в свою оче­редь снижает возможности перегрева чугуна и производительность печи.

Поэтому для плавки в вагранке следует использовать кокс с минимальной реакционной способностью, т. е. способностью вос­станавливать С0₂ до СО. Для этого пористость кокса должна быть минимальной, не более 30...40%.

Размеры кусков кокса в большой степени определяют произ­водительность вагранки и температуру на желобе. Исследования показали, что при увеличении размеров кусков кокса от 25 до 100 мм (при сохранении всех прочих условий постоянными) тем­пература чугуна повышается от 1300 до 1450 °С.

Обычно кокс для вагранок пропускают через грохот с разме­рами ячеек 40x40 мм для отделения мелочи, которая в плавке не используется.

Куски кокса должны по возможности быть однородными и со­ответствовать следующему оптимальному размеру в зависимости от диаметра вагранки:

Диаметр вагранки, мм......... 700 900 1200 1700

Оптимальный размер кусков, мм 65 100 125 150

Кокс должен обладать достаточно высокой механической проч­ностью, чтобы выдерживать воздействие вышележащих слоев шихты.

Для получения качественного чугуна содержание серы в нем не должно превышать 0,6... 1,4 %.

Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки

Использование в шихте возврата, неочищенного от пригара, требует увеличения расхода флюса, приводит к увеличению мас­сы образующегося шлака и количества теплоты, расходуемой на его расплавление. В итоге это снижает производительность вагран­ки и температуру чугуна на желобе.

Куски шихты должны быть разделаны до размера, не превы­шающего 1/3 внутреннего диаметра вагранки, во избежание зави­сания в шахте.

Компактные, но массивные куски прогреваются в зоне подо­грева медленно и в пояс плавления опускаются нагретыми до тем­ператур, существенно меньших, чем ^р. Поэтому их подогрев завершается уже в поясе плавления, а плавление происходит только в кислородной зоне как бы на заниженной холостой колоше. При этом плавление происходит медленно, сопровождается повышен­ным угаром при пониженном перегреве.

Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки

От количества кокса в рабочих колошах и интенсивности дутья зависят важнейшие показатели работы вагранки — ее удельная производительность и температура выплавляемого чугуна.

Увеличение удельного расхода кокса при неизменном расходе воздуха. Данная мера приводит к тому, что количество кокса в рабочей колоше становится большим, чем его выгорело из холо­стой колоши за время проплавления металлической колоши. Этот избыток кокса приводит к увеличению высоты холостой колоши и, как было показано в подразд. 10.4 (рис. 10.7, в), к повышению температуры металла, но производительность вагранки при этом снижается.

Увеличение удельного расхода воздуха при неизменном расходе кокса. В данном случае увеличиваются масса кокса, сгорающего в единицу времени, и количество выделяющейся при этом теплоты. Производительность при этом возрастает, а перегрев металла рас­тет только в связи с уменьшением относительных тепловых потерь.

Однако чрезмерная интенсификация дутья приводит к неже­лательным последствиям, в числе которых:

• охлаждение кокса у фурменного сопла и, как следствие, заш­лаковывание фурм;

• усиление неравномерности распределения дутья по сечению вагранки.

Кроме того, при недостаточной высоте зоны подогрева тепло­обмен в ней не успевает завершиться. Это приводит к снижению уров­ня зоны плавления и высоты зоны перегрева, в результате чего тем­пература чугуна падает, а производительность продолжает расти.

В зависимости от размеров кусков металлической шихты реко­мендуются следующие расходы воздуха:

Размер кусков, мм.... 100 150 200 250 300

Расход воздуха,

м³/(м²-мин)..... 140...150 130... 140 120...130 100...110 90...100

Способы интенсификации ваграночного процесса

Расширение зоны горения кокса. В большом числе современных вагранок фурмы установлены в два или три ряда, расположенные один над другим на расстоянии 300...1000 мм. Воздух в фурмы каждого из рядов подается от своей фурменной коробки, причем через нижний ряд фурм подается большая часть (до 80 %) дутья. Использование вторичного дутья позволяет улучшить равномер­ность распределения дутья по сечению вагранки, приводит к час­тичному дожиганию СО, образовавшегося в редукционной зоне. Высота кислородной зоны увеличивается, и средняя температура в ней растет. Расширение зоны высоких температур и дожигание СО позволяет сократить расход кокса на 10... 15%, а при неиз­менном расходе кокса повысить температуру чугуна на 40...50 °С или увеличить производительность на 10... 15 %.

Подогрев дутья. В связи с высокой теплоемкостью воздуха по­догрев его до 500 °С равноценен добавке в печь около 20 % тепло­ты, образующейся при сгорании кокса. Поэтому подогрев дутья оказывает существенное влияние на распределение температуры газовой фазы. На рис. 10.9 показаны кривые изменения температу­ры газов при холодном и горячем дутье. Из сопоставления кривых следует, что при подогреве дутья имеют место:

•

Рис. 10.9. Влияние подогрева дутья на распределение температуры газов в вагранке

повышение t_T(_max);

• уменьшение высоты кислородной зоны h_{K 3}, так как процесс горения с участием горячего воздуха происходит быстрее;

• увеличение высоты редукционной зоны, так как температура окончания реакции редукции остается неизменной, а температу­ра ее начала повышается (следует, однако, учитывать, что на­чальная скорость реакции редукции возрастает);

о уменьшение высоты захолаживающей зоны у фурм.

Суммарная высота зоны перегрева (на режиме максимального перегрева) не изменяется. Важно отметить, что высокотемпера­турный режим плавки приводит к уменьшению полноты сгора­ния кокса и увеличению содержания СО в ваграночных газах.

Производительность вагранки, т/(м2 • ч) Рис. 10.10. Взаимосвязь параметров плавки в случае дутья: а — холодного; б — горячего (450 °С); W — удельный расход воздуха

Однако в современных ваграночных комплексах эти газы после очистки их от пыли и дожигания СО используются для подогрева дутья. Теплоты ваграночных газов оказывается достаточно для по­догрева воздуха до 400... 600 °С.

Производственный опыт показывает, что подогрев дутья до 500 °С позволяет получать температуру металла на уровне 1500 °С при расходе кокса около 9 % и удельной производительности поряд­ка 8 т/(м²-ч). На рис. 10.10 показана взаимосвязь важнейших пара­метров плавки чугуна в вагранке на холодном и горячем дутье.

Использование кислорода в ваграночном процессе. Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению содержания в нем бал­ласта — азота и уменьшению массы продуктов горения. В результа­те этого /_Г(_таХ) повышается. Действие обогащения кислородом ду­тья на перегрев металла в вагранке аналогично подогреву дутья.

б

При расходе кислорода 30...40 м³/т чугуна его температура пре­вышает 1450 °С. Однако в связи с относительно высокой стоимос­тью кислорода в настоящее время этот метод практически не ис­пользуется.

При плавке в вагранках небольшой производительности прак­тикуется продувка кислородом жидкого чугуна в выносном ста­ционарном копильнике. Перегрев металла в этом случае достига­ется за счет экзотермических реакций (главным образом, окисле­ния кремния, содержащегося в чугуне). При расходе кислорода 4... 5 м³/т чугуна перегрев достигает 80... 100 °С. Угар кремния при этом не превышает 0,5 % и компенсируется вводом в ковш соот­ветствующего количества ферросилиция ФС75.

Этот метод обычно используется не на всем протяжении пла­вильной кампании, а лишь в те периоды плавки, когда требуется чугун с повышенным перегревом. Кроме того, продувка копиль- ника кислородом позволяет избежать затвердевания («закозления») металла в чугунной летке при продолжительных вынужденных простоях печи.

Металлургические процессы плавки в коксовой вагранке

Образование кислого ваграночного шлака. Источниками шлако­образования при плавке в кислой вагранке являются:

• песок и формовочная смесь на поверхности кусков шихты (2 % массы металла);

• оксиды железа, кремния, марганца, образовавшиеся в ре­зультате угара элементов шихты (1 ...2 %);

• частицы оплавившейся футеровки (0,4...3 %);

• зола кокса (1 ...2 %);

• флюсы, вводимые с целью понижения вязкости шлака.

На практике эти источники образуют шлак, содержащий 65 % Si0₂, 20 % А1₂0₃, 8 % FeO, 5 % МпО_? Шлак такого состава имеет низкую вязкость, около 2 Па • с. Для легкого удаления шлака из вагранки его вязкость должна быть 0,3...0,8 Па-с. Снижение вяз­кости шлака обеспечивается введением флюса — известняка. Рас­чет необходимого расхода флюса можно провести с использова­нием диаграммы вязкости шлака (см. рис. 8.3).

Численный пример. Пусть при данных условиях плавки в ваг­ранке на данной шихте образуется первичный шлак, состав кото­рого приведен в табл. 10.1. Масса этого шлака составляет 4 % мас­сы выплавляемого чугуна. Требуется определить расход флюса (из­вестняка), который обеспечит вязкость шлака на уровне 0,5 Па-с.

Для расчета используем диаграмму (см. рис. 8.3) зависимости вязкости и температуры плавления шлака от его состава. Диаграм­ма вязкости шлака не учитывает влияние МпО и веществ, указан­ных в столбце «прочие соединения», на его вязкость. Поэтому в строке 2 приведен состава шлака, пересчитанный без учета этих веществ. При таком пересчете масса остальных веществ, приходя­щаяся на 100 кг шихты, не меняется, уменьшается лишь общая масса шлака и увеличивается процентное содержание каждого из оставшихся в шлаке веществ.

В строке 3 табл. 10.1 подсчитано соотношение между Si0₂ и А1₂0₃ в первичном шлаке. Оно составляет 74,1% к 25,9%, или около 3. Точка 25,9 % А1₂0₃ отложена на правой шкале диаграммы текучести. При вводе известняка в шлак соотношение Si0₂ и А1₂0₃ практически не меняется, так как флюс содержит незначительные количества этих веществ. Поэтому прямая, соединяющая точку 25,9 % А1₂0₃ с вершиной СаО + FeO + MgO, является геометрическим местом точек, в которых соотношение Si0₂/Al₂0₃ « 3 при любой величине суммы концентраций СаО + FeO + MgO в составе шлака. Эта прямая пересекается с линией вязкости, равной 0,5 Па-с в двух точках. Выбираем из них ту, которая лежит в области меньших температур плавления (около 1400 °С). Эта точка определяет иско­мый состав шлака, сумма концентраций СаО + FeO + MgO в нем равна 44 %, концентрация Si0₂ — 42 %, а А1₂0₃ — 14 %. Массу тако­го шлака, приходящуюся на 100 кг шихты, можно определить из пропорции, относящейся к содержанию Si0₂ в шлаке:

2,4 кг - 42 % *кг- 100 %.

Следовательно, масса шлака составляет Х= 2,4 кг • 100 %/42 % = = 5,7 кг на 100 кг металла. Суммарное содержание СаО + FeO + + MgO в шлаке равно 5,7 - 2,4 - 0,84 = 2,46 кг.

В первичном шлаке уже содержится 0,528 кг основных оксидов на 100 кг шихты. Поэтому с флюсом требуется ввести 2,46 - 0,528 = = 1,832 кг извести СаО. Известняк СаС0₃, используемый в каче­стве флюса, содержит 50 % СаО, т.е. количество известняка долж­но составлять 3,7 % от массы металлошихты.

Полученное расчетом необходимое количество флюса уточня­ется после проведения первых производственных плавок.

На практике средний состав шлака для кислого процесса ра­вен, %: Si0₂ 40...60; СаО 20...25; А1₂0₃ 2...20; MgO 1...5; FeO 0,5... 10; МпО 1...5; Р₂0₅ 0,1...0,5; S 0,03...0,05 и чугун в виде ко­рольков 0,1...0,5.

Три важнейшие составляющие шлака образуют 80...90% его массы и определяют жидкотекучесть и температуру плавления шлака в целом. Высокая жидкотекучесть шлака необходима не толь­ко для легкого удаления его через шлаковую летку, но и для его стекания по стенкам печи без образования настылей, легкого от­деления от капель чугуна.

Для уменьшения разгара футеровки состав шлака должен быть по возможности близок к составу огнеупора.

Окисление железа и легирующих элементов. В зависимости от соотношения С0/С0₂ и температуры газовая смесь может быть вос-

Расчет требуемого расхода известняка № п/п Вещество Расход вещества Содержание оксида в шлаке, % Единица измерения Результат Si02 А1203 СаО FeO МпО MgO Прочие соединения Первичный (самород­ный шлак) % (от массы шлака) 21,0 1,0 12,0 5,0 0,2 0,8 кг/100 кг шихты 2,4 0,84 0,04 0,48 0,2 0,008 0,032 Первичный шлак без учета МпО «прочих соединении» кг/100 кг шихты 4-0,2-0,032 = = 3,768 2,4 0,84 0,04 0,48 — 0,008 — % (от массы шлака) 63,7 22,3 1,1 12,7 — 0,21 — Соотношение между Si02 и А1203 в пер­вичном шлаке 2,4 + 0,84 = 3,24 кг (100 %), из них 2,4 кг Si02 составляет 74,1 %; 0,84 кг А1203 составляет 25,9% Состав шлака с задан­ной текучестью 0,5 Па-с и соотно­шением Si02/Al203 = = 74,1%/25,9% % (от массы шлака) 2(СаО + FeO + MgO) = 44 кг/100 кг шихты 2,4-100 ^ 42 2,4 0,84 5,7-2,4-0,84 = 2,46 Сумма основных учитываемых диаграммой текучести оксидов, содержащихся в первичном шлаке СаО + FeO + MgO = 0,04 + 0,48 + 0,008 = 0,528 кг Недостающий расход СаО на 100 кг шихты 1,832% 2,46 -0,528= 1,832 кг Требуется ввести известняк СаС03, % (от металлозавалки) 1,832-2 = 3,664

становительной, окислительной или нейтральной по отношению к различным веществам. В табл. 10.2, составленной по эксперимен­тальным данным Н. Г. Гиршовича, приведены значения С0/С0₂ в разных зонах вагранки и значения этих соотношений в смеси, нейтральной по отношению к FeO.

Согласно данным табл. 10.2, в кислородной зоне, где имеется свободный кислород, отношение С0/С0₂ на порядок ниже, чем в нейтральной смеси. Поэтому характер атмосферы является окис­лительным по отношению к FeO и тем более окислительным по отношению к кремнию, марганцу, хрому и другим более актив­ным элементам. В редукционной зоне и зоне нагрева это соотно­шение в 2—4 раза меньше нейтрального, поэтому считается, что характер атмосферы в них слабо окислительный.

Окисление железа и легирующих элементов начинается уже в зоне нагрева шихты по реакциям, протекающим на по­верхности кусков:

Fe + С0₂ = FeO + СО, Si + 2С0₂ = Si0₂ + 2СО, Мп + С0₂ = МпО + СО,

С + С0₂ = 2СО, Fe₃C + С0₂ = 3Fe + 2СО.

За время схода колош эти реакции развиваются на глубину кусков шихты не более чем на 0,25...0,3 мм, т.е. при обычных размерах шихты они не оказывают заметного влияния на измене­ние химического состава металла. Однако при использовании в ших-

Таблица 10.2 Данные о характере газовой фазы в зонах вагранки Зона вагранки Температура газа, tm, °С со/со2 Характер газовой фазы действи­тельное в смеси, нейтральной по отношению к FeO Верхняя часть кислородной зоны 1630... 1700 0,32...0,77 Окислитель­ный Редукционная 1620... 1325 1Д ...2,1 6...7 Слабо окис­лительный Зона нагрева 1300...500 1,4...0,6 5... 1 Слабо окис­лительный

те стружки, отходов листовой штамповки и высечки указанные про­цессы приводят к практически полному окислению этих компонен­тов. Брикетирование стружки и пакетирование отходов листовой штамповки несколько уменьшают потери от их угара.

В зоне плавления, расположенной, как правило, в ре­дукционной зоне холостой колоши, свободный кислород отсут­ствует, и преобладающее значение имеет С0₂. Окислительные про­цессы протекают по тем же реакциям, но при значительно боль­ших скоростях. Это объясняется тем, что поверхность взаимодей­ствия С0₂ с металлом многократно возрастает в результате появ­ления капель и струй металла.

В зоне перегрева чугуна, располагающейся частично в редукционной и в кислородной зонах, окисление элементов про­исходит как по реакциям с участием С0₂, так и свободным кис­лородом:

2Fe + 0₂ = 2FeO, Si + 0₂ = Si0₂ и т. п.

Наряду с вышеприведенными первичными реакциями проте­кают реакции вторичные, в которых окислителем является FeO. Моноксид железа хорошо растворяется в жидком металле и пере­дает свой кислород более активным элементам чугуна:

Si + 2FeO = Si0₂ + 2Fe + Q, Mn + FeO = MnO + Fe + Q, 2Cr + 3FeO = Cr₂0₃ + 3Fe + Q.

Эти экзотермические реакции идут более длинным путем, чем первичные, но с большей скоростью, так как протекают во всем объеме капель и струй металла, а не на их поверхности.

Реакции окисления легирующих элементов протекают с выде­лением теплоты, поэтому с повышением температуры они замед­ляются. Раскислительная способность углерода при повышении температуры возрастает, что приводит к более полному восста­новлению оксидов из шлака, стекающего по кускам кокса, по эндотермическим реакциям:

Si0₂ + 2С = Si + 2СО - Q, МпО + С = Mn + СО - Q, Сг₂0₃ + ЗС = 2Cr + ЗСО - Q.

Поэтому при высокотемпературном режиме плавки угар эле­ментов снижается. Этим объясняется первая часть одного из прин­ципов, сформулированных литейщиками прошлого, — «плавь го­рячо, лей холодно ».

Угар марганца и хрома (см. табл. 9.8) в вагранках горячего дутья ниже, чем при холодном дутье, а кремний в кислом процессе на горячем дутье может даже пригорать по тигельной реакции.

Угар марганца в кислой вагранке больше угара кремния, не­смотря на то, что концентрация марганца в 3—4 раза ниже кон­центрации кремния, и его сродство к кислороду также меньше, чем у кремния.

В основной печи угар кремния увеличивается, а угар марганца снижается. Это является практическим подтверждением рассмот­ренной в подразд. 8.4 закономерности, согласно которой угар эле­ментов, образующих кислотные оксиды, интенсивнее в основных печах, тогда как угар элементов, образующих основные оксиды, значительнее в кислых печах.

В горне вагранки газовая фаза является окислительной в верх­ней его части, слабоокислительной в середине и восстановитель­ной у лещади. Влияние газовой фазы зависит от уровня металла и шлака, накапливающихся в горне. Чем ниже этот уровень, тем незначительнее окисление металла. При наличии выносного ко- пильника угар металла при прохождении его через горн будет минимальным.

Науглероживание чугуна в вагранке. Наиболее интенсивное на­углероживание металла происходит при стекании капель и струй по кускам раскаленного кокса. Капли, образующиеся из чугунной части шихты — чушкового чугуна, возврата, чугунного лома, на­углероживаются медленно, так как начальное содержание углеро­да в них близко к концентрации насыщенного раствора С_н (см. формулу (8.18)). Концентрация углерода в каплях, образовавших­ся из стального лома, за время их стекания по кускам кокса воз­растает с 0,2...0,45 до 2,5 %. В копильнике вагранки происходит смешивание капель и усреднение концентрации в них углерода.

Науглероживание неподвижной массы жидкого чугуна в гор- не-копильнике протекает значительно медленнее и приводит к повышению концентрации углерода на 0,3...0,5%.

В начале плавки интенсивность науглероживания максималь­ная, затем на протяжении 30... 40 мин она снижается и в дальней­шем стабилизируется. Это объясняется тем, что площадь, занима­емая углеродом на поверхности кусков кокса в горне, в начале плавки максимальная. По мере растворения углерода в каплях ме­талла эта площадь уменьшается и все большая часть поверхности оказывается покрытой зольными пятнами. Таким образом, поверх­ность кусков кокса в горне пассивируется зольными пятнами. Для того чтобы с самого начала плавки получать чугун с заданной концентрацией углерода, в первых пяти-шести колошах шихты увеличивают количество стали в 1,5—2 раза.

Профессор JI. М. Мариенбах предложил рассчитывать концен­трацию углерода в жидком ваграночном чугуне (С_{ж ч}) по формуле

Таблица