Плавильные печи: Вагранка

В литейном производстве применяются:

– плавильные печи для получения расплавленного металла;

– термические печи для нагрева отливок с целью их последующей термической обработки;

– сушила для сушки литейных форм.

Во всех этих печах протекают процессы превращения какого-либо вида энергии в тепловую и затем передача этой теплоты к расплавляемому, нагреваемому или сушимому материалу.

В литейном производстве нашли широкое применение вагранки для выплавки чугуна, дуговые трехфазные электропечи переменного тока для выплавки стали и чугуна, стали из металлического лома и для перегрева жидкого чугуна, получаемого в вагранках или других первичных плавильных печах, дуговые печи постоянного тока, индукционные тигельные и канальные печи промышленной частоты и повышенной частоты.

  1.  Коксовые вагранки

Вагранкой называется шахтная печь, предназначенная для плавки чугуна.

Металлический цилиндрический кожух вагранки установлен на колонны и с внутренней стороны облицован огнеупорным кирпичом (рис. 1). Опорная часть (рис. 2) воспринимает статическую нагрузку от всей вагранки и динамическую от загружаемой шихты и состоит из фундаментной плиты 1, четырех колонн 2, опорной рамы 3, подовой плиты 4, днища 5, механизма 6 открывания и закрывания днища. Днище вагранки состоит из двух крышек (полуднищ), которые с помощью цапф подвешиваются на оси, проходящей через подшипники 7, закрепленные на подовой плите. Подовая плита служит для крепления нижних колонн и равномерного распределения нагрузки на фундамент.

Для предохранения от раскаленных остатков плавки, выливающихся из вагранки через откидное днище, плиту углубляют на 150–200 мм от уровня пола, который засыпают сухой формовочной смесью.

Рис. 1. Общий вид   вагранки с расширенной зоной горения: 1 – фундаментная плита; 2 – колонна; 3 – опорная рама; 4 – подовая плита; 5 – днище; 6 – механизм открывания и закрывания днища; 7 – горн вагранки; 8 – фурма; 9 – шахта вагранки с водяным охлаждением корпуса шахты; 10 – фурменная коробка; 11 – узел загрузки шихты; 12 – металлоприемник-шлакоотделитель для выпуска металла и шлака; 13 – устройство для отбора ваграночных газов и очистки; 14 – дымовая труба               Рис. 2. Опорная часть   вагранки: 1 – фундаментальная плита; 2 – колонны; 3 – опорная рама; 4 – подовая плита; 5 – днище; 6 – механизм открывания и закрывания днища; 7 – ось поворота крышки

 

Шахта вагранки состоит из цилиндрического кожуха 1 (рис. 3), сделанного из листовой стали толщиной 6–12 мм. Внутри кожуха находится огнеупорная футеровка 2. Между кожухом и футеровкой существует зазор 25–30 мм, заполняемый огнеупорным неспекающимися материалом, например, тощим песком для обеспечения беспрепятственного расширения футеровки при нагревании.

Рис. 3. Разрез шахты вагранки

Шахта устанавливается на подовую плиту 8 над отверстием закрывается откидным днищем 7. На днище набивают под, или лещадь, 6 из тощего формовочного песка слоем толщиной 200–300 мм. На­бивной под имеет небольшой уклон в сторону отверстия 4, называемого чугунной леткой 4. К ней примыкает железный футерованный желоб 5. Если вагранка без копильника, то чугунная летка во время плавки заделывается глинистой массой и отрывается только на период выпуска чугуна. В вагранке с копильником чугунная летка служит каналом, через который чугун из горна непрерывно поступает в копильник. Против чугунной летки 4 на уровне пола делается рабочее окно 10, служащее для набивки пода, закладывания дров и их розжига, которое на время плавки закладывается огнеупорным кирпичом, забивается формовочной смесью и закрывается дверкой 9.

Для выпуска шлака имеется шлаковая летка, которая расположена ниже фурм на 75–150 мм. Шахта (рис. 5) по высоте делится на нижнюю часть, от пода до первого ряда фурм, называемую горном, а от первого ряда фурм до порога 11 завалочного окна 12 – собственно шахтой.

Шахта вагранки имеет цилиндрический, канальный или сложный (доменный) профиль. Корпус шахты по всей высоте или только в нижней части может охлаждаться водой. Водоохлаждаемая зона за исключением горна, как правило, не имеет огнеупорной футеровки. Не охлаждаемой водой зона цилиндрической шахты вагранки имеет огнеупорную футеровку толщиной 180–350 мм. Из-за низкой стоимости футеровки длительность работы не охлаждаемой водой зоны вагранки до выбивки для текущего ремонта не превышает двух смен.

Вагранка с небольшим конусным профилем шахты водоохлаждаемого корпуса 9 (рис. 1) с выдвинутыми водоохлаждаемыми медными фурмами 8, утолщенной футеровкой горна 7 рассчитана на длительную эксплуатацию без выбивки для специального ремонта футеровки. Верхняя часть шахты, расположенная ниже завалочного окна, выкладывается чугунными пустотелыми кирпичами для предохранения разрушения кладки от ударов загружаемой шихты.

Фурменное устройство (рис. 4) вагранки, состоит из коробки 4 дроссельных клапанов 5 для регулирования количества воздуха, подаваемого к фурмам. Коробка делается из стальных листов толщиной 6–12 мм и приваривается к кожуху вагранки. Дроссельные клапаны монтируются в литых цилиндрических кожухах, которые крепятся к днищу фурменной коробки болтами.

 

Рис. 4. Схема подачи подогретого воздуха в вагранку и отбор ваграночных газов (фурменное устройство): 1 – загрузочное окно; 2 – отверстие для отбора газов; 3 – трубы для стока воды; 4 – фурменная коробка; 5 – дроссельный клапан

Рис. 5. Сифонный шлакоотделитель: 1 – канал для чугуна и   шлака; 2 – фурма; 3 – труба для стока воды; 4 – крышка для осмтра и ремонта; 5 – желоб; 6 – смотровое окно; 7 – желоб; 8 – контрольное отверстие; 9 – сифонный канал; 10 – отверстие для шлака; 11 – шлак

Сопла 2 фурм (рис. 5) чугунные, прямоугольного сечения, расширяющиеся внутри ваг­ранки. К кожуху вагранки сопла крепятся болтами. В фур­мен­ной коробке и фурменных коленах против фурм расположены смотровые окна (гляделки), через которые можно наб­людать за состоянием фурм.

Подача в вагранку подогретого воздуха существенно повышает температуру выплавляемого чугуна: чем выше температура воздуха, тем выше температура металла. Горячий воздух, проходящий через холостую колошу, повышает температуру кусков кокса, ускоряется прогрев (дутье 500–550°С) и плавление шихты, снижается расход кокса. Применение горячего дутья до 40% увеличивает производительность вагранок и положительно сказывается на металлургических процессах, протекающих в вагранке: уменьшается угар, снижается расход кокса, снижается расход доменных чугунов. Для нагрева дутья используют или ваграночные газы, или дополнительное топливо. Ваграночные газы отбирают из шахты через отверстия 2 (рис. 4) расположенные ниже загрузочного окна 1. В современных вагранках широко применяют водоохлаждение плавильного пояса и фурм. К кожуху вагранки выше зоны плавления прикрепляют кольцевую трубку 3 (рис. 4) с отверстиями для стока воды. Вода омывает корпус и стекает в сборный кольцевой желоб.

Слив металла и шлака из вагранки производится через сифонный шлакоотделитель (рис. 5). В шлакоотделителе поддерживается избыточное давление (равное давлению в вагранке), под действием которого чугун и шлак 11 поступают из вагранки по каналу 1 на желоб 5. Затем металл с желоба по сифонному каналу 9 поступает на желоб 7, а шлак 11 расположен на поверхности чугуна и избыточным давлением выдавливается через отверстие 10 на желоб 5. В данной части шлакоуловителя имеется отверстие с пробкой для слива остатков шлака и чугуна 8.

При подогреве дутья за счет теплоты ваграночных газов температура воздуха достигает 600–650°С, что обеспечивает температуру продуктов горения, поступающих в вагранку, равную 1750–1800°С при восстановительной атмосфере.

В настоящие время широкое развитие как у нас, так и за рубежом получили ваграночные комплексы закрытого типа с полной очисткой отходящих газов, подогревом дутья, с водяным охлаждением плавильного пояса, обеспечивающие многонедельную плавильную компанию. Современные ваграночные комплексы  включают в себя оборудование для набора, взвешивания и загрузки шихты, систему автоматизированного управления процессом плавки, устройства для грануляции шлака, систему оборотного водоснабжения, гидрошлакоудаления, систему охлаждения и очистки газов, рекуператор и др., обеспечивающее надежную и экономическую работу вагранки.

Рис. 6. Ваграночный комплекс: 1 – бункер эстакада; 2 – весовая тележка; 3 – установка для дозирования кокса; 4 – подъемник для шихты; 5 – вагранка; 6 – шлюзовая камера; 7 – пылеосадительная камера; 8 – эжекторный скруббер; 9 – камера дожигания; 10 – радиационный рекуператор; 11 – шлакоотделительный желоб; 12 – копильник

2.  Газовые и коксогазовые вагранки

Топливом коксогазовых вагранок служат кокс и природный газ, который сжигается в туннелях, расположенных по периметру вагранки над фурмами. Газовые горелки располагают по высоте таким образом, чтобы продукты горения выходили ниже уровня холостой колоши шахты вагранки на 250–300 мм. Условия перегрева металла в коксогазовой вагранке примерно такие же, как в коксовой вагранке. Температура чугуна на желобе 1390–1400°С. Газонасыщенность чугуна, выплавленного в коксогазовой вагранке, немного больше. При переводе коксовой вагранки на коксогазовый обогрев снижается расход кокса на рабочую колошу, чем объясняется тенденция к переводу на газовое топливо.

В коксогазовой вагранке состав газовой атмосферы более окислительный, чем в коксовой вагранке, что увеличивает угар кремния и марганца и ухудшает условия науглероживания жидкого металла.

Конструкция современной коксогазовой вагранки показана на рис. 7. Продукты горения газа и пары воды при температуре 1500–1550°С подают в плавильную зону шахты вагранки, вносится дополнительное количество теплоты, за счет которого улучшаются условия теплообмена в двух зонах – зоне плавления и зоне подогрева кусков твердой шихты, а в зоне перегрева жидкого чугуна при сохранении удельного расхода воздуха ничего не изменяется. Теплота от сжигания 25 м³ газа на 1 т выплавляемого чугуна позволяет уменьшить расход кокса на 25–35%, поднять производительность вагранки на 10% при постоянной температуре чугуна.

Уменьшение расхода кокса за счет сжигания дешевого природного газа позволяет снизить себестоимость чугуна, понизить содержание в нем серы, поднять производительность печи, уменьшить влияние качества разделки шихты, упростить регулирование высоты холостой колоши путем изменения расхода газа в горелках. Последнее выгодно отличает ее от вагранки, работающей на обогащенном кислородом воздухе. Однако коксогазовые вагранки имеют и существенные недостатки: взаимодействие продуктов, выделяющих при горении природного газа (СО₂ и Н₂О) с раскисленными кусками кокса с образованием 15–20% СО и 3–4% Н₂, что поглощает большое количество тепла); повышение температуры колошниковых газов на 100–150°С, вызывающее дополнительные потери теплоты; насыщением чугуна водородом.

 

Рис. 7. Коксогазовая вагранка: 1 – водосборник; 2 – шамотная кирпичная футеровка; 3 – набивная шамотная масса; 4 – водоохлаждаемый горелочный туннель; 5 – газовая горелка; 6 – коллектор для подачи природного газа; 7,8 – воздушные коллекторы соответственно для горелок и фурм; 9 – водяное охлаждение плавильного пояса; 10 – водяное охлаждение фурм и горелочных туннелей; 11 – медная водоохлаждаемая фурма; 12 – стационарный копильник; 13 – быстросменное леточное устройство; 14 – высокоглиноземестые огнеупоры

Если совместный расход кокса и газа оценивать в единицах условного топлива, то окажется, что расход коксогазового топлива будет больше, а КПД вагранки ниже, чем для обычной коксовой. Экономия при работе коксогазовой вагранки получается только за счет низкой стоимости природного газа, поэтому даже повышенный расход газа по сравнению с сэкономленным коксом дает определенный экономический эффект.

Газовая вагранка представляет собой пламенную печь шахтного типа. Она существенно отличается от коксовой и коксогазовой вагранки. В газовой вагранке отсутствует традиционная холостая коксовая колоша, она имеет постоянную высоту зоны плавления над газовыми горелками и ограниченную по размерам зону перегрева. Газовые вагранки конструктивно различаются на: а) вагранки с уступами в шахте (рис. 8); б) вагранки с перемычкой в шахте и в) вагранки с выносной камерой перегрева. В вагранке, изображенной на рис. 8 по высоте шахты выполнены два уступа 6 и 12, предотвращающие попадание шихтовых материалов в нижнюю часть камеры сжигания газа 4, зону перегрева.

 

Рис. 8. Газовая вагранка: 1 – шахта; 2 и 4 – водяное охлаждение; 3 и 5 – поднутрения шахты; 6 и 12 – уступы; 7 – копильник; 8 – механизм открывания днища; 9 – бассейн для жидкого чугуна; 10 – горелки; 11 – камера сжигания газа и перегрева чугуна; 13 – система загрузки шихты

Верхняя часть шахты вагранки (выше уступов 6 и 12) предназначена для нагрева и расплавления шихты, а нижняя – для перегрева жидкого чугуна. Как верхний, так и нижний уступы испытывают высокие термические нагрузки, поэтому охлаждаются водой. По всему периметру нижней части камеры сжигания газа и перегрева встроены в один или в два раза туннели – трубки, в которых находятся газогорелочные устройства.

Перед плавкой камера перегрева нагревается газовыми горелками до температуры 1600°С. Затем после достижения необходимого температурного режима и состава печной атмосферы в шахту вагранки загружают шихту. Металл плавится, стекает в камеру перегрева вагранки, откуда непрерывно поступает в копильник.

Основными преимуществами газовых вагранок перед коксовыми является то, что они не требуют применения дефицитного кокса, имеет место существенное сокращение содержания серы (в 5–6 раз ниже, чем в чугуне, выплавляемом в коксовых вагранках). Вместе с тем в газовых вагранках труднее получить чугун с содержанием углерода более 3–3,2%. Это объясняется отсутствием в коксовой вагранке холостой коксовой колоши и образованием в камере перегрева окислительной атмосферы, что способствует угару химических элементов чугуна (углерода, кремния, марганца). В таких случаях искусственно в шихту добавляют высокоуглеродные материалы, например, куски отходов графитовых электродов.