Технология плавки в газовых вагранках

В этой статье:
1. Подготовка к плавке
2. Текущий ремонт
3. Средний ремонт
4. Капитальный ремонт
5. Пуск
6. Розжиг
7. Обслуживание
8. Основные параметры
9. Остановка
10. Футеровка газовых вагранок
11. Технологические особенности плавки
12. Шлаки газовых вагранок
13. Преимущества плавки в газовых вагранках

Подготовка к плавке

Подготовка к плавке, как и в коксовых вагранках, состоит в ремонте футеровки, набивке подины, заправке леток, ремонте желобов, осмотре и, если необходимо, ремонте вспомогательного оборудования. Ремонт футеровки является при этом обычно наиболее трудоемким процессом, степень его сложности зависит от характера и объема разгара. Футеровка больше всего оплавляется в камере перегрева в районе прохода между стенкой шахты и нижним уступом и между уступами, где она выгорает очень быстро, и уже через 1,5-2 ч на трубах водяного охлаждения остается лишь слой гарнисажа. Характер ремонта и его периодичность зависят от продолжительности и режима плавки, качества и вида применяемых огнеупорных материалов.

Текущий ремонт

Текущий ремонт производится после каждой плавки. Он включает в себя осмотр и ремонт футеровки нижней части камеры перегрева, вскрытие ремонтного окна и осмотр зоны плавлении, осмотр и зачистку футеровки копильника, очистку от шлака и осмотр переходной летки. При осмотре футеровки в камере перегрева особое внимание следует обратить на состояние нижнего уступа и, в частности, на целостность трубы водяного охлаждении (на трубе должен быть слой гарнисажа). Особенно ответственны места сочленения туннелей горелок с шахтой. При сильном оплавлении футеровки в этом месте необходимо заменить кладку, так как в противном случае при работе вагранки может прогореть кожух.

Вскрытие верхнего ремонтного окна производится с целью осмотра труб водяного охлаждения и состояния футеровки в зоне плавления. Если на подине нижнего уступа остались настыль или отдельные нерасплавившиеся куски шихты, их необходимо удалить. При незначительной длительности плавки (до 5 ч) вскрытие верхнего окна можно не производить и текущий ремонт ограничивать осмотром футеровки в камере перегрева и шахты (осмотр шахт в этом случае производится через завалочное окно) и очисткой от шлака переходной летки и копильника с последующим его закрытием.

Обычная длительность плавок на газовых вагранках – в пределах 10-16 ч, возможна работа по две смены подряд, а в течение следующего дня их готовят к следующей плавке. В этом случае текущий ремонт включает ремонт футеровки и нижней части камеры перегрева и вскрытие верхнего ремонтного окна для осмотра и зачистки зоны плавления.

Средний ремонт

Средний ремонт производится через 3-15 плавок в зависимости от их длительности. Он включает в себя все операции текущего ремонта и, кроме того, обновление одного слоя футеровки в камере перегрева, ремонт кладки в поднутрениях переходной летки и туннеля в полукольцевом внутреннем поясе, а также футеровку или обмазку вокруг труб водяного охлаждения.

При проведении среднего ремонта особое внимание следует уделить правильности кладки туннелей и района между уступами. От формы и размеров этих частей в значительной степени зависит работа вагранки. При кладке уступов и зоны плавления необходимо следить за точным соблюдением размеров и особое внимание уделять правильности кладки выходного отверстия между уступами. Выходное отверстие по размерам должно соответствовать чертежу. При этом обязательно наличие свободных полостей для выхода газов в поднутрение. Правильность их кладки может быть проверена шаблонами. С особой тщательностью следует производить операцию закладки или обмазки труб. Футеровка вокруг труб должна выполняться кирпичом или обмазкой. В некоторых случаях эти ремонты могут включать в себя также ремонт или замену одного слоя футеровки верхней части шахты и копильника.

Капитальный ремонт

Капитальный ремонт, производимый 1-2 раза в год, включает в себя полную замену кладки вагранки и приуроченный к этому времени ремонт кожуха и вспомогательного оборудования.

Перед каждой плавкой обязательно производится набивка подины камеры перегрева, заправка чугунной и шлаковой леток копильника и ремонт желобов для выпуска чугуна и шлака. Набивка подины камеры перегрева является одной из наиболее ответственных операций при подготовке вагранки к плавке, так как от правильности выполнения этой операции зависят температура металла и безаварийная работа вагранки. Бассейн для перегрева металла образуется путем выполнения подины с уклоном в сторону, противоположную переходной летке, или сферической, вогнутой формы. Контроль размеров бассейна при набивке подины осуществляется шаблонами с уровнями. Для набивки подины можно применять свежую формовочную смесь или смесь с некоторой добавкой горелой земли (с целью облегчения набивки). По краям подины у стенок шахты должен выполняться плавный переход в виде галтели, что уменьшает опасность прорыва между стенкой и подиной. Между увлажненными слоями смеси необходимо прокладывать слой сухого песка или горелой земли. Операции заправки чугунной и шлаковой леток выполняются так же, как и в обычных коксовых вагранках.

Пуск

Пуск газовой вагранки начинается с проверки исправности и работоспособности всего оборудования: воздуходувки, горелок, газопроводов и воздухопроводов, регулирующей и запорной арматуры, наличия воды для водяного охлаждения и напряжения на всех приборах системы автоматики. Особое внимание следует обратить на состояние газовых кранов: все краны должны быть закрыты, кроме крана продувочного газопровода («на свечу»). Нужно также закрыть шибер воздуходувки и открыть завалочное отверстие шахты, которое обычно на время ремонта закрывается. Убедившись в полной исправности всего оборудования и готовности его к пуску, можно приступать к розжигу вагранки.

Система автоматики перед началом розжига должна быть выключена, регулирующие заслонки полностью закрыты, дистанционные датчики должны находиться в нулевом положении. Однако все приборы должны быть включены, чтобы осуществить одновременный пуск всех приборов включением общего питания щита. Управление пуском и ходом плавки осуществляется при помощи системы кранов и задвижек на газовой сети и системы шиберов на воздушной сети. Пуск вагранки осуществляется без участия системы автоматики, поскольку автоматическое регулирование на малых расходах неустойчиво.

Розжиг

Розжиг газовой вагранки производят в следующем порядке: открывают подачу воды в трубы водяного охлаждения и убеждаются, что вода свободно протекает через систему; осматривают водяную систему и убеждаются в отсутствии утечки воды в трубах; подготавливают факел из промасленной ветоши для розжига; открывают задвижку на газорегулировочном пункте цеха, предварительно убедившись по манометрам в наличии газа; открывают клапан блокировки газа с воздухом, задвижку на газопроводе после клапана и затем — задвижку до клапана; в течение 2-3 мин продувают газопровод, а потом закрывают кран «на свечу»; включают воздуходувку, открывают шибер и в течение 2- 3 мин продувают шахту вагранки во избежание скопления газа в шахте при его утечке; выключают воздуходувку и закрывают шибер; убеждаются в отсутствии утечки газа в кранах, задвижках и соединениях (работать при утечке газа категорически запрещается; поэтому проверку утечки газа нужно производить обмыливанием опасных мест или «на запах», так как проверять утечку огнем запрещается).

После этого следует убедиться, что кран на газопроводе перед горелкой (горелками) и запальником закрыт; отвинтить и снять крышку с глазка для розжига горелки или запальника, ввести в отверстие зажженный факел и поднести его к запальному устройству, открыть медленно наполовину кран подачи газа в запальник. Необходимо убедиться, что газ в запальнике загорелся, и только после этого можно вынуть факел (в случае потухания запальника следует немедленно прекратить подачу в него газа, затем включить воздуходувку и в течение 3-5 мин продуть шахту; только после продувки можно вновь приступить к розжигу). По истечении нескольких минут после розжига запальника надо медленно прибавлять подачу газа, открывая кран подачи газа в запальник, и закрыть глазок горелки крышкой. После устойчивого розжига запальника следует включить воздуходувку и немного открыть шибер подачи воздуха в воздухопровод и кран подачи воздуха в запальник, убедиться, что запальник горит устойчиво и воздух поступает к запальнику; затем открыть кран подачи газа в горелку, внимательно наблюдая за устойчивостью горения (при наличии красного пламени следует немного увеличить подачу воздуха, а при почти бесцветном пламени и холодных стенках туннеля следует немного увеличить подачу газа).

При стабильном горении с минимальной подачей газа и воздуха надо разогревать вагранку в течение 15-20 мин, пока кладка камеры перегрева не накалится до красно-белого цвета, затем, постепенно прибавляя газ и воздух, довести их подачу до требуемой величины.

При наличии двух или более горелок после розжига одной горелки и достижения заданного режима горения в ней следует приступить таким же образом к розжигу следующих. Затем необходимо привести в рабочее положение клапаны блокировки газа с воздухом и перейти на автоматическое регулирование подачи газа и воздуха, для чего следует датчики расхода газа и соотношения газ – воздух поставить в рабочее положение, включить питание щита, а затем полностью открыть все краны подачи газа в горелки и воздушные шиберы на воздухоподводящей системе. В этом случае расходы газа и воздуха должны с помощью регулирующих заслонок автоматики поддерживаться в заданных пределах. Весь разогрев вагранки производится в течение 30-40 мин, после чего начинают завалку шихты (если вагранка пускается после капитального ремонта или продолжительного простоя, то время медленного разогрева ее необходимо увеличить до 2-3 ч; при этом разогрев производится сначала при помощи запальника в течение 30-40 мин, а уже затем при включенной горелке с целью медленного прогрева футеровки и удаления влаги).

Обслуживание

При обслуживании газовой вагранки во время работы, кроме обычных операций по завалке шихты, отбору жидкого металла, заливке проб и т.д., необходимо наблюдать: за давлением газа в газопроводе (оно должно быть в пределах 0 , 2 – 0,8 ат, иначе вагранку нужно немедленно остановить), за давлением воды в сети и ее температурой на выходе из системы водяного охлаждения (при резком падении давления воды или повышении температуры на выходе следует немедленно включить резервный насос или прекратить подачу газа и воздуха в вагранку), за расходом газа и воздуха по приборам автоматики или по водяным манометрам, показывающим перепады давления на диафрагмах газа и воздуха (расход газа и воздуха, обеспечивающий нужную температуру металла и производительность вагранки, устанавливается по температуре в камере перегрева и анализу продуктов сгорания), за исправностью всех систем, обслуживающих вагранку (воздухопроводов, газопроводов, воздуходувок и т.д.).

Основные параметры

Основные параметры при работе вагранки. Из данных анализа продуктов сгорания и по измерениям температуры в камере перегрева при загруженной шахте и при различных значениях а, приведенных в табл. 7.2, видно, что с увеличением коэффициента расхода воздуха возрастает содержание свободного кислорода в продуктах сгорания, что может привести к увеличению угара, и уменьшается содержание CO и H2; содержание CO2 при повышении α до 1 растет, а затем снижается. Однако следует отметить, что угар элементов возрастает и при α = const, если увеличивается скорость выхода газовоздушной смеси из сопла горелки в связи с некоторым повышением температуры в факеле и диссоциацией продуктов сгорания.

Состав и температура газов в камере перегрева газовой вагранки

При сжигании холодной газовоздушной смеси с α=0,98÷1,0 и при подаче 2-5 % газа от его расхода на сжигание через третий (верхний) ряд многосопловой горелочной системы общий угар углерода в металле находится в пределах 5-12% при угаре кремния 8-12% и марганца 15-20% в зависимости от состава шихты и первоначального содержания элементов в шихте. В итоге газовые вагранки позволяют получать чугун с содержанием C в пределах 2,9-3,3%, что при условии оптимального сжигания газа достигается за счет обычной шихтовки. Для повышения содержания C в составе шихты следует применять передельные и литейные чугуны (Л 4, Л-5, Л 6 ), содержащие свыше 4% С. Содержание Si и Mn регулируется учетом угара этих элементов и добавлением низкопроцентных лигатур в шихту или высокопроцентных лигатур, ФС, ФМн на струю жидкого металла.

Состав шихты и угар основных элементов при выплавке чугуна различных марок в газовой вагранке

В общем расчет шихты производят аналогично плавке в коксовых вагранках, только с обязательным расчетом по углероду (табл. 7.3). При этом следует особо подчеркнуть низкое содержание серы в металле при плавке в газовых вагранках 0,03-0,05 %, а при использовании собственного возврата 0,023-0,027 %, что на 20-50 % меньше, чем в исходной шихте.

Остановка

Остановка газовой вагранки производится через час после окончания загрузки с целью обеспечения полного расплавления оставшейся шихты (в чем следует убедиться, посмотрев в глазок горелки). Затем прекращают подачу газа и воздуха путем закрытия кранов подачи газа в горелки и запальники и задвижки перед клапаном блокировки газа и воздуха. Далее открывают краны «на свечи» и через 5-10 мин после прекращения подачи газа выключают воздуходувку и закрывают главную отключающую задвижку на газорегулировочном пункте (если между главной отключающей задвижкой и клапаном имеется длинный участок газопровода, то его необходимо продуть, для чего клапан и задвижку перед ним открыть и через некоторое время вновь закрыть). После прекращения подачи газа и воздуха производят выбивку подины камеры перегрева и открытие дверки копильника.

Газовая вагранка должна быть немедленно остановлена в следующих случаях: при внезапном и полном прекращении подачи газа, а также при падении давления газа в газопроводе ниже 0,2 ат (0,2-10 5 Па) и подъеме выше 0,8 ат (0,8-10 5 Па); при выходе из строя воздуходувки, воздухопроводов, газопроводов; при погасании горелок; при внезапном прекращении подачи воды в охлаждающую систему; при пожаре вблизи вагранки или при угрозе пожара; при попадании газа в цех. Аварийную остановку газовой вагранки производят так же, как и обычную, но более энергично.

Футеровка газовых вагранок

Вопрос об огнеупорности футеровки и ее выполнении является одним из важнейших для газовых вагранок, так как в них футеровка более сложна, чем в коксовых вагранках, и подвергается воздействию более высокой температуры в камере перегрева. В связи с этим для футеровки следует применять более стойкие – высокоглиноземистые и хромомагнезитовые материалы, огнеупорность которых около 2000 °С. Процесс в вагранках при таких огнеупорах должен быть основным.

В качестве связующего используется раствор из высокоглиноземистого пластифицированного мертеля ВТ-1. При помощи крупных блоков удобно выполнять прямоугольные формы, большие своды и т. п., однако кладка неудобна в узких и закругленных местах. Некоторые затруднения при кладке в вагранках вызывает также масса изделий, доходящая до 40 кг. Цена всех видов огнеупорных высокоглиноземистых изделий в 3-4 раза выше, чем шамотных или хромомагнезитовых.

Можно выполнять также комбинированную футеровку – из нескольких видов огнеупорных материалов. Например, свод вагранки с выносной камерой перегрева можно делать из хромомагнезита, стены камеры — из высокоглиноземистых блоков, а площадку, по которой чугун стекает из шахты в камеру перегрева, целесообразно выполнить из графитошамотных плит.

Ремонт футеровки наиболее целесообразно производить методом торкретирования. Разработаны и проходят испытания конструкции торкрет-аппарата и составы торкрет-масс для ремонта футеровки газовых вагранок. Внедрение в производственную практику комбинированного метода выполнения футеровки и ее ремонта методом торкретирования позволяет значительно снизить соответствующие затраты. Перспективной является также монолитная футеровка из высокоглиноземистого цемента.

Технологические особенности плавки

Отсутствие твердого топлива, содержащего углерод, приводит к тому, что в газовой вагранке отсутствуют процессы насыщения металла углеродом и серой. В газовой вагранке такие элементы, как кремний, марганец и хром выгорают, а элементы, сродство которых с кислородом ниже, чем у железа, не выгорают, также как в коксовой и коксогазовой вагранках.

Угар элементов в газовой вагранке в значительной степени зависит от фактического коэффициента α, который показывает расход воздуха, идущего на горение газа. Это является следствием того, что от коэффициента α зависит состав газовой фазы и наличие или отсутствие в ней свободного кислорода.

Практические исследования показали, что при α=0,95 в газах газовой вагранки содержится 8-8,5% CO2, около 16-17% H2O, около 1,0% H2 и около 1,0 % СО. Кислород практически отсутствует.

При расходе воздуха, соответствующем коэффициенту α = 1, состав газов будет 8,5-9,0 % CO2; около 17 % H2O; 0,5 % H2; 0,5 % СО и 1,0-1,2 % O2.

Анализ взаимодействия атмосферы газовой вагранки с шихтой, состоящей из чушкового чугуна, стального и чугунного лома, т.е. с металлом, состоящим из более чем 90 % Fe, показывает, что реакция между составными частями газовой фазы и железом протекает следующим образом:

Fe+ CO2 = FeO + СО,
Fe + HаO = FeO + H2.

Суммарный характер взаимодействия железа и газовой атмосферы, состоящей из газов H2O, H2, CO2 и CO, показан на рис. 7.8. На рис. 7.8 приведены также коэффициенты α, при которых были получены те или иные составы газов. Из рассмотрения этой диаграммы видно, что только при α

Диаграмма равновесия железа с продуктами сгорания метана

Окислы железа, получаемые при его окислении и вступающие во взаимодействие с такими элементами, как углерод, кремний, марганец и другими, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо, будут отдавать этим элементам кислород, восстанавливаясь до железа. Таким образом, в конечном итоге будет иметь место угар именно указанных выше элементов.

В соответствии с этим угар элементов при плавке чугуна в газовой вагранке при α = 0,95 состоит из 4-6 % C, 9-10 % Si и 15-17 % Mn. При α = 1 угар имеет следующий состав: 9-10% C, 19-20% Si и 30-31 % Mn.

При плавке существенным фактором является поведение серы в газовой вагранке. При переплавке чугуна в газовой вагранке имеет место угар серы, доходящий до 30 %. Чугун, выплавленный в газовой вагранке, содержит 0,03-0,04 % S.

При использовании в шихте вместо покупного лома собственного возврата содержание серы уменьшается до 0,025-0,027 %.

Шлаки газовых вагранок

Первой отличительной чертой плавки чугуна в газовой вагранке является угар углерода. Однако это не отражается на составе шлака. Величина угара таких элементов, как кремний и марганец в газовых вагранках мало отличается от величины угара в коксовых вагранках.

Второй отличительной чертой плавки в газовых вагранках является отсутствие в них такого источника шлака, как зола кокса. Это уменьшает на 1-2% количество шлака.

Расход известняка уменьшается с 3-4 % при плавке на коксе до 1-2 % при плавке на газе. Все это уменьшает до 5-6 % общее количество шлаков в газовой вагранке против 6-8 % шлаков в коксовых вагранках.

Шлаки газовых вагранок в среднем содержат 40-56% SiO2, 2-10% FeO, 15-35 % Al2O3 , 10-25 % CaO, до 1 % MgO и до 3 % MnO.

Анализ исследованных плавок показал, что повышенное содержание FeO в шлаке (более 10 %) соответствует нарушению хода плавки, вызванному подачей большего количества воздуха на горелки по сравнению с оптимальным.

Повышенное содержание Al2O3, встречающееся иногда в ваграночных шлаках, обусловливается применением высокоглиноземистых огнеупоров.

Шлаки газовых вагранок при применении шамотовой футеровки содержат 40-45 % SiO2, 2-10 % FeO, 15-18 % Al2O3 и 10-25 % СаО. Эти шлаки обладают хорошей жидкотекучестью и обычно применяются для плавки в газовых
вагранках.

Преимущества плавки в газовых вагранках

Сравнение себестоимости жидкого чугуна при выплавке в коксовой и газовой вагранках показывает, что экономия достигается за счет снижения затрат на топливо (более чем в четыре раза) и шихту.

Кроме того, использование природного газа при плавке чугуна в газовых вагранках резко снижает вредные выбросы (до 25 мг/м3 пыли и 0,01 % СО) и содержание серы в чугуне – до 0,02-0,05 %; отпадает необходимость в устройствах для дозирования, транспортировки и загрузки кокса, снижаются затраты на топливо и шихту, улучшаются условия труда в литейном цехе.

К недостаткам газовых вагранок относятся: отсутствие условий для науглероживания, не обеспечивается необходимый перегрев чугуна без значительного окисления кремния, марганца и углерода, затруднительно использовать в шихте дешевые металлоотходы, уменьшается стойкость футеровки на водоохлаждаемых уступах и перемычке в шахте, необходимо применять более стойкие и огнеупорные футеровочные материалы (высокоглиноземистые и хромомагнезитовые).

Черная и цветная металлургия