Вагранки

Вагранка за счет своей простоты и высокой технологичности получила широкое распространение. Классификация вагранок приведена на рисунке 19.

Рисунок 19 – Основные типы современных вагранок

Шахту коксовой вагранки можно условно разделить на четыре зоны (рисунок 20). В зоне нагрева (I) горячие газы нагревают металл, который при этом взаимодействует с газовой фазой, в результате чего он окисляется; кокс, нагреваясь, теряет летучие вещества.

1 – стальные компоненты шихты; 2 – чугунные компоненты шихты; 3 – добавка ферромарганца; 4 – добавка ферросилиция

Рисунок 20 – Изменение температур металла и газов и состава металла по высоте вагранки

Кокс в вагранке находится в виде толстого слоя холостой колоши и более тонких слоев рабочих колош. В районе фурм кислород дутья, подаваемого в вагранку реагирует с углеродом кокса по реакции:

СО₂ + С= 2СО.

3а кислородной зоной холостой колоши следует редукционная зона, в которой происходит восстановление двуокиси углерода:

СО₂ + С = 2СО.

При расходе кокса 10-12% от металлозавалки и подачи воздуха 100 – 120 м³/(м²·мин) в результате протекания реакций горения и восстановления (с коэффициентом расхода воздуха α=0,8) ваграночные газы при выходе из холостой колоши имеют следующий состав: СО₂=15%, СО=10%, N₂=75%.

I Зона нагрева. Твердые шихтовые материалы реагируют с окислительной атмосферой, поэтому железо окисляется по реакции:

Fe+CO₂ = FeO+CO.

На поверхности металлических включений кусков шихты возможно окисление и других элементов чугуна. Кроме того, металл может насыщаться серой из газа по реакции:

3Fe+SO₂ = FeS+2 FeO.

Известняк в этой зоне разлагается по реакции:

CaCO₃ = CaO+CO_2.

Топливо теряет влагу и летучие вещества.

II Зона плавления. Металлические компоненты шихты расплавляются, процессы окисления, насыщения серой и обезуглероживания протекают более интенсивно, чем в зоне 1. Происходят вторичные реакции окисления элементов закисью железа FeO, которая, стекая вместе с расплавленным металлом, реагирует с кремнием, марганцем и углеродом по реакциям типа:

Me+ FeO = Fe+MeO.

III Зона перегрева. Ее подразделяют на две подзоны Ша - редукционную и Шб - кислородную зону холостой колоши.

В подзоне Ша протекает реакция восстановления СО₂ до СО. Жидкий металл стекает по кускам кокса в виде капель и струек, перегревается, начинаются процессы науглероживания, растворения углерода и серы из кокса и восстановление элементов по реакциям:

С+(МеО) = [Ме]+{СО}.

В этой зоне начинается шлакообразование.

В зоне Шб горит кокс, происходит интенсивное окисление элементов (кремния, марганца, углерода) по реакциям типа:

Ме +1/2О₂ = МеО.

В этой зоне наблюдается энергичное науглероживание при контакте капель металла с коксом, восстановление элементов и заканчивается образование шлака.

IV Зона накопления – горна. Метал и шлак в этой зоне немного охлаждаются. Металл скапливается в горне, и контактируя с коксом, растворяет углерод, а также серу кокса. Вагранки, в которых накопление металла производятся в горне, дают чугун с повышенным содержанием углерода и сеы.

В результате физико – химических процессов угар элементов составляет, %: Si =15 – 25; Mn = 25 – 30. Содержание углерода и серы в чугуне увеличивается.

Угорает некоторое количество железа, его оксиды, а также оксиды кремния, марганца, зола топлива и оплавившаяся футеровка образуют ваграночный шлак.

Однако простые коксовые вагранки не удовлетворяют современным требованиям по температуре и качеству чугуна, а также выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газов и пыли. Поэтому современные вагранки оснащают устройства для подогрева воздушного дутья, дожигания и очистки газов (рисунок 20).

Очистка отходящих газов осуществляется в три стадии. Сначала газы из вагранки 4 поступают в бункер-охладитель, где они охлаждаются до 80 – 100^ОС и очищаются от крупных частиц пыли. Вторая стадия очистки происходит в трубе Вентури 7, где, проходя со скоростью 100 – 140 м/с через горловину трубы с водяной завесой, оставшаяся в газах пыль смачивается, стекая в систему шламоудаления. 3aтeм газы поступают в мокрый скруббер 9 для улавливания капель осушения очищенных газов. Далее газы подогревают для облегчения их сжигания и, смешивая с воздухом в специальной горелки, сжигают в топке рекуператора 16.

Конструкция вагранки закрытого типа, входящая в ваграночный комплекс, показанный на рисунке 21.

Характерной особенностью современной коксовой вагранки является доменный профиль плавильной зоны, что очень удобно для наружного поливного охлаждения и вдвинутых водоохлаждаемых быстро сменных медных фурм. Также такой профиль существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке.

Огнеупорную футеровку вагранок изготавливают из специального шамотного кирпича. По ГОСТ 3272-71 ваграночный кирпич выпускают трех марок:

ШАВ – шамотные изделия с огнеупорностью не ниже 1730 °C;

ШБВ – шамотные изделия с огнеупорностью не ниже 1670 °C;

ПБВ –не ниже 1670 °С.

Изделиями марки ШАВ футеруют зоны плавления и горна, т.е. места максимальных температур. Остальные зоны футеруют изделиями ШБВ и ПБВ.

Продолжительность работы вагранки зависит от срока службы футеровки.

Кроме кислой футеровки, которую изготавливают из шамотных полукислых огнеупоров, вагранки могут иметь основную футеровку из хромомагнезитового кирпича. Их применяют в тех случаях, когда необходимо получить малосернистые чугуны за счет применения основных шлаков.

1 – бункер; 2 – бак; 3 – копилльник; 4 – вагранка; 5 – загрузочное устройство; 6 – бункр-осадитель; 7 – труба Вентури; 8 – шламоотделитель, 9 – скруббер; 10 – дымосос; 11 – дымовая труба; 12 – воздуховод; 13 – рекуператор; 14,15 – вентилятор; 16 – секция рекуператора; 17 – трубопровод; 18 – воздуходувка

Рисунок 20 – Схема современного ваграночного комплекса

Рисунок 21 – Вагранка закрытого типа, разработанная институтом ГИПРОстанок

Вагранка с водяным охлаждением футеруют углеродистыми блоками.

Для интенсификации плавки применяют вагранки с двурядным фурменным поясом (рисунок 22), в которых кроме первого ряда 3 имеют фурмы 4, расположенные на 700-900 мм выше. Дутье на верхний ряд фурм подается отдельно, такая регулировка позволяет работу вагранки и экономить 10-20% кокса.

Кроме коксовых, применяют также коксогазовые вагранки. Коксогазовые вагранки и отличаются от коксовых тем, что на высоте 700 – 900 мм от фурм имеют газовые горелки.