При плавке в вагранке шихтовые материалы и газы движутся навстречу друг другу. Шихтовые материалы опускаются сверху вниз и нагреваются газами, которые движутся снизу от уровня фурм вверх и охлаждаются газами, отдавая теплоту шихтовым материалам. Кроме теплопередачи, в вагранке протекают многочисленные химические процессы.
Вагранку по высоте можно разделить на пять зон: I — зона подогрева; II — зона плавления; III — редукционная зона холостой колоши; IV — кислородная зона холостой колоши и V — горн вагранки (см. рис. 2.2).
Рассмотрим процессы, происходящие в различных зонах коксовой вагранки.
Зона подогрева
В этой зоне нагревающийся твердый металл вступает в химические реакции только с газовой фазой. Железо, соединяясь с газами, образует Fe2O3 и Fe3O4 , а также может науглероживаться. При этом происходит растворение углерода в металлической фазе. Растворимость углерода в γ-Fe изменяется от 0,8 % при 723 °С до 2 % при 1130 °С. Избыточный углерод находится в виде графита либо в форме карбида.
Образование этих обеих фаз протекает по реакциям
2CO → 2CO2 + C; 2CO + 3Fe → CO2 + Fe3C
В результате окисления образуются газообразные продукты, удаляющиеся с поверхности металла, на которой окисляется кремний и марганец, образуя соединения SiO2 и MnO, которые вместе с FeO образуют на поверхности металла окисную пленку. Кроме того, происходит и насыщение поверхности металла серой. Однако пленка окислов на поверхности твердого металла препятствует насыщению металла серой и его окислению. Топливо в первой зоне, нагреваясь до 100° С, теряет содержащуюся в нем влагу, а затем и летучие вещества, становится рыхлым и пористым и приобретает высокую реакционную способность. Поэтому ваграночное топливо должно содержать минимум летучих веществ. Известняк в первой зоне должен нагреваться до температуры, необходимой для полной диссоциации его, по реакции
CaCO3 → CaO + CO2.
Крупные куски известняка плохо прогреваются и диссоциируют.
Зона плавления
В этой зоне куски металла, нагреваясь, начинают плавиться. Если шихта хорошо разделана, то плавление всех кусков заканчивается в зоне III — слабоокислительной, не содержащей кислорода, вследствие чего металл не окисляется. Наиболее массивные куски металла могут не расплавиться в зоне III и опуститься до зоны IV, т.е. до кислородной зоны, что может вызвать сильное окисление металла. Если металлическая шихта плавится в пределах зоны III, не содержащей кислорода, то металлургические процессы, протекающие в зоне II, идентичны процессам, протекающим в зоне I.
В период плавления возможно поглощение серы металлом по реакции
3Fe + SO2=FeS + 2FeO
значительно интенсивнее, чем в верхних слоях шахты вагранки. Газы в этой зоне не изменяют своего состава, но сильно охлаждаются, так как они отдают теплоту на нагрев и плавление металла.
Редукционная зона
В этой зоне капли металла перегреваются за счет высокой температуры газовой фазы и главным образом за счет раскаленного кокса. Атмосфера в зоне, как и в первых двух зонах, слабоокислительная. Оксиды железа, образующиеся на поверхности капли металла, растворяются в самой капле и передают кислород примесям чугуна, имеющим большее сродство с кислородом, чем железо, а именно кремнию, марганцу и частично углероду. В то же время капли металла, соприкасаясь с топливом, растворяют углерод и серу топлива.
Между газом и топливом происходит реакция
CO2 + C = 2CO.
В этой же зоне происходит ошлаковывание твердой извести CaO жидким кремнеземом SiO2 с образованием шлака.
Кислородная зона
Атмосфера в зоне IV более окислительная, чем в зоне III, так как в ней имеется свободный кислород. Капли металла перегреваются за счет теплоты газов и кокса и вследствие окисления примесей чугуна газовой фазой. Проходя струю холодного воздуха у фурм, капли шлака охлаждаются, а капли чугуна перегреваются за счет теплоты окисления примесей.
В зоне перегрева температура наивысшая — 1600-1650 °С.
Железо окисляется по реакции
2Fe + O2 =2FeO.
Затем кислород соединяется со следующими элементами:
2FeO + Si= SiO2 + 2Fe;
FeO + Mn = MnO + Fe;
FeO + C = CO +Fe.
Если в чугуне имеется хром, то и он окисляется
3FeO + 2Cr=Cr2O3+3Fe.
При сильном перегреве чугуна выгорание кремния, марганца и хрома может прекратиться. Чем больше перегрев чугуна, тем интенсивнее выгорание углерода при одновременном насыщении жидкого чугуна углеродом из кокса. В зоне IV вагранки сера кокса сгорает в основном в SO2.
Горн вагранки
Атмосфера в горне в верхней части окислительная, в средней — слабоокислительная и у подины — неокислительная. В зоне V металл и шлак охлаждаются за счет потерь теплоты черед стенки и дно горна.
Влияние газовой фазы зависит от уровня металла и шлака, скапливающегося в горне вагранки. Если уровень шлака в вагранке, не имеющей копильника, поднимается до фурм или близко к ним, происходит окисление металла через шлак за счет кислорода воздуха. Чем ниже уровень шлака, тем менее окислительной будет атмосфера в горне вагранки, чем больше глубина горна, тем дальше от фурм находится уровень шлака, тем меньше окисление металла в горне, и наоборот: чем меньше глубина горна, тем ближе к фурмам уровень шлака и больше окисление металла в горне. Чем толще слой шлака, тем медленнее происходит процесс передачи кислорода металлу, тем меньше его окисление.
Если вагранка имеет копильник, то угар металла при прохождении его через горн будет минимальным. В горне продолжается процесс растворения углерода в жидком металле, если это растворение не достигло предела насыщения в расположенных выше зонах III и IV. Пределом насыщения можно считать содержание углерода, соответствующее эвтектическому составу.
В первых порциях чугуна растворяется сера из поверхностных слоев кусков кокса, расположенных в горне вагранки. Плавясь, металл стекает в горн отдельными каплями и струйками, не перемешивающимися друг с другом, поэтому в вагранках, не имеющих копильника, достаточно полного перемешивания чугуна не происходит.
Процессы, протекающие в копильнике
Чугун стекает с подины горна через соединительный канал в копильник, где происходит перемешивание чугуна,
и благодаря диффузии его состав выравнивается. В копильнике кислородом закиси железа окисляются кремний и марганец, так как они имеют большое сродство с кислородом. Продукты окисления всплывают в шлак.
Чугун в копильнике остывает в результате потери теплоты через стенки копильника.
Вследствие прохождения металла через все зоны вагранки происходит угар тех элементов, которые имеют большее сродство к кислороду, чем железо. Практически угар кремния составляет 20-25 %, а иногда и больше, марганца 25-30 %, хрома 20-25 %. Никель, кобальт и медь совсем не выгорают. Углерод выгорает, но одновременно происходит насыщение чугуна углеродом, поэтому чугун насыщается до эвтектического состава.
В некоторых случаях необходимо получать в вагранках низкоуглеродистые чугуны. Для этого в шихту добавляют стальной лом, а фурмы располагают на небольшой высоте (250-300 мм) от подины, чтобы уменьшить науглероживание чугуна и его насыщение серой. В этом случае можно получить чугун с содержанием 2,7-2,8 % С.
Низкоуглеродистые чугуны можно получать в вагранках с силикатной (огнеупорной) холостой колошей. Для этого часть холостой колоши ниже уровня фурм заменяют шамотным кирпичом, выложенным в клетку. Эту часть колоши предварительно сильно разогревают, чтобы уменьшать охлаждение чугуна. При добавке в шихту около 35 % стального лома в вагранках с силикатной колошей можно получать чугун с содержанием до 2,2-2,3 % С.
Шлаки
Количество и состав чугуна зависят от режима плавки, качества исходных материалов и флюсов, а также от конструкции вагранки. В процессе плавки источниками образования шлака являются: зола топлива, переходящая в шлак; угар элементов Si, Mn, Fe; оплавление футеровки; песок и окислы, попадающие в вагранку с шихтой; флюсы, которые добавляют для понижения вязкости шлака. Всего в процессе плавки образующийся шлак составляет 3-4 % массы металла.
Шлак состоит из кремнезема, окиси кальция и глинозема, суммарное содержание которых достигает 80-90 % всей массы шлака. Соединения типа K2O и Na2O находятся в шлаке в небольших количествах (0,2-0,5 %), фосфор — в пределах 0,1-0,5 %, сера 0,2-0,8 %, остальное — окислы металлов. В шлаке находится небольшое количество чугуна (0,2-0,5 % завалки).
Ваграночный шлак должен иметь низкую температуру плавления и хорошую жидкотекучесть (малую вязкость). Высокое содержание оксидов железа в шлаке ухудшает механические свойства чугуна, способствует образованию пористости в отливках, снижает стойкость футеровки и увеличивает угар элементов в вагранке. Оксиды марганца MnO повышают механические свойства чугуна в результате легирования марганцем, но с увеличением содержания марганца снижается стойкость футеровки. Оксиды магния (до 10 % MgO) в шлаке повышают прочность чугуна. Такие оксиды, как CaO, Al2O3 и SiO2, в допустимых пределах не влияют на механические свойства чугуна.
Шлаки, бедные окислами, не изменяют форму графита и структуру основной металлической массы. Шлаки разрушают футеровку, поэтому в печах с кислой футеровкой нельзя применять основные шлаки, и наоборот. Для вагранок, футерованных шамотным кирпичом, желательно иметь шлаки следующего состава, %: 42-48 SiO2; 10-15 Al2O3; 25-30 CaO, <8 FeO; 2-5 MnO и 3-5 MgO. В вагранке можно обогащать чугун фосфором, марганцем никелем и другими элементами. Для этого следует увеличить количество окислов указанных элементов в шлаке. Для ввода в чугун фосфора необходимо применять апатито-нефелиновую руду, для ввода марганца — марганцевую руду, мартеновский шлак.
Способы удаления серы из чугуна
При плавке чугуна в обычных вагранках на кислых шлаках содержание серы зависит от содержания серы в шихте и топливе. Установлено, что серы перейдет в металл тем меньше, чем меньше ее в применяемом коксе, так как кокс является главным источником насыщения чугуна серой. Крупные куски и минимальное количество кокса в колоше уменьшают содержание серы, так как площадь соприкосновения металла с коксом при этом меньше.
Содержание серы в чугуне зависит от высоты холостой колоши кокса (чем она ниже, тем меньше серы). Подача воздуха в вагранку способствует удалению серы в атмосферу с газами (SO2).
Для удаления серы из чугуна применяют обработку ваграночного чугуна кальцинированной содой, карбидом кальция. Жидкий чугун обрабатывают кальцинированной содой следующим образом: в ковш или копильник заливают жидкий чугун, а затем вводят присадку соды. При этом в присутствии углерода, действующего как раскислитель, будут протекать реакции
Na2CO3 + FeS + С = Na2S + Fe + СО + CO2;
Na2CO3 + MnS + С = Na2S + Mn + СО + CO2.
Чтобы сера не восстанавливалась и не перешла в чугун, необходимо на поверхность его насыпать порошок извести, а затем удалять шлак с поверхности чугуна счищалкой. Расход кальцинированной соды на 1 т жидкого чугуна составляет 1-1,5 кг, при этом количество серы в чугуне уменьшается на 30-40 % общего ее количества в жидком металле.
С целью уменьшения содержания серы и фосфора чугун плавят в вагранках с основной футеровкой. В качестве огнеупорного материала для футеровки вагранки используют магнезитовый, доломитовый и хромомагнезитовый кирпич. Это позволяет применять основные шлаки и резко (на 40-60 %) снизить содержание серы в чугуне. Основность ваграночного шлака определится отношением содержания основных окислов в шлаке к кислым
При основности до 0,8 принято считать шлак кислым, при основности 0,8-1,2 — нейтральным и более 1,2 — основным. Основные шлаки делят на шлаки пониженной (1,3-1,5), средней (1,8-2,25) и повышенной (>2,5) основности.
Зависимость содержания серы в чугуне от основности шлака приведена на рис. 3.1.
Подогрев дутья или применение кислорода в дутье также способствует снижению содержания серы в чугуне. Для получения в вагранке с основной футеровкой чугуна и низким содержанием фосфора необходимо иметь в шлаке повышенную концентрацию CaO и FeO.
Хорошие результаты достигаются при одновременном вводе в вагранку в качестве флюса известняка и железной окалины.
