вагранка что это такое
Что такое вагранка
Такое оборудование, как вагранка, представляет собой печь шахтного типа, предназначенную для плавки чугуна в заводских условиях. Такие устройства – самые распространенные чугунолитейные печи на производстве. По статистике до 95% работ по изготовлению чугунных изделий и заготовок осуществляется с их помощью. Связана популярность с тем, что плавка в вагранках – это метод с высоким КПД и производительностью, а сами они просты в эксплуатации и обслуживании. Ключевое преимущество и отличие от домны – отсутствие химических изменений в составе готового сплава.
О том, где и когда впервые применили такую конструкцию, ведутся споры. Одни исследователи полагают, что это произошло в середине 18 века в России на Гусевском заводе, а изобретателем называют заводчика Баташева. Другие считают, что первыми были англичане. Вероятно, правы первые, так как Уилкинсон зарегистрировал патент на плавильню только в 1794 году. То есть на несколько десятилетий позже. В сети легко найти фото и рисунки плавильных агрегатов той эпохи. Все они имеют схожую конструкцию. Эта конструкция стала эффективной заменой переносных горнов.
Типы и их особенности
Производятся модели, работающие на газу, твёрдом топливе – коксе, гибридные коксогазовые. Плюс коксовых печей – доступная шихта, небольшое содержание магния и кремния, минимальная окислительная способность создаваемой внутри плавильной камеры атмосферы. Также во время работы не требуется постоянно поддерживать высокую температуру в воздухоподогревателях. Газовые модели хороши, благодаря недорогому топливу. Однако наиболее выгодными считаются коксогазовые. Они обеспечивают снижение себестоимости готовых изделий.
Средняя производительность печей-вагранок варьируется в пределах от 5 до 20 тонн чугуна в час. Отдельные модели могут выплавлять до 45 – 50 тонн. Старинные модели давали производительность не выше 3,5 т/ч.
Устройство оборудования
Ещё одна важная особенность – простое устройство вагранки, обеспечивающее лёгкость сборки и монтажа на предприятии. Она состоит из четырёх основных деталей:
Основной кожух изготавливается из листовой стали, футерованной изнутри шамотным или огнеупорным кирпичом. Кладка обеспечивает защиту конструкции и её равномерный прогрев изнутри. Кожух и футеровка не прилегают плотно друг к другу. Среднее расстояние между ними составляет 1,5 см. По периметру на стальной корпус привариваются уголки на расстоянии до метра друг от друга. На поверхности есть несколько типов отверстий – смотровые, загрузочные, для удаления шлака.
Печи такого типа выпускаются в трёх основных модификациях, отличающихся длительностью межремонтного цикла – 24 часа, до 80 часов и более. Первый тип обязательно оснащается системой водяного охлаждения. После цикла плавки производится ремонт футеровки.
Принципы эксплуатации
Разберём принцип работы вагранки на предприятии. Его условно можно разделить на несколько этапов:
Расплавленный материал постепенно стекает в переходную лётку, а из неё – в копильник. Далее специалисты могут добавлять модификаторы, ферросплавы, проводить продувку кислородом. Для модификации применяются магний, алюминий, силикокальций или ферросилиций. Эти добавки помогают добиться желаемых механических свойств металла. После заполнения копильника специалист выполняет спуск шлака через шлаковую лётку, а металл через чугунную.
При эксплуатации печи вагранки важен точный расчет параметров:
Для растопки агрегата допускается применение различных видов топлива – антрацита, древесного угля, торфяного кокса, воздушно-сухого торфа и дров. Однако наиболее рациональным является использование каменноугольного кокса. Средний расход составляет до 12% от массы шихты. КПД ваграночного плавления в идеальных условиях – около 50%.
Конструкция вагранки
Вагранка – печь шахтного типа, которая используется для плавки чугуна.
Вагранка состоит из кожуха, сваренного из стальных листов, который внутри футеруется двумя рядами огнеупорного шамотного или диносового кирпича на глинистой связке.
Между кожухом и футеровкой есть воздушный зазор 1..1,5 см. Для равномерного распределения нагрузки по футеровке к кожуху приваривают кольцевые уголки. Расстояние между соседними уголками около метра.
Кожух вагранки имеет ряд технологических отверстий — загрузочные, рабочие, смотровые окна, отверстия для слива шлака и т.д.. В средней части шахты находится зона плавления, в которую загружают шихту.
Сначала загружают так называемую холостую коксовую колошу, а затем рабочие колоши, состоящие из металла, флюсов и топлива. На расстоянии 150…300 мм от подины печи находится горн — зона, в которой накапливается жидкий чугун.
Снаружи, выше зоны плавления вагранку опоясывает фурменный пояс. Количество фурм : от 4 в однорядной вагранке до 36 в двухрядной. В двухрядной вагранке фурмы расположены в шахматном порядке, что позволяет подавать воздух более равномерно. Фурмы изготавливаются из чугуна и имеют прямоугольное сечение, расширяющееся раструбом. Они соединяются с фурменным поясом коленными патрубками с регулируемым расходом воздуха.
Подача дутья происходит с помощью центробежного вентилятора под большим избыточным давлением из сухого помещения цеха.
Для наблюдения за ходом плавки и периодической очистки фурм от сталактитов затвердевшего шлака предназначены специальные смотровые окна, изготовленные из слюды или кварцевого стекла.
Жидкий чугун стекает в копильник и затем его сливают с помощью летки в ковши для последующей разливки в формы. При производстве ковкого чугуна копильник заменяют индукционным миксером или трехфазной дуговой печью — так называемый дуплекс процесс. Для удаления остатков чугуна подина вагранка имеет откидное дно.
Ваграночные газы выводятся по трубе в искрогаситель, который находится на крыше цеха. Там же находится система очистки отходящих газов от угольной копоти и система дожигания газов СО до СО2.
В настоящее время есть два типа исполнения вагранки:
Модификации вагранок:
Вагранки, в которых длительность рабочего цикла больше 24 часов должны иметь водяное охлаждение плавильного пояса и водоохлождаемые фурмы.
Принцип работы вагранки
Вагранка — шахтная плавильная печь непрерывного действия, в которой нагрев шихтовых материалов осуществляется в условиях противотока, когда они медленно опускаются по шахте и омываются потоком горячих газов, а плавление и перегрев жидкого металла происходит в слое раскисленного (горящего или нагретого посторонним источником) углеродосодержащего материала.
В зависимости от источника теплоты, используемого для плавки, вагранки подразделяют на коксовые, коксогазовые, газовые и электрические. Наибольшее распространение получили коксовые вагранки (98 %), а коксогазовые и газовые вагранки не нашли широкого применения (2 %). Электрические (плазменные и индукционные) вагранки имеются лишь в опытных образцах.
Простейшая коксовая вагранка — футерованная огнеупорным материалом цилиндрическая шахта, установленная на опорной металлоконструкции и снабженная снизу открывающимися дверцами, а сверху трубой с пылеуловителем (рис. 24). В нижней части шахты имеются каналы для выпуска металла и шлака, называемых летками, а несколько выше в один или несколько рядов расположены отверстия для подачи воздушного дутья, называемые фурмами. На высоте 3—6 м (в зависимости от диаметра вагранки) выше фурм размещается окно для загрузки переплавляемых металлических материалов кокса и флюса. Часть шахты от низа до оси фурм называют горном, часть от оси фурм до низа загрузочного окна — полезной высотой, а выше загрузочного окна – трубой. Труба вагранки сверху заканчивается тем или иным устройством для очистки ваграночных газов от пыли и гашения искр.
В коксовой вагранке теплота для нагрева и плавления шихтовых материалов, нагрева капель жидкого чугуна, образования шлака и протекания различных металлургических процессов образуется в результате горения кокса в нижней части шахты над фурмами. Для интенсивного горения кокса в вагранку через фурмы от специального вентилятора (воздуходувки) подается воздух (дутье). Последовательность операций при подготовке вагранки и плавке описаны в гл. 4, § 3, здесь отметим лишь, что по мере расплавления металлической шихты, сгорания кокса, выпуска металла и шлака из печи в шахту вагранки загружают новые рабочие колоши и процесс плавки продолжается непрерывно в течение одной или нескольких смен в зависимости от режима работы цеха или стойкости футеровочных материалов в шахте печи.
Ваграночные газы, выйдя из слоя шихты, подымаются по трубе вагранки и через пылеуловитель выбрасываются в атмосферу. Однако в таких ваграночных газах содержится большое количество токсичных газов, пыли и нагреты они до 250—500 °С. Такие простейшие коксовые вагранки не удовлетворяют современным требованиям защиты окружающей среды и экономного расходования топлива. Вагранки должны быть оснащены эффективными системами очистки и утилизации теплоты отходящих газов. Современные ваграночные комплексы (рис. 25) включают в себя оборудование для набора, взвешивания и загрузки шихты, систему автоматизированного управления процессом плавки, устройства для грануляции шлака, систему оборотного водоснабжения, гидрошлакоудаления и другие вспомогательные устройства, обеспечивающие надежную и экономичную работу вагранки.
Литейная печь (вагранка)
Вагранка – печь шахтного типа для плавки чугуна в литейных цехах. Кроме вагранки для плавки чугуна используются и другие печи:
Вагранки являются самыми распространенными печами в чугунолитейных цехах, – в них выплавляется около 95 % всего чугуна. Это связано с тем, что вагранки просты по конструкции, имеют высокий к.п.д. и удобны в эксплуатации. В свою очередь, вагранки разделяют по видам используемого топлива на коксовые, коксогазовые и газовые. Преимущество коксовых вагранок в использовании дешевой шихты с относительно низким содержанием кремния и марганца, низкая окислительная способность атмосферы внутри печи, а также возможность стабильной работы без подогрева воздуха в воздухоподогревателях. Преимущество газовых вагранок в использовании газообразного топлива – более дешевого по сравнению с коксом. Принято считать, что наиболее низкая себестоимость плавки чугуна в коксогазовых вагранках.
Вагранка состоит из 4 основных частей:
По высоте вагранки по ходу движения шихты выделяют от 3 до 5 зон. Рассмотрим 5-зонную схему: 1-я зона – шахта вагранки, в которой твердая шихта опускается и нагревается движущимися навстречу газами; 2-я зона – зона плавления; 3-я зона – редукционная (отводящая) зона холостой колоши (понятие о холостой колоше – ниже), в которой протекает эндотермическая реакция СО 2 + С = 2 СО и температура газов в которой по ходу металла увеличивается от температуры, достаточной для плавления шихты до максимального значения; 4-я зона – кислородная зона холостой колоши, внутри которой металл перегревается и достигает своего температурного максимума; 5-я зона – горн вагранки, в котором скапливается расплавленный металл и температура газов примерно равна температуре металла.
Принцип работы вагранки
С помощью дров или природного газа кокс зажигают. В дальнейшем разогрев слоя кокса до 1400-1500 °С осуществляется продувкой его воздухом через фурмы. На слой раскаленного кокса загружают первую металлическую колошу, а на нее – первую рабочую колошу кокса. Затем тем же порядком: металл-кокс загружается несколько колош до уровня загрузочного окна. Флюс обычно загружается вместе с металлом.
По окончании загрузки шихты включается на рабочий режим дутьевой вентилятор, подающий воздух на фурмы. При горении кокса холостой колоши выделяется большое количество горячих газов с высокой температурой (около 1600-1750 °С).Температура плавления стальной части шихты в зависимости от содержания углерода составляет 1400-1500 °С, тогда как температура плавления чугуна при медленном нагреве близка к 1150 °С. Капли металла стекают по кускам раскаленного кокса и нагреваются в общей своей массе до температуры примерно 1500 °С.
Стекающий на подину металл вместе с образовавшимся шлаком через соединительную (переходную) лётку поступает в копильник. Для обработки жидкого чугуна в копильнике возможна добавка к металлу ферросплавов, раскислителей и модификаторов, а также возможна продувка чугуна кислородом для повышения температуры металла или изменения химсостава (для справки: модификаторы – вещества, которые в малом количестве способствуют кристаллизации структурных составляющих в измельченной форме, что улучшает механические свойства металла. В вагранке модификаторами могут быть ферросилиций, силикокальций, алюминий и магний). Когда копильник будет достаточно заполнен, выпускают шлак через шлаковую лётку. После спуска шлака металл выпускают через металлическую (чугунную) лётку.
Недостаток схемы вагранки с использованием копильника связан с большими потерями в нем теплоты металла, в результате чего в копильнике температура металла может понизиться на 70-80 °С с 1450-1500 °С до 1370-1420 °С. Для компенсации снижения температуры металла копильники иногда делают обогреваемыми посредством установки горелок со сжиганием дополнительного газообразного топлива. Поэтому в тех случаях, когда не надо накапливать металл для крупных отливок, например, в мелкосерийном производстве мелких отливок применяют схему непосредственного разлива чугуна из вагранки без копильника.
Во время расплавления металлической колоши часть кокса холостой колоши сгорает. Количество кокса, подаваемого в шахту с рабочей коксовой колошей должно быть таким, чтобы компенсировать сгоревший кокс. В этом случае плавка металла всегда будет на одном и том же горизонте, что обеспечит стабильность работы вагранки.
Ваграночные газы, образовавшиеся при сжигании кокса проходят через слой шихты и постепенно охлаждаются от 1500-1600 °С до 300-600 °С. На выходе из слоя газы состоят из: 9-16 % (объемн.) СО2; 8-16 % СО; 1-2 % Н2О, 0-0,1 % SO2, 70-75 % N2. Теплота сгорания ваграночного газа очень низкая: 1-2 МДж/м3. В газах содержится некоторое количество пыли – обычно 8-14 кг на 1 тонну выплавленного чугуна. Ваграночная пыль – это мелкодисперсные образования, в основном, с частичками менее 100 мкм. Пыль образуется при истирании кокса, флюсов и огнеупоров, а также вносится с песком, глиной, горелой землей. Самые мелкие фракции пыли состоят из окислов, образующихся в ходе плавки (FeO, MnO, MnO2, SiO2).
Для грубой очистки от пыли служит искрогаситель. Первоначальным его назначением было улавливание искр (раскаленных частиц кокса). На рис. 3.9 приведен камерный искрогаситель. Его к.п.д. пылеулавливания сухой пыли составляет всего 15-25 % и то для крупных частиц (примерно 100 мкм). Поэтому искрогасители часто оборудуют водяными душирующими устройствами. В этом случае к.п.д. пылеулавливания повышается до 40-75 % с удалением как крупных, так и мелких фракций.
Так как в ваграночном газе содержится много СО, то перед выбросом газа в атмосферу его надо чистить от СО. Практически единственным способом очистки от СО является его дожигание.
Производительность вагранок зависит от их габаритов и составляет от 1,5 до 30 т/час.
Срок службы футеровки зависит от условий ее охлаждения и материала футеровки в плавильном поясе и составляет обычно до 5-6 дней, изредка – более недели (до 1 месяца). В большинстве случаев футеровку выполняют кислой из специального шамотного ваграночного кирпича с огнеупорностью не ниже 1670 °С в 1-й зоне и 1730 °С – в остальных зонах. Такая огнеупорность соответствует максимально допустимым рабочим температурам около 1350-1400 °С. В плавильном поясе неохлаждаемая футеровка может расплавиться уже через 3-4 часа выплавки чугуна. Если требуется, чтобы вагранки работали длительное время (около недели, месяца), они должны иметь водяное охлаждение плавильного пояса и горн должен быть выполнен из футеровки, типа углеродистых огнеупоров в виде блоков или набивной углеродистой массы. Кроме кислой футеровки вагранки могут иметь основную футеровку из магнезитового или хромомагнезитового кирпича. Основная футеровка применяется редко и только в тех случаях, когда необходимо выплавить малосернистый чугун.
Важным условием высокопроизводительной работы вагранки при длительном периоде работы является обеспечение условий для равномерного проникания газов в слое шихты по сечению шахты. В цилиндрической шахте газы поднимаются преимущественно вдоль стен, поэтому футеровка перегревается, а металл приходит по центру сечения в зону плавления недогретым. Чем больше диаметр цилиндрической шахты, тем ярче проявляется этот негативный эффект. Для улучшения равномерности проникания газов применяют дорогие высококачественные шихтовые материалы или изменяют профиль шахты. Самые лучшие характеристики имеют вагранки, профиль которых напоминает профиль доменной печи. Стойкость таких вагранок может быть в 2-4 раза больше, а температура жидкого чугуна на 40-70 °С выше по сравнению с соответствующими показателями цилиндрических вагранок.
Иногда для повышения производительности, повышения температуры чугуна и для снижения расхода кокса применяется подогрев воздуха горения в отдельно расположенном воздухонагревателе, имеющем самостоятельное отопление.
Примерный материальный баланс процессов, протекающих в коксовой вагранке при плавке серого чугуна, приведен в табл. 3.10, а соответствующий тепловой баланс вагранки приведен в табл. 3.11.
При составлении балансов приняты следующие условия. Состав металлической шихты: С – 2,75 %; Si – 2,7; Mn – 0,7; S – 0,06; P – 0,09; Cr – 0,3; Ni – 0,2 и Fe – 93,2 %. Состав кокса: C Р – 85 %; H P – 0,4; O P – 0,5; N P – 1; S P – 0,05; W P – 3; A P – 9,6 %. Угары при плавке: Si – 15 %; Mn – 20 %; Fe – 0,5 %. Пригар при плавке: С – 20 %; S – 50 %. Состав образующегося ваграночного газа: СО2 – 13,38 % (объемн.); СО – 12,2; Н2О – 1,3; SO2 – 0,02; N2 – 73,1 %. Состав шлака: Si – 16 %; Mn – 3; Fe – 11; A P – 18; CaO – 32; шамотная футеровка – 19 %. Дутьевой воздух подогревается в рекуператоре за счет использования физической и химической энергии ваграночных газов.
В данном примере расход топлива составил: 2725/29,308 = 93 кг у.т./т металла. В целом, удельный расход условного топлива в вагранках составляет 80-150 кг у.т./т металла. Меньший расход топлива соответствует случаю подогрева дутьевого воздуха за счет утилизации энергии ваграночных газов. Если воздух подогревается в специальных устройствах с подачей дополнительного топлива (например, для экономии дорогостоящего кокса), то это топливо должно суммироваться с топливом, сжигаемым в объеме печи.
Для сокращения расхода топлива в вагранках и повышения экономичности их работы можно рекомендовать следующее:
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 м 3 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.