Значение коэфициента К науглероживания в холостой колоше

Расход кокса, % (от металлозавалки)	Коэффициент А" при удельном расходе воздуха, м3/(м2 • мин)
100... 120	140... 160	180... 200
	1,3	1,1	0,9
	1,4	1,2	1,0
	1,5	1,3	1,1
	1,7	1,5	1,3
	1,9	1,7	1,5

С_Ж.ч — 0> Счуг + и С_{ст л},

где a, b — соответственно доля чугуна и стали в шихте; С_чуг — среднее содержание углерода в чугунной части шихты; С_стл — содержание углерода в каплях металла, образовавшихся из сталь­ного лома.

В связи с тем, что капли, образующиеся из чугунной части шихты, науглероживаются незначительно, Л.М.Мариенбах пре­небрегает в расчете этой составляющей процесса науглерожива­ния:

Сст.л — С_ст.л(исх) + /₅

где С_{ст л(исх)} — содержание углерода в стальном ломе; К— коэффи­циент науглероживания стали в области холостой колоши (выше фурм); / — коэффициент науглероживания стали в горне вагранки.

Величина С_{стл(исх)} принимается по фактическим данным. Ве­личину коэффициента J5Tвыбирают по данным табл. 10.3. Значения коэффициента / определяются по формуле:

/ = ah,

где а — коэффициент, равный 1 при наличии у вагранки копиль- ника, и равный 1,5 при горне-копильнике; h — высота горна, м. Изменение содержания фосфора при плавке в кислой вагранке.

Фосфор попадает в ваграночный чугун из металлической шихты, в компонентах которой он содержится в виде Fe₂P. При плавке в кислой вагранке фосфор вначале легко окисляется с образовани­ем (Fe0)₃P₂0₅ по реакции (8.13). Однако в зонах вагранки, где температура превышает 1320 °С, он полностью восстанавливается и возвращается в металл. Таким образом, при плавке в кислой вагран­ке угар фосфора равен нулю.

Изменение содержания серы при плавке в кислой вагранке. По­мимо серы, содержащейся в шихте, в жидкий чугун переходит около половины серы, входящей в состав кокса. Растворение серы начи­нается уже в зоне нагрева шихты в результате контакта поверхнос­ти кусков с S0₂, образовавшимся при сгорании серы кокса:

S0₂ + 3Fe = FeS + 2FeO + Q.

Этот процесс имеет практическое значение только при плавке на мелкой шихте, так как за время схода колош он проникает в поверхностные слои шихты на глубину до 0,25 мм. При плавке на обычной кусковой шихте растворение серы протекает наиболее интенсивно при стекании капель чугуна по кускам кокса. В начале плавки наблюдается повышенное содержание серы в металле. За­тем, по мере смывания каплями металла углерода и серы с поверх­ности кокса, последняя пассивируется зольными пятнами, в ре­зультате чего содержание серы в металле снижается, а затем ста­билизируется.

В соответствии с законом распределения часть серы, растворен­ной в жидком чугуне, может диффундировать в шлак и состояние равновесия будет определяться константой ее распределения:

^S ⁼ ($равн)/[$равн]-

В ваграночном процессе состояние равновесия не достигается, поэтому о десульфурирующей способности шлака судят по вели­чине коэффициента распределения серы:

4j=(S)/[S] = aЈ_s-

Значение коэффициента а тем ближе к единице, чем меньше вязкость шлака и металла, лучше условия их контакта и переме­шивания.

Общая масса серы в системе до и после распределения ее меж­ду шлаком и металлом не изменится, поэтому

где т_ы — масса металла; ZS — суммарная концентрация серы в металле до взаимодействия со шлаком (сера шихты плюс сера, перешедшая из кокса); [S] — концентрация серы в металле после его взаимодействия со шлаком; т^ — масса шлака; (S) — кон­центрация серы в шлаке.

Обозначим отношение массы шлака к массе металла перемен­ной q, тогда т^ = qm_u.

Подставив в балансовое уравнение значение (S) = t}s[S] и т^ = = qmu, после преобразований получим:   Зависимость концентрации серы в чугуне от содержания ее в коксе   Марка кокса Содержание серы, мае. %, менее в коксе в чугуне KJI1 0,6 0,1 KJI2 1,0 0,12 КЛЗ 1,4 0,14

 

Исследования показали, что для кислых ваграночных шлаков (Ca0/Si0₂ = 0,35...0,7) при температуре 1450 °С значения rj_s = 1... 2. Учитывая, что масса ваграночного шлака при кислом процессе составляет в среднем 6 % (q = 0,06), получим:

Я-.2*.

1 + 0,06-2 1,12

Таким образом, в результате диффузии серы из металла в кис­лый шлак первоначальное содержание серы в металле уменьшит­ся не более чем в 1,12 раза и поэтому десульфурирующую способ­ность кислого шлака следует оценить как низкую.

По практическим данным содержание серы в чугуне при кис­лой ваграночной плавке зависит, главным образом, от качества кокса и его расхода, и составляет 0,1... 0,14 % (табл. 10.4). Это ко­личество серы допустимо лишь для обычных серых чугунов.

Увеличение десульфурирующей способности кислого шлака на 10...20 % достигается при замене части извести СаО жженой маг­незией MgO и увеличении содержания в шлаке МпО. Для этого в печь вводят доломит CaC0₃MgC0₃, пиролюзит МпО или основ­ной мартеновский шлак, содержащий 40... 50 % СаО, 5... 7 % MgO и 8... 12% МпО.

Особенности плавки в вагранках с основной футеровкой

Футеровка выполняется магнезитовым, доломитовым или хромомагнезитовым огнеупорами, которые хорошо противостоят основному шлаку. Частицы оплавившейся футеровки увеличива­ют количество основных, а не кислотных оксидов в шлаке.

 

Флюс— известняк СаС0₃, дается в удвоенном по сравнению с кислым процессом количестве — 5...7%. Кроме того, для раз­жижения шлака добавляют 0,5...0,7 % плавикового шлака CaF₂.

Шлак при таком соотношении источников самородного шлака и флюса становится основным. Его ориентировочный состав, мае. %: СаО 40...50; Si0₂ 25...30; А1₂0₃ 2...20; MgO 1,5...5; FeO 0,5...3; МпО 1...3; Р₂0₅ 0,5...1; S 0,5...1.

Десульфурация чугуна протекает по реакции (8.9). Три условия успешного протекания этой реакции, сформулирован­ные в общем виде в подразд. 8.5, реализуются в условиях вагра­ночной плавки следующими технологическими приемами:

1) увеличенным расходом флюса (для получения высокой ос­новности шлака);

2) отказом от использования массивных неразделанных кусков шихты, мелкой окисленной шихты, недопущением работы на за­ниженной холостой колоше (для минимальной окисленности ме­талла и шлака);

3) использованием подогрева дутья (для высокотемпературно­го режима плавки).

При выполнении этих технологических рекомендаций коэффици­ент распределения серы rj_s может достигать значений 22... 25.

0,08...0,1 0,04...0,08 0,03...0,04 0,01...0,03

Содержание серы в чугуне, %

Степень основности ваграночного шлака основности шлака

До 0,8 0,8...1,3 1,3...1,6 1,7...2,0

Установлена следующая зависимость содержания серы в чугу­не от степени

 

 

Из приведенных данных следует, что при степени основности шлака, близкой к 2, в основной вагранке можно выплавить чугун с содержанием серы, позволяющим получать высокопрочный чу­гун с шаровидным графитом.

Дальнейшее повышение основности шлака нецелесообразно, так как оно приводит к повышению температуры плавления шлака и даже при работе на горячем дутье его вязкость увеличивается, а коэффициент распределения серы r|_S, как следствие, уменьшается.

Дефосфорация чугуна при наличии основного шлака про­текает по реакциям (8.13) и (8.14). Для окисления фосфора по реакции (8.13) в вагранку вводят железную руду (около 1 %), не- металлизованные окатыши или мелкую окисленную шихту.

Образование прочного нерастворимого в чугуне фосфорнокисло­го кальция достигается увеличением количества известняка до 7 %.

Низкотемпературный режим плавки обеспечивается отказом от подогрева дутья и завышения холостой колоши.

При выполнении этих технологических приемов содержание фосфора может быть снижено на 35...45 %.

Угар элементов. В соответствии с общими закономернос­тями угара (подразд. 8.4), угар кремния в основной вагранке выше, а марганца ниже, чем в кислой.

Пригар углерода увеличивается по следующим причи­нам:

• основной шлак активнее смывает кислую золу с кусков кок­са и увеличивает поверхность их контакта с каплями металла;

• повышенный угар кремния увеличивает растворимость угле­рода в чугуне (формула (8.17));

• в условиях высокотемпературного режима, характерного для большинства основных вагранок, увеличивается растворимость уг­лерода в чугуне.

Следует отметить, что плавка в основных вагранках не нашла широкого практического применения в связи с большей сложнос­тью процесса, высокой стоимостью и дефицитностью футеровки.

Особенности плавки в металлургических вагранках

В современных условиях растет необходимость использования в качестве шихты отходов машиностроительных заводов — сталь­ной и чугунной стружки, высечки, отходов листовой штамповки и стального лома. Во избежание значительного окисления такой мелкой шихты при контакте с ваграночными газами в шахте ваг­ранки создают нейтральную или восстановительную атмосферу. Для этого расход кокса увеличивают до 15...20% и подогревают дутье до 500 °С. При таких условиях ваграночные газы содержат 25 % СО, 5 % С0₂, а температура на желобе достигает 1500... 1550 °С. Недостаток углерода в «сталистой» шихте восполняется науглеро­живанием капель и струй металла в холостой колоше и горне.

Однако при увеличении расхода кокса содержание серы в чу­гуне может повыситься до 0,2 %. Поэтому в металлургических ваг­ранках используют основную футеровку и наводят шлак с основностью 1,8...2,2.

В нашей стране металлургические вагранки не нашли широко­го применения, так как задача получения качественного чугуна на низкосортной шихте решается применением электрических печей.

Особенности плавки чугуна в коксогазовых вагранках

 

В коксогазовых вагранках (рис. 10.11) имеется один ряд фурм 7, над которым на высоте 600...900 мм располагаются газовые тун­нели 2 с газовыми горелками 3. Для раздельной подачи воздуха к

T I

т

 

Рис. 10.11. Схемы разделения на зоны (I...IV) коксогазовой вагранки (а) и распределения температур металла /мет и газа /г по высоте шахты (б)

 

фурмам и горелкам имеются две фурменные коробки. Смесь газа с воздухом сгорает на выходе из горелок, а в туннелях завершается полное сгорание газа. В зависимости от характера процессов, про­текающих в газовой фазе, в пространстве коксогазовой вагранки условно можно выделить четыре зоны:

/ — зона холостой колоши. Процессы, протекающие в ней, аналогичны процессам, протекающим в коксовой вагранке;

II — зона горения природного газа. В результате реакции (8.7) образуются продукты горения, состоящие из 9,5 % С0₂, 19 % Н₂0 и 71,5 % N₂, температура которых достигает 1550 °С (при нагреве воздуха до 500 °С);

III— зона взаимодействия продуктов горения природного газа с коксом по реакциям (см. сноску на с. 166):

С + С0₂ = 2СО + АН, С + Н₂0 = СО + Н₂ + АН;

IV— зона, содержащая смесь продуктов горения кокса и газа: 7 % С0₂, 20 % СО, 3 % Н₂ и 70 % N₂.

На температурной кривой газов (см. на рис. 10.11, кривая /_г) имеются два максимума — выше оси фурм и оси туннелей.

При сжигании 25 м³ газа на 1 т выплавляемого чугуна эконо­мия кокса составляет 25... 35 %. Производительность возрастает на 10 % при неизменной температуре чугуна. Кроме того, уменьша­ется содержание серы в металле.

Однако существенным недостатком коксогазовых вагранок явля­ется высокое содержание СО и Н₂ отходящих газах. Можно счи­тать, что примерно половина природного газа удаляется из вагранки в виде СО и Н₂. Поэтому КПД коксогазовых вагранок ниже, чем коксовых.

Плавка чугуна в бескоксовых вагранках

Бескоксовые вагранки позволяют полностью устранить исполь­зование кокса при плавке чугуна, заменить его природным газом, пропаном, дизельным топливом или другими видами горючего, включая угольную пыль. Наибольшее распространение получили газовые вагранки.

Известно, что для перегрева жидкого металла необходимо от­делить его от плавящихся твердых кусков шихты. В коксовых и коксогазовых вагранках эту функцию (незаметную на первый взгляд) выполняет коксовая холостая колоша.

В бескоксовых вагранках (рис. 10.12) такое отделение жидкой фазы от твердой достигается за счет применения огнеупорной холостой колоши, устройством уступа (а) или перемычки (в) в шахте печи или выносной камеры перегрева (б).

В первых газовых вагранках использовалась огнеупорная коло­ша, которая обеспечивала не только отделение твердой фазы от жидкой, но и эффективный перегрев капель металла, стекающих по кускам огнеупора. Однако их работа была непродолжительной, так как огнеупорный материал под воздействием высокой темпе­ратуры и веса шихты сплавлялся в сплошную массу и плавка пре­кращалась.

Рис. 10.12. Конструктивные схемы бескоксовых вагранок: а — с уступом; б — с выносной камерой перегрева; в — с перемычкой; 1 — горелки; 2 — водоохлаждаемые трубы; 3 — слой кускового огнеупора

Более удачной оказалась вагранка с колошей, состоящей из кусков огнеупорного материала, смешанных с коксом или элект- родным боем. Конструктивно такая печь мало отличается от кок­совой вагранки и в случае необходимости позволяет работать только на коксе.

Недостатком вагранок с уступом и выносной камерой пере­грева является сложность выполнения футеровки и повышенный расход огнеупоров. Кроме того, затруднено достижение перегрева и науглероживания металла.

Промышленное применение в Германии и Англии получили вагранки с перемычкой (колосниковой решеткой) в виде метал­лических водоохлаждаемых труб 2. Конструкция труб позволяет легко извлекать их для ремонта и замены. Средняя стойкость труб составляет несколько недель. На решетке из водоохлаждаемых труб находится слой кусков огнеупора 3 высотой 450...600 мм, играю­щий роль теплообменника. Горелки 7, расположенные под решет­кой, регулируются таким образом, чтобы создать в печи восста­новительную атмосферу. Для повышения содержания углерода в чугуне науглероживатель инжектируют в пространство под колос­никовой решеткой.

В связи с отсутствием или незначительным количеством кокса в газовых вагранках отсутствует пригар серы, напротив, достига­ется ее угар до 40 %.

Расход газа в таких вагранках составляет около 100 м³/т вы­плавленного чугуна.

Стабилизация химического состава чугуна, выплавляемого в вагранках

Главной причиной нестабильности химического состава чугу­на, выплавляемого в вагранках, являются погрешности дозирова­ния компонентов шихты при наборе рабочих металлических ко­лош. По практическим данным, эта погрешность составляет ±10 % и более. Кроме того, химический состав отдельных кусков компо-г нентов шихты, особенно стального и чугунного лома, зачастую существенно отличается от среднего расчетного состава. Для ста­билизации химического состава рекомендуется использовать ко- пильники, емкость которых равна приблизительно двум часовым производительностям вагранки. В этом случае в копильнике усред­няется химический состав примерно двадцати металлических ко­лош, при этом согласно теории вероятности погрешности взве­шивания такого количества колош взаимно компенсируются.

ПЛАВКА ЧУГУНА В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Схема и принцип действия трехфазной дуговой

печи

В чугунолитейном производстве и при выплавке стали исполь­зуются одинаковые по конструкции трехфазные дуговые печи емкостью от 0,5 до 75 т. Печи этого типа, выпускаемые отече­ственной промышленностью, маркируются буквенным шифром ДСП, что означает «дуговая сталеплавильная печь», далее после тире указывается номинальная емкость печи в тоннах. Например, ДСП-12, ДСП-50 и т.д.

Через свод 1 печи (рис. 11.1) проходят три графитовых элект­рода 2, расположенные равномерно вокруг вертикальной оси печи. Между каждой парой электродов горит дуга прямого действия, замыкающаяся через металл. Печи имеют автоматическую систе­му перемещения электродов, поддерживающую заданную длину дуги в каждой из фаз.

- Рис. ц.1. Схема трехфазной ЭДП 1 - свод; 2 - электроды; 3 - рабочее окно; 4 — выпускное окно

Расход электродов составляет 5... 7 кг/т чугуна. Электроды диа­метром до 550 мм и длиной 1000... 1800 мм имеют резьбовые от­верстия в торцах. По мере сгорания нижних частей электродов, их наращивают, для чего в верхнюю часть работающего электрода ввинчивают соединительный графитовый ниппель, а на него на­винчивают новый электрод.

Температура дуги (около 6000 °С) определяет важнейшие до­стоинства и недостатки печи. Расход электроэнергии на плавку чугуна зависит от ем­кости печи и составляет от 450 до 1000 кВт-ч/т чугуна. Удельная мощность ЭДП — от 200 до 700 кВт/т загрузки печи позволяет завершить плавку за 2... 1ч соответ­ственно. Загрузку печей ма­лой емкости ведут через ра­бочее окно 3. Печи большой емкости загружают сверху, ДЛЯ чего свод приподнима: ется иповорачивается в сторону

Для слива шлака печь наклоняют в сторону рабочего окна, а для выпуска металла — в сторону выпускного отверстия 4. Футе­ровка печей может быть как кислой, так и основной. Футеровка свода выдерживает не более 200 плавок. Это объясняется тем, что на протяжении всей плавки именно свод испытывает непосред­ственное воздействие излучения дуги, тогда как под печи подвер­жен воздействию дуги в значительно меньшей степени (как гово­рят плавильщики «охлаждается жидким металлом»). Стойкость фу­теровки пода дуговой печи при качественной его подварке перед каждой плавкой достигает 5000 плавок. Поэтому рядом с действу­ющей ЭДП обычно держат запасной свод.

11.2. Технология плавки

Загрузка шихтовых материалов в печь. Операция загрузки должна быть по возможности быстрой для того, чтобы не допустить охлажде­ния печи. Вначале на подину следует загрузить 75 % науглероживате­ля, 50 % мелкой шихты, затем чугунную часть шихты, стальной лом и оставшуюся мелочь. Крупные куски стремятся расположить под элек­троды. Это обеспечивает заполнение мелочью промежутков между крупными кусками шихты, компактность ее укладки и, как следствие, стабильность горения дуги. Важно отметить, что в дуговой печи мож­но использовать любую по физическому состоянию шихту — мелкую легковесную, крупную плохо разделанную, т. е. самую дешевую. В первич­ную садку печи вводят основную часть никеля, кобальта, ферромо­либдена и феррофосфора, которые усваиваются без угара. _t

Расплавление. Данный этап плавки проводится путем проплав- ления глубоких «колодцев» под электродами. В этот период печь работает с максимальным КПД (около 85 %), так как излучение дуги экранируется стенками «колодца» и воздействует только на шихту и торцы электродов. Однако этот период сопровождается треском, грохотом интенсивностью до 100 дБ. Шихта вокруг колод­цев зачастую самопроизвольно обрушивается вниз, ломая элект­роды. Выделение мелкодисперсных твердых частиц, образующихся при разрушении электродов, настолько значительно, что для предотвра­щения загрязнения ими атмосферы цеха применяется интенсивная вытяжка газов из рабочего пространства печи. Создание разреже­ния в рабочем пространстве печи приводит к подсосу воздуха из атмосферы цеха и, как следствие, к созданию окислительной ат­мосферы в печи. В связи с этим угар элементов в трехфазных дуго­вых печах при соблюдении современных санитарных норм в рабочей зоне практически равен угару в вагранке.

Для очистки печных газов до уровня современных экологичес­ких норм требуются громоздкие, энергоемкие сооружения. Так, на КамАЗе мощность электроприводов очистных сооружений со­ставляла около 3 % мощности плавильных печей.

При появлении жидкого металла приступают к наведению шлака. В кислых печах для этого добавляют сухой кварцевый песок (до 2 %) и известь или известняк (до 10 и до 20 % соответственно от массы песка).

Для наведения основного шлака добавляют около 3 % извест­няка от массы шихты.

Плавка в дуговых печах характеризуется повышенным раство­рением в жидком металле водорода и азота. Это объясняется тем, что в зоне горения дуги эти газы существуют в атомарном и час­тично ионизированном состоянии.

В течение всего процесса плавки следует не допускать «закипа­ния» ванны металла, протекающего по эндотермической реакции:

[FeO] + [С] = [Fe] + {СО} - q.

Для этого в шлак периодически добавляют науглероживатель (электродный бой, древесный уголь и др.). Раскисление шлака при­водит к раскислению металла, вследствие чего реакция кипения развития не получает.

За 10... 15 мин до полного расплавления мощность, подводи­мую к печи, сокращают во избежание перегрева и оплавления стен и свода печи открытой дугой. После полного расплавления берут пробу на химический анализ и отливают клин на отбел.

Перегрев металла. Процесс перегрева происходит быстро (10... 15°С/мин), но неравномерно — под электродами темпера­тура существенно выше, чем у откосов печи. Для выравнивания температуры и химического состава металла по объему ванны в печах емкостью более 20 т часто применяют электромагнитное перемешивание. В этот период плавки значительная часть энер­гии, излучаемой дугой, передается своду и стенкам печи, поэто­му КПД снижается, составляя 5... 20 %. Для уменьшения тепловой нагрузки на свод и стены печи нередко заглубляют электричес­кую дугу в жидкий металл. Глубина жидкого колодца приблизи­тельно равна диаметру электрода. После достижения заданной тем­пературы перегрева скачивают шлак, добавляют оставшуюся часть науглероживателя и наводят новый шлак.

Доводка металла по химическому составу. Для усвоения наугле­роживателя в печах, не имеющих устройств электромагнитного перемешивания, требуется увеличение продолжительности плавки по сравнению с печами с электромагнитным перемешиванием. Поэтому, например, плавка синтетического чугуна (синтез железа из расплавленного стального лома с углеродом науглероживателя и легирующими элементами ферросплавов) требует повышенного (на 100... 200 кВт-ч/т чугуна) расхода электроэнергии на плавку.

По результатам первого экспресс-анализа корректируют хими­ческий состав металла. Расход вводимых корректирующих добавок определяют по данным табл. 11.1.

Расход корректирующих добавок   Требуемое изменение химического состава чугуна Вводимый компонент Расход компонента на 1 т жидкого металла, кг Кислая футеровка Основная и нейтральная футеровки Увеличение углерода на 0,1% Электродный бой Графитовая стружка Графит гранулированный Графитизированная коксовая мелочь (или коксовый орешек) 1,35 1,35 1,35 1,4 1,25 1,25 1,25 1,3 Увеличение кремния на 0,1 % Ферросилиций ФС45 Ферросилиций ФС75 2,4 1,35 2,75 1,6 Увеличение марганца на 0,1 % Ферромарганец (78 % Мп) 1,3 1,25 Увеличение олова на 0,1% Олово (100 % Sn) 1,00 1,00 Увеличение хрома на 0,1% Феррохром (65 % Сг) 1,55 1,50 Уменьшение углерода на 0,1 % Стальные отходы + + ферросилиций ФС75 30 +0,7   Уменьшение кремния на 0,1 % Стальные отходы + + графит гранулированный, электродный бой, стружка или графитизированная коксовая мелочь (или коксовый орешек) 60 +1,9 или 2,1 60 +1,7 или 1,9

 

Если содержание углерода оказалось выше заданного, вводят стальные отходы для разбавления расплава. Учитывая, что при этом происходит уменьшение концентрации кремния, одновременно со сталью добавляют ферросилиций. Аналогично снижают содер­жание кремния, если оно оказалось завышенным.

Последовательность ввода ферросплавов и их количество уста­навливают в зависимости от сродства каждого легирующего эле­мента к кислороду, с учетом закономерностей угара в кислых и основных печах.

В кислых печах присадку, например, ферросилиция можно проводить в любое время, так как угара кремния в кислых дуговых печах практически не происходит. Феррохром и ферромарганец вводят ближе к концу плавки. Титан легко окисляется как в кис­лой, так и в основной печи, поэтому его вводят непосредственно перед выпуском металла. Для лучшего усвоения куски ферротита- на, имеющие малую плотность, необходимо «притапливать» в жидкий металл стальными прутками.

В основных печах угар кремния возрастает, поэтому ферроси­лиций вводят ближе к концу плавки.

Важнейшим достоинством дуговых печей для плавки чугуна явля­ется возможность наиболее полного удаления серы в печах с основ­ной футеровкой. Это объясняется тем, что в дуговых печах суще­ствуют наилучшие технологические возможности реализации ус­ловий успешного протекания процесса десульфурации:

• высокая температура дуги позволяет проводить плавку при максимальной основности шлака и при сохранении его хорошей текучести и активности;

• высокотемпературный режим плавки обеспечивает высокую активность углерода как восстановителя, а следовательно, и низ­кую окисленность металла и шлака.

В результате этого в чугуне, выплавленном в дуговой печи с основной футеровкой, содержание серы удается снизить до 0,010...0,03 %, что позволяет получать современные высокопроч­ные чугуны с шаровидным графитом.

Выпуск и раздача металла. Дуговая печь — это печь периоди­ческого действия, и для согласования ее работы с поточно-ме- ханизированными и автоматическими формовочными линиями непрерывного действия требуются раздаточные печи, так как ис­пользование плавильной печи в режиме раздачи металла нера­ционально. Объясняется это тем, что, во-первых, в период раз­дачи металла из печи мощность, необходимая для поддержания температуры в печи, составляет не более 1/10 номинальной мощ­ности ее трансформатора, и, во-вторых, продолжительность пе­риода раздачи часто сопоставима с продолжительностью плав­ки, поэтому средний коэффициент загрузки трансформатора оказывается не выше 0,5, что резко снижает экономические по­казатели плавки. Поэтому на КамАЗе металл, выплавленный в 50-тонной дуговой плавильной печи мощностью 35000 кВт, пе­реливают в раздаточную 75-тонной дуговую печь мощностью 4000 кВт. Печи не имеют устройств электромагнитного переме­шивания, усреднение химического состава и выравнивание тем­пературы достигается только при переливах металла из плавиль­ной в раздаточную печь.

В литейном цехе ВАЗа чугун, выплавленный в дуговой печи емкостью 40 т, переливают в две индукционные тигельные печи емкостью по 20 т, из которых далее он поступает на заливку.

В настоящее время наибольшее распространение в качестве мик­серов и раздаточных печей получили индукционные канальные печи (ИЧКМ). Схемы и принцип действия индукционных печей (в том числе и канальных) будут изложены ниже в подразд. 12.8.

 

 

Особенности конструкции и технологии плавки чугуна в дуговых печах постоянного тока

Хотя бы частично преимущества электрической дуги постоян­ного тока известны даже неспециалистам в области электротер­мии. Достаточно отметить очевидную легкость работы со свароч­ным аппаратом, работающим на постоянном токе, в сравнении со сваркой на переменном токе. Дуга переменного тока горит ме­нее устойчиво, так как каждые 0,01 с напряжение и ток дуги пе­реходят через нулевые значения, что приводит к кратковремен­ной деионизации дугового промежутка.

Однако реализовать преимущества работы на дуге постоянного тока применительно к плавильным промышленным печам уда­лось только после освоения производства надежных и экономич­ных тиристорных выпрямителей переменного тока большой мощ­ности.

В дуговых печах постоянного тока графитовый электрод под­ключается к отрицательному полюсу источника питания, что обес­печивает меньший износ его под действием бомбардировки заряжен­ными частицами дугового промежутка. В результате этого:

• снижается интенсивность разрушения графитовых электро­дов (их расход уменьшается в 5—9 раз);

• соответственно уменьшается и количество пылегазовыбросов при плавке;

• это позволяет уменьшить величину разрежения в рабочем про­странстве печи, обеспечивающую отсутствие загрязнения атмос­феры цеха;

• уменьшение подсоса воздуха из атмосферы цеха приводит к снижению концентрации кислорода воздуха в газовой фазе, а сле­довательно, и угара металла.

Важным преимуществом дуговых печей постоянного тока яв­ляется возможность интенсивного электромагнитного перемеши­вания металла. Оно возникает в результате того, что подовые элек­троды расположены эксцентрично по отношению к оси графито­вого электрода. Взаимодействие электромагнитного поля дуги с током в жидком металле в этом случае приводит к перемешива­нию металла. В результате перемешивания процесс науглерожива­ния значительно интенсифицируется.

В курсе «Печи литейных цехов» явление электромагнитного пе­ремешивания ванны дуговой печи постоянного тока, обеспечива­ющее выравнивание химического состава металла в объеме ванны и интенсификацию процесса науглероживания, будет объяснено подробно.

 

ПЛАВКА ЧУГУНА В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ

 

Принцип действия индукционных тигельных печей

Работа индукционных тигельных печей (рис. 12.1) основана на принципе передачи энергии индукцией от первичной цепи ко вторичной. Электрическая энергия переменного тока, подводи­мая к первичной цепи, превращается в электромагнитную энер­гию поля, которая во вторичной цепи переходит снова в электри­ческую, а затем в тепловую.

Переменный ток от источника питания 4, проходя по виткам индуктора 7, создает переменное электромагнитное поле. Элект­ромагнитные волны проникают внутрь электропроводной загруз­ки тигля на глубину Д_э (называемую глубиной проникновения) и возбуждают в поверхностном слое шихты переменный электри­ческий ток, который и приводит к нагреву и плавлению металла. Та часть энергии электромагнитного поля, которая не была по­глощена шихтой, взаимодействует с витками индуктора, инду­цирует в них реактивный ток. Этот ток направлен навстречу току источника питания и отстает от него по фазе на 90°. Таким обра­зом, часть энергии, излучаемой индуктором в течение каждого периода (реактивная мощность), возвращается в него с опозда­нием по фазе на 90°. Эта реактивная мощность циркулирует меж­ду индуктором и источником питания. В связи с тем, что между

Рис. 12.1. Принципиальная схема индукционной тигельной печи: 1 — индуктор; 2, 3 — конденсаторы; 4 — источник питания

загрузкой тигля и индуктором име­ется большой неэлектропроводный зазор, равный толщине стенок фу­теровки, а плотность магнитных силовых линий в этом зазоре мак­симальная, реактивная мощность печи в десятки раз превосходит мощность, поглощаемую загрузкой (активную мощность). Поэтому ре­активный индуктивный ток I_Li циркулирующий от индуктора к ис­точнику питания, также в десятки раз превосходит активный ток /_а в цепи. Из векторной диаграммы то­ков (рис. 12.2, а) следует, что при таком соотношении величин токов коэффициент мощности установки (естественный coscp) не превыша- Рис. 12.2. Векторная диаграмма _ех ОД.токов при естественном coscp

Для того чтобы разгрузить источ- (а) и при настройке контура в _шк питания от индуктивных (запаз- резонанс токов (б)дывающих) токов, в электрическуюцепь параллельно индуктору вклю­чают конденсаторную батарею. Известно, что ток

протекаю­щий через конденсаторы, опережает напряжение на 90°. Емкость конденсаторов подбирают так, чтобы опережающий емкостной ток, проходящий через них, был равен по абсолютной величине запаздывающему индуктивному току индуктора. В этом случае ре­активные токи индуктора и конденсаторов взаимно компенсиру­ются. Реактивная мощность циркулирует в коротком колебатель­ном контуре индуктор —конденсаторы, а источник питания оста­ется загруженным только активным током.

На рис. 12.2, б показана векторная диаграмма токов в колеба­тельном контуре при настройке его в резонанс токов, т.е. когда I_L - -/_с. Из диаграммы видно, что coscp установки с компенсиру­ющими конденсаторами может быть равен единице.

Мощность, поглощаемая садкой печи, зависит от ее электро­магнитных свойств, поэтому при работе на разных шихтах, а так­же при изменении электромагнитных свойств садки в процессе ее нагрева и плавления соотношение активных и индуктивных токов в индукторе изменяется. Это приводит к нарушению резонанса колебательного контура.

Для подстройки контура в резонанс в электрической схеме печй (см. рис. 12.1) наряду с постоянно включенными конденсаторами 2 предусматриваются подстроечные конденсаторы (или наборные емкости) 3.