Теория и практика современной ваграночной плавки


            ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА СОВРЕМЕННОЙ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ


Монография













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.74
ББК 34.323
     Т33

Авторы:
А. И. Туяхов, В. Л. Жук, А. И. Ярмоленко, А. А. Мельник, В. Н. Елагин

Рецензенты:
д. т. н., проф., зав. отделом высокопрочных чугунов Физико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины Бубликов Валентин Борисович;
д. т. н., проф., зав. кафедрой литейного производства Национальной металлургической академии Украины Хрычиков Валерий Евгеньевич



Т33       Теория и практика современной ваграночной плавки : моно-
      графия / [А. И. Туяхов и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 248 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0789-2

      Изложены современные представления о процессах плавки чугуна в коксовых и коксогазовых вагранках с применением различных методов интенсификации и внепечной обработки жидкого чугуна. Особое внимание уделено конструкциям большегрузных вагранок с непрерывным длительным режимом работы с использованием химического и физического тепла ваграночных газов и современными способами их очистки. Рассмотрены способы повышения качества чугуна путем десульфурации, модифицирования, фильтрации металла при разливке. Рассмотрены причины возникновения аварийных ситуаций, методы их предотвращения и устранения, а также вопросы автоматизации ваграночного процесса.
      Для научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области технологии литейного производства, а также для студентов вузов старших курсов металлургических специальностей.

УДК 621.74
ББК 34.323

ISBN 978-5-9729-0789-2   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ВВЕДЕНИЕ


     Вагранка как плавильный агрегат для производства отливок появилась в конце XVIII века. В настоящее время в литейном производстве для обеспечения непрерывности плавки чугуна в течение длительного времени вагранка является в своем роде единственной печью.
     Использование чугуна не теряет своей актуальности в условиях активного развития машиностроения, связанного с созданием новых ресурсосберегающих технологий. Широкое применение этого материала обусловлено его экономичностью, хорошими литейными, антифрикционными свойствами, весьма высокой коррозионной стойкостью и износостойкостью, хорошей обрабатываемостью, способностью поглощать вибрацию и так далее.
     Литые заготовки по-прежнему составляют основу машиностроительной продукции, поэтому развитие литейного производства напрямую связано с перспективами роста машиностроения, доля которого в промышленности составляет 19,5 % [1].
     В настоящее время на действующих предприятиях России и Украины насчитывается более 3500 единиц чугуноплавильного оборудования, из которых 74 % - вагранки, 25 % - индукционные печи и миксеры, примерно 1 % -дуговые электропечи.
     Литейное производство обеспечивает наибольший, по сравнению с другими заготовительными переделами, коэффициент использования металла, являясь в то же время наиболее энергоемким. В себестоимости отливок энергозатраты и топливо составляют 50-60 %, стоимость исходных материалов -30-40 % [1].
     За последние 8 лет наблюдается непрерывный рост производства отливок в мире (в среднем на 2 млн т в год), при этом доля отливок из чугуна составляет около 70 % [2].
     Вагранка является одним из гибких и экономичных агрегатов, простым по конструкции и надежности в работе, обеспечивающим выполнение технологических требований в литейном производстве.
     Растущая конвейеризация литейного производства создает условия для более эффективного использования вагранок как высокопроизводительных агрегатов, осуществляющих непрерывный выпуск металла из плавильной установки.
     Традиционно кокс является основным топливом в чугунолитейных цехах, в то же время стоимость его постоянно увеличивается, что снижает экономические показатели литейных цехов. Еще в шестидесятые годы двадцатого столетия

3

на ряде заводов в Украине и за рубежом проводились опытно-промышленные исследования по частичной или полной замене твердого топлива на газообразное. Эти работы показали ряд преимуществ использования газообразного топлива вместо кокса: снижение содержания серы в чугуне, уменьшение доли шлака, снижение вредных выбросов и более гибкая управляемость процессом.
     Постоянно растущие требования к качеству отливок и развитие производства высокопрочных модифицированных и легированных чугунов повысили значение плавки металла в литейном производстве.
     Для подавляющего большинства отливок химический состав и механические свойства сплавов оговорены в технических условиях, и эти качества металла необходимо выдерживать на протяжении всей плавки, т. е. конструкция вагранки должна обеспечить стабильность процесса.
     Оборудование чугунолитейных цехов современными плавильными агрегатами, отвечающими предъявляемым к ним требованиям, одна из основных проблем литейного производства. Ее следует решать не только при строительстве новых высокопроизводительных и экономичных агрегатов, но и при модернизации, обновлении большого количества действующих вагранок.
     Модернизация вагранок предусматривает, в необходимых случаях, увеличение производительности, повышение температуры выпускаемого чугуна, снижение себестоимости металла, увеличение продолжительности непрерывной работы вагранки, улучшение условий труда.
     Поставленная задача решается, прежде всего, выбором рациональной конструкции вагранки, обеспечением достаточного количества дутья, качеством шихтовых материалов и комплексной механизацией ваграночного процесса.
     Рост производительности вагранок, высокий перегрев чугуна, улучшение технико-экономических показателей плавки достигается применением тех или иных средств интенсификации процесса. Многими заводами [3-5] накоплен опыт в этом направлении. Хорошие результаты по экономии топлива и увеличению производительности вагранок дает замена 15-50 % кокса природным газом. Продолжительность непрерывной работы вагранки увеличивается за счет охлаждения плавильного пояса вагранки. На некоторых чугунолитейных заводах (например, Макеевский литейный завод) крупные вагранки производительностью более 10 т/ч непрерывно работают в течение 5-6 суток. Водяное охлаждение позволяет также перейти на работу без футеровки плавильного пояса.
     В последние годы для интенсификации металлургических процессов, в том числе ваграночной плавки, стали применять кислород. При помощи кислорода удается поднять температуру металла и обеспечить получение высоко-4

прочных и модифицированных чугунов, повысить производительность вагранки и уменьшить расход кокса.
     Существующие положения об охране атмосферного воздуха требуют тщательной очистки газов от пыли и оксидов углерода. Для полной очистки газов необходимо применение эффективных, хотя и дорогих, очистных устройств, в первую очередь - на крупных вагранках.
     Анализ современного состояния ваграночного процесса в Украине показывает, что наряду с применением современных конструкций и усовершенствованных технологий ваграночной плавки на отдельных заводах, основная масса литейного чугуна выплавляется в вагранках устаревших конструкций. Вопрос о модернизации вагранок или строительстве новых агрегатов должен решаться в каждом конкретном случае в зависимости от местных условий с учетом технико-экономических соображений.
     В книге рассмотрены технологические особенности плавки в коксовых и коксогазовых вагранках, методы интенсификации выплавки чугуна, повышения качества чугунного литья, энергосберегающие и экологические аспекты ваграночной плавки.

5

        ГЛАВА 1


        ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТОПЛИВО

      При плавке чугуна применяются металлические шихтовые материалы, топливо и флюсы. В состав металлической шихты обычно входят чушковые чугуны, покупной лом (чугун и сталь), цеховые отходы (брак, литники), скрап и стружка. Кроме этих материалов для получения чугуна требуемого химического состава, а также для его раскисления и модифицирования применяются различные ферросплавы.
      В качестве топлива при плавке в вагранке наиболее часто применяется каменноугольный кокс. В последнее время начинает применяться природный газ.
      Кроме того, для плавки чугуна в вагранке применяют и другие виды твердого, жидкого и газообразного топлива.
      Для получения шлаков определенного состава, обладающих необходимой плавкостью и текучестью, применяются флюсы: известняк или основной мартеновский и конвертерные шлаки и др.
      Для обработки жидкого металла в копильнике вагранки или в ковше применяют высокопроцентные ферросплавы, модификаторы и присадки.
      Средний расход компонентов, входящих в состав металлической части шихты, приведен в табл. 1.1 [6].
                Таблица 1.1 Средний состав ваграночной шихты (в %)

                              Доменный  Лом со стороны   Собствен- Ферро-
       Металл отливки          чугун   чугунный стальной    ный    сплавы
                                                          возврат        
Чугун с шаровидным графитом   30-50    20-30      0-10     30-35   1-2   
Чугун с пластинчатым графитом 20-40    15-25     10-20     30-35   2-3   
Ковкий чугун                  10-30    10-20     30-45     35-45   2-4   

      Металлическая шихта после расплавления и перегрева в вагранке должна обеспечить получение чугуна заданного химического состава.
      Топливо является источником тепла, обеспечивающим плавление металлической шихты и перегрев жидкого чугуна и шлака до определенной температуры.
      Флюсы вносятся в вагранку с целью получения жидкоподвижных шлаков, способных вытечь из вагранки через специальное отверстие - летку. При этом стремятся получить шлаки необходимого состава и вязкости.


6

     Ферросплавы вводятся в шихту, копильник или ковш для восполнения недостающего количества того или иного элемента в готовом чугуне. Ферросплавы используют также для модифицирования чугуна.
     Для получения заданного химического состава и соответствующих механических и других свойств, предъявляемых к чугунным отливкам, необходимо знать не только химический состав, но и другие особенности шихтовых материалов, применяемых при плавке: наследственные свойства доменных чугунов, специфические свойства используемых природно-легированных чугунов, качество приобретенного со стороны лома и собственного возврата, а также топлива и флюсов.

     1.1. Доменные чушковые чугуны

     Для отливок из серого и ковкого чугуна применяются доменные литейные, передельные и специальные чугуны (табл. 1.2) [6].
     Литейный коксовый чугун изготовляется шести марок, которые характеризуются различным содержанием кремния. Каждая марка, в свою очередь, по количеству содержащегося в ней марганца делится на три группы, по содержанию фосфора - на четыре класса и по содержанию серы - на три категории.
     Передельный коксовый чугун изготовляется четырех марок. Содержание углерода в этом чугуне обычно не регламентируется стандартом.
     Приведенные в табл. 1.2 данные по содержанию углерода в передельном чугуне определяются на основании практических данных.
     Для изготовления отливок из ковкого чугуна применяются литейные и передельные чугуны и только при производстве высококачественного ковкого чугуна пользуются специальными чугунами, приведенными в табл. 1.2.
     При производстве отливок с небольшим количеством хрома и никеля эти элементы могут быть введены природнолегированными чугунами.
     Поставляемые доменными цехами металлургических заводов чушки литейного чугуна должны иметь не менее одного или двух пережимов с толщиной тела пережима не более 30 мм. Вес чушки должен быть не более 25 кг. Поверхность чушек должна быть чистой; допускается лишь наличие на ней извести или графита.


7

Классификация и химический состав доменных чушковых чугунов в %

Таблица 1.2

                                     Марганец                               Фосфор                      Сера, не более               
Марка  Углерод    Кремний   Группа    Группа     Группа     Класс А    Класс Б   Класс В      Класс Г    1-я   2-я   3-я   Примерное 
чугуна                         I        II        III      (гематит)    (обыч-   (фосфо-      (фосфо-   кате- кате- кате- назначение 
                                                                         ный)    ристый)      ристый)   гория гория гория            
лко    3,50 4,00  3,26-3,75         Литейный   КОКСОВЫЙ ч угун (ГОСГ  Г 4832-95, ДСТУ 3132    -95)      0,02  0,03  0,04             
ЛК1    3,60 4,10  2,76-3,25         0,51-0,90  0,91-1,30    До 0,10   0,11-0,30  0,31-0,70    0,71-1,20 0,02  0,03  0,04  Для отливок
ЛК2    3,70 4,20  2,26-2,75 До 0,50                                                                     0,03  0,04  0,05    серого   
лкз    3,80--4,30 1,76-2,25                                                                             0,03  0,04  0,05    чугуна   
ЛК4    3,90 4,40  1,26-1,75                                                                             0,04  0,05  0,06             
ЛК5    4,00 4,50  0,75-1,25                                                                             0,05  0,06  0,07             
                            Г       ередельны  й коксовьп чугун (ГО   СТ 805-95  ДСТУ 313     3-95)                       Для отливок
                             <0,50  0,51-1,00  1,01-1,50    До 0,15   До 0,20    До 0,30                0,02  0,03  0,04    серого   
  Ml   4,5-5,0    0,91-1,30  <0,50                                                                                         и ковкого 
  М2   4,0 4,5    0,51-0,90                                                                                                 чугуна   
                            Чугун снег                     щальный С  ОСТ 4834   -89)                                                
  кк   3,7 4,1    1,00-1,50          0,2-0,60               До 0,10   До 0,4                  -              0,03         Для отливок
 ВК1   3,8 4,2    0,71-1,50          0,2-0,60                         До 0,4                                 0,06           ковкого  
 ВК2   3,8 4,2    0,10-0,50          0,2-0,60                                                                0,06           чугуна   
 ЛХЧ1               2,76    Прир    эднолегирс ванный ко  ксовый чу г  ун (по ТУ завода изго' говителя) 0,03  0,04        Для отливок
 ЛХЧ2              и более  До 0,6   0,61-1,2                         До 0,5                            0,03  0,04          низко-   
 ЛХЧЗ      -      2,26-2,75                                                                             0,04  0,05    -    легирова- 
 ЛХЧ4             1,76-2,25                                                                             0,04  0,05           нного   
                  1,26-1,75                                                                                                 чугуна   
Примечание. Содержание легирующих элементов в чугунах ЛХЧ1-ЛХЧ4 составляет хрома 2,2-3,2 % и никеля не менее 1 %                      

    1.2. Вторичные металлы


      К вторичным металлам в ваграночной металлической шихте относятся такие материалы как чугунный и стальной лом, стальная и чугунная стружка, возврат своего производства, состоящий из литников, прибылей, скрапа, брака и т. д.
      Ломом называются бракованные, если нужно, разбитые на куски отливки, старые, отслужившие и списанные чугунные или стальные изделия, изношенные или поломавшиеся части машин и т. д. Лом, попадающий в литейный цех извне, обязательно должен иметь сертификат, указывающий, к какой группе по химическому составу он принадлежит и какому классу соответствует по качеству. Дело в том, что невозможно дать точный химический анализ каждой штуки лома. Поэтому предприятия-поставщики лома делят его на группы, у которых химический состав приблизительно одинаков. Классификация лома для вагранок и его примерный химический состав приведены в табл. 1.3 [8].


Таблица 1.3

Классификация лома для вагранок

Группа лома и отходы                 Примерное содержание элементов в %             
                             Углерод    Кремний    Марганец    Фосфор      Сера    
Качественный серый чугун     2,8-3,3    1,5-2,2     0,6-1,0   0,1-0,3   0,04-0,15  
Серый чугун фосфористый      3,2-3,7    2,0-3,0     0,5-0,7   0,5-1,0   0,08-0,15  
Серый чугун обыкновенного    3,2-3,5    1,8-2,5     0,5-0,9   0,2-0,5   0,10-0,15  
качества                                                                           
Ковкий чугун                 1,0-2,5    0,6-1,3     0,4-0,6    до 0,2   0,10-0,15  
Чугунные валки               2,8-3,5    0,5-0,8     0,5-0,7    до 0,4   0,10-0,15  
Чугунные колеса с отбеленным 3,0-3,7   0,55-0,7     0,5-0,6    до 0,3     до 0,14  
ободом                                                                             
Чугунные изложницы           3,2-3,5    1,5-2,0     0,5-0,8    до 0,2   0,08-0,12  
Высококремнистый чугун       0,3-0,8 14,5-18,0      0,5-0,8    до 0,2   0,08-0,12  
Отходы собственного          Содержание элементов определяется составом отливок     
производства                                    данного цеха                        
Стальной лом                 0,1-0,5    до 0,4      0,5-0,7   до 0,05     до 0,05  

     Возврат собственного производства состоит из литников, прибылей, скрапа и брака. Литники составляют обычно 25-35 % от веса отливок, выпускаемых цехом. При изготовлении мелких отливок литников получается больше, чем при изготовлении крупных. Скрап получается от всплесков, разбрызгивания металла, слива остатков металла из ковшей, настылей и складируется в особых закромах по номерам шихт. Брак, идущий в переплавку, можно разделить на брак, обнаруживаемый в литейном цехе, и брак, обнаруживаемый при

9

механической обработке. Весь возврат собственного производства обязательно должен быть очищен от песка и других посторонних предметов.
      Определение состава возврата не представляет большого труда, так как он является отходом собственного литья, химический состав которого известен.
      Стружка получается при механической обработке чугунных и стальных отливок. Количество образующейся стружки может достигать 20-25 % от веса отливок, выпускаемых литейными цехами, поэтому вопрос использования стружки является крайне актуальным.
      Более эффективным оказалось использование стружки в виде брикетов. Брикетирование стружки осуществляется в зависимости от имеющегося на заводе оборудования на гидравлических, пневматических или механических прессах при давлениях выше 200 ат. (20 МПа). Возможно изготовление брикетов также на кузнечных молотах. Способ этот удобен тем, что стружка, спрессованная под большим давлением и, таким образом, значительно уменьшенная в объеме, становится удобной для перевозки и благодаря плотности (удельный вес ее достигает 80 % от веса чугуна) плавится не хуже лома. Величина брикетов зависит от оборудования, на котором они изготавливаются, и колеблется от 50x70 до 150x150 мм.
      Проведенные исследования [7] показали, что и при использовании брикетированной стружки наблюдается повышенное окисление примесей в чугуне. Поэтому рекомендуется при прессовании стружки в брикеты вводить 75%-ный или 40%-ный ферросилиций в количестве 3,0-5,0 %.
      Брикеты, применяемые при ваграночной плавке, могут изготавливаться из стальной стружки № 1 и № 2 или из чугунной стружки путем горячего прессования (ДСТУ 4121-2002). В брикетах из стальной стружки не допускается смешения во время брикетирования углеродистой и легированной стали, а также стальной и чугунной стружки. Замусоренность неметаллическими материалами допускается в пределах 1-3 % в зависимости от номера брикета. Плотность брикетов должна находиться в пределах 4500-5000 кг/м³. При снижении плотности брикетов увеличивается угар железа и вынос мелких фракций колошниковыми газами.
      Брикеты из чугунной стружки горячего прессования должны иметь плотность не менее 6000 кг/м³ при содержании влаги не более 1 %.
      Применение в составе шихты чугунного и стального лома удешевляет стоимость шихты и повышает механические свойства отливок. Ввод в шихту стальных лома и отходов производства снижает содержание углерода в чугуне.
      Поставляемый лом должен соответствовать нормам ДСТУ4121-2002, в котором предусмотрено применение лома, не содержащего легирующих элементов и цветных металлов.

10