yandex.metrica
Плавка чугуна в вагранках

Материалы для плавки чугуна

При плавке чугуна применяются огнеупорные и металлические материалы, а также топливо, лигатуры, флюсы.

Металлические материалы, топливо, флюс и специально приготовленные лигатуры, загружаемые в плавильную печь, называют шихтовыми материалами, или шихтой.

От состава и качества материалов, загружаемых в вагранку, зависит ход процесса плавки и качество жидкого чугуна.

Металлические шихтовые материалы

В качестве металлических составляющих ваграночной шихты используют чушковый доменный чугун (литейный и передельный), стальной и чугунный лом, отходы собственного производства, брикеты стружки и кусковые ферросплавы.

Чушковый чугун поставляется доменными цехами в виде металлических слитков (чушек) с одним или двумя пережимами толщиной не более 30 мм и массой не более 20 кг. По химическому составу эти чугуны подразделяют на литейные, передельные и природно-легированные.

Литейные чугуны (табл. 1.1) производят обычными (марка Л) и рафинированными магнием (ЛР) по ГОСТ 4832-80. По содержанию кремния их подразделяют на марки: от Л1 (3,2-3,6 % Si ) до Л6 (1,2-1,6 % Si); по содержанию марганца – на группы от I (до 0,3 % Mn) до IV (0,9-1,5 % Mn); по содержанию фосфора – на классы А (до 0,08 % P), Б (0,09-0,12 % P), В (0,13-0,3 % P), Г (0,4-0,7% P), Д (0,8-1,2% P); по содержанию серы – на категории 1 (до 0,02 % S), 2 (0,02-0,03 % S), 3 (0,03-0,04 % S), 4 (0,04-0,05 % S).

Химический состав литейных чушковых чугунов (ГОСТ 4832-80)  и Химический состав передельных чугунов (ГОСТ 805-80)

Передельные чугуны (ГОСТ 805-80) – табл. 1.2 — производят 10 марок: для сталеплавильного передела – П1 и П2; для литейного производства ПЛ1 и ПЛ2; высокофосфористый ПФ1, ПФ2, ПФЗ и высококачественный ПВК1, ПВК2, ПВКЗ. Передельные чугуны делятся по содержанию кремния на марки; по марганцу на группы; по фосфору на классы; по сере на категории.

Природно-легированные чугуны делятся на три вида: хромоникелевый (ТУ 14-15-84-79), титановый и титаномедистый (ТУ 14-15-4-74).

Хромоникелевый чугун выпускают 10 марок: от ЛХН1 (Ni+Co=0,2 %, Cr=0,4-1,2 %) до ЛХН10 (Ni+Co=1,0 %, Cr=2,3-3,2 %).

Титановый чугун (БТЛЗ – БТЛ7) содержит 0,3-1,2 % Ti.

Присадка природно-легированных чугунов в шихту позволяет выплавлять низколегированные конструкционные чугуны.

Высокая цена на литейные чугуны вследствие повышенных затрат на их производство вынуждает заменять их передельными. При переходе от литейных к передельным чугунам требуется вводить в ваграночную шихту повышенное количество ферросилиция, что приводит к существенным колебаниям химического состава получаемого расплава, литейных и механических свойств отливок. Обычно в шихту вводят до 20-40 % чушкового чугуна, исходя из установленного по расчету состава шихты и имеющегося в наличии чугунного и стального лома, а также отходов собственного производства. Для устранения наследственности используют несколько марок чушковых чугунов.

Чугунный и стальной лом при использовании в чугунолитейной вагранке должен удовлетворять требованиям ГОСТ 2787-86 (табл. 1.3). Поступающий в литейный цех лом обязательно должен иметь сертификат, характеризующий его качество. При этом основными требованиями, которые предъявляют к нему, являются: форма кусков размером не более 300×200×150 мм и массой 0,5-40 кг; отсутствие включений цветных металлов и вредных примесей; количество неметаллических включений не более 2 %. Весь лом подразделяют на две категории (А — углеродистый, Б – легированный), два класса (стальной и чугунный) и несколько видов.

Вторичные черные материалы, применяемые в качестве металлической шихты в плавильных агрегатах литейных цехов (ГОСТ 2787 - 86)

Добавки стального лома к ваграночной шихте способствуют повышению механических свойств отливок за счет снижения содержания углерода и улучшения структуры чугуна. Для ответственных отливок и отливок из ковкого чугуна содержание стального лома увеличивают.

Возврат собственного производства включает бракованные изделия, литники, прибыли, выпоры, сливы и др. Если известен их химический состав, то они являются наиболее дешевыми шихтовыми материалами. Перед употреблением эти отходы очищают от остатков формовочной смеси (пригара), иначе в процессе плавки потребуются дополнительные количества флюса и топлива на их ошлакование. Отходы хранятся отдельно в особых закромах с указанием номера шихты. Их количество может изменяться в металлошихте в пределах 10-80 %.

В ряде случаев в ваграночной шихте могут быть использованы брикеты чугунной и стальной стружки массой 2-40 кг. Для них характерен повышенный угар металла в процессе плавки. Кроме того, необходимо обеспечивать высокую прочность брикетов для предотвращения их разрушения на мелкие фракции в процессе плавки.

Ферросплавы – это большая группа шихтовых материалов, используемых для корректировки химического состава шихты, легирования и модифицирования чугуна, включающая в себя сплавы железа с одним или несколькими легирующими элементами. Основной легирующий элемент обычно указывается в названии: ферросилиций – Si ферромарганец – Mn; феррохром – Cr и т.д. Ферросплавы по виду агрегата для их производства различают как доменные и электропечные. Доменные ферросплавы отличаются пониженным содержанием легирующего элемента. Электропечные ферросплавы отличаются повышенным содержанием легирующего элемента и имеют высокую стоимость.

Наиболее часто в ваграночной плавке используют следующие ферросплавы.

Ферромарганец (ГОСТ 4755-80) делят на низкоуглеродистый (до 0,5 % C), среднеуглеродистый (1-2% C) и высокоуглеродистый (до 7% C). Низко- и среднеуглеродистый ферромарганец содержат 85 % Mn (кроме ФМн 2,0, в котором 75 % Mn).

В низкоуглеродистом ферромарганце в цифровом обозначении марки указывают среднее содержание углерода (например, ФМн 1,5 содержит 1,5 %С), а в высокоуглеродистом – среднее содержание марганца (например, ФМн 75 содержит 75 % Mn). Стоящая в обозначении буква А означает пониженное содержание фосфора (например, ФМн 78А содержит 0,05 % P); буква К – пониженное содержание кремния (до 1 % Si); буква С – повышенное содержание кремния (например, ФМн 75 АС6 содержит 6 % Si).

Феррохром (ГОСТ 4757-79) по содержанию углерода подразделяют на низкоуглеродистый (0,01-0,5% C), среднеуглеродистый (1-4% C), высокоуглеродистый (6,5-8,0 % C); при наличии в его составе азота от 1,0 до 6,0 % – азотированный, в марке которого присутствует буква Н. Во всех марках феррохрома содержание хрома находится в пределах 60-68 %. Цифровая маркировка низкоуглеродистого, среднеуглеродистого и высокоуглеродистого феррохрома означает содержание углерода (например, ФХ 006А содержит 0,06 % С). В маркировке азотированного феррохрома цифровое обозначение показывает содержание азота (например, ФХН 200А содержит 2 % азота). Наличие в маркировке буквы С указывает на повышенное (до 10 %) содержание кремния, буквы А и Б – на различное содержание фосфора (при А содержание фосфора находится в пределах 0,02-0,03 %, при Б – 0,03-0,05 %).

Ферросилиций (ГОСТ 1415—78) выпускают одиннадцати марок. Цифровое обозначение в маркировке указывает на среднее содержание кремния (например, ФС45 содержит 41-47 % Si). При проведении ваграночной плавки для корректировки химического состава чугуна в шихту рекомендуется вводить ферросилиций низких марок (от ФС20Л до ФС45), а высокие марки (ФС75Л и выше) эффективно используются для получения отливок требуемых марок чугуна за счет технологии графитизирующего модифицирования с целью снижения или ликвидации в структуре отливок первичного цементита (отбела).

С целью одновременной корректировки химического состава чугуна по кремнию и марганцу целесообразно в шихте использовать силикомарганец (ГОСТ 4765-77), содержащий 60-65 % марганца и от 10 до 25 % кремния.

Ферротитан (ГОСТ 4761-80) производят двенадцати марок с содержанием титана от 20 до 68 %. Цифры в маркировке означают содержание титана (например, ФТи68 содержит 68 % Ti).

Применяемый в ваграночной плавке феррофосфор содержит от 14 до 18 % P. Высокопроцентные ферросплавы, некоторые чистые металлы (магний, олово и др.) и лигатуры могут использоваться для внепечной обработки металла непосредственно в ковше для модифицирования и легирования.

Лигатуры – сплавы железа с комбинацией элементов, предназначенные для внепечной обработки или легирования жидкого чугуна. Используются при необходимости введения в чугун одного или нескольких элементов.

Представленные в табл. 1.4 лигатуры и магний применяются для получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Магний первичный (ГОСТ 804-72) поставляется в чушках, гранулированный магний (ТУ 6-01-904-74) в гранулах с размером 0,5-1,6 мм.

Присадки, применяемые для получения чугуна с шаровидным графитом

Отдельную группу шихтовых материалов составляют легирующие добавки с содержанием легирующего элемента более 90 %. К этой группе относятся: медь, хром, никель и др.

Топливо

Топливо – горючее вещество, при сгорании которого выделяется значительное количество теплоты, используемой в качестве источника тепловой энергии.

В чугунолитейном производстве применяются три вида топлива: твердое (кокс, термоантрацит), жидкое (мазут) и газообразное (природный газ), основной составляющей которых является углерод.

Каменноугольный литейный кокс является преимущественным видом топлива при плавке чугуна в вагранках. Он должен давать не только необходимое количество теплоты, но и поддерживать столб металлической шихты и топлива в шахте вагранки, не разрушаясь. Последнее условие необходимо для того, чтобы столб шихты в течение всего периода плавки оставался проницаем для ваграночных газов. Поэтому литейный кокс должен иметь высокую прочность, сохранять ее до высоких температур и, следовательно, не рассыпаться при нагреве и горении.

Согласно ГОСТ 3340-80, литейный кокс должен удовлетворять требованиям по содержанию серы, показателям прочности, размерам кусков, зельности и другим параметрам.

В зависимости от содержания серы кокс подразделяется на три марки: КЛ-1, КЛ-2 и КЛ-3 (табл. 1.5). Влажность должна быть не более 5,0 %. Превышение этой нормы не служит браковочным признаком, так как влага удаляется в верхней зоне вагранки за счет некоторого понижения температуры отходящих газов. Зольность кокса является вредным балластом, так как уменьшает не только содержание углерода в топливе, но требует еще и некоторого расхода теплоты на шлакование золы, расплавление и перегрев шлака. Зольность твердого топлива должна быть минимальной и составлять 10-12 %. Содержание летучих в литейном коксе не должно превышать 1,2 %, а пористость — не более 30 %.

Состав и свойства твердого топлива

Для кокса всех марок устанавливаются классы по размеру кусков: более 80, более 60, 60-80 и 40-60 мм. Применение кокса с размерами кусков меньше 40 мм резко ухудшает прохождение дутья и образовавшихся газов через слой кокса. Для холостой колоши используют наиболее крупный кокс.

Дополнительным топливом при плавке чугуна в вагранках является литейный карбид кальция CaC2 (ТУ 6-01-793-73). Он предназначается как добавка к основному топливу (коксу) для повышения температуры чугуна.

При изготовлении тонкостенных отливок, когда вагранки работают на холодном дутье, для повышения температуры перегрева чугуна рекомендуется применять термоантрацит, являющийся продуктом обработки антрацита при 900-1000 °С без доступа воздуха. Термоантрацит – хорошее дополнительное топливо для вагранок, применяется он в сочетании с коксом.

При плавке чугуна в газовых и коксогазовых вагранках применяется природный газ. Он состоит в основном из метана CH4 и имеет теплотворную способность QH= 33500 – 35600 кДж/м3.

Флюсы

Флюс – материал, который вводится в плавильную печь или ковш для наведения шлака.

В процессе плавки чугуна в вагранках и электропечах зола кокса, формовочные материалы и песок с отходов собственного производства и шихтовых материалов, оплавившаяся футеровка и продукты окисления кремния, марганца, железа образуют шлаки. Такие шлаки содержат большое количество диоксида кремния с температурой плавления около 1700 °С. Для удаления этих тугоплавких оксидов в виде легкоплавкого шлака вводятся флюсы – добавки известняка, плавикового шпата, доломита и основного мартеновского шлака. Вступая во взаимодействие с окислами, флюсы понижают температуру плавления и повышают жидкотекучесть шлаков.

В чистом виде известняк представляет собой углекислый кальций (CaCO3), который при нагревании разлагается по реакции

CaCO3 —> CaO + CO2.

Углекислый газ (CO2) удаляется с газами, а оксид кальция в зоне плавления металла соединяется с двуокисью кремния SiO2 и образует легкоплавкие шлаки.

Оксид кальция частично соединяется с серой, образуя сернистый кальций (CaS), что уменьшает содержание серы в чугуне.

Известняк флюсовый (ТУ 48-5-64-73) поставляется двух сортов с содержанием CaCO3 не менее 97%; SiO2 не более 0,8%; MgCO3 не более 1,7%; Fe2O3 не более 0,2 % и Al2O3 не более 0,5 %. Большое количество примесей приводит к лишнему расходу известняка, а также увеличивает количество шлака и потери теплоты для его расплавления. Качество известняка определяется по химическому составу и внешнему виду. Известняк должен быть плотным однородным с размером кусков 25-120 мм, с содержанием мелочи размером до 25 мм не более 10-12 %.

Для придания шлаку большей жидкотекучести используется кусковой плавиковый шпат (ГОСТ 7618-83) с прозрачным зеленым, розовым или палевым изломом. Чем больше в плавиковом шпате кусков такого рода, тем он чище. Плавиковый шпат представляет собой минерал с содержанием CaF2 в количестве 75-85 %. Его количество в шихте не должно превышать 30 % от общей массы флюсов, содержание примеси кремнезема (SiO2) 10-12 %, а серы и фосфора не более 0,3 % каждого. Недостатком применения плавикового шпата является повышенное оплавление футеровки печей. В кусковом шпате не должно быть загрязняющих примесей (угля, грунта).

Мартеновский шлак основной может применяться в смеси с известняком в соотношении 1:1. Шлак должен содержать до 40 % CaO+MgO, не более 25 % кремнезема (SiO2), не менее 20% оксида железа (FeO) и оксида марганца (MnO). Цвет такого шлака обычно серый или темно-серый с пузырчатым камневидным изломом. Не допускается шлак с кристаллическим или стекловидным изломом, красного или зеленого цвета, так как такой шлак содержит слишком много двуокиси кремния (SiO2). Количество шлака, подаваемого в вагранку, обычно в два раза больше по сравнению с известняком.

В кислых электропечах для образования шлакового покрова применяется сухой кварцевый песок.

Если для увеличения заданных литейных свойств в чугуне необходимо увеличить содержание фосфора, то в качестве флюса можно использовать апатитонефелиновую руду.

Огнеупорные материалы

Огнеупорными называются материалы, отличающиеся способностью сохранять свои свойства при высоких температурах. Они применяются для предохранения тепловых потерь рабочего пространства печей и защиты металлических конструкций от тепловых и других вредных действий продуктов плавки. Огнеупорные материалы применяются двух видов: в виде штучных изделий (кирпич прямой или клиновой и фасонный) и в порошкообразном виде (пески, мертели). Выбор огнеупорных материалов производится в зависимости от их свойств и условий работы в печах. Свойства некоторых огнеупорных материалов приведены в табл. 1.6.

Свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов

Самыми важными свойствами огнеупорных материалов являются те, которые непосредственно определяют способность противостоять разрушающим факторам в процессе их службы в металлургических печах. Такими свойствами являются: огнеупорность, прочность при высоких температурах, термическая стойкость, постоянство объема при высоких температурах и шлакоустойчивость.

Воздействию шлака, богатого кремнекислотой, хорошо противостоят материалы: динас, шамот, а воздействию основного шлака, богатого известью, магнезитовые и хромомагнезитовые.

Огнеупорные изделия должны храниться в условиях, не допускающих их увлажнения.

В последнее время для футеровки плавильного пояса вагранки успешно используют набивные футеровки, на основе кварцевого формовочного песка с добавкой глины (30-40 %) и воды, на основе магнезита с 1-2 % жидкого стекла или доломита с 6-8 % смолы при температуре 86 °С или 6-7 % воды (для стабилизированного доломита).