Металлургические основы ваграночной плавки

Вагранка — шахтная печь, работающая на принципе противотока: шихтовые материалы опускаются вниз шахты, а образующиеся газы — вверх. По условиям теплообмена между металлом, газами и топливом шахту вагранки можно условно подразделить на четыре зоны (см. рис. 6.5). Первая зона — подогрев шихты; она простирается от завалочного окна вниз до уровня, в котором температура кусков металлической шихты достигает 1150—1200°С. Вторая зона—плавление кусков металлических шихтовых материалов. В зависимости от размеров кусков и химического состава шихты продолжительность плавления составляет 5—15 мин. За это время куски, расплавляясь, успевают опуститься на 300—500 мм.

Третья зона — перегрев чугунного расплава, берет начало от места образования капель чугуна и простирается до нижнего ряда фурм. Перегрев обусловливается стеканием расплавленного чугуна по кускам раскаленного кокса и омыванием его потоком разогретых до высоких температур газов. Четвертая зона — горн вагранки, располагающийся в нижней части шахты. Здесь кокс и продукты его горения имеют более низкую температуру из-за недостатка кислорода. Учитывая, что здесь чугун насыщается углеродом и серой, желательно ограничивать длительность пребывания чугунного расплава в горне вагранки.

Рис. 6.5. Зоны теплообмена в вагранке

Во время плавки чугуна в вагранке происходит изменение химического состава составляющих шихты: выгорание кремния (на 15%) и марганца (на 20%), увеличение количества серы и углерода, поступающих из кокса, образование шлака. Образуясь из флюсов, окислов элементов чугуна, частиц неметаллических материалов, оплавленной футеровки печи и золы кокса, шлак оказывает существенное влияние на характер плавки и свойства получаемого в вагранке чугуна. Шлак должен иметь низкую температуру плавления и хорошую жидкотекучесть (малую вязкость). Его количество составляет 3—4% от массы металла. Для удаления серы, которая является вредной примесью в чугуне (снижение жидкотекучести, склонность к образованию в отливках газовых и усадочных раковин), полученный в вагранке расплав обрабатывают кальцинированной содой, карбидом кальция. С целью уменьшения содержания серы и фосфора  (он придает чугуну хладноломкость) чугун плавят в вагранках с основной футеровкой из магнезитового, доломитового и хромомагнезитового кирпича. Это позволяет применять основные шлаки и резко (на 40—60%) снизить содержание серы в чугуне.

Для повышений механических свойств расплав серого чугуна подвергают модифицированию — обработке ферросилицием, магнием, его сплавами и другими модификаторами. Ферросилиций (75%-ный) мелкими зернами в количестве 0,1—0,6% от массы обрабатываемого расплава ссыпают из вибрирующего совка в желоб, по которому выдается из вагранки расплавленный чугун. Модифицирование ферросилицием позволяет измельчать пластинчатые включения графита и таким образом повысить прочность чугуна. При модифицировании магнием и другими сильными модификаторами получают высокопрочный чугун с шаровидным графитом, прочность которого достигает 1200 МПа.