§ 3. Переработка металлического лома в литейном производстве

В производстве чугуна используются вагранки, представляющие собой шахтную цилиндрическую печь, в которую сверху загружаются металличе- ский лом, известь и кокс. Воздух для горения кокса вдувается снизу. Загрузка разогревается в центре печи, а газы циркулируют во встречном потоке. Нали- чие углерода и моноокиси углерода обеспечивает восстановительную атмо- сферу в объеме печи. Известь используется как порошковый флюс для созда- ния шлака. /

В обычной вагранке газы движутся со значительной скоростью и могут увлекать за собой мелкие частицы загрузки. Поэтому дешевый мелкий лом, такой как стружка от сверления и точения, не может быть использован, так как легко выдувается из верхней части вагранки и создает проблемы в регули­рующей аппаратуре газовых выбросов.

Для решения этой проблемы, а также для сокращения расхода кокса и усовершенствования технологии восстановления кремния Electric Power Re­search Institute (EPRI, Pittsburg, Pennsylvania, USA) разработал программу по созданию экспериментальной плазменной вагранки вместе с промышленными партнерами (Westinghouse Electric, Modern Equipment, General Motors).

Опытная установка производительностью 2,5 т/ч представляет собой во-доохлаждаемый металлический кожух, футерованный изнутри огнеупорами с высоким содержанием глинозема. Диаметр кожуха составляет 1,09 м, внут­ренний диаметр огнеупорной камеры - 0,76 м. Жидкий металл и шлак выпус­каются непрерывно. Отходящие газы проходят через систему газоочистки. Го­релка на природном газе в камере сгорания обеспечивает полное сгорание всех горючих веществ.

Вагранка оборудована плазмотроном фирмы Westinghouse типа Marc 11, установленным над уровнем выпускного канала. Этот плазмотрон двухкамер­ной схемы с медными водоохлаждаемыми электродами имеет номинальную мощность 1,5...2 МВт. Расход плазмообразующего воздуха составляет 170нм³/ч. Температура плавления загрузки регулируется изменением мощно­сти плазмотрона, которая, как правило, находится в пределах 600...800 кВт, а для специальных испытаний - 1,2 МВт.

Совершенствование технологии на плазменной вагранке применительно к литейному производству продолжалось с 1983 по 1988 год. Финансировали работы различные американские литейные компании и корпорации, работаю­щие в сфере разработки плавильных печей и литейного производства. В ре­зультате исследований установлено:

• плазменная вагранка может плавить мелкозернистый материал, подоб­ный металлической стружке, в пропорции 75 % от загружаемого материала;

• плазмотрон надежен в работе и имеет достаточный срок службы. При необходимости плазмотрон может быть заменен в течение 15 мин, гарантиро­ванный срок службы электродов составляет 150.. .200 ч;

• температура плавления металла может плавно регулироваться измене­нием тока дуги в отличие от сложного традиционного метода, когда необхо­димо изменять соотношение кокса к металлу и скорости потока воздуха. Ско­рость плавки увеличивается почти на 50 % за счет повышения мощности плазмотрона;

• значительно изменяется химия технологического процесса. Установ­ленный тепловой режим не зависит от протекания химических превращений. Повышение температуры и восстановительная атмосфера уменьшают потери Si, Сг, Мп;

• в результате высоких температур в зоне плавки выход годного металла доходит до 98,5 %. Температуру в нижней части вагранки можно легко повы­сить, чтобы получать восстановленные кремний и железо из обогащенной ру­ды или окалины с прокатного стана;

• электроэнергия и энергия от сжигания кокса находятся в равновесии и могут быть оптимизированы для достижения низких издержек производства. Если в обычных вагранках отношение металла к коксу равно 10:1, то в новой вагранке достигнуто очень высокое соотношение - 70 :1.

Первая промышленная вагранка, использующая плазменную систему, технологию и оборудование фирмы «Вестингауз», была установлена в цен­тральном литейном подразделении компании «General Motors» в Огайо и за­пущена в эксплуатацию в 1989 году.

Установка включает в себя вагранку с внутренним диаметром 3,45 м, оборудованную шестью плазмотронами мощностью по 2 МВт типа Marc 11 над каждым выпускным каналом. Эта плазменная плавильная печь позволяет переплавлять металлургическую крошку с производительностью 50 т/ч. Она производит серый чугун, который используется для литья блоков двигателей в производстве легковых и грузовых автомобилей.

Промышленные испытания плазменной вагранки показали, что получае­мый металл удовлетворяет или превосходит установленный стандарт качества, установка удобна в эксплуатации и эффективна экономически.

Плазмотроны управляются из центрального пультового помещения. При нормальной эксплуатации вагранки оператор запускает все шесть плазмотро­нов нажатием одной кнопки на главном пульте управления. Уровни мощности их также изменяются (задаются) поворотом одной ручки. Поэтому ни инже­нерный, ни производственный персонал не требуются для управления плаз­менной системой.

Вагранка работает 22 ч в сутки, 5 дней в неделю, с эффективностью 95%. Устройство работает со смесью стружки 50...60% (скрап и чугун), 30.. .40 % металлолома и 6... 10 % кокса. Экономия кокса составляет примерно 20 %, а потери Si и Мп сокращаются на 30.. .50 %.

Типичный режим работы вагранки при изменении температуры в печи в пределах 600.. .1300 °С: ток дуги - 1700 А, напряжение на дуге - 900 В, расход плазмообразующего газа (воздух) - 255 нм³/ч.

Техническое обслуживание плазменной системы осуществляется элек­триками, которые прошли на месте короткий обучающий курс. Обычный те­кущий ремонт заключается в замене электродов в плазмотронах через каждые 750... 1000 ч работы и занимает менее 30 мин. Плазмотрон в фурме может быть заменен менее чем за 15 мин. Это обычно делается во время разливки ме­талла.

Возможность плазменной вагранки плавить оксиды металлов показывает ее применимость в сталелитейном производстве для прямого восстановления железа, а также для переработки остающихся отходов, подобных пыли с дуго­вых электропечей и отложениям с нефтеперерабатывающих заводов.

Финансовая эффективность плазменных вагранок видна из табл. 14.11.

Литейный цех Sept-Fons фирмы «Automobiles Peugeot» (Франция) еже­дневно производит 320 т различного рода изделий. Сплав серого чугуна (при­мерно 100 т) применяется для карбюраторных и дизельных двигателей в мо­дификациях автомобилей «Пежо» и «Ситроен»; серый чугун (примерно 175 т) -для таких деталей, как колесные барабаны, тормозные диски, подшипники для

коленвала, рулевые колеса, выхлопные коллекторы и т.д.; высококачественное железо - для производства трущихся деталей (примерно 50 т), например, шкворни поворотных цапф, коробки передач, коллекторы высокого качества.

В цехе попеременно работают две плавильные вагранки. Разогреваются они горячим воздухом с температурой 350 °С, полученным в результате час­тичного использования отходящих печных газов. Расход вдуваемого газа через шесть охлаждаемых дутьевых фурм составляет 12 000 нм³/ч. Производитель­ность вагранки по чугуну составляет 20...21 т/ч с содержанием углерода 3,2...3,3 %. Шихта состоит из чушкового железа, стального лома, бракованно­го литья, ферросплавов, кокса и флюса. Каждая вагранка имеет 10-метровую высоту и диаметр на уровне фурм 1,8 м.

Назначение процесса заключается в обработке большого количества чушкового чугуна, который составляет самое дорогое сырье (около 1,5 цены стального лома). Для уменьшения производственных затрат, увеличения про­изводительности труда и снижения выбросов в атмосферу пыли из вагранки литейный цех перешел на плазменный способ нагрева вдуваемого воздуха.

Перевод вагранки с холодного дутья на горячее позволил получить рав­номерный нагрев потока воздуха. Упростилась система управления техноло­гическим процессом за счет изменения мощности плазмотрона. Вместе со снижением доли кокса в загрузке пропорционально уменьшилось количество выбрасываемого газа.

Первоначально использовался плазмотрон мощностью 2 МВт, разрабо­танный фирмой Aerospatiele. Он был размещен на воздушном трубопроводе

между теплообменником и дутьевым коробом. После успешных испытаний технологии фирма Automobiles Peugeot решила перейти на промьппленный плазмотрон мощностью 4 МВт. Он обеспечивает нагрев потока воздуха с рас­ходом 12000 нм³/ч до температуры 900 °С. Уменьшая расход воздуха, можно получить температуру 1300 °С. Размещение плазмотрона на вагранке осталось прежним. Имеющиеся системы контроля и регулирования позволяют объеди­нить плазмотрон с системой управления вагранкой. Замена плазмотрона осу­ществляется по регламенту работ и производится менее чем за 30 мин.

С применением плазменного нагрева изменились многие параметры ва­гранки в лучшую сторону. Удельный расход кокса сократился с 10,5... 11 до 9,4.. .9,6 %. Зарегистрирован рост выплавки чугуна на 35 %. Температура рас­плава металла возросла в среднем на 20 °С с нагревом воздуха до 700.. .800 °С. Значительно снижены потери кремния и марганца, составляющих основную долю в стоимости шихты.

Плазменная система используется до 99 % рабочего времени. Срок служ­бы электродов составляет 500 ч для внутреннего (катод) и 750 ч для выходного (анод).

Рис. 14.23. Стоимостные и энергетические балансы вагранок при дополнительном

использовании плазмотронов

За два года на вагранке выплавлено 77 000 т чугуна (3500 ч эксплуатации плазмотрона). Существенных изменений в структуре произведенного металла не отмечено.

На рис. 14.23 показаны энергетические и стоимостные балансы для ва­гранки без и с применением плазмы.