» » Влияние продувки ваграночного чугуна природным газом на его качество
25.12.2014

При использовании в вагранках природного газа в качестве частичного или полного заменителя кокса в ваграночном газе может возникнуть повышенная концентрация водорода. Причиной этого обычно является неполное сжигание природного газа в туннелях газовых горелок или завышенный слой раскаленного кокса (в случае коксогазовых вагранок), через который должны проходить продукты сгорания природного газа и разлагать при этом пары воды углеродом по реакции
H2O + С = CO + H2.

Указанные обстоятельства могут приводить к росту содержания водорода в колошниковом газе до 5—6% при одновременном повышении содержания в нем метана CH4 до 3% и выше.
Увеличение концентраций водорода в колошниковом газе вызывает повышенное насыщение им выплавляемого в вагранке чугуна и, как следствие этого, изменение его качеств.
Для определения возможного насыщения чугуна водородом и регулирования содержания углерода в чугуне в жидком состоянии проведены исследования с целью установления зависимости между концентрацией водорода в колошниковом газе вагранки и водородонасыщением получаемого из нее чугуна, а также величины водородонасыщения и науглероживания чугуна при продувке его природным газом.
Исследования проводились на вагранке производительностью 3 т/час без копильника с барабанным поворотным миксером (з-д ХЭМЗ) и на вагранке производительностью 10 т/час с копильником (з-д транспортного машиностроения).
Пробы колошникового газа отбирались через завалочное окно трубкой с внутренним диаметром в 1/2". При заборе газа трубка опускалась на 500—700 мм ниже уровня завалочной площадки. Пробы газа отбирались через несколько минут после загрузки очередной металлической колоши при одинаковой высоте загрузки шахты.
Карандашные пробы металла для определения содержания в нем водорода заливались в клещевую форму из красной меди через 10—15 мин после отбора пробы колошникового газа при условии сохранения в течение этого времени постоянства как режима сжигания газа, так и всего режима работы вагранки.
Колошниковый газ анализировался на газоанализаторе ВТИ-2. Содержание водорода в чугуне определялось усовершенствованным прибором Г. Н. Баталина. Сопоставление содержания водорода в выплавленном чугуне с содержанием водорода в ваграночном газе приведено в табл. 1.
Влияние продувки ваграночного чугуна природным газом на его качество

Из табл. 1 видно, что с ростом содержания в ваграночном газе суммы водорода и метана растет и водородонасыщение чугуна.
При отборе проб металла на содержание в нем водорода одновременно заливались спиральные пробы для определения жидкотекучести чугуна. Температура чугуна в ковше замерялась с помощью термопары погружения.
Для получения данных о жидкотекучести чугуна с повышенным содержанием в нем водорода в отдельных случаях работа газовых горелок сознательно нарушалась с целью создать в колошниковом газе избыток свободного водорода. На основании результатов исследований построена зависимость жидкотекучести чугуна от содержания в нем водорода (рис. 1).
При более высоком содержании водорода в чугуне его влияние на понижение жидкотекучести становится более заметным.
Влияние продувки ваграночного чугуна природным газом на его качество

В вагранке для плавки чугуна на одном газе создаются условия, при которых в выплавляемом чугуне при одинаковой с обычной вагранкой шихте содержание углерода получается на 0,1—0,15% ниже. Объясняется это отсутствием возможности науглероживания чугуна в жидком состоянии из-за отсутствия его контакта с коксом. Для регулирования содержания углерода в чугуне проведены исследования по продувке чугуна природным газом в разливочном ковше емкостью 200 кг. Природный газ вводился в чугун через стальную трубку диаметром 1/2", покрытую снаружи огнеупорной массой. Трубка для ввода газа погружалась в металл примерно на 200—250 мм. Установлено, что 2-мин продувка чугуна с исходным содержанием углерода 3,05—3,27% повышает содержание углерода в чугуне на 0,07— 0,08%.
При продувке чугуна, содержащего 3,2% С, в течение 3 мин 15 сек содержание углерода повышается до 3,47%. При продувке чугуна с исходным содержанием углерода 3,45% и более науглероживания не наблюдалось.
В дальнейшем исследовался чугун в 150-кг ковшах. Продувка велась через пористое (двойное) днище ковша и через трубку. Продувался чугун с исходным содержанием углерода 3,18—3,58%; полусталь, полученная смещением в ковше ваграночного чугуна с электросталью, содержащая до продувки 2,04—2,25% С, и, наконец, сталь с 0,57% С.
Во всех случаях в металле одновременно с углеродом определялось содержание водорода до и после продувки металла природным газом.
Результаты опытов приведены в табл. 2, из которой видно, что практически при обоих способах продувки стали и чугуна с различным исходным содержанием углерода науглероживание металла не происходит. Одновременно с этим отмечено значительное наводороживание металла.
Влияние продувки ваграночного чугуна природным газом на его качество

Это объясняется тем, что при полной диссоциации 1 м3 CH4 выделяет 0,54 кг углерода и 2 м3 водорода. Содержание в чугуне 1 см3/100 г металла водорода соответствует 0,001 м3/кг (или 0,1 M31100 кг). Таким образом, чтобы увеличить содержание Н2 в чугуне на 1 см3/100 г, надо растворить в ковше емкостью 100 кг 0,1 м3 водорода. Природного газа через трубку диаметром 1/2" и давлении 0,5 ати проходит около 0,8 м3/мин. При полной диссоциации находящегося в нем метана в чугун за две минуты продувки поступит углерода 0,8 кг (при 100% содержании CH4 в газе 0,54*0,8*2 = 0,86 кг) и около 3 м3 водорода.
Для повышения содержания водорода на 100 кг чугуна необходимо 0,1*3=0,3 м3 водорода.
Таким образом, если при 2-мин продувке природным газом через чугун прошло 3 м3 водорода (при условии полного разложения метана), то усвоение водорода составляет всего 10 % (0,3/3,0=0,1). Неполнота усвоения водорода или неполнота разложения CH4 подтверждается наличием при продувке пламени над поверхностью металла в ковше и выделением сажистого газа.
Если принять степень усвоения углерода равную степени усвоения металлом водорода, то за 2 мин 100 кг чугуна должны растворить в себе 0,8*0,1=0,08 кг углерода, что в пересчете дает увеличение его содержания в чугуне на 0,08%, т. е. практически науглероживания не произойдет.
В стали, где растворение водорода протекает с большой интенсивностью, растворение углерода тормозится весьма сильно, чем и объясняются полученные результаты продувки природным газом стали и полустали.
Изменение содержания кремния и марганца в продуваемом чугуне оказывает на науглероживание относительно небольшое влияние. Таким образом, кратковременная продувка чугуна природным газом не оказывает влияния на науглероживание чугуна, одновременно насыщая его водородом.