Общая характеристика процесса плавки в вагранке

Для анализа любого металлургического процесса необходимо изучить все фазы, участвующие в процессе, температурные условия их существования, характер, состав, структуру и границы раздела, т. е. изучить условия процесса и проанализировать его с термодинамической и кинематической сторон.

В вагранке находятся две самостоятельные группы материалов, движущихся навстречу друг другу. Первая группа – шихтовые составляющие, опускающиеся сверху вниз и нагревающиеся противотоком за счет теплоты второй группы – поднимающихся снизу вверх ваграночных газов, которые при этом охлаждаются.

Материалы первой группы (металл, топливо, флюсы) находятся вначале в твердом состоянии в виде самостоятельных твердых фаз. Затем металл переходит в жидкое состояние, образуя самостоятельную жидкую фазу – чугун. Топливо, сгорая, переходит в газообразное состояние; флюсы еще в твердом виде диссоциируют, образуя газообразный продукт диссоциации СО₂, а окисел кальция шлакуется и вместе с окислами из футеровки, пригара песка и угара металла переходит в жидкое состояние, образуя самостоятельную жидкую фазу – шлак.

Газовая фаза начинает свой путь (при работе с закрытым копильником или без копильника) снизу вверх от уровня фурм в виде воздуха с обычной или повышенной концентрацией кислорода, вступает в холостой колоше вагранки во взаимодействие с топливом, в результате чего преобразуется в газообразные продукты горения – ваграночные газы, нагретые до той или иной температуры в зависимости от условий горения. Ваграночные газы, движущиеся вверх в шахте вагранки, отдают свою теплоту материалам первой группы и нагревают их от температуры загрузки до температуры плавления, снабжая эти материалы необходимой теплотой для расплавления (в зоне плавления). Теплота главным образом твердого горящего топлива перегревает расплавившиеся материалы выше их температуры плавления (в холостой колоше вагранки).

Между газовой фазой, движущейся снизу вверх, и материалами, движущимися сверху вниз, помимо процессов теплопередачи осуществляются многочисленные химические процессы. Характер последних (скорость и направление) зависит от температуры и состава газовой фазы, а также от температуры и состава металла и шлака. Таким образом, здесь будут иметь место различные гетерогенные процессы между твердыми и жидкими материалами, с одной стороны, и газами, с другой.

В результате взаимодействия жидкого чугуна и шлака с твердым топливом имеют место гетерогенные процессы между жидкими и твердыми веществами. В результате этого в вагранке осуществляются гетерогенные процессы различных типов между твердыми, жидкими и газообразными веществами.

Кроме того, будут происходить гомогенные процессы в газовой фазе (например, диссоциация водяных паров) и в жидкой фазе (процессы в металле и шлаке).

Таким образом, для характеристики ваграночного процесса необходимо рассмотреть процессы, протекающие между всеми тремя фазами. Прежде всего, большой самостоятельной труппой процессов являются процессы горения, происходящие между воздухом и топливом в холостой колоше вагранки. Именно в результате горения топлива создается вся газовая фаза в вагранке. От условий горения топлива зависят химический состав газовой фазы и ее температура. Все остальные химические процессы зависят от состава и температуры этой фазы. От температуры этой фазы зависят и все процессы теплопередачи, определяющие температуру чугуна, выпускаемого из вагранки.