STOSOWANIE PIECÓW OBROTOWYCH W ODLEWNIACH ŻELIWA. R. STRZESZEWSKI 1 P.I.W. Enpol Gliwice

Transkrypt

1 74/44 Solidification of Metals and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No. 44 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 44 PAN Katowice PL ISSN STOSOWANIE PIECÓW OBROTOWYCH W ODLEWNIACH ŻELIWA R. STRZESZEWSKI 1 P.I.W. Enpol Gliwice STRESZCZENIE W artykule scharakteryzowano, niestosowane szerzej w Polsce, piece z palnikami paliwowo-tlenowymi do wytopu żeliwa. Opisano warunki pracy, budowę i sposób działania pieców obrotowych. Podano także podstawowe wskaźniki technicznotechnologiczne. 1. WPROWADZENIE W Europie i na świecie obserwuje się stały wzrost produkcji przemysłu odlewniczego, a w szczególności żeliwa o wysokich wskaźnikach własności mechanicznych i użytkowych. Aby sprostać tym wymaganiom konieczna jest modernizacja istniejących lub budowa nowych topialni, które muszą uwzględniać wymagania ekonomiczne zmieniającego się rynku oraz spełniać rygorystyczne przepisy ochrony środowiska i zapewnić obsłudze odpowiednie warunki pracy. Przy tak sformułowanych wymaganiach w odlewniach obok znanych pieców, jak żeliwiaki czy piece elektryczne, pojawiły się przed dziesięciu laty piece obrotowe, wyposażone w palniki paliwowotlenowe. Obrotowe piece wyposażone w palniki paliwowo-tlenowe są szczególnie przydatne w odlewniach o średniej czy małej wydajności. W odlewniach tych dotychczas stosowano krótkokampanijne żeliwiaki z zimnym lub gorącym dmuchem względnie topialne piece elektryczne. Uciążliwe w eksploatacji żeliwiaki (ochrona środowiska, trudności techniczne) są obecnie często zastępowane piecami elektrycznymi bądź obrotowymi. Wybór pomiędzy piecem elektrycznym czy obrotowym podyktowany jest względami ekonomicznymi i ruchowymi. Wśród ekonomicznych należy wymienić koszt inwestycji urządzenia, elastyczność doboru wsadów (otoczki, wióry udział taniego wsadu), wielkość koniecznych nakładów na ochronę środowiska i urządzenia pomocnicze. 1 Mgr inż. all@enpol.gliwice.pl

2 544 Wśród względów ruchowych jednostkowe koszty przetworzenia, wachlarz stosowanych technologii, rozpiętość gatunków żeliw i rodzajów produkowanych odlewów. Jak wykazuje praktyka, w zależności od warunków lokalnych, przy tej samej wydajności godzinowej koszt inwestycyjny obrotowego pieca zasilanego palnikiem tlenowo paliwowym jest o % mniejszy niż urządzeń innego typu. Piece te zachowują pełną elastyczność doboru wsadów i technologii, umożliwiając prowadzenie kompletnych procesów metalurgicznych (w przeciwieństwie do pieców indukcyjnych). W porównaniu do pieców indukcyjnych tyglowych rozruch ich jest znaczne ułatwiony, a w porównaniu do rdzeniowych (kanałowych) nie wymagają wstępnego zalewania płynnym metalem. Wśród względów ruchowych ważnym składnikiem kosztów są koszty zużycia energii, których ocena musi uwzględniać zarówno koszty nabycia nośników energii, jak i ich jednostkowe zużycie. W ocenie ogólnej koszt ten można wyrazić względnym wskaźnikiem sprawności energetycznej (odniesienie do wartości energii pierwotnej z uwzględnieniem nakładów na pozyskiwanie tlenu). Sprawność tą ocenia się dla: pieca obrotowego z palnikiem paliwowo tlenowym ok.40 % żeliwiaka z gorącym dmuchem ok. 30 % pieca indukcyjnego tyglowego ok. 22 % Sprawność użytkowa pieca obrotowego liczona jako stosunek energii zużytkowanej do produkcji płynnego metalu w stosunku do energii dostarczonej wynosi około 65 % (bez przeliczania na pierwotne nośniki energii). Wysoka sprawność energetyczna pieca osiągana jest dzięki wysokiej temperaturze płomienia (przy metanie spalanym w tlenie ok C), sprawności cieplnej palnika (90 80 % w zależności od temperatury) oraz odzyskiwania ciepła z wymurówki pieca. 2. PRACA PIECÓW OBROTOWYCH Kwaśne wyłożenie pieca obrotowego wymaga stosowania procesu kwaśnego z jego charakterystycznie dobraną kontrolą stopnia utlenienia kąpieli, czystością metalurgiczną stopu i brakiem możliwości eliminowania siarki czy fosforu. Wymaganą zawartość tych ostatnich uzyskuje się poprzez odpowiedni dobór wsadu, względnie pozapiecową obróbkę wytopionego metalu. Upał składników stopowych jest tym większy im wyższa jest temperatura przegrzania i im dłuższy czas przegrzania stopu w danej temperaturze. Konieczny stopień przegrzania stopu, właściwy dla danego gatunku, zależny jest w dużym stopniu od rodzaju i sposobu realizowania zabiegów pozapiecowych. Zabiegi te, jak też warunki odlewania determinują czas w jakim powinien być w piecu wytrzymywany przegrzany metal. Praktyką stwierdzono, że przy dobrej regulacji warunków spalania w palniku, czas przetrzymywania do 45 min. nie powoduje tak dużych zmian składu żeliwa, by nie dopuścić do zastosowania go do zamierzonego wyrobu. W przypadku wprowadzenia składników stopu, w naboju wsadowym lub uzupełniająco do pieca należy liczyć się z upałem: węgiel 8-13%

3 545 krzem 15-20% mangan 30-35% Może okazać się koniecznym uzupełnienie składu przez wprowadzenie dodatków w trakcie spustu (na rynnę, do kadzi). Przy produkcji odlewów z żeliwa sferoidalnego spuszczony z pieca płynny metal musi mieć jak najmniejszą zawartość siarki i fosforu, ograniczoną zawartość manganu, niski stopień nasycenia eutektycznego i wysoką temperaturę przegrzania (stopień przegrzania metalu ponad temperaturę inwersji) około C. Spełnienie wymienionych wymagań w piecu obrotowym nie nastręcza żadnych trudności. Założona wielkość produkcji odlewni, ciężar i częstotliwość pobieranych z pieca partii żeliwa decydują o wyborze wielkości pieca, ich ilości w odlewni czy też konieczności zabudowy pieca odstojnikowego. Zazwyczaj dąży się do inwestowania kilku mniejszych jednostek tak, by osiągnąć potrzebną zdolność produkcyjną, wyeliminować postoje odlewni w okresie wymiany wymurówki i rezygnować z potrzeby budowy pieca odstojnikowego. 3. OPIS BUDOWY I DZIAŁANIA PIECÓW OBROTOWYCH 3.1. Budowa Typowy układ piecowy składa się z: - piec z wyłożeniem ogniotrwałym Piec stanowią: stalowy cylinder i dwie części stożkowe. Całość wykonana jest z grubej blachy i wyłożona odpowiednią warstwą ubijanego materiału ogniotrwałego. Część cylindryczna wyposażona jest w bieżnie wsparte na rolkach obrotowych. Rolki obrotowe wykorzystywane do nawrotnego lub ciągłego obrotu pieca napędzane są motoreduktorem. Części stożkowe przyśrubowane są sprężynowo do kołnierza części cylindrycznej. Zastosowanie sprężystego łączenia części obudowy pieca umożliwia dostosowanie do zmian dylatacyjnych wyłożenia ceramicznego. Część stożkowa od czoła pieca posiada centralny otwór palnikowy i dwa otwory do spustu żeliwa. W tylnej części stożkowej wsadu wykonany jest centralnie otwór służący do odciągania spalin lub załadunku wsadu. Piec wraz z rolkami obrotu i prowadzącymi, zabudowany jest na stalowej, ruchomej podstawie. Wychylna podstawa pieca napędzana jest siłownikami hydraulicznymi. Dzięki tak skonstruowanej podstawie istnieje możliwość zmiany położenia osi wzdłużnej pieca względem poziomu (przechylanie). Do przedniej części pieca wprowadzony jest palnik paliwowo tlenowy. Od strony tylnej pieca zabudowany jest zespół załadunku wsadu oraz zespół odciągu spalin. Zastosowany do wyłożenia pieca materiał ogniotrwały musi być odporny na temperaturę i jej gwałtowne zmiany, nie ulegać szybkiemu ścieraniu i być odpowiednio odporny na uderzenia ładowanego wsadu. Wymagania te spełnia wyłożenie kwaśne (>90% SiO 2 dodatek około 5,5% Al 2 O 3 i 0,5% TiO 2 ). ubijane w piecu przy zastosowaniu usuwalnych szablonów. Grubość wymurówki w zależności od pieca wynosi mm, a standardowe suszenie i spiekanie trwa ok. 72 h.. - zespół zasilania pieca w materiał wsadowy

4 546 Zespół załadunku wsadu jest konstrukcyjnie rozwiązywany na różne sposoby w zależności od usytuowania pieca lub pieców. W każdym wypadku podstawowym urządzeniem załadowczym jest rynna wibracyjna na której kompletowany jest wsad. Zastosowanie rynny wibracyjnej dosuwanej do gardzieli pieca ogranicza bezpośrednie uderzenia cięższych kawałków wsadu w ceramiczne wyłożenie pieca. Napełnianie rynny wibracyjnej odważonym wsadem zależy od warunków lokalizacyjnych i może być realizowane za pomocą suwnicy magnesowej, skipu itp. - zespół odciągu spalin z chłodnicą i filtrem Układ odciągu spalin jest zabudowany wymiennie z zespołem załadunku wsadu w tylnej części pieca, naprzeciwko palnika. Podstawowymi elementami zespołu odciągu spalin są kolejno: wymurowany przesuwny przewód spalin, stałe rurociągi spalinowe, komin awaryjny, chłodnica, filtr workowy, wentylator, komin główny. Pomiędzy piecem a ruchomym przewodem spalinowym znajduje się szczelina pozwalająca na zassanie zimnego powietrza schładzającego spaliny. - zespół palnikowy Palnik chłodzony wodą lub spalanymi gazami zabudowany jest na obrotowym ramieniu dzięki czemu może być łatwo dosuwany i odsuwany od pieca. - zespół spustowy metalu i odprowadzenie żużla Od czoła pieca umieszczany jest otwór spustowy odprowadzający żeliwo na rynnę lub układ rynien spustowych. Stałe lub ruchome rynny spustowe w zależności od wymaganych warunków pracy czy założeń technologii odprowadzają ciekłe żeliwo bezpośrednio do kadzi bądź pieca odstojnikowego. W osi wzdłużnej pod piecem zabudowany jest na torowisku przesuwny wózek do odbierania i transportu żużla Działanie Przygotowany, odważony wsad przeładowywany jest z pojemnika na transporter wibracyjny. Transporter wsadu dosuwany jest do gardzieli uprzednio nachylonego pieca. Poprzez wychylenie pieca w przeciwnym kierunku oraz obroty o max ¼ obrotu wyrównuje się promieniowe rozłożenie wsadu. Po dokonaniu załadunku układ transportera jest odsuwany, piec wraca do pozycji poziomej, a z przeciwnej strony do pieca dostawiany jest palnik. Następnie uruchamiany jest proces topienia poprzez włączenie palnika. Powstałe spaliny po rozcieńczeniu powietrzem przechodzą w kanał odprowadzający, wyposażony w chłodnicę powietrzną ochładzającą spaliny do temperatury około C. Ochłodzone spaliny przechodzą przez filtry workowe i poprzez blaszany komin wydalane są do otoczenia. Proces topienia może być prowadzony w cyklu sterowanym ręcznie lub automatycznie i dzieli się na kilka faz: nagrzewania, topienia, dogrzewania i przetrzymania. Przy stosowaniu cyklu automatycznego każda z tych faz sterowana jest procesorem i nie wymaga ręcznej ingerencji. Po zakończeniu cyklu proces jest zatrzymywany, palnik wyłączany i następuje pomiar temperatury, ewentualnie kontrola składu i jego uzupełnienie. Następnie przebijany jest otwór spustowy i poprzez obrót pieca wokół jego wzdłużnej osi spuszcza się żeliwo do łukowej rynny. Po spuście, poprzez otwór

5 547 palnikowy, pochylając piec wokół osi poprzecznej, usuwa się żużel do wózka żużlowego. Po tej czynności piec jest gotowy do następnych operacji wytapiania. 4. UWAGI ODNOŚNIE EKSPLOATACJI PIECÓW 4.1. Wyłożenie Prawidłowo wykonane i spieczone wyłożenie powinno wytrzymać ok wytopów (znane są przypadki osiągania 800 i 1000 wytopów). Trwałość wyłożenia zależna jest od: - prawidłowości dochowania warunków eksploatacji pieca - zakresu realizacji prac utrzymania ruchu (bieżące naprawy) Zabiegi utrzymania ruchu zmniejszające zużycie wyłożenia mogą być wykonywane na gorąco, bądź na zimno. Naprawa na gorąco polega na wprowadzeniu do nagrzanego, opróżnionego pieca materiału ogniotrwałego o stosunkowo niskiej temperaturze topienia. Naprawy na zimno prowadzi się metodą natryskiwania bądź torkretowania. Przy dużym lokalnym ubytku, po wychłodzeniu pieca można usunąć część wyłożenia, a następnie ponownie ją ubić. Zużycie wyłożenia powinno być kontrolowane, mierzone i rejestrowane raz na tydzień. Szczególnie ważne są naprawy na zimno stożków, przedniego i tylnego, za każdym razem kiedy to konieczne. Zużycie materiałów ogniotrwałych w normalnych warunkach waha się w granicach 4 7 kg/t Załadunek wsadu Istotny wpływ na przebieg procesu topienia jak i skład otrzymanego żeliwa ma skład wsadu i sposób jego załadunku. Materiały wsadowe powinny spełniać następujące warunki: - wymiar poniżej 400 mm, ze względu na wielkość otworu załadowczego - znany skład dla przewidzenia końcowego składu żeliwa - pozbawione związków agresywnych wobec krzemionkowego materiału ogniotrwałego Załadunek powinien odbywać się w określonej sekwencji tak aby materiały i dodatki wsadowe zostały odpowiednio rozłożone w piecu. W celu otrzymania zamierzonego składu żeliwa należy przestrzegać proporcji poszczególnych surowców Ochrona środowiska W przeciwieństwie do żeliwiaków, piece obrotowe, podobnie jak elektryczne, emitują w spalinach małe ilości pyłów. Ze względu na surowe przepisy w Europie stosuje się dodatkowo filtry workowe, które pozwalają ograniczyć emisję pyłów poniżej 20 mg/nm 3 spalin. Zawartość NO x w spalinach jest średnio poniżej 5 kg/h, a zawartość CO i SO 2 są śladowe, poniżej standardu. Pomiary wykazują, że stężenia pyłów całkowitych i respirabilnych na stanowiskach pracy są niższe od wielkości dopuszczalnych. Także natężenie hałasu na stanowiskach

6 548 pracy jest niższe od dopuszczalnego i w odniesieniu do 8-mio godzinnego dnia pracy wynosi ok db Wskaźniki eksploatacyjne Poniżej prezentujemy średnie wskaźniki eksploatacyjne dla różnych typów pieców Tabela 1. Średnie zużycie gazów i wydajność pieców przy przegrzewaniu kąpieli do C Table 1 Unit consumption and capacity of furnaces at both overheating up to C (mean values) Pojemność pieca t 2,0 3,0 6,0 9, tlen Nm Metan Nm Wydajność t/h. 0,8-1,3 1,1-1,7 1,9-2,9 2,7-4,2 3,9-5,7 5,4-8,0 Uśrednione wydajności pieców przy przegrzewaniu kąpieli do C są uzależnione od gatunku żeliwa, rytmu pracy pieca, sposobu odbierania żeliwa z pieca oraz stanu wymurówki ogniotrwałej. Pracujące w jednej z polskich odlewni piece o nominalnej pojemności 8 ton uzyskiwały następujące wskaźniki liczone w stosunku do masy wsadu metalicznego: - cykl topienia do temp C 90 do 105 min - czas spustu 10 do 20 min - zużycie tlenu 135 do 160 Nm 3 /t - zużycie gazu ziemnego 42 do 50 Nm 3 /t LITERATURA [1] C. Podrzucki: Nowoczesne piece gazowe do wytapiania żeliwa. Wyd. Przegląd Odlewnictwa nr 5/97 [2] Nowe piece obrotowe do wytapiania żeliwa. Wyd. Przegląd Odlewnictwa nr 12/98 [3] Informacje producentów SUMMARY ROTARY FURNACES FOR IRON FOUNDRIES Rotary furnaces with fuel-oxygen burners are till now not very often applied in Polish iron foundries. Characteristics of these furnaces are presented defining economic, ecology and technical benefits. In comparison to other melting systems their flexibility and suitability for production of various iron grades inclusive spheroidal ones are emphasized. Reviewed by prof. Zbigniew Górny