Что такое вагранка и зачем она в литейном цехе

Если совсем просто, вагранка — это большая вертикальная печь вроде кастрюли, внутри которой переплавляют чугун и стальной лом до жидкого состояния. Сверху загружают металл и топливо, снизу подают воздух, по центру плавится шихта, а горячий расплав стекает вниз и через лётку выходит наружу — в формы для отливки. Добавить нечего принципиально: так и работает большинство чугунолитейных цехов.

Более строго вагранка — это печь шахтного типа, предназначенная для плавки чугуна в заводских условиях. Это самая распространённая чугунолитейная печь: до 95% работ по изготовлению чугунных изделий выполняется с её помощью. От доменной печи она отличается ключевым образом — в вагранке практически не происходят химические реакции, то есть состав чугуна при переплаве не меняется, а сама она заметно компактнее и проще в остановке и обслуживании.

О том, где и когда впервые применили такую конструкцию, ведутся споры. Первые печи, работающие по схожему принципу переплава металла в шахте, появились ещё в древнем Китае в период Сражающихся царств, а ко временам династии Хань такой способ варки чугуна был уже распространён по всему региону. Спустя почти две тысячи лет, около 1720 года, французский металлург Реомюр описал шахтную печь, конструкция которой уже почти не отличалась от современных вагранок. Одни исследователи полагают, что в середине 18 века такую плавильню применили в России на Гусевском заводе, а изобретателем называют заводчика Баташева. Другие считают, что первыми были англичане. Вероятно, правы первые, так как Уилкинсон зарегистрировал патент на плавильню только в 1794 году. То есть на несколько десятилетий позже. В сети легко найти фото и рисунки плавильных агрегатов той эпохи. Все они имеют схожую конструкцию. Эта конструкция стала эффективной заменой переносных горнов.

Типы и их особенности

Производятся модели, работающие на газу, твёрдом топливе – коксе, гибридные коксогазовые. Плюс коксовых печей – доступная шихта, небольшое содержание магния и кремния, минимальная окислительная способность создаваемой внутри плавильной камеры атмосферы. Также во время работы не требуется постоянно поддерживать высокую температуру в воздухоподогревателях. Газовые модели хороши, благодаря недорогому топливу. Однако наиболее выгодными считаются коксогазовые. Они обеспечивают снижение себестоимости готовых изделий.

Средняя производительность печей-вагранок варьируется в пределах от 5 до 20 тонн чугуна в час. Отдельные модели могут выплавлять до 45 – 50 тонн. Старинные модели давали производительность не выше 3,5 т/ч.

Устройство оборудования

Ещё одна важная особенность – простое устройство вагранки, обеспечивающее лёгкость сборки и монтажа на предприятии. Она состоит из четырёх основных деталей:

• Шахта, заполняемая шихтой и продуктами плавления. Внешние габариты – диаметр от 1,1 до 3 метров, высота в пределах от 3,7 до 9 метров.
• Копильник, в котором чугун накапливается перед непосредственной разливкой. В зависимости от модели он может иметь высоту 1,8 – 2 метра и до 3,5 включительно при диаметре от 90 см до 3 метров.
• Дымовая труба с разрежением в верхней части шахты. Её основная задача – отвод пыли и газа, образующихся во время работы печи.
• Искрогаситель, улавливающий раскалённые частицы, пыль.

Основной кожух изготавливается из листовой стали, футерованной изнутри шамотным или огнеупорным кирпичом. Кладка обеспечивает защиту конструкции и её равномерный прогрев изнутри. Кожух и футеровка не прилегают плотно друг к другу. Среднее расстояние между ними составляет 1,5 см. По периметру на стальной корпус привариваются уголки на расстоянии до метра друг от друга. На поверхности есть несколько типов отверстий – смотровые, загрузочные, для удаления шлака.

Печи такого типа выпускаются в трёх основных модификациях, отличающихся длительностью межремонтного цикла – 24 часа, до 80 часов и более. Первый тип обязательно оснащается системой водяного охлаждения. После цикла плавки производится ремонт футеровки.

Принципы эксплуатации

Разберём принцип работы вагранки на предприятии. Его условно можно разделить на несколько этапов:

• Сначала через специальное окно загрузки подаётся шихта. Это чугунный и стальной лом, стружка, флюсы и литники, кокс. В качестве флюса обычно применяется известняк (до 4% от общей массы). Материал подаётся в шахту порционно. В первую очередь загружают крупные куски коксового топлива. Металл измельчается перед подачей при помощи чушколомов, специальных ножниц, другого оборудования.
• Далее, используя газ или дрова, выполняют разогрев кокса до температуры около 1500С.
• Выполняется продувка и загрузка первой металлической колоши и рабочего кокса. Процедура повторяется, пока шахта не будет заполнена до загрузочного окна.
• Как только внутреннее пространство заполнено материалом, начинается подача воздуха при помощи вентилятора. Загруженный первым кокс выделяет газы, разогревающие внутреннее пространство, и обеспечивающие процесс равномерного плавления стальной шихты и чугунного лома.

Расплавленный материал постепенно стекает в переходную лётку, а из неё – в копильник. Далее специалисты могут добавлять модификаторы, ферросплавы, проводить продувку кислородом. Для модификации применяются магний, алюминий, силикокальций или ферросилиций. Эти добавки помогают добиться желаемых механических свойств металла. После заполнения копильника специалист выполняет спуск шлака через шлаковую лётку, а металл через чугунную.

При эксплуатации печи вагранки важен точный расчет параметров:

• Количества загружаемого материала;
• Состава и соотношения;
• Температуры внутри шахты.

Для растопки агрегата допускается применение различных видов топлива – антрацита, древесного угля, торфяного кокса, воздушно-сухого торфа и дров. Однако наиболее рациональным является использование каменноугольного кокса. Средний расход составляет до 12% от массы шихты. КПД ваграночного плавления в идеальных условиях – около 50%.

Топливо для вагранки

Основным топливом для вагранки служит каменноугольный кокс — он даёт стабильную температуру плавления и дешёв в закупке. Средний расход кокса составляет до 12% от массы шихты. В зависимости от доступности сырья допускается применение и других видов топлива — антрацита, древесного или каменноугольного угля. На отдельных производствах используют газ: гибридные коксогазовые вагранки позволяют снизить долю кокса в шихте и поднять себестоимость в более выгодную сторону. Реже применяют жидкое топливо и конструкцию передового горна. Для растопки агрегата подходят и более дешёвые источники — торфяной кокс, воздушно-сухой торф и дрова, но для стабильной длительной плавки опираются всё же на кокс. КПД ваграночного плавления в идеальных условиях – около 50%.

Где применяется вагранка

Главное применение вагранки — плавка чугуна для изготовления отливок. Именно из расплава, полученного в такой печи, на заказ производят корпусные детали, заготовки и фасонные изделия — от единичных штук до серий. Поэтому вагранка стоит в самом начале литейной цепочки, и качество металла, вышедшего из неё, напрямую определяет свойства готовой детали.

Но спектр шире, чем кажется. В вагранках переплавляют не только чугун: те же агрегаты используют для обжига руды цветных металлов, доломита и магнезита, а также для плавки цветных сплавов. Это делает конструкцию универсальным плавильным узлом на самых разных производствах — от чугунолитейных цехов до участков, работающих с цветным металлом.

Когда требуется получить серийные отливки с гарантированной геометрией, литейщики нередко отдают предпочтение литью в ХТС — холоднотвердеющие смеси позволяют держать точность размеров на высоком уровне. Плюс из ваграночного чугуна отливают типовые чугунные круги и заготовки самых ходовых размеров, которые идут в последующую механическую обработку.