Расчет чугунолитейной вагранки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исходные данные для расчета

Выплавка чугуна марки СЧ20, средний состав которого, в соответствии с ГОСТ 1412-85, приведен ниже (таблица 1). Обеспечить производительность вагранки 6т/ч.

Таблица 1

Химический состав выплавляемого чугуна, %
С	Si	Mn	P	S	Fe
3,4	1,9	0,85	0,2	0,1	93,55

В качестве топлива использовать кокс марки КЛ-1 следующего состава, % 5,0 влаги; 12,0 золы; 0,6 серы; 1,2 летучих. Расход кокса на плавку чугуна составляет 10% от массы металлозавалки.

Таблица 2

Химический состав золы кокса, %
SiO2	Al2O3	CaO	Fe2O3	MgO	MnO	P2O5
53,0	29,0	5,6	11,0	1,0	0,3	0,3

Таблица 3

Химический состав летучих кокса, %
CO2	CO	CH4	H2	N2
35,0	37,0	4,0	6,0	18,0

В качестве флюса использовать известняк первого сорта.

Таблица 4

Состав известняка, %
CaO	SiO2	Al2O3	FeO	FeS	P2O5
52,0	1,75	1,0	1,0	0,2	0,02



В качестве составляющей металлической шихты использовать литейный чугун марки Л4, передельный чугун парки ПЛ1, отходы собственного производства, покупной чугунный и стальной лом, силикомарганец марки МнС20 и ферросилиций марки Ф20. Химический состав (по сертификатам) составляющих металлической части шихты приведен в таблице 5.

В качестве дутья использовать холодный воздух, состоящий из 21,0% О₂ и 79,0% N₂ с содержанием влаги 9 г на 1 м³ сухого воздуха.

Таблица 5 Химический состав компонентов металлической шихты (по сертификатам)

№ п/п	Наименование материала	Содержание элементов, %
		С	Si	Mn	P	S
1	Отходы собственного производства	3,4	1,9	0,85	0,2	0,1
2	Покупной чугунный лом	3,2	2,0	0,7	0,2	0,1
3	Покупной стальной лом	0,3	0,4	0,7	0,05	0,05
4	Литейный чугун марки Л4	3,4	2,2	0,4	0,12	0,03
5	Передельный чугун марки ПЛ1	3,6	1,0	0,3	0,08	0,02
6	Силикомарганец марки МнС20	1,5	20,0	65,0	0,1	0,02
7	Ферросилиций марки ФС20	1,0	20,0	1,0	0,2	0,02

Футеровка вагранки выполняется из кислых огнеупоров (шамот), содержащих, %: 60 SiO₂; 36 Al₂O₃; 2 CaO и 2 MgO.

Определение количества металлических компонентов исходной шихты

Расчет ведется на 100 кг шихты. Данные по расчету будут последовательно заносится в таблицу 6.

Исходя из практических данных на аналогических агрегатах, при расчете принимаем следующие значения угара элементов: Y_C=12,5%, Y_Si=22,5%, Y_Mn=27,5%, Y_S=-67,5%, Y_P=0%. Основное количество серы поступает в чугун из кокса, 70% содержащейся в коксе серы переходит в чугун, а 30% окисляется, т.е. переходит в колошниковые газы. Поэтому содержание серы в чугуне увеличивается, имеет место пригар серы ( Y_S>0).

Среднее содержание элементов в металлошихте с учетом его изменения во время плавки определяем по выражению

= (100-Х)/100,%

где - Содержание элемента в жидком чугуне,%;

Х - Величина угара или пригара элемента,%;

Определяем содержание углерода в шихте

2,94%

Определяем содержание остальных элементов в шихте

Выполнив расчеты получаем:

2,328%,

1,084%,

0,056%,

0,3%.

Снижения содержания углерода, вносимого в исходную шихту отходами производства и чугунным ломом, можно добиться введением добавок стального лома.

Его количество определяем из уравнения баланса углерода в шихте:

где - содержание углерода в стальном ломе, % (в данном случае С_ш.ст=0,3%);

- масса добавок стального лома, кг;

- содержание углерода в жидком чугуне (требуемое среднее значение),% (в данном случае =3,4%);

-расчетное содержание углерода в шихте, %(в данном случае С_ш=2,975%).

Рассчитаем массу стального лома:

где =14,8 кг. Принимаем =15 кг.

Определим массу элементов, вносимых в исходную шихту 14 кг стального лома:

кг; кг;

кг; кг;

кг;

Аналогично производим расчет по другим компонентам шихты, количество которых на основании практических данных составит: для отходов литейного цеха-20%, для покупного чугунного лома 15%. Данные расчета, кг, заносим в строки 4,5, и 6 (табл.1). Величина необходимого корректирующего изменения состава исходной шихты по каждому элементу определяется по разнице значений строк 3 и 7.(табл.6).

Корректировку исходной шихты по основным элементам производим литейным чугуном марки Л-4 и передельным чугуном марки ПЛ-1.

Для определения их количества составим балансовые уравнения по элементам, обозначив их буквой А количество литейного чугуна марки Л4, буквой Б - количество передельного чугуна марки ПЛ-1. Расчет ведем по кремнию:

А+Б+49=100

2,2А+1,0Б=1,592(А+Б)

Б=25%,

А=26%.

Занесем рассчитанное количество материалов в строки 9 и10 в табл.6 и определим количество вносимых элементов Э для всех элементов по формуле:

где А- количество материалов;- содержание i-го элемента в материале, %. Результаты сравнения необходимого среднего состава исходной шихты по элементам (строка 3) с полученными (строка 11) заносим в строку 12. Вследствие незначительной установленной разницы в количестве С,Р и S их корректировка не производится.

Полученные данные показывают необходимость повышения количества вносимых элементов 0,782 кг кремния и 0,583 кг марганца на 100 кг шихты.

Поскольку изменение состава шихты предполагает одновременный ввод кремния и марганца, то целесообразно применение добавок силикомарганца, содержащего 65% Mn и 20% Si (марка МнС20).

Рассчитаем необходимое количество силикомарганца по марганцу с учетом степени усвоения 0,95:

кг.

При этом количество кремния, вносимое силикомарганцем, может быть определено из выражения

кг,



где 20-количество кремния в ФС20,%; 0,95-степень усвоения кремния.

кг.

Недостаток кремния (0,782-0,164)=0,618 кг вносим за счет ферросилиция марки ФС20, количество которого найдем по выражению

кг.

После определения необходимого количества силикомарганца и ферросилиция производятся окончательные расчеты по всем элементам. Из табл.6 строка 16 видно, что выбранная шихта в основном соответствует требуемому составу выплавляемого чугуна.

Таблица 6 Расчет шихты для плавки чугуна СЧ20

Номер Строки	Наименование	Кол-во, кг	Содержание элементов, %
			С	Si	Mn	P	S
			%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1	Требуемый состав жидкого чугуна	100,00	3,4	3,4	1,9	1,9	0,85	0,85	0,20	0,20	0,10	0,10
2	Угар элемента		+12,5	+0,425	-22,5	-0,428	-27,5	-0,234	0,0	0,0	+62,5	+0,0625
3	Средний состав шихты		2,975	2,975	2,328	2,328	1,084	1,084	0,2	0,2	0,038	0,038
4	Шихтовые материалы: Отходы	20,00	3,4	0,68	1,96	0,38	0,85	0,17	0,2	0,04	0,10	0,02
5	Покупной чугунный лом	15,00	3,2	0,48	2,0	0,30	0,70	0,105	0,20	0,03	0,10	0,02
6	Стальной лом (по расчёту)	14	0,03	0,0045	0,4	0,06	0,7	0,105	0,05	0,0075	0,05	0,0075
7	Итого внесено	49	-	1,202	-	0,736	-	0,373	-	0.077	-	0,047
8	Необходимо ввести			1,773		1,593		0,711		0,123		-0,015
9	Литейный чугун Л4	25	3,4	0,85	2,2	0,55	0,4	0,10	0,12	0,03	0,02	0,005
10	Передельный чугун марки ПЛ1	26	3,60	0,936	1,0	0,26	0,3	0,078	0,08	0,021	0,02	0,0052
11	Итого:	100		2,988		1,546		0,551		0,128		0,0052
12	Нехватка (избыток) по элементу			0,013		-0,782		-0,533		-,0073		0,0192
13	Требуется внести(сверх 100%): Силикомарганец МнС20	0,863	1,5	0,013	20,0	0,173	65,0	0,56	0,1	0,0009	0,02	0,00017
14	Ферросилиций Ф20	3,253	1,0	0,035	20,0	0,651	1,0	0.033	0,2	0,0065	0,02	0,00065
15	Всего:	104,116		3,094		2,370		1,144		0,135		0,0588
16	Разница в составах (без учета усвоения)	4,116		0,059		0,042		0,060		-0,065		-0,0288



Таблица 7 Итоговый состав шихтовых материалов

Материал	Количество, кг	Содержание элементов, %
		C	Si	Mn	P	S
1. Отходы	20	3,4	1,9	0,85	0,2	0,10
2. Чугунный лом	15	3,2	2,0	0,70	0,2	0,05
3. Стальной лом	14	0,03	0,4	0,7	0,05	0,05
4.Литейный чугун Л4 IV Г 4	25	3,4	2,2	0,4	0,12	0,02
5. Ферросилиций ФС 20	3,253	1,0	20.0	1,0	0.2	0.02
6. Всего	77,253

Расчет материального баланса ваграночной плавки

Расчет химического состава продуктов сгорания кокса

Расчет химического состава продуктов сгорания кокса производим на основании проведенного технического анализа кокса, золы и летучих, содержащихся в нем.

Химический состав продуктов сгорания кокса определяем с учетом при образовании золы, летучих и сернистых соединений.

Химический состав золы кокса

SiO₂ 53,0% MgO 1,0%

Al₂O₃ 29,0% MnO 0,3%

CaO 5,6% P₂O₅ 0,3%

Fe₂O₃ 11,0%

Химический состав летучих кокса

CO₂ 35,0 % H₂ 6,0 %

СО 37,0 % N₂ 18,0 %

CH₄ 4,0 %

Состав известняка

CaO SiO₂ Al₂O₃ FeO FeS P₂O₅

52,0 1,75 1,0 1,0 0,2 0,02

Количество фосфора в составе кокса, который находится в его золе в виде соединений P₂O₅ молекулярной массой 142, равно

C учетом стехиометрических соотношений количество FeS (молекулярная масса 88) может быть найдено через Fe₂O₃ (молекулярная масса 160):

FeS= .

Количество (молекулярная масса 80) может быть определено через CaО (молекулярная масса 56) с учетом его использования на образование (молекулярная масса 136):

=; =.

Органическую серу определяем по остаточному принципу после образования FeS и:

.

С учетом образования 1,2 % летучих количество компонентов кокса равно:

CO₂ =; ; ;

H₂ =; .

Исходя из химического состава золы кокса, определяем количество оксидов, образующихся при его сгорании и переходящих в шлак:

; ; ;

; .

Содержание углерода в коксе рассчитываем по остаточному принципу, таким образом С = 81,448%

Определяем, что в составе летучих CO₂ содержится

С^г - = 0,095%

О^г - = 0,255%

В CO

С^г - = 0,159%

О^г - = 0,211%

В CH₄

С^г - = 0,03%

Н^г - = 0,01%

Итого в летучих кокса содержится

С^г = 1,2(0,095+0,159+0,30) = 0,341%

Н^г = 0,072+1,2·0,01 = 0,084%

О^г = 1,2(0,255+0,211)=0,559%

Просуммировав углерод кокса и летучих, получим рабочий состав кокса, который представлен в таблице

Состав рабочей массы кокса

Содержание элементов, %
Ср	Нр	Ор	Nр	Sр	Wр	Aр
81,448	0,084	0,559	0,216	0,510	5,0	12

Теплота сгорания кокса вычисляется по формуле Д.И. Менделеева:

Q_н^р = 0,339·C^р + 1,03·H^р - 0,109·(O^р - S^р ) - 0,25·W^р

Q_н^р = 0,339·81,448 + 1,03·0,084 - 0,109·(0,559 - 0,51) - 0,25·5 = 26,442 МДж/кг.

Теоретически необходимое количество воздуха

L₀^в = 0,01·(1+ k)·[1,867·C^р + 5,6·H^р + 0,7·(S^р - O^р )]·(1 + 0,00124d_в )

L₀^в = 0,01·(1 + 79/21)·[1,867·81,448 + 5,6·0,084 + 0,7·(0,51 - 0,559)]·

(1 + 0,00124·9)= 7,32 м³/кг

Практический расход влажного воздуха

L_б = б· L₀^в = 1,05·7,32 = 7,686 м³/кг

Количество продуктов горения, м³/кг

V_CO2 = 0,01867·C^р = 0,01867·81,448 = 1,52

V_H2O = 0,112·H^р + 0,02144·W^р + 0,001244· L_б· d_в

V_H2O = 0,112·0,084 + 0,02144·5 + 0,001244· 7,686· 9 = 0,202

V_SO2 = 0,007·S^р = 0,007·0,51 = 0,003

V_N2 = 0,008·N^р + N_2возд · L_б

V_N2 = 0,008·0,216 + 0,97·7,686 = 7,45

Избыточный кислород в продуктах горения

V_O2 = (б - 1)· L₀^в·O_2возд = (1,05 - 1)·7,32·0,21 = 0,076 м³/кг.

Общее количество продуктов горения

V_д = V_CO2 +V_H2O +V_SO2 +V_N2 +V_O2 = 1,52 +0,202 +0,003 +7,45 + 0,076 = 9,25 м³/кг

Состав продуктов горения

CO₂ = ·100 = ·100 = 16,43%

H₂O = ·100 = 2,18%

SO₂ = ·100 = 0,03%

N₂ = ·100 = 80,54%

O₂ = ·100 = 0,82%

Состав продуктов горения кокса, %

CO2	H2O	SO2	N2	O2
16,43	2,18	0,03	80,54	0,82

Расчет количества и состава шлака

Определим составные части шлака и их количество. Расчетные данные сведем в таблицу 8.

Оксиды, образующиеся от угара элементов:

Содержание железа в 100 кг чугуна с учетом угара элементов равно

кг

Из практических данных принимаем угар железа 0,25%, что составляет

кг.

За счет угара элементов образуются оксиды:

кг;

кг;

кг.

В расчетах: 72- молекулярная масса FeO; 56 - Fe; 60 - SiO₂; 28 - Si; 71 - MnO; 55 - Mn. Общее содержание оксидов =1,519 кг.

Оксиды при оплавлении футеровки

В процессе плавки футеровка расплавляется и переходит в шлак. По практическим данным, эта масса составляет около 0,8% от массы выплавляемого чугуна. Тогда при работе вагранки на каждые 100 кг чугуна в шлак поступает из футеровки.

кг; кг;

кг; кг;

Всего за счет футеровки образуется 0,48+0,288+0,016+0,016=0,8 кг шлака на 100 кг чугуна.

Песок шихты.

Принимаем по опытным данным количество песка, вносимое шихтой в вагранку, равным 0,5% от массы чугуна. Песок имеет следующий химический состав, %:=90, =10. В этом случае в шлак из песка переходит кг; кг.

Всего за счет песка образуется 0,45+0,05=0,5 кг шлака на 100 кг чугуна.

Оксиды Fe на поверхности металлической шихты. Из опытных данных принимаем количество оксидов Fe на поверхности металлической шихты 0,25% от массы чугуна. Условно будем считать, что оксиды на поверхности металлической шихты состоят только из FeO, т.е. FeO=0,25кг.

Зола кокса. Количество золы кокса определяем по его расходу на плавление шихты

кг.

С учетом зольности кокса 12,0 % в шлак перейдет

кг

При данном химическом составе золы кокса в шлак поступит:

кг; кг;

кг; кг;

кг; кг.

Зная химический состав шлака, рассчитаем количество в нем свободного кремнезема, определив предварительно величины и для многокомпонентной системы:

=FeO+72/71(MnO)=0,612+=0,922 кг;

=СаО+56/40(MnO)=0,086+=0,1266 кг;

;

кг.

Для связывания (молекулярная масса 60) в волластонит потребуется внести СаО=1,92456/60=1,796кг. Это количество СаО может быть внесено известняком. Исходя из соотношений для многокомпонентной шихты, определим и в известняке.

Принимаем, что оксиды Fe находятся только в виде FeO. Тогда СаОможет быть определено по формуле

СаО=+0,55()+0,39-0,93(),

где -приведенное содержание оксида кальция с учетом оксида магния;

-приведенное содержание оксидов железа в виде FeO;

=СаО+56/40MgO=52+(56/40)3,5=56,9%;

СаО=56,9+0,551,0+0,391,0-0,931,75=56,21%.

Определим необходимое количество известняка по соотношению

СаО=кг.

При прокаливании известняка образуется в количестве 44,0 %, а при его влажности 0,8% количество вещества, переходящего в газы, составит

кг.

Тогда в шлак перейдет =3,195-1,431=1,764 кг. Исходя из химического состава известняка, определим количество вносимых оксидов:

кг; кг;

кг; кг;

кг; кг.

Итого в шлак перейдет известняка:

0,0559+1,661+0,032+0,032+0,0006+0,112=1,894 кг.

Потери при прокаливании составят 3,195-1,8941=1,301 кг.

При прокаливании образуется шлака

1,519+0,8+0,5+0,25+1,173+3,195=7,437 кг.

Определим количество всех оксидов в шлаке и вычислим их содержание, приняв 7,437 кг за 100%.

В соответствие с расчетом получаемый шлак имеет основность

Получаемый шлак является кислым.

Для определения температуры плавления полученного шлака по диаграмме плавкости трехкомпонентной шихты пересчитаем его состав из предположения, что СаО++=100%.

В действительности по расчету

СаО++=16,77+34,49+9,84=61,1%.

Тогда СаО=;

=;

=.

По диаграмме плавкости находим .

Проверим полученный шлак по вязкости. С учетом скорректированного состава шлака по диаграмме вязкости при находим, что вязкость шлака составляет 0,6 Па. Он находится между очень жидким и жидким и не нуждается в корректировке состава.

Таблица 8 Расчет ваграночного шлака

Источники шлакообраования	Количество, кг	Количество оксидов (молярная масса)
		Al2O3 (102)	SiO2 (60)	FeO (72)	MnO (71)	CaO (56)	MgO (40)
		%	Кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг
1. Угар элементов	1,519/20,46	-	-	60,36	0,917	19,75	0,300	19,88	0.302	-	-	-	-
2. Футеровка	0,8/10,76	36,00	0,288	60,00	0,480	-	-	-	-	2,00	0,016	2,00	0.01
3. Песок шихты	0,50/6,72	10	0,050	90,00	0,450	-	-	-	-	-	-	-	-
4. Оксиды на ломе	0,25/3,36	-	-	-	-	100,00	0,250	-	-	-	-	-	-
5. Зола кокса	1,173/15,77	30,86	0,362	56,48	0,662	5,29	0,062	0,316	0,0037	5,96	0,0699	1,07	0,0125
Итого	4,242/57,04	16,50	0,700	59,15	2,609	14,43	0,612	7,21	0,306	2,03	0,086	0,8	0,029
6. Известняк	3,195/42,96	1,0	0,032	1,75	0,0559	1,0	0,032	-	-	36,39	1,161	3,51	0,112
Итого шлака	7,437/100	9,84	0,732	94,49	2,565	8,66	0,644	4,11	0,306	16,77	1.247	1,90	0,141

Определение воздуха, необходимого для горения топлива и окисления примесей

Количество воздуха, поступающего в вагранку, определяем на основании данных о составе топлива, реакции окисления примесей и горения углерода кокса.

Количество углерода, необходимое для окисления соответствующего элемента химического состава чугуна (), определяют по соотношению

=,

где А-молекулярная масса оксида, образующегося при взаимодействии кремния, марганца, железа и других элементов с кислородом; 32-молекулярный вес кислорода; -масса образовавшегося оксида, кг.

При окислении железа по реакции образуются 0,3 кг , для чего потребуется кислорода

кг.

При окислении кремния по реакции образуется 0,917 кг , для чего потребуется кислорода

кг.

При окислении марганца по реакции образуется 0,302 кг , для чего потребуется кислорода

кг.

При определении количества кислорода, необходимого для сгорания серы кокса, учитывается только та часть кокса, которая пошла на горение и науглероживание чугуна. Для окисления серы по реакции потребуется :

кг.

При окислении FeS кокса в количестве кг по реакции потребуется кислорода в количестве

кг.

При окислении углерода кокса (без учета углерода, расходуемого на науглероживание чугуна) образуется и . Принимаем коэффициент расхода воздуха при горении кокса . При принятых условиях в продуктах сгорания отношение . Тогда количество углерода, сгорающего до , равно кг, а сгорающего до СО-

кг.

Количество кислорода, необходимого для сгорания углерода по реакции ,составит кг. Количество кислорода, необходимого для горения углерода по реакции составляет

кг.

Общее количество кислорода для окисления примесей чугуна, горения углерода и серы кокса равно

=0,067+0,489+0,068+0,078+0,077+13,2+4,4=18,379 кг.

Теоретически необходимое количество воздуха при содержании в нем 21% кислорода для окисления примесей чугуна, а также углерода и серы кокса определяем по выражению: кг.



Действительный расход воздуха при коэффициенте расхода воздуха составляет кг, или при объемной массе воздуха 1,293 кг/м . При содержании влаги в воздухе масса влажного воздуха равна

кг.

Расчет состава и количества колошникового газа

В результате окисления примесей чугуна, разложения флюса, горения кокса, испарения влаги кокса и воздуха образуется колошниковый газ, состоящий из СО₂,СО,SO₂,N₂ и H₂O. При горении углерода кокса образуются СО₂ и СО. Используя данные предыдущих расчетов, можно утверждать, что при сгорании 4,95 кг углерода до СО₂ по реакции С+О₂ =СО₂ образуется диоксид углерода в количестве:

кг.

При сгорании 3,3 кг углерода кокса до СО по реакции С+0,5О₂=СО образуется оксид углерода в количестве

кг.

Количество СО₂,образующегося при разложении известняка, определяем по выражению , где П- доля потерь при прокаливании. Тогда количество СО₂ , образующегося при разложении известняка, составит кг.

Всего образуется СО₂

кг.

Количество азота, поступающего с воздушным дутьем, равно

кг.

Пары воды в колошниковом газе образуются в результате испарения физической влаги и воздуха:

кг.

В колошниковый газ перейдет также избыточный воздух:

. В не количество кислорода составляет кг.

Количество серы, перешедшей в газ, может быть найдено по разности общего содержания серы в шихте и её количества, перешедшего в шлак в виде FeS и в металл. Сера в вагранку поступает:

Из металлошихты в количестве 0,047 кг;

Кокса кг;

Известняка кг.

Всего: 0,047+0,0599+0,00007=0,107 кг.

Из всего количества серы уходит в металл 0,1 кг и шлак в виде кг. Тогда в газ перейдет 0,107-0,1-0,0007=0,0063 кг.

Это количество в виде составляет кг.

Полученные результаты расчета состава колошникового газа внесем в таблицу 9.

Материальный баланс составляется на 100 кг шихты, что дает возможность сопоставить работу вагранок, отличающихся режимами работы и конструкцией.

Таблица 9 Состав колошниковых газов

Газ	Масса	Объем
	кг	%	м3	%
СО2	19,556	19,19	19,556•22,4/44=9,956	13,06
СО	7,7	7,56	7,7•22,4/28=6,160	8,08
N2	72,568	71,22	72,568•22,4/28=58,054	76,15
SO2	0,0126	0,01	0,0126•22,4/64=0,004	0,01
H2O	1,139	1,12	1.139•22,4/18=1,417	1,86
O2	0,919	0,90	0,919•22,4/32=0,643	0,84
Всего	101,895	100,0	76,234	100,0

Таблица 10 Материальный баланс ваграночной плавки

Приход	Масса,	Расход	Масса,
	кг	%		кг	%
1.Металлическая шихта	100,00	48,31	1. Жидкий чугун	99,575	48,10
2. Кокс	10,0	4,83	2. Шлак	7,437	3,59
3. Известняк	3,195	1,54	3. Колошниковый газ	101,895	49,23
4. Футеровка (в шлак)	0,8	0,39	4. Невязка	-1,915	-0,92
5. Песок шихты	0,5	0,24
6. Воздух дутья	92,497	44,69
Всего	206,992	100,00	Всего	206,992	100,00

Расчет конструктивных параметров вагранки

Определение размеров шахтной части вагранки

С целью обеспечения стабильного процесса выплавки чугуна в вагранке при условии обеспечения нормального дутьевого режима наиболее целесообразно использовать шахтный агрегат со вторичным (с двумя рядами фурм) дутьем. Внутренний диаметр вагранки определяется по выражению



D_в=1,1•=1,1• =1,1 м. Принимаем D_в= 1,1 м;

где - производительность вагранки, т/час.

G - удельная производительность (5-10).

Толщину огнеупорной футеровки с учетом размеров стандартного кирпича(65113230), зазора между кожухом и огнеупорной футеровкой в пределах 10…30 мм выбираем 295 мм, толщину корпуса вагранки 12 мм ( толщина листовой стали). Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит:

1100+2•295+2•12= 1714 мм или 1,714 м.

Полезную высоту вагранки определяем как расстояние от оси основного ряда фурм до порога завалочного окна и её минимальное значение определяем по выражению =. Принимаем =4,5 м.

Общая высота печи составит

,

где -расстояние от оси основного ряда до поверхности металла в горне, равное высоте слоя кокса, в котором полностью раскрывается струя воздушного дутья;

-расстояние от пола цеха до пода печи, м. Принимаем =2,0 м;

-высота заполнения горна металлом.



Тогда получаем

=,

где -угол раскрытия струи. Принимаем =6

-диаметр горновой части вагранки. Для обеспечения наилучшего газораспределения =0,85=0,85•1,1=0,935 м;

-угол наклона фурмы к горизонту. Принимаем =20.

= м.

Принимаем максимальную массу отливок 1т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью 6 т/ч составит выпусков в час, высота горна составит

где -объем горна, заполненного 1т жидкого чугуна с учетом находящегося там кокса, =0,33 т;

м.

При двойном ряде фурм производительность вагранки выше на 25…30%, поэтому высоту горна следует увеличить на 25…30%. Принимаем =0,45м. Тогда фактический объем горна составит

м.

Общая высота вагранки от пола до завалочного окна составляет

м.

Диаметр металлической летки определяем по выражению

,

где - плотность чугуна, кг/м. Принимаем =7000 кг/м;

-скорость истечения чугуна. Принимаем =0,7 м/с;

. Принимаем =20 мм.

Диаметр шлаковой летки выбираем на 30…50 мм больше металлической:

=20+40=60 мм.

Рациональное количество фурм в ряду может быть установлено по выражению. Для симметричности расположения в вагранке принимаем n=6 шт.

Расчет воздухоподводящей системы

Основными параметрами, обеспечивающими устойчивый режим горения кокса, являются оптимальный расход и давление дутья, что необходимо для правильного выбора воздуходувки.

В расчете принимаем, что через фурмы нижнего основного ряда подается 60% от общего количества дутья, а через верхние- 40%. На различных участках воздушного тракта устанавливаем следующие скорости движения воздуха:

· В воздуховодах от воздуходувки до фурменного пояса 10…15 м/с. В расчете 10 м/с;

· В распределительных коллекторах основного и дополнительного рядов 2,5…4,0 м/с. В расчете 4,0 м/с;

· В воздуховодах к фурмам 12…15 м/с;

· Минимальная скорость истечения воздушного дутья через фурмы вагранки диаметром 1100 мм для обеспечения рационального газодинамического режима её работы - не ниже 15 м/с.

Принимаем средний удельный расход дутья =140 . Тогда общий расход воздуха на вагранку составит

При этом через нижний ряд фурм необходимо направить

м³/ч,

а через верхний - .

Диаметр воздуховодов, выполненных из труб, определяется принятой скоростью движения газов. Диаметр общего трубопровода составляет

=

Диаметры воздуховодов нижнего и верхнего рядов равны соответственно

=

=

Аналогично рассчитываются воздуховоды, подводящие дутье к каждой фурме.

Для рассчитываемой вагранки производительностью 6 т/ч количество фурм в каждом ряду составляет 6 шт. При равномерном распределении дутья по ним через каждую фурму нижнего и верхнего рядов поступает соответственно

;

.

Тогда диаметры труб, подводящих дутье в каждый ряд, составит для нижнего ряда

=; для верхнего ряда

=

В соответствии с ГОСТ 8731-78 и ГОСТ 10704-76 выбирают трубы стандартных размеров с учетом наружного диаметра и толщины стенки, внутренний диаметр которых близок к расчетным. Для общего воздуховода- трубу наружным диаметром 540 мм с толщиной стенки 7 мм. Для воздуховода, подводящего дутье в фурменный пояс нижнего ряда, - трубу с наружным диаметром 420 мм и толщиной стенки 4,5 мм. Для трубопровода верхнего ряда фурм предлагается использовать трубу внешним диаметром 337 мм и толщиной стенки 4,5 мм. Для подвода воздушного дутья непосредственно к фурмам для нижнего ряда можно использовать трубу с наружным диаметром 140 мм и толщиной стенки 4,5 мм. Соединение труб с фурмами обычно осуществляют с помощью фланцевых соединений.

Исходя из средней скорости движения воздуха в коллекторах, можно установить площадь их сечения. Принимаем скорость движения воздуха 4 м/с. Тогда ,. При высоте фурменных коллекторов 0,7 м ширина прямоугольного сечения для основного ряда составит

;

для дополнительного ряда

При выбранных ранее размерах корпуса вагранки внутренний диаметр коллектора фурм верхнего дополнительного ряда равен 1,714+2·0,14=2,014 м.

Диаметр перегородки, разделяющий коллекторы верхнего и нижнего ряда фурм равен 2,014+2·0,004+2·0,211=2,444 м.

Наружный диаметр фурменного коллектора нижнего ряда фурм составляет 2,444+2·0,319+2·0,004=3,09 м.

Учитывая тип фурменных коллекторов и их конструктивные особенности, примем следующие размеры радиусов и , образующих внутренние и наружные поверхности коллекторов для верхнего и нижнего рядов фурм:

мм =1,011м;

1,011+0,315=1,146 м;

1,146+0,004=1,15 м;

1,15+0,474=1,624 м.



Для расчета предохранительных клапанов безопасности коллекторов верхнего и нижнего рядов фурм определим их объем:

Для обеспечения безопасности работы вагранки площадь предохранительных клапанов должна составлять 0,05 на каждый 1объема коллектора. Тогда общая площадь предохранительных клапанов распределительного коллектора нижнего ряда фурм составляет

2,870,05=0,1435, а общая площадь клапанов коллектора верхнего ряда фурм - 0,640,05=0,032.

Принимаем минимальное количество клапанов на каждом коллекторе - 4. Тогда площадь одного клапана для коллектора составит

;.

Диаметры клапанов, соответствующие этим площадям, составляют

=;

=.

Клапаны указанных размеров свободно размещаются по ширине фурменных коллекторов.

Необходимое давление на фурмах можно определить по выражению

где - удельный расход воздуха,

А- эмпирический коэффициент,А=100 при нормальном размере кусков шихты и кокса;

.

При потере давления дутья в воздуховодах и в мокром пылеосадителе необходимое давление, развиваемое воздуходувкой, составит 935,9+200+200=1335,9 мм вод. ст.

Таким образом, для рассматриваемого варианта необходимо применить воздуходувку модели В2М 14/1400 , которая развивает давление 1400 мм вод. ст. и обеспечивает максимальный расход дутья 1400.

Масса груза на предохранительных клапанах для этого давления составит для коллектора нижнего ряда фурм

0,03581400 = 50,12 кг;

для коллектора верхнего ряда

0,0081400 = 11,2 кг.

Расчет теплового баланса вагранки

В основе расчета теплового баланса чугунолитейной вагранки лежат данные материального баланса. Кроме того, принимаем, что температура жидкого металла на желобе на 50 градусов ниже температуры шлака. Температура колошниковых газов равна 120 . Температура подогрева воздуха 600.

Основной целью этого расчета является определение действительного расхода кокса на плавку чугуна, установление доли непроизводительных расходов теплоты и определение теплового КПД агрегата.

Тепловой баланс составляем на 100 кг шихты.

Статьи прихода теплоты

1.Основной приходной составляющей теплового баланса вагранки является горение кокса. В соответствии с уравнением Д.И.Менделеева и данными о химическом составе кокса

Q_хим = 26442·В кДж, где В- расход топлива, кг.

2. Воздух подогревается до температуры 600 ?С. Физическую теплоту подогретого воздуха определяем по формуле

Где с - теплоемкость при заданной температуре

3.Теплота окисления примесей чугуна

3.1.Окисление железа по реакции кДж:

кДж.

3.2.От окисления кремния по реакции кДж:

кДж.

3.3.От окисления марганца по реакции кДж:

кДж.

кДж.

Теплота шлакообразования определяется по формуле

кДж,

где -масса образованного шлака, кг; 335-теплота шлакообразования, кДж/кг, =7,437335=2491,4 кДж.

Итого приход теплоты в вагранку составляет

26442·В + 2657,94·В + 17071,64 + 2491,4 = 29099,94·В + 19563,04

Статьи расхода теплоты

вагранка шихта плавка металлический

1.Теплота на нагрев, расплавление и перегрев чугуна

,

где - количество жидкого металла, полученного из 100 кг шихты, кг;

- средняя теплоемкость чугуна в твердом состоянии, кДж.

Принимаем =0,7536 кДж;

- удельная теплота плавления чугуна, кДж/кг. =236 кДж/кг.

-средняя теплоемкость чугуна в жидком состоянии, кДж.

=0,9211 кДж;

- температура плавления, . =1180;

- температура выпуска металла из вагранки, .=1400.

кДж.

2.Теплота расплавления и перегрева шлака

кДж.

3.Теплота разложения известняка

,

где - количество добавок известняка в исходную шихту, кг;

- удельная теплота разложения известняка, =4044 кДж/кг

кДж.

4.Теплота испарения влаги кокса.

,

где - количество воды в коксе, кг, = - теплота испарения влаги, =2520 кДж/кг. =кДж.

5. Расход теплоты на разложение влаги дутья

121139,88кДж,

где 5241- общий расход воздушного дутья, ; 9- влагосодержание воздуха, ; 2520- затраты тепла на испарение воды, кДж/кг.

6. Физическая теплота отходящих газов

Тогда

7. Потери теплоты в окружающее пространство за счет теплопроводности определяем по выражению

, кДж,

Где ; .

R₁=0,55 + 0,295 = 0,845; R₂ = 0,845 + 0,02 = 0,847; R₃ = 0,847 + 0,012 = 0,859



Таблица 11 Сводный тепловой баланс чугунолитейной вагранки

Приход	Расход
Статья	кДж	%	Статья	кДж	%
1.Теплота сгорания от кокса	269179,56	76,37	1. Физическая теплота жидкого чугуна	132224,65	37,51
3.Окисление примесей чугуна, в том числе: Железо Кремний марганец	17071,64 1123,6 14243,76 1704,28	4,84 0,31 4,04 0,49	2.Теплота расплавления и перегрева шлака	13069,78	23,71
4.Теплота шлакообразования	2491,4	0,71	3.Теплота разложения известняка	12920,58	2,74
Физическая теплота подогретого воздуха	63705,82	18,08	4.Теплота испарения влаги кокса	1282,68	0,1
Всего:	352448,42	100,00	5.Теплота испарения влаги дутья	121133,88	34,36
			6.Физическая теплота отходящих газов	14734,94	4,18
			7.Потери теплоты в окр. среду	20457,7	5,8
			невязка	36624,21	10,39
315824,21			Всего:	352448,42	100,00

Итого расход теплоты составляет

132224,65 + 13069,78 + 12920,58 + 126·В + 121139,88 + 1447,44·В + 20457,7 = = 299812,59 + 1573,44·В

Общее уравнение теплового баланса ваграночной плавки имеет вид

29099,94·В + 19569,04 = 299812,59 + 1573,44·В

Тогда действительный расход кокса на 100кг шихты равен 10,18кг.

Сводная таблица теплового баланса ваграночной плавки представлена в таблице 11.

Тепловой КПД чугунолитейной вагранки равен отношению суммы теплоты расплавленного металла, шлака и эндотермических реакций к общему приходу теплоты в агрегат.

Тогда КПД= 28,07+2,77+2,74+0,43+25,71=59,72%.

Размещено на Allbest.ru