Производство отливок из чугуна

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тихоокеанский государственный университет

Кафедра «Литейного производства и технологии машиностроения»

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Теплотехника»

Выполнил: студент группы ЛП-61

Ханин Александр Сергеевич

Проверил: Ри Эрнст Хосенович

Хабаровск

Cодержание

Введение

1. Назначение и область применения

2. Общие теоретические положения

2.1 Горение топлива

2.2 Плавление и перегрев металла в вагранке

3. Разновидности вагранок

3.1 Коксогазовые вагранки

3.1.1 Влияние качества кокса на тепловые процессы

3.2 Газовые вагранки

3.3 Вагранки с горячим дутьем

3.4 Вагранки с охлажденным плавильным поясом

4. Конструкция и работа вагранки

4.1 Конструкция вагранки

4.2 Работа вагранки

5. Факторы, влияющие на ход ваграночной плавки

5.1 Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки

5.2 Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки

6. Способы интенсификации ваграночного процесса

6.1 Расширение зоны горения кокса

6.2 Расширение зоны высоких температур и дожигание CO

7. Использование кислорода в ваграночном процессе

8. Расчет вагранки

9. Техника безопасности

Список используемой литературы

Приложение

Введение

Производство отливок из чугуна. Печи для плавки чугуна. Плавка чугуна или так называемая вторичная плавка осуществляется в следующих плавильных агрегатах: в вагранках, индукционных печах ИТП и ИКП и дуговых печах переменного и постоянного тока (ДСП и ДППТ). Соответственно различают методы плавки чугуна: ваграночная, индукционная и дуговая. Применение плазменных печей получило ограниченное распространение. Их применяют для переплава крупногабаритного лома, например чугунных прокатных валков. Наиболее распространенным чугуноплавильным агрегатом до недавнего времени являлась вагранка.

Разнообразие промышленных печей, используемых в литейном производстве, вызывает необходимость подразделения их на основные группы.

Главными этапами получения готовых изделий в литейном производстве являются расплавление металла и его разливка по формам и затем в ряде случаев термическая обработка отливок. Для получения высококачественных литейных форм их обязательно сушат. Исходя из этого, различают печи для получения расплавленного металла (плавильные), нагрева отливок с целью их последующей термической обработки (термические) и сушки литейных форм (сушила). Во всех этих печах протекают процессы превращения какого-либо вида энергии в тепловую, и затем передача этой теплоты к расплавляемому, нагреваемому или сушимому материалу.

По способу генерации теплоты все печи подразделяют на топливные, где теплота выделяется за счет горения топлива, и электрические, где электроэнергия преобразуется в теплоту электрической дугой, нагревательными элементами сопротивления или индукцией.

По условиям теплопередачи печи подразделяют на печи с теплопередачей преимущественно излучением и конвекцией. К первым относят высокотемпературные печи, в которых доля конвекции невелика. К печам преимущественно с теплопередачей конвекцией в рабочем пространстве относят в основном низкотемпературные печи, в которых излучение не играет существенной роли, например сушила.

Работа печей характеризуется тепловой мощностью, тепловой нагрузкой, температурным и тепловым режимами.

Тепловая мощность выражается в кВт; это наибольшее количество теплоты, которое можно подать в печь. Тепловая нагрузка -- это количество теплоты, которое фактически подается в печь. Температурный режим -- это изменение температуры печи во времени. Тепловой режим -- это изменение тепловой нагрузки во времени.

По тепловому режиму печи подразделяют на печи, работающие по камерному режиму, и печи, работающие по методическому режиму. В печах, работающих по камерному режиму, температура рабочего пространства остается постоянной на протяжении всего времени работы печи. В печах, работающих по методическому режиму, температура в печи изменяется по длине печи или во времени.

Основные характеристики работы печи -- ее коэффициент полезного действия (КПД), коэффициент использования топлива (КИТ), а также производительность.

1. Назначение и область применения

Вагранка представляет собой шахтную печь со слоевым режимом тепловой работы, предназначенную для выплавки чугуна.

В качестве топлива применяют кокс или смесь кокса с природным газом; шихта состоит из доменного чугуна, стального и чугунного лома и флюсов.

Металлическую шихту и кокс загружают в верхнюю часть, шахты вагранки. Воздух, необходимый для сжигания топлива, подают через фурмы, расположенные в печной части шахты. За счет теплоты, выделяющейся при сжигании кокса, происходит плавление составляющих металлической шихты. Продукты, горения топлива, поднимаясь по шахте вверх навстречу опускающимся материалам, отдают им свою теплоту.

Теплообмен между нагревающимся материалом и охлаждающимися газами происходит по схеме противотока. Большая тепловоспринимающая поверхность материалов обеспечивает хорошее использование тепла газов. Температура газов в зоне плавления внизу шахты составляет 1600--1700°С, а температура газов, выходящих из вагранки, 300--500° С.

2. Общие теоретические положения

2.1 Горение топлива в вагранке

Ваграночное топливо должно не только выделять необходимое количество теплоты для процесса плавки, но и выдерживать вес столба материалов, находящихся в шахте. Топливо, соответствующее требованиям плавки в вагранке, должно обладать высокой механической прочностью при нормальной и высокой температурах, определенной пористостью, которая должна быть не более 45 %, низкой реакционной способностью и низким содержанием серы. Наиболее подходящее для этих целей топливо -- литейный кокс. Размер кусков кокса определяет высокопроизводительную и экономическую работу вагранок. Применение крупных кусков кокса одинакового размера создает условия для выплавки горячего чугуна. Исследования показали, что с увеличением диаметров кусков кокса от 25 до 100 мм (при сохранении всех прочих условий постоянными) температура чугуна повышается от 1300 до 1450 °С. Наиболее желательно применение кусков кокса диаметром 100--150 мм.

Кокс в вагранке горит в холостой колоше. Воздух, поступающий через фурмы, встречается с раскаленными кусками кокса, в результате чего происходит интенсивное протекание реакций взаимодействия углерода кокса с кислородом воздуха. Исследования горения слоев кокса показывают, что в первом слое расходуется ~50 % всего кислорода, содержащегося в воздухе. В последующих двух-трех слоях расходуется остальной кислород. Слой, в котором полностью усваивается кислород воздуха, называется кислородной зоной.

На рис. 3.1. приведены результаты исследования характера газообразования в кислородной зоне при различных скоростях дутья (0,11; 0,25; 0,49; 1; 1,5 и 2 м/с). По мере расходования кислорода возрастает содержание СО и CO₂. Если при скорости дутья ю = 0,11 м/с содержание СО₂ значительно больше, чем СО, то по мере увеличения скорости дутья эта разница постепенно исчезает. При скорости дутья ю=2 м/с СО в отходящих газах содержится больше, чем СО₂. Из приведенного примера ясно, что с увеличением скорости дутья повышается содержание окиси углерода

рис. 3.1. Характер газообразования в кислородной зоне

Установлено, что соотношение между СО и СО₂ в конце кислородной зоны зависит от температуры. Чем выше температура, тем меньше полнота горения. Такие способы интенсификации горения, как форсированное дутье, обогащение дутья кислородом, приводят к снижению полноты горения в конце кислородной зоны. Исследование процесса горения кокса в вагранке показало, что взаимодействие кислорода воздуха с углеродом кокса в холостой колоше вагранки лимитируется скоростью диффузии кислорода воздуха к поверхности куска кокса. Состав газов меняется по высоте вагранки (рис. 78). В вагранке над кислородной зоной расположена зона восстановления СО₂. Основной процесс в этой зоне -- взаимодействие углекислого газа с углеродом кокса. В результате протекания реакции

С+ СО₂ = 2СО -- Q

содержание СО₂ постепенно уменьшается, а содержание СО возрастает. Концентрация СО и С0₂ резко изменяется на сравнительно небольшом участке, т. е. на участке с высокой температурой. Когда поднимающиеся газы охлаждаются до температуры 900--1000 °С, взаимодействие газов с коксом практически прекращается. Об этом свидетельствует почти постоянное содержание в ваграночных газах СО и СО₂.

Правильность анализа ваграночного газа проверяют по формуле

СО + О₂ + 0,6 СО = 21 ± 1

где СО₂, О, и СО -- содержание углекислого газа, кислорода и окиси углерода в ваграночном газе.

В горн, расположенный ниже оси фурм, свежие продукты горения топлива практически не поступают, поэтому движение газов отсутствует и реакция восстановления СО₂ углеродом кокса протекает достаточно полно. Соотношение СО/СО₂ соответствует области чистого железа (рис.3.2.), поэтому в горне вагранки все окислы железа восстанавливаются. Для эффективной работы горна, как зоны восстановления железа, необходимо непрерывно удалять из вагранки жидкий чугун и шлак, так как при накапливании чугуна и шлака в горне их уровень постоянно меняется, а следовательно, меняются и условия восстановления окислов металла в горне.

Рис.3.2. Изменение состава газов по высоте вагранки

2.2 Плавление и перегрев металла в вагранке

Переплавляемый металл, загруженный в вагранку, опускаясь в шахте, последовательно проходит через зоны подогрева, плавления, перегрева, горн и стекает в копильник.

В зоне подогрева металл находится в твердом состоянии. Соприкасаясь с ваграночными газами, металл постепенно нагревается от начальной температуры t_м до температуры плавления t_пл (рис. 4.1. кривая 2). Передача теплоты, от ваграночных газов к металлу происходит за счет конвекции, так как газы движутся в шахте с достаточно высокой скоростью. Передача теплоты излучением практически отсутствует, так как средняя температура газов не превышает 1000°С (рис. 4.1. кривая 3). В зоне подогрева металл окисляется, взаимодействуя с газом СО₂. Скорость окисления металла увеличивается с ростом температуры нагрева металла (рис. 4.1., кривая 1).

рис.4.1. Взаимодействие металла с газами по высоте вагранки

1-процесс окисления; 2-нагрев металла; 3- температура ваграночных газов

В зоне плавления поверхностный слой металла начинает оплавляться. Жидкий металл в виде отдельных капель или струек отделяется от куска металла и стекает вниз. Температура металла в зоне плавления остается практически постоянной, а окисление металла увеличивается.

В зоне перегрева температура t_пер металла увеличивается, а окисление металла приостанавливается, так как в результате контакта жидкого металла с коксом интенсивно протекает реакция восстановления окислов железа (рис. 4.1. кривая 1).

В горне вагранки температура поддерживается только за счет теплоты, приносимой жидким металлом и шлаком из зоны перегрева, поэтому температура t_м металла в горне немного понижается (рис. 4.1. кривая 2).

В горне протекают реакции

FeO + С = Fe + СО; МnО + С = Мn + СО;

SiО₂ + С = Si + СО₂; СО, + С = 2CO,

в результате чего содержание окиси углерода может достигать 97 %. Процесс восстановления окислов металлов в горне идет настолько эффективно, что при достаточной высоте горна весь металл, окислившийся в зонах подогрева, плавления и перегрева, может быть восстановлен (рис. 4.1. кривая 1).

Стабильные результаты, как по перегреву металла, так и по его химическому составу могут быть получены только в том случае, если весь металл и шлак непрерывно удаляются из горна в копильник. Если в горне будет накапливаться металл и шлак и их уровни будут меняться в процессе плавки, то степень восстановления окислов металла в горне будет осуществляться не полностью, что вызывает значительное колебание химического состава шлака, а, следовательно, и выплавляемого чугуна.

3. Разновидности вагранок

Вагранки (печи шахтного типа) Открытые Закрытые Без водяного охлаждения С водяным охлаждением С кислой футеровкой С основной футеровкой Без подогрева дутья С подогревом дутья - воздухом до 400оС(с применением рекуператора); - воздухом до 700 оС (с применением электронагревателей; - воздухом обогащенным кислородом (3-5% О2 ) Без копильника С копильником

3.1 Коксогазовые вагранки

В коксогазовых вагранках топливом служат кокс и природный газ. Природный газ сжигают в туннелях, расположенных по окружности вагранки над фурмами.

Высоту расположения горелок над фурмами выбирают исходя из того, чтобы продукты горения выходили ниже верхнего уровня холостой колоши шахты вагранки на 250--300 мм. Таким образом, если в коксогазовой вагранке выплавляют серый чугун, а высота холостой колоши над осью фурм, например, 1200 мм, то ось горелок должна быть выше оси фурм на 900--950 мм. Если в коксогазовой вагранке выплавляют белый чугун, а высота холостой колоши над осью фурм, например, 600 мм, то ось горелок должна быть выше оси фурм на 300--350 мм. Горенке газа производится двухпроводными горелками внутреннего смешения.

Состав колошниковых газов коксогазовой вагранки, в которой одновременно сгорают кокс и природный газ, отличается от состава колошникового газа коксовой вагранки.

По составу продуктов горения коксогазовая вагранка кожет быть условно разделена на четыре характерные зоны (рис. 7.1).



рис 7.1. Зоны продуктов горения в коксогазовой вагранке:

1-подача воздуха; 2-подача газовоздушной смеси; 3-носик горелки; 4-фурма Зона 1 содержит только продукты горения кокса, т. е. состав ее такой же, как и состав коксовой вагранки.

Зона 11 содержит только продукты горения природного газа; основной составляющей природного газа является метан (до 98 %), поэтому продукты горения в зоне 11 состоят из 10 % СО₂, 19 % Н₂О и 71 % N₂. Продукты горения природного газа заполняют туннели газовых горелок и пространство между кусками кокса в непосредственной близости от туннеля. Максимальную температуру продуктов горения природного газа получают при подаче для горения природного газа теоретически необходимого количества воздуха (на 1 м³ СН₄ 9,52 м³ воздуха) и тщательном перемешивании газовоздушной смеси. Увеличение или уменьшение количества воздуха по сравнению с теоретическим расходом приводит к снижению температуры продуктов горения природного газа.

Зона 111 содержит продукты горения природного газа, прореагировавшие с раскаленными кусками кокса. В этой зоне углекислый газ, содержащийся в продуктах горения природного газа, при контакте с коксом частично восстанавливается до окиси углерода по реакции

С + СО₂ = 2СО -- Q.

Полностью избежать процесса восстановления углекислого газа, очевидно, нельзя, так как в районе горения природного газа создается высокая температура. Водяной пар, содержащийся в продуктах горения природного газа, при контакте с коксом разлагается по реакции

2Н₂О + С = 2Н₂ + С0₂ -- Q;

Н₂О + С = Н₂ + СО - Q.

Продуктами разложения являются окись углерода, углекислый газ и водород.

Зона IV содержит смесь продуктов горения кокса, поступающих из зоны 1, и продуктов горения природного газа, прореагировавших с раскаленным коксом, поступившим из зоны 111. Правильность анализа колошникового газа коксогазовой вагранки, отбираемого из зоны IV, нельзя установить по формуле

СО₂ + О₂ + 0,6СО = 21 ± 1,

где СО, О₂ и СО -- содержание колошникового газа.

Эту формулу можно использовать только в том случае, когда весь кислород воздуха расходуется на горение углерода.

В коксогазовой вагранке кислород воздуха расходуется не только на горение углерода, но и на горение водорода, входящего в состав метана. Правильность анализа состава колошникового газа коксогазовой вагранки можно установить но формуле

(1 + ?) СО₂ + О₂ + (0,6 + ?) СО - 0,185Н₂ = 21 ± 1; ? = 2,37 Н/С,

где Н и С -- содержание водорода и углерода в коксе и природном газе.

Условия перегрева металла в коксогазовой вагранке примерно такие же, как в коксовой вагранке.

Температура чугуна на желобе 1390--1400 °С. Газонасыщенность чугуна, выплавленного в коксогазовой вагранке, немного больше; например, содержание водорода в чугуне из коксовой вагранки 4 см³ на 100 г металла, а из коксогазовой вагранки доходит до 6 см³. При переводе коксовой вагранки на коксогазовый обогрев снижается расход кокса на рабочую колошу. При расходе природного газа в количестве 25--30 м³ на 1 т металлозавалки расход кокса в рабочей колоше уменьшается на 30--35 кг. В коксогазовой вагранке атмосфера более окислительная, чем в коксовой вагранке, что увеличивает угар кремния и марганца и ухудшает условия науглероживания жидкого металла. Чугун плавится за счет тепла, выделяющегося от сгорания кокса, стекает в нижнюю часть шахты, называемую горном, и либо накапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска чугуна на заливку. Горн и нижняя часть рабочей калоши - это по существу зона плавления, а вагранка с копильником -это агрегат непрерывного действия. Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняются вдвинутыми водоохлаждаемыми, быстросъемными. Корпус вагранки в плавильной зоне дополнительно охлаждается водой и имеет огнеупорную футеровку, которая чаще всего выполняется из шамотных кирпичей (изделий) - эта кислая футеровка. Реже используют основную футеровку. Это для малосернистых чугунов при производстве ответственных отливок. В вагранках с водяным охлаждением плавильной зоны (пояса) горн футеруют углеродистыми огнеупорами (SiC). Как отмечалось ранее для повышения температуры чугуна в плавильной зоне, а значит и выдаваемого в копильник, подогревают воздух поступающий в фурмы при помощи рекуператоров (за счет тепла отходящих газов) - это 400оС , специальными электрокалориферами (до 700оС) и добавлением в горячее дутье 3-5% кислорода. В последнем случае температура в плавильной зоне врозрастает до 2050оС (по данным немецких специалистов).

3.1.1 Влияние качества кокса на тепловые процессы в вагранке

Нежелательной особенностью процесса горения кокса в вагранке является неизбежность протекания реакции редукции, которая приводит к снижению температуры газов. Это в свою очередь снижает возможности перегрева чугуна и производительность печи. Поэтому для плавки в вагранке следует использовать кокс с минимальной реакционной способностью, т.е. способностью восстанавливать CO2 до CO. Для этого пористость кокса должна быть минимальной, не более 30…40%. Размеры кусков кокса в большой степени определяют производительность вагранки и температуру на жёлобе. Исследования показали, что при увеличении размеров кусков кокса от 25 до 100 мм (при сохранении всех прочих условий постоянными) температура чугуна повышается от 1300 до 1450 оС. Обычно кокс для вагранок пропускают через грохот с размерами ячеек 40х40 мм для отделения мелочи, которая не используется в плавке. Куски кокса должны по возможности быть однородными и соответствовать оптимальному размеру для данного диаметра вагранки: Диаметр, мм 700 900 1200 1700 Оптимальный размер кусков, мм 65 100 125 150 Кокс должен обладать достаточно высокой механической прочностью, чтобы выдерживать воздействие вышележащих слоёв шихты. Для получения качественного чугуна содержание серы в нём не должно превышать 0,6…1,4%. 3.1.7.

3.2 Газовые вагранки

Стремление использовать преимущества газообразного топлива при плавке чугуна нашло отражение в конструкции газовых вагранок. В этих вагранках топливом служит природный газ или другие горючие газы.

В газовой вагранке сравнительно легко расплавить металл, но значительно сложнее перегреть его до необходимой температуры. Попытки воспроизвести в газовой вагранке условия перегрева металла, имеющиеся в коксовой вагранке, пока не дали положительных результатов. Газовые вагранки с керамической холостой колошей позволяют получить горячий жидкий чугун, но повышенный угар кремния марганца и особенно углерода требует применения более дорогостоящей шихты, поэтому стоимость чугуна, выплавленного в газовой вагранке, значительно выше стоимости чугуна из обычной коксовой вагранки.

Газовая вагранка с керамической колошей изображена па рис. 8.1. Шихта загружается в вагранку через окно 5. В нижней части шахты 4 расположены горелки 1. Газ сгорает в огнеупорных туннелях. Продукты горения вначале попадают на керамическую колошу 2 и затем поднимаются, соприкасаясь с нагревающейся шихтой 3.

рис 8.1. Газовая вагранка

Нерасплавленный металл стекает между кусков колоши и при этом перегревается. Горячий металл из шахты вагранки стекает в копильник 7. Для обогрева копильника имеется горелка 8. Жидкий металл 6 в копильнике практически не перегревается, так как на его поверхности всегда имеется слой шлака. Выпуск металла из копильника производится периодически по желобу 9.

кокс ваграночный металл литейный плавка

3.3 Вагранки с горячим дутьем

При подаче в вагранку подогретого воздуха температура выплавляемого чугуна повышается и тем в большей степени, чем выше температура воздуха.

Подача в вагранку горячего воздуха приводит к повышению температуры в холостой колоше. Возрастает температура газов, проходящих через холостую колошу, и температура кусков кокса в холостой колоше. Процесс прогрева и плавления шихты ускоряется по мере повышения подогрева дутья. В этих условиях капли чугуна, оторвавшиеся от кусков металла, при прохождении холостой колоши успевают перегреться до более высокой температуры, чем при холодном дутье.

Если не требуется повышения температуры жидкого металла, снижают высоту холостой колоши, чтобы уменьшить продолжительность пребывания капли в зоне высоких температур. Это может быть достигнуто снижением расхода кокса на рабочую колошу.

При работе на горячем дутье возрастает удельный съем чугуна с 1 м² сечения вагранки. Производительность вагранки увеличивается до 40 %. Применение горячего дутья положительно сказывается и на металлургических процессах, протекающих в вагранке. Уменьшается угар элементов, появляется возможность использовать дешевые низкосортные металлоотходы вместо доменных чугунов, а, следовательно, улучшать экономические показатели.

Для нагрева дутья используют или ваграночные газы, или дополнительное топливо.

Для нагрева воздуха используют ваграночные газы, отбираемые выше загрузочного окна или в непосредственной близости от него. Ваграночные газы в этом случае сравнительно холодные (200-- 300 °С), но содержат значительное количество окиси углерода (12-- 18 %).

На рис. 5.1. показан радиационный щелевой рекуператор 2, установленный над загрузочным окном 7 вагранки. Холодный воздух через измерительную диафрагму 1 поступает в верхний коллектор 3 рекуператора. Подогретый воздух из рекуператора подастся в вагранку по трубопроводу 6. Расход воздуха регулируется шибером 9. Клапан 5 предназначен для сбрасывания воздуха при кратковременных остановках вагранки. Воздух в этом случае продолжает проходить через рекуператор с целью его охлаждения. Запальные горелки 8 предназначены для поджигания ваграночных газов. Во время работы вагранки горение ваграночных газов происходит по всей длине рекуператора, и из него продукты горения попадают в искрогасительную камеру 4.

Рис 5.1. Вагранка с рекуператором над загрузочным окном

Нагрев воздуха в таких рекуператорах обычно не превышает 200 °С, что позволяет или снизить расход кокса (на 10--15 %) при той же температуре выпускаемого жидкого чугуна, или повысить температуру чугуна на 20--25 °С при том же расходе кокса.

Имеются вагранки, в которых ваграночные газы отсасываются из шахты через отверстия, расположенные ниже загрузочного окна. В этом случае слой шихты, расположенный над отверстиями для отсоса газов, является своеобразной пробкой, закрывающей шахту вагранки. Ваграночные газы подвергаются полной очистке от пыли и сгорают в рекуператоре. Подогрев дутья до температуры 500-- 550 °С дает возможность не только снизить расход кокса, но, и что самое главное, значительно увеличить долю стального лома в шихте (до 100 %) и, следовательно, отказаться от дорогостоящих доменных чугунов.

В ряде случаев, когда в действующем цехе невозможно установить рекуператор, использующий ваграночные газы, применяют воздухоподогреватели, отапливаемые природным газом или мазутом. Температура воздуха регулируется автоматически с точностью ±5°С . Расход природного газа составляет 15 м³ на 1 т шихты; экономия кокса 45 кг на 1 т шихты. Температура подогрева дутья достигает 500--550 °С.

3.4 Вагранки с охлаждаемым плавильным поясом

Через несколько часов после начала плавки футеровка в зоне высоких температур выгорает. Футеровка в плавильном поясе разрушается под действием высокой температуры, химического и механического взаимодействия со шлаком и металлом. Для обеспечения безостановочной работы плавильный пояс охлаждают водой. Наиболее распространено поливное охлаждение.

К кожуху вагранки выше зоны плавления прикрепляют кольцевую трубку с отверстиями, через которые вода стекает по кожуху в сборный желоб, расположенный ниже фурм. В таких установках вода течет тонкой пленкой по поверхности кожуха вагранки. Количество поступающей воды регулируют с таким расчетом, чтобы температура воды в сборном желобе была не выше 45--50 °С. При большей высоте водоохлаждаемого участка одной подающей кольцевой трубки недостаточно, так как бывает срыв водяной пленки с поверхности кожуха. В этом 'случае устанавливают две или три трубки.

Наряду с охлаждением плавильного пояса на некоторых вагранках применяют водоохлаждаемые фурмы. Фурмы (рис. 6.1.) изготовляют сменными, что позволяет в случае необходимости заменить их без остановки печи. Для лучшего охлаждения фурмы ее изготовляют из меди. Для отделения области высоких температур от кожуха вагранки фурмы вдвигают внутрь ее на 400--500 мм. На рис. 6.2. показана такая вагранка с вдвинутыми водоохлаждаемыми фурмами и поливным внешним охлаждением плавильного пояса. Поливное охлаждение кожуха вагранки осуществляют с помощью четырех кольцевых труб 3 с отверстиями, равномерно расположенными по окружности. Вагранка имеет футеровку только ниже фурм. Футеровка набивная из кварцитографитовой массы. Чугун и шлак из вагранки стекают в выносной шлакоотделитель 4. Ваграночные газы отбираются из шахты через отверстия 2, расположенные ниже загрузочного окна 1.

рис. 6.1. Водоохлаждаемая фурма

1-наружная труба; 2-внутренняя труба; 3-подводводящая труба; 4-наконечник

рис 6.2. Водоохлаждаемая вагранка

Сифонный шлакоотделитель вагранки показан на рис. 6.3. Чугун и шлак поступают из вагранки по каналу 1. Внутреннее пространство шлакоотделителя закрыто сверху герметичной крышкой 4. В шлакоотделителе поддерживается избыточное давление (равное давлению в вагранке), под действием которого чугун по каналу 9 попадает на желоб 7. Шлак 11 расположен над уровнем чугуна и избыточным давлением выдавливается через отверстие 10 на желоб 5. Состояние канала 1 можно контролировать через отверстие 6, закрываемое крышкой. Полный слив металла и шлака из шлакоотделителя происходит при открытом отверстии 8. Вода, охлаждающая плавильный пояс и фурмы стекает в кольцевой желоб 3.

рис. 6.3. Сифонный шлакоотделитель

Вагранки для плавки серого чугуна при различных температурах дутья имеют следующие характеристики: внутренний диаметр плавильного пояса 2300 мм, полезная высота вагранки 5100 мм, производительность вагранки при температуре дутья 20 "С 16--18 т/ч, а при 400 °С -- 25--27 т/ч; расход кокса соответственно 15 и 12 %.

4. Конструкция и работа вагранки

4.1 Конструкция вагранки

Вагранка представляет собой плавильную печь шахтного типа. На рис. 1.1 изображена вагранка с копильником. Вертикальный цилиндрический кожух 9, изготовленный из листовой стали толщиной 8--12 мм, установлен на подовой плите 19. Внутри кожух футерован огнеупорным материалом 10 толщиной 250--300 мм. Подовая плита установлена на четырех колоннах 20. В центре подовой плиты имеется круглое отверстие для удаления остатков плавки. Отверстие закрыто двумя полукруглыми дверцами 21, подвешенными на петлях. Специальный затвор исключает возможность раскрытия дверок. Иногда дверцы подпирают снизу стойкой 22. В кожухе вагранки имеются отверстия для загрузочного окна 12, рабочего окна 16, фурм 7, соединительной летки 6. Часть вагранки от загрузочного окна до подовой плиты называют шахтой 13, а выше загрузочного окна -- трубой 11. Ниже загрузочного окна (на 0,8--1,2 м) шахту выкладывают не огнеупорными, а чугунными пустотелыми блоками 14, которые хорошо противостоят ударам загружаемого металла. Под 18 набивной. Вагранку разжигают дровами через рабочее окно, которое перед началом плавки плотно закрывают дверцей 17. Копильник 4 предназначен для сбора необходимого количества чугуна. Копильник, как и вагранка, имеет кожух и футеровку. Жидкий металл из конильника выпускают через летку 2 по желобу 1; шлак -- через шлаковую летку 3. Съемный свод 5 облегчает условия ремонта. Воздух вначале поступает в фурменный пояс 8 и за тем но патрубкам -- к фурмам. Шиберы 15, установленные на патрубках, позволяют регулировать расход воздуха на фурмы. На верхней части дымовой трубы, выходящей из здания, устанавливают искрогаситель, предназначенный для улавливания раскаленных частиц и пыли, выбрасываемых из вагранки.



На рис. 1.2. показан водоохлаждаемый искрогаситель, позволяющий на 80 % очистить ваграночные газы от пыли. Очистка газов происходит при их соприкосновении с потоком воды. В корпусе 3 искрогасителя размещены две системы орошения водой. Первая система включает верхний 2 и нижний 4 коллекторы, а вторая -- зонт 6, коллектор 8 и соединительные трубы 7. Горячие ваграночные газы, на выходе из трубы 9 вагранки отклоняются зонтом к корпусу искрогасителя. Холодная вода из трубопровода заполняет зонт и поступает в искрогаситель через сливной патрубок на конце зонта. Во время работы вагранки по зонту (по всей окружности) стекает поток воды, через который проходят ваграночные газы. Все крупные и средние частицы пыли отделяются потоком воды от газов и увлекаются вниз к сливной трубе 10. Вода, сливающаяся из коллекторов 2 и 4, дополнительно очищает ваграночные газы, что обеспечивает высокий КПД установки.

При непродолжительных плавках (3--4 ч) футеровка выгорает лишь выше фурм. В этом случае ремонт плавильного пояса сводится к заделыванию выгоревших мест новым огнеупорным кирпичом с применением раствора из огнеупорной глины. При более продолжительных плавках выгорание футеровки настолько значительно, что требуется полная замена футеровки в, районе плавильного пояса. Огнеупорный материал для плавильного пояса подбирают в зависимости от химического состава шлаков, образующихся при плавке. При кислых шлаках футеровку выполняют из шамота или кварцитов, а при основных шлаках -- из магнезита. Для футеровки плавильного пояса применяют набивные массы. Наиболее распространен следующий состав огнеупорной массы 90--95 % кварцевого песка, 5--10 % графита, б--8 % воды (дополнительно). Эту смесь в сухом состоянии перемешивают в бегунах в течение 5--10 мин. Для изготовления набивной футеровки в вагранку на уровне фурм устанавливают из отдельных секторов опалубку -- металлический цилиндр, диаметр которого равен внутреннему диаметру вагранки, а высота 300--400 мм. Кольцевое пространство между опалубкой и кожухом вагранки плотно набивают огнеупорным составом. Когда масса уплотнена по всей высоте цилиндра, на него устанавливают новый цилиндр, и набивка продолжается. Применение набивной футеровки для ремонта плавильного пояса позволяет значительно снизить трудоемкость и стоимость ремонтных работ. Хорошей стойкостью по отношению к кислым шлакам обладает набивная масса, включающая 35--40 % цирконового концентрата, 10--30 % графита и 35--50 % огнеупорной глины. Количество влаги (сверх 100 %) до 3 %. Массу применяют для горна вагранки. Срок службы горна более недели.

4.2 Работа вагранки

Перед началом работы в вагранку через загрузочное окно загружают кокс, который разжигают дровами или природным газом. Кокса загружают столько, чтобы его уровень был выше оси фурм па 500--700 мм. Получаемый столб кокса называют холостой колошей. Для холостой колоши используют наиболее крупные куски кокса, что обеспечивает получение более горячего металла в начале работы вагранки. После розжига холостой колоши дровами или природным газом в вагранку подается дутье, после чего фурмы закрываются. В этот момент кокс начинает интенсивно гореть, и холостая колоша, в районе фурм, разогревается до температуры 1400--1500°С . После продувки холостой колоши дутье прекращают, открывают фурмы и в вагранку при необходимости засыпают кокс до получения требуемой высоты холостой колоши. На подготовленную таким образом холостую колошу загружают первую металлическую колошу, на нее первую рабочую коксовую колошу. Далее вагранку загружают поочередно металлическими и коксовыми колошами вплоть до загрузочного окна вагранки. В каждую металлическую колошу добавляют флюс (известняк, основной мартеновский шлак, плавиковый шпат) для образования необходимого химического состава ваграночного шлака. Ошлаковываются зола кокса, футеровка, пригар с литников.

По окончании загрузки включают дутьевой вентилятор. Воздух поступает через фурмы в холостую коксовую колошу. Начинается интенсивный процесс горения с выделением большого количества теплоты. Первая чугунная колоша, расположенная непосредственно на раскаленном коксе, начинает плавиться. Капли и струйки жидкого металла стекают по кускам и между ними к подине. Сюда же стекают и образовавшиеся шлаки. Через соединительную летку металл и шлак поступают в копильник. Когда уровень шлака достигнет необходимой высоты, открывают шлаковую летку и шлак выпускают из конильника. Затем выпускают металл через металлическую летку. К моменту расплавления первой металлической колоши уровень холостой колоши понижается. Для выхода из вагранки чугуна с постоянной температурой и постоянным химическим составом высота рабочей коксовой колоши должна быть равна высоте, на которую уменьшилась холостая колоша. Тогда каждая последующая металлическая колоша плавится на одной и той же высоте. Движение колош происходит непрерывно.

Для поддержания постоянной высоты столба материалов в шахту загружают металл, кокс и флюс. В вагранке горячие газы, образующиеся при горении кокса, поднимаются, а материалы опускаются (принцип противотока). Вследствие этого происходит интенсивная теплопередача между газами и материалами, загружаемыми в печь. Металлическая колоша, опускаясь по шахте, постепенно нагревается до температуры плавления и плавится.

Горячие газы при движении вверх, встречаясь с все более холодными металлическими колошами, охлаждаются. Использование теплоты газов повышает КПД вагранки. В вагранке расходуется кокса 10--15 % массы металлозавалки.

Из условий техники безопасности при каждом прекращении подачи дутья в вагранку немедленно открываются фурмы. Это исключает образование в воздухопроводе взрывоопасной газовоздушной смеси из-за проникновения из вагранки газов, содержащих окись углерода.

5. Факторы, влияющие на ход ваграночной плавки

5.1 Влияние подготовки шихты на ход ваграночной плавки

Использование в шихте возврата не очищенного от пригара требует увеличения расхода флюса, приводит к увеличению массы образующегося шлака и количества тепла, расходуемого на его расплавление. А это в свою очередь снижает производительность вагранки и температуру чугуна на жёлобе. Куски шихты должны быть разделаны до размера, не превышающего 1/3 внутреннего диаметра вагранки, во избежание зависания в шахте. Компактные, но массивные куски, в зоне подогрева прогреваются медленно и опускаются в пояс плавления при температуре существенно ниже t пл. ср. Поэтому в поясе плавления завершается их подогрев, а плавление происходит только в кислородной зоне, как бы на заниженной холостой колоше. При этом плавление происходит медленно, сопровождается повышенным угаром и пониженным перегревом. 3.1.8.

5.2 Влияние величины удельного расхода кокса и воздуха на ход ваграночной плавки

От количества кокса в рабочих колошах и интенсивности дутья зависят важнейшие показатели работы вагранки - её удельная производительность и температура выплавляемого чугуна. Увеличение удельного расхода кокса при неизменном расходе воздуха приводит к тому, что количество кокса в рабочей колоше становится большим, чем его выгорело из холостой колоши за время проплавления металлической колоши. Этот избыток кокса приводит к увеличению высоты холостой колоши и к увеличению температуры металла, но производительность вагранки при этом снижается.

Увеличение удельного расхода воздуха при неизменном расходе кокса приводит к увеличению количества кокса, сгорающего в единицу времени, и выделяющегося при этом тепла. Производительность при этом увеличивается, а перегрев растёт благодаря уменьшению относительных тепловых потерь. Чрезмерная интенсификация дутья приводит к следующим нежелательным последствиям: -охлаждению кокса у фурменного сопла и, как следствие, зашлаковыванию фурм; -усилению неравномерности распределения дутья по сечению вагранки. Кроме того, при недостаточной высоте зоны подогрева, теплообмен в ней не успевает завершиться. Это приводит к снижению уровня зоны плавления и высоты зоны перегрева, в результате чего температура чугуна падает, а производительность продолжает расти. В зависимости от размеров кусков металлической шихты рекомендуются следующие расходы воздуха: Размер кусков, мм.…100 150 200 250 300 Расход воздуха, 140…150 130…140 120…130 100…110 90…100 м3/ м2.мин. 3.1.9.

6. Способы интенсификации ваграночного процесса

6.1 Расширение зоны горения кокса

Значительная часть вагранок имеет два или три ряда фурм, расположенных один над другим на расстоянии 300…1000 мм. В каждый из рядов фурм воздух подаётся от своей фурменной коробки. Через нижний ряд фурм подаётся большая часть дутья (до 80%). Использование вторичного дутья позволяет улучшить равномерность распределения дутья по сечению вагранки, приводит к частичному дожиганию CO, образовавшемуся в редукционной зоне. Высота кислородной зоны увеличивается, и средняя температура в ней растёт.

6.2 Расширение зоны высоких температур и дожигание CO

Позволяет сократить расход кокса на 10..15% или при неизменном расходе кокса повысить температуру чугуна на 40…50оC или производительность на10…15%. Подогрев дутья. В связи с высокой теплоёмкостью воздуха подогрев его до 500 оC равноценен добавке в печь ~ 20% теплоты, образующейся при сгорании кокса. Поэтому подогрев дутья оказывает существенное влияние на распределение температура газовой фазы. Подогрев дутья приводит к: - увеличению t газ. макс.; - уменьшению высоты кислородной зоны, т.к. процесс горения с участием горячего воздуха происходит быстрее; - увеличению высоты редукционной зоны, т.к. температура окончания реакции редукции остаётся неизменной, а температура её начала увеличивается (следует, однако, учитывать, что начальная скорость реакции редукции возрастает); - уменьшению высоты захолаживающей зоны у фурм. Суммарная высота зоны перегрева (на режиме максимального перегрева) не изменяется. h, м.

7. Использование кислорода в ваграночном процессе

Обогащение воздуха кислородом приводит к уменьшению содержания в нём балласта - азота и уменьшению массы продуктов горения. В результате этого t газ. макс. увеличивается. Действие обогащения кислородом дутья на перегрев металла в вагранке аналогично подогреву дутья. При расходе 30…40 м3 кислорода на тонну чугуна его температура превышает 1450 оC. Однако в связи с относительно высокой стоимостью кислорода в настоящее время этот метод практически не используется. При плавке в вагранках небольшой производительности практикуется продувка кислородом жидкого чугуна в выносном стационарном копильнике. Перегрев металла в этом случае достигается за счёт экзотермических реакций (главным образом окисления кремния, содержащегося в чугуне). При расходе кислорода 4…5 м3 на тонну чугуна перегрев достигает 80…100 оC. Угар кремния при этом не превышает 0,5% и компенсируется вводом в ковш соответствующего количества ФС75. Этот метод обычно используется не на всём протяжении плавильной кампании, а лишь в те периоды плавки, когда требуется чугун с повышенным перегревом. Кроме того, продувка копильника кислородом позволяет избежать затвердевания («закозления») металла в чугунной лётке при продолжительных вынужденных простоях печи.

8. Расчет вагранки

1. Производительность вагранки 10 т/ч со стационарным копильником.

2. Температура жидкого металла 1450 С.

3. Температура воздуха 20 С.

4. Жидкий чугун - выплавляемый металл.

5. Два ряда фурм.

По диаграмме В. Паттерсона определяем наиболее оптимальный режим работы вагранки

Точка на диаграмме	mм',	,%
C	5.2	14	78
D	5.6	13	82
E	6.5	12	85
F	7.5	11	92
M	9.8	11	118

Необходимо выбрать оптимальный режим. Если основываться на производительности агрегата, то нужно выбрать режим, соответствующий точке М, так как производительность в ней максимальна и равна 9,8,

А расход кокса минимален из всех возможных режимов - 11%. Но расход воздуха в точке М наибольший и равен 118.

В точке F производительность - 7,5, расход кокса столько же - 11%, а воздуха - 92. в относительных точках производительность еще меньше, поэтому от этих режимов можно отказаться. Остается два режима: в точке F и в точке М.

Подсчитаем на сколько % возрастает производительность () и при каком (%) приросте расхода воздуха:

- увеличение

- увеличение

Т.е. при увеличении расхода воздуха на 28% производительность увеличивается на 31%. Имеет смысл увеличивать расход воздуха. Выбираем режим работы в точке М.

· mм' = 9,8

· = 11%

·

1. диаметр вагранки при удельной производительности 9,8

2. полезная высота вагранки, т.е. расстояние от оси основного ряда фурм до порога загрузочного окна, м:

3. общая высота вагранки (без трубы), м:

- для ковкого чугуна -100мм -расстояние от оси фурм до пода.

- для больших вагранок - 2м - расстояние от пода до пола цеха.

4. диаметр металлической летки, м:



- диаметр цилиндрической части металлической летки, м

- плотность чугуна. Принимаем

- скорость истечения чугуна. Принимаем = 0,8м/с

Диаметр шлаковой летки принимают больше диаметра металлической летки на 30 - 50мм.

Примем на 50мм больше, т.е. диаметр шлаковой летки равен 70мм.

5.сечение вагранки в свету, :

Проверка: По диаграмме Паттерсона мы выбрали режим (точка М), при котором удельная производительность вагранки составляет 9,8. Сечение вагранки по расчетам получилось . Производительность (проверочная):

Отклонение от 10 вызвано выбором эмпирического коэффициента в формуле (3), коэффициент равен 1,1.

6. суммарная площадь поперечного сечения фурм, :

Так как в выбранном режиме (точка М) расход воздуха относительно большой, выбираем:

7. количество воздуха, подаваемого в вагранку, :

8. диаметр воздухопровода при скорости воздуха 15м/с, м:

Подсчитаем

,

9. высота вагранки с учетом загрузочного окна и трубы (из таблицы 2).

. В верхней части кожуха расположен искрогаситель (рис.91 Долотов).

10. диаметр внутренний кожуха принимаем (таблица 2) 1600мм.

11.толщина стенки кожуха (таблица 2) 8мм.

12. выбираем размеры опорной части вагранки (таблица 3)

- длина подовой плиты

- расстояние между осями колонн

- длина фундаментальной плиты

- высота опорной части выбрали в п.з.

- диаметр колонн

13. выбираем размеры фундаментального пояса вагранки (при условии, что в рассчитываемой конструкции используются коробчатые фурмы) (таблица 5).

- наружный диаметр воздушной коробки

- высота коробки

- ширина коробки

- число фурм в ряду 4шт.

9. Техника безопасности

Нормальная работа вагранок возможна только при установке на них специального оборудования, обеспечивающего контроль и технику безопасности.

Коксогазовые вагранки должны оборудоваться расходометром газа и желательно приборами для замера расхода воздуха, его давления и давления газа.

На газопроводе к вагранкам должен быть установлен клапан, срабатывающий при падении давления газа ниже установленного (ниже 0.4ат)

Для предохранения обслуживающего персонала от случайных взрывов на воздушном коллекторе горелок необходимо устанавливать или грузовой предохранительный клапан, или клапан в виде окна, закрытого металлической сеткой, с проложенным под ним листом асбестового картона.

Размер окна берётся из расчета 250 см² на кубометр могущей образоваться взрывчатой смеси.

Расход кокса в рабочей колоше коксогазовых вагранок практически не возможен ниже 6%, так как ухудшаются условия его сжигания, а повышение расхода природного газа выходит в этом случае за пределы оптимума и снижает температуру выплавляемого чугуна.

Средняя удельная производительность коксогазовых вагранок несколько выше, чем коксовых, и составляет 8-8,15 т/м³ поперечного сечения вагранки (при холодном дутье).

Расход флюса (известняка) должен снижаться не менее чем на 30% по сравнению с коксовыми вагранками.

Список используемой литературы

1. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства. -М.: Машиностроение, 1990.

2. Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Конструкция и расчет заводских печей и сушил. -М.: Машиностроение, 1973.

3. Мариенбах Л.М. Печи в литейном производстве. -М.: Машиностроение, 1964.

4. Мариенбах Л.М. Печи в литейном производстве. Атлас -М.: Машиностроение, 1965.

5. Носков Б.А. Плавка чугуна в вагранках и печах с применением природного газа. -М., 1969.

Приложение 1

Материальный баланс плавки в вагранке

Размещено на Allbest.ru