Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем



Введение

С целью обеспечения стабильного процесса выплавки чугуна в вагранке на базе нормализации дутьевого режима в настоящее время рекомендуется использовать вагранки со вторичным дутьем (с двумя рядами фурм) (рис. 1). Такие вагранки обеспечивают повышение температуры чугуна на выпуске на 30-50°С без изменения расхода кокса или снижение расхода кокса на 10-20% без повышения температуры чугуна на выпуске, а также быстрый вывод вагранки на устойчивый температурный режим с повышением производительности, снижение в 2-4 раза выбросов СО в атмосферу (улучшение экологической обстановки).

Преимущества вагранок с вторичным дутьем, обеспечиваются за счет принудительной подачи дутья в каждый ряд фурм из отдельного фурменного пояса с распределением количества воздуха между нижним и верхним рядами фурм в соотношении 60ч40 или 50ч50%.

Основное количество теплоты, необходимое для нагрева, расплавления и перегрева металлической шихты, в коксовых вагранках выделяется за счет реакций окисления (горения) углерода кокса и дожигания угарного газа СО. Доля теплоты за счет этих реакций составляет 85-95% от общего количества теплоты, остальное количество теплоты выделяется при окислении серы кокса, угара кремния, марганца и железа.

Реакции окисления кокса и СО, а также восстановления С0₂ до СО описываются следующими уравнениями с сопутствующими им тепловыми эффектами:

С + О₂ = СО₂ + q_1. q₁=34000 кДж/кг; (1)

С + 0,5 0₂ - СО + q₂ q₂=10300 кДж/кг. (2)



Образовавшийся углекислый газ СО₂, проходя через холостую коксовую колошу, вступает в контакт с раскаленным коксом (точнее, с углеродом кокса) и восстанавливается до СО по реакции:

СО₂ + С = 2СО - q₃, q₃=13500 кДж/кг (3)

т.е. эта реакция идет с поглощением тепла.

Образовавшийся угарный газ СО по реакциям (2) и (3) при наличии избыточного кислорода, в том числе за счет вторичного дутья в двухрядных вагранках, снова окисляется с выделением тепла, компенсируя тем самым потери по реакции (3)

СО + 0,5 0₂ = СО₂ + q_4. q₄ = 12700 кДж/кг. (4)

Суммарный тепловой баланс горения углерода позволяет снизить расход кокса или повысить температуру перегрева чугуна (температуру чугуна на выпуске).

При окислении (горении) серы кокса также выделяется теплота с образованием сернистого газа

S + 02 = S02 + q5 q5 = 9150 кДж/кг. (5)

Аналогично окисляются кремний, марганец и железо. Теплота выделяется и при диссоциации известняка (флюса). Общее количество теплоты от окисления серы, кремния, марганца, железа и диссоциации флюса не превышает 5-15%.

Ниже приводятся исходные данные и методы расчета количества дутья, конструктивных параметров и решений воздухоподводящей системы (тип воздуходувок, воздуховоды, фурменные пояса, фурмы, предохранительные клапаны) для вагранок производительностью от 3 до 10 т/ч, как наиболее часто применяемых на машиностроительных заводах.



1. Расчет размеров фурменных поясов (на примере вагранки производительностью 10 т/ч

Фурменный пояс должен обеспечить равномерное распределение дутья по фурмам.

Принимаем удельный расход воздуха q_уд равным 125 м³/(м²·мин) (диапазон от 120 до 150 м³/(м²·мин)). Тогда необходимое количество воздуха составит:

Q_возд= q_уд Ч F_в Ч 60 = 125 Ч 1,32 Ч 60 = 9900 м³/ч.

вагранка чугун предохранительный

Принимаем скорость воздуха в фурменном поясе V₂=3 м/с. Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит

?F_ф.п = Q_возд/(V₂ Ч 3600) = 9900/(3Ч3600) = 0,916 м².

Принимаем отношение площадей сечения нижнего и верхнего рядов фурм равным 60:40, тогда:

F_ф.п.н = ?F_ф.п Ч 0,6 = 0,916 Ч 0,6 = 0,549 м²,

F_ф.п.в = ?F_ф.п Ч 0,4 = 0,916 Ч 0,4 = 0,366 м²

Принимаем Н_ф._п = 1100 мм = 1.1 м. Тогда ширина фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит

В_ф._п..н.= F_ф.п.н /Н_ф._п=0,549/1,1 = 0,499 м = 499 мм,

а для верхнего ряда фурм:

В_ф._п.в = F_ф.п.в /Н_ф._п = 0,366/1,1=0,332 м = 332 мм.

Размеры фурменных поясов определим, исходя из следующих конструктивных решений. Принимаем расстояние между рядами фурм (по осям) равным 800 мм=0,8 м. Толщина стенок корпусов фурм и размеры крепежных фланцев выбираются конструктивно, обычно толщина стенки фурмы равна 6 - 8 мм, выступ фланца равен 12 - 15 мм, материал сталь Ст. 3.

Примем толщину огнеупорной футеровки равной 295 мм (по размерам шамотного кирпича 65Ч113Ч230 мм). Примем толщину корпуса вагранки равной 12 мм (толщина листовой стали), а зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм примем равным d _заз = 150 мм (для удобства монтажа), толщину стенок фурменных поясов принимаем равной d ст = 4 мм (листовая сталь).

Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит:

D_к = D_в+ 2d _фут + 2d _ст._к = 1300 + 2 · 295 + 2 · 12 = 1914 мм = 1,914 м.

Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит:

D₁= D _к+ 2d_заз = 1914 + 2 Ч 150 = 2214 мм = 2,214 м.

Диаметр перегородки, разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего рядов, или внутренний диаметр фурменного пояса для верхнего ряда фурм, составит:

D₂= D₁+ 2d ст + 2В_ф.п.в= 2214 + 2 Ч 4 + 2 Ч 332= 2886 мм = 2,886 м.

Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда составит:

D₃= D₂+ 4d ст + 2В_ф.п.н= 2886 + 4 Ч 4 + 2 Ч 499= 3900 мм = 3,9 м.



Учитывая тип фурменных поясов (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и конструктивные особенности, примем следующие размеры радиусов R₁ и R₂, образующие внутренние и наружные поверхности фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего рядов (в свету):

R_вн.ф.в = (D₁+ 2d ст)/2 = (2214+8)/2=1111 мм = 1,111 м,

R_нар.ф.в = R_вн.ф.в + В_ф.п.в = 1111+332= 1443 мм = 1,443 м,

R_вн.ф.н = R_нар.ф.в + d ст = 1443+4 = 1447 мм = 1,447 м,

R_нар.ф.н = R_вн.ф.н + В_ф.п.н = 1447+499 = 1946 мм = 1,946 м.

Определим объемы W фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего рядов, что необходимо для расчета предохранительных клапанов безопасности:

W_ф.п.в =p (R²_нар.ф.в - R²_вн.ф.в)ЧН_ф.п =3,14 (1,443² - 1,111²)Ч1,1=2,928м³.

W_ф.п.н =p (R²_нар.ф.н - R²_вн.ф.н)ЧН_ф.п =3,14 (1,946² - 1,447²)Ч1,1=5,847 м³.

2. Расчет предохранительных клапанов

Исходя из правил безопасности в газоходах, площадь предохранительных клапанов должна составлять 0,05 м² на 1 м³ объема камеры. Тогда общая площадь клапанов фурменного пояса для нижнего ряда фурм составит:

?F_кл.н.ф = 0,05ЧW_ф.п.н = 0,05Ч5,847 = 0,292м²

а общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм:

?F_кл.в.ф = 0,05ЧW_ф.в.п = 0,05Ч2,928 = 0,146м².



Принимаем минимальное число клапанов на каждом фурменном поясе равным 24. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:

f_кл.н.ф.=0,292/24 = 0,012 м²

f_кл.в.ф.=0,146/24 = 0,006 м².

Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных отверстий клапанов, составят:

В общем виде клапан должен вписываться в ширину фурменного пояса с монтажным зазором не менее 30 мм с каждой стороны, Сопоставим диаметры клапанов с шириной соответствующих фурменных поясов: для вагранки производительностью 10 т/ч В_ф.п.н = 499 мм, а В_ф.п..в = 332 мм. Следовательно, диаметры клапанов как для нижнего, так и для верхнего фурменного пояса меньше ширины соответствующих фурменных поясов, и установка клапанов не вызовет затруднений.

Исходя из необходимого количества воздуха, поступающего в вагранку, по данному расчету Q_возд=9900м³/ч, с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В2М 14/1400, обеспечивающую производительность 14000 м³/ч и давление 14000Па или 1400 мм вод. ст., или 0,14 кгс/см².

Определим массу груза, включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой:

G_кл.н.ф = f_кл.н.ф ЧР _{возд.maх} Ч10⁴ = 0,012Ч0,14Ч10⁴ = 16,8 кг,

G_кл.в.ф = f_кл.в.ф ЧР _{возд.maх} Ч10⁴ = 0,018Ч0,14Ч10⁴ = 8,4 кг.

3. Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов)

вагранка чугун предохранительный

Определим площадь общего воздуховода (от воздуходувки до «развилки» на воздуховоды для нижнего и верхнего фурменных поясов). Для расчета принимаем расход воздуха, поступающего в вагранку, равным 9900 м³/ч. Исходя из требований, принимаем скорость воздуха в общем воздуховоде равной 10 м/с (_V1).

Из выражения Qвозд = V1 · Fобщ.воздЧ3600 находим площадь сечения общего воздуховода:

F_{общ.возд}=Q_возд/(3600ЧV₁)=9900/(3600Ч10)=0,275 м².

Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит:

d_{общ.возд} = 0,591 м = 591 мм.

Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 10704-76, ГОСТ 8731-78 или ГОСТ 8732-78 выбираем ближайшую по размерам трубу, в данном случае трубу с наружным диаметром 630 мм и толщиной стенки 7 мм, у которой внутренний диаметр равен: 630 - 2·7 = 616 мм.

Исходя из принятого соотношения расхода воздуха между нижним и верхним рядом фурм (60:40), определяем расход воздуха через все фурмы нижнего и верхнего рядов соответственно:

Q_воз.н.ф=0,6ЧQ_воз=0,6Ч9900=5940 М3/Ч.

Q_воз.в.ф=0,4ЧQ_воз=0,4Ч9900=3960 М3/Ч.

Выбираем максимально допустимую скорость воздуха в воздуховодах для нижнего и верхнего фурменных поясов V₁ равной 15 м/с, т.е. для участков воздуховодов от «развилки» до соответствующих фурменных поясов. Тогда, аналогично расчету размеров общего воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:

F_{возд.н.ф} = Q_воз.н.ф/(3600 · V₁)=5940/(3600 · 15) = 0,11 м².

F_{возд.в.ф} = Q_воз.в.ф/(3600 · V₁) = 3960/(3600 · 15) = 0,073 м².

Тогда внутренний диаметр воздуховода для нижнего и верхнего рядов фурм составит соответственно 374 мм и 304 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТам находим ближайшие по размерам трубы: для воздуховода нижнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 377 мм и толщиной стенки 4 мм, ее внутренний диаметр равен: 377 - 2·4=369 мм, аналогично для воздуховода верхнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 325 мм и толщиной стенки 8 мм, ее внутренний диаметр составит 309 мм. Для обеспечения равномерного распределения дутья рекомендуется воздуховоды подводить к фурменным поясам тангенциально.

Принимаем равным 8 (для вагранки производительностью 10 т/ч). Количество фурм в каждом ряду должно обеспечить равномерное распределение дутья по периметру вагранки. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посредине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние между рядами фурм по их осям принимается от 700 до 900 мм.

Определим размеры воздуховодов, или патрубков, для каждой фурмы нижнего и верхнего рядов на участках от соответствующего фурменного пояса до фурм. Площади поперечного сечения этих патрубков и их диаметры в свету определим по расходу дутья через каждую фурму, а именно:



При применении фурм крутого сечения площади и диаметры их определяются аналогично расчету диаметров воздуховодов, а именно:

Соответственно диаметры фурм составят:

Из сортамента стандартных труб по ГОСТам выбираем ближайшие по размеру трубы, а именно для данного расчета для фурм нижнего ряда выбираем трубу с наружным диаметром 140 мм и толщиной стенки 3,5 мм, т.е. с внутренним диаметром 133 мм, а для фурм верхнего ряда трубу с наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 3 мм, т.е. с внутренним диаметром 108 мм.

При применении фурм прямоугольного сечения чаще всего высоту фурм принимают равной высоте огнеупорного кирпича, а именно hф=65 мм, тогда ширина фурм нижнего и верхнего ряда соответственно составит:



4. Расчет горна

Площадь шахты вагранки составляет:

F_в = p--Ч D2 В / 4 = 3,14Ч1,3--2 = 1,32м2

Исходя из требований заказчика, принимаем максимальную массу отливки m_max = 1 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью Q_В = 10т/ч составит n = Q_В/m_max = 10/1 = 10 выпусков в час.

Определим высоту горна по формуле:

h_г =Q_В · W_г/(n · F_в) + 0,12,

где W_г - объем горна на 1т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем кокса, обычно принимается W_г = 0,33 м³/т;

0,12 - расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью нижнего ряда фурм, м.

Отсюда:

h_г = 10 · 0,33/(10 · 0,38) + 0,12 = 0,988 м ? 1 м.

При применении двойного (вторичного) дутья производительность вагранок выше, чем у обычных, поэтому принимаем h_г=0,7 м=700 мм. При этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины. Определим фактический объем горна:

W_г.факт = F_в · h_г/1000=1,32 · 700/1000 = 0,924 м³.

Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия h_л.ф = 75 мм, диаметр шлаковой летки 40 мм, а наклон нижних фурм к горизонту 10°.

5. Расчет холостой коксовой колоши

Исходя из опыта эксплуатации вагранок с двухрядным фурменным поясом и вторичным дутьем, принимаем расстояние между рядами фурм по их осям h_ф = 0,8 м = 800 мм, а высоту кокса холостой колоши над верхним рядом фурм h_в = 0,4 м = 400 мм. Общая высота холостой коксовой колоши составит:

h_х.к = h_г + h_ф + h_в = 0,7 + 0,8 + 0,4 = 1,9 м = 1900 мм.

Объем холостой коксовой колоши составит:

W_х.к=F_вЧh_х.к=1,32Ч1,9= 2,508 м³.

Определим массу кокса в холостой колоше:

m_х.к =W_х.к· g к =2,508 ·450 = 1128,6 кг ? 1129 кг,

где g к - объемная плотность кокса, кг/м³ (? = 450 кг/м³).

6. Расчет рабочей коксовой колоши

Исходя из опыта работы вагранок, обычно принимают высоту рабочей колоши кокса h_р._к = 0,15 - 0,2 м. Для расчета принимаем максимальную высоту, равную 0,2 м. Тогда объем рабочей колоши составит:

W_р.к=F_вЧh_р._к =1,32Ч0,2=0,264 м³,



а масса кокса в рабочей колоше равна:

m_р.к.=W_р.кЧ g к =0,264Ч450=118,8 кг.

7. Расчет металлической колоши

Из практики известно, что масса металлической колоши обычно составляет 8 - 10% от часовой производительности вагранки, т.е. для вагранки производительностью 10 т/ч (10000 кг/ч):

m_м.к = (0,08-0,1) · Q_в = (0,08-0,1) · 10000 = 800 - 1000 кг.

Для расчета принимаем максимальную массу m_м.к = 300 кг. Тогда объем металлической колоши составит:

W_м.к = m_м.к/g _м.к = 1000/2500 = 0,4 м³,

где g _м.к - объемная плотность металлической шихты, равная 2500 кг/м³.

8. Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош

Определим полезную высоту вагранки по формулам:

Так как принимаем

тогда общая высота шахты вагранки:

Н_в = h_г + h_пол = 0,7 + 3,5 = 5,46 м.



Общий объем шахты вагранки составит (для Q_в=10т/ч):

W_в=F_в · Н_в=0,38 · 4,2=7,21 м³?7,2 м³.

Определим количество металлических и топливных колош, вмещающихся в шахту вагранки, исходя из соотношения:

n = (W_в-W_г)/(W_р.к.+W_р.м+W_ф.л)=(7,2-2,508)/(0,264+0,4+0,022)=6,83?7,

где W_р.к., W_р.м, W_ф.л - объемы рабочих колош кокса, металлической шихты и флюса (известняка).

Обычно m_ф.л составляет от 3 до 5% от массы рабочей колоши кокса, или:

m_ф.л=(0,03…0,05)ЧW_м.кЧg _м.к=(0,03…0,05)Ч1000=30ч50 кг, а

W_фл=m_ф.л/g _ф.л=(30-50)/(1600-2000)=40 (сред.)/1800 (сред.)=0,022 м³,

где g _ф.л объемная масса известняка (g _ф.л=1600-2000 кг/м³).

Принимаем n ? 7.

9. Расчет массы загружаемых материалов

Масса рабочих колош кокса, вмещающихся в шахту, составит:

?m_р.к = n Ч m_р.к = 7 Ч 34,2 = 831,6 кг.

Масса металлической шихты составит:

?m_м.к = n Ч m_м.к = 7 Ч 300 = 2100 кг.



Масса флюса (известняка) составит:

?m_ф.л = n Ч (21 ч35) = 7 Ч 12 (сред.) = 84 кг.

Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей массой:

?m = ?m_р.к + ?m_м.к + ?m_ф.л + ?m_х..к = 239 + 2100 + 84 + 308 = 2731 кг.

10. Расчет необходимого давления воздуходувок

Необходимое давление в фурмах определяется по формуле:

ДР = V²_воз · (h_пол + 0.25D_в)/А,

где V_воз - средняя скорость воздуха в вагранке, равная по величине удельному расходу воздуха на 1м² поперечного сечения в минуту q_уд, м/мин;

h_пол - полезная высота вагранки по расчету, м;

А - эмпирический коэффициент, равный 100 при нормальной шихте по размерам кусков; при мелком коксе, например, этот коэффициент уменьшается.

Для вагранки производительностью 3 т/ч имеем (при принятой h_пол = 3,5 м):

ДР = 120² · (3,5+ 0,25 · 0,7)/100 = 529,2 мм вод. ст. ?530 мм вод. ст.

Обычно давление воздуха в вагранках производительностью 3 т/ч колеблется в пределах 700-900 мм вод. ст. Выбранная по требуемому расходу воздуха воздуходувка B8/800 развивает давление 8000Па (800 мм вод. ст.).

Рассчитанное давление ДР учитывает только сопротивление столба шихты в самой вагранке. Для более точного выбора типа воздуходувки необходимо добавить к ДР сопротивление в системе воздуховодов: от воздуходувки до фурм (порядка 150-200 мм вод. ст. в зависимости от поворотов, расширений, сужений системы подвода дутья), а также сопротивление мокрого пылеосадителя ~ 200 мм вод. ст.

Таким образом, суммарное сопротивление составит:

?Р = ДР + Р_{воздухов.} + Р_{мокр.пылеос}. = 530 + 150 + 200 = 880, мм вод. ст.

Такое давление обеспечивается воздуходувкой типа В2М/12500.

11. Размеры огнеупорной кладки

Размеры огнеупорной кладки шахты вагранки и подины определяются в основном размерами огнеупорных кирпичей, порядком их расположения при кладке и количеством рядов. Для приближенных расчетов принимается толщина подины над подовой плитой в пределах 250-400 мм (в зависимости от производительности вагранки), а футеровку шахты производят в 2 слоя кирпичей с общей толщиной, равной двойной ширине огнеупорных изделий по ГОСТ 3272-71 или на одну ширину и ребро (стандартный размер огнеупорного кирпича 65Ч113Ч230 мм).

12. Расчет материального и теплового балансов ваграночной плавки

Рассчитать материальный и тепловой балансы выплавки в вагранке чугуна марки СЧ 45.

Исходные данные. Химический состав чугуна по ГОСТ 1412-85 (табл. 1) принимается средним, %: С = 2,3; Si = 2,7; Mn = 0,3; P <0,2; S<0,15; остальное



Fе = 100 - (С + Si + Mn + Р + S) = 94,35

Химический состав кокса, %: С^р = 85; Н₂^Р = 0,4; 0₂^Р = 0,5; N ^р = 1,0;

S^Р = 0,06; влажность W^р = 3,0%; зольность А^р = 9,6%.

Принимаем угар У (-) и пригар П (+) элементов, %: Si = -15; Mn = -20; Fе = -0,5; С = +26; S = +62.

Расчет ведем для вагранки производительностью 10 т/ч. Температура подогрева дутья 400°С; чугуна на выпуске 1400°С; шлака 1350°С.

Статьи прихода (результаты расчетов занести в табл. 1)

Шихта. Принимаем количество металлической шихты m_ших = 100 кг. В процессе плавки весь углерод, сера и фосфор из шихты полностью переходят в выплавляемый чугун. Часть кремния за счет угара (15%) переходит в шлак:

Si_шл. = Si_чуг · У = 2,7 · 0,15 = 0,405 кг.

Остальное количество кремния остается в чугуне, т.е.

2,7 - 0,405 = 2,295 кг.

В шлак перехо

дят 20% Mn (угар): 0,3 Ч 0,2 = 0,06 кг, остается в чугуне 0,3 - 0,06 = 0,24 кг; 0,5% Fе (угар): 94,35Ч0,005=0,47 кг, остается в чугуне 94,35 - 0,47 = 93,88 кг. Для окисления этих элементов определим количество необходимого кислорода (по соответствующим реакциям) с учетом молекулярных весов (Si= 28, О = 16, Mn = 56, Fе = 55):

Si + О₂ = SiО₂; О₂, Si = 0,405 · 32/28 = 0,46 кг;

Mn + 0,5 · 0₂ = MnО; О₂, Mn = 0,06 · 16/56=0,017 кг;

Fе +0,5 · 0₂ = FеО; О₂, Fе = 0,47 · 16/55 = 0,137 кг.

Так как кислород поступает с дутьем из воздуха, то одновременно поступает и азот, количество которого определяется, исходя из того, что воздух содержит 21% 0₂ и 79% N₂ (по объему) или 23,2% 0₂ и 76,8% N₂ (по массе). Расчет количества азота осуществляем по формулам для каждой реакции:

N2, Si = 0,46 · 76,8/23,2 = 1,52 кг,

N2, Mn = 0,017 · 76,8/23,2 = 0,056 кг,

N2, Fе = 0,137 · 76,8/23,2 = 0,454 кг,

где 0,46; 0,017 и 0,137 - количество кислорода, необходимое для окисления Si, Mn и Fе.

Перейдет в шлак:

Кремния в виде: 0,405 · 60/28 = 0,867 кг,

Марганца в виде: 0,06 · 72/56 = 0,077 кг,

Железа в виде: 0,47 · 71/55 = 0,607 кг,

где 0,405; 0,06 и 0,47 - количества соответствующих элементов, переходящих в шлак за счет угара (Si_шл, Mn_шл и FеО_шл).

Кокс. Учитывая подогрев дутья до 400°С, принимаем расход кокса 17% от массы шихты, т.е.

mк = 0,17·mших = 0,17·100 = 17 кг

При плавке 20% углерода кокса переходит в жидкий металл (пригар), т.е.

2,3 · 0,2 = 0,46 кг,

где 2.3 - среднее содержание углерода в заданной марке чугуна. В процессе горения будет участвовать углерод кокса за вычетом пригара, т.е.

14,45 - 0,46 = 13,99 кг,

где 14,45 кг - содержание углерода в 17 кг кокса при Ср = 85%. Принимаем, что в процессе горения образуются 45% СО2 и 55% СО (отношение СО2: СО = 45:55), т.е. для образования СО2 расходуется 6,295 кг углерода кокса и для СО 7,6945 кг соответственно. При других значениях отношения СО2: СО расход углерода кокса определяется в соответствии с этим отношением.

Для горения углерода кокса до СО2 потребуется кислорода:

С + О2 = СО2; О2, СО2 = 6,295 · 32/12 = 16,786 кг.

С этим кислородом воздух внесет азот в количестве 16,786· 76,8/23,2 = 55,567 кг.

При этом образуется СО2 в количестве 6,295 · 44/12 = 23.081 кг.

Для горения углерода кокса до СО потребуется кислорода:

С + 0,5 · О2 = СО; О2, СО = 7,6945 ·16/12 = 10.259 кг.

При этом вносится азот в количестве: 10.259·76,8/23,2 = 33.96 кг.

и образуется СО в количестве:

7,6945 ·28/12 = 17.954 кг.

Часть серы кокса переходит в жидкий чугун (примем пригар серы 62% при ее содержании в коксе 0,06%), т.е. 0,06 · 0,62 = 0,037 кг. Остальная сера (0,06 - 0,037 = 0,023 кг) горит с образованием SO2 по реакции:

S + О2 = SO2,

для которой потребуется кислорода:

0,023 · 32/32 = 0,023 кг.

При этом воздухом дутья вносится азот в количестве:

0,023 · 76,8/23,2 = 0,076 кг,

при этом образуется SO2 в количестве 0,023 · 64/32 = 0,046 кг.

Горение водорода кокса (на 17 кг кокса при содержании в нем 0,4% Н2 сгорает 0,4 · 0,17 = 0,068 кг Н2) потребует кислорода по реакции:

Н2 + 0,5О2 = Н20 0,068 · 16/2 = 0,544 кг.



При этом воздухом дутья будет внесено азота в количестве:

0,544 · 76,8/23,2 = 1,8 кг,

образуется Н2О в количестве: 0,068 · 18/2 = 0,612 кг.

Необходимо в табл. 2 вычесть количество кислорода (0,085 кг), содержащееся в коксе (на 17 кг кокса), и соответствующее количество азота (76,8 · 0,085/23,2 = 0,28 кг). Влага и зола кокса вносятся полностью: зола - в шлак, а влага - в газы (заносима табл. 2): Wр = 0,3 кг и Ар = 0,96 кг.

Известняк (флюс). Принимаем расход известняка 3% от массы металлической шихты, т.е. mизв = 3 кг.

При нагреве известняк разлагается (диссоциирует) по реакции:

СаСО3 = СаО + С02.

Из 3 кг известняка образуется:

СаО = 3 · 56/100 = 1,68 кг; С02 = 3 · 44/100 = 1,32 кг.

Расход дутьевого воздуха. Количество воздуха определяется суммированием кислорода и азота, необходимого и внесенного при окислении элементов. Оно равно (из табл. 2.1) с учетом вычитания 0,085 кг 02 и 0,28 кг N2 mвозд = 121,294 кг. Разгар футеровки. Принимаем величину разгара футеровки в количестве 10 кг на 100 кг шихты, т.е. mфут = 1 кг. Итого статьи прихода: mприх = mших + mк + mизв + mвозд + mфут = = 100 + 17 + 3 + 121,294+ 1 = 242,294 кг.

Статьи расхода

Выплавленный металл. Из 100 кг шихты выплавляется чугуна mмет = 99,555 кг (в жидкий металл, кроме составляющих шихты, переходит пригар: 0,46 кг углерода кокса и 0,03 кг серы).

Ваграночные газы. Общее количество образующихся газов составит (из табл. 4.2):

mгаз=(СО2+СО+Н2О+SO2+N2)= =23,081+1,32+17,954+0,612+0,3+0,046+1,52+0,056+0,454+55,567+33,96+1,8-0,28+0,17+0,076= 136,636

Шлак. Шлак образуется из золы кокса, известняка, футеровки и оксидов кремния, марганца и железа. Из табл. 2.1 общее количество шлака составит: mшл=0,867+0,077+0,607+0,96+1,68+1=5,191

Итого статьи расхода:

mрасх=mмет+mгаз+mшл= 99,555+136,636+5,191=241,382 кг. Невязка по статьям прихода и расхода составляет 0,912 кг, или 0,38%

Тепловой баланс ваграночной плавки 2.2.1. Статьи прихода

Теплота сгорания кокса. Определим по формуле Д.И. Менделеева теплоту сгорания кокса, учитывая, что часть углерода и серы кокса в процессе горения не участвуют (по химическому составу кокса): Q р н=339ЧnсЧС р +1030ЧН р -109Ч(О р - nsЧS р) - 25ЧW р =339Ч(14,45 - 0,46) Ч85/14,45+1030Ч0,4-109Ч[0,5Ч(0,046-0,03)Ч0,5/0,06] - 25Ч3=28227,439 КДж

При расходе кокса 17 кг на 100 кг шихты имеем

Qтопл (кокса)=mкокЧQ р н=17 · 28227,439=479866,5 кДж.

Теплота, вносимая воздухом. При плотности воздуха 1,29 кг/м3 его объем на 100 кг шихты составит: Vвоз = mв/рв = 121,294/1,29 = 94,02 м³

Удельная теплоемкость воздуха при принятой температуре дутья (400°С) составляет своз ? 1,33 кДж/(м К), тогда количество теплоты, внесенной подогретым дутьем, составит: Qвоз = Своз · tвоз · Vвоз = 1,33 · 400 · 94,02 = 50018,64 кДж.

Примечание: при использовании холодного дутья, т.е. без подогрева воздуха, теплота, вносимая воздухом, в тепловом балансе не учитывается вследствие ее незначительной величины.

Теплота, выделяемая при окислении элементов:



кремния: QSi = 29400 · mSi = 29400 · 0,405 = 11907 кДж;

марганца: QMn = 6900 · mMn = 6900 · 0,06 = 414 кДж;

железа: QFе = 4990 · mFе = 4990 · 0,47 = 2345,3 кДж,

где 0,405; 0,06 и 0,47 - количество соответствующих элементов, перешедших в шлак.

Теплота шлакообразования: Qшл = 258 · 5,191 = 1339,278 кДж

Итого приход тепла:

Qпр = Qтоп + Qвоз + Qокисл + Qшл = 479866,5+50018,64+11907+414+2345,3+1339,278=545890,718

Статьи расхода

Расход теплоты на расплавление и перегрев металла

Qмет=mмет Ч[Ств.мет · tпл + Спл + Сжид.мет · (tвып.мет - tпл)] = 99,555 *(0,75* 1200 + 210 + 0,88 * (1400-1200)) = 128027,73 кДж.

Расход тепла на расплавление и перегрев шлака (tшл = 13500С):

Qшл = mшл · (1,13 · tшл + 272) = 5,191 ·(1,13 · 1350 + 272) = 9330,82 кДж.

Расход тепла на разложение известняка: Qизв. = 1620 · Vизв = 1620 · 3 = 4860 кДж

Расход тепла на испарение влаги (mвл = 0,52 кг в 17 кг кокса)

Qвл. = 2500 · mвл = 2500 · 0,52=1300 кДж.



Физическая теплота ваграночных газов. Определим объемный состав газов, исходя из их плотности: рсо2 = 1,96 кг, рсо = 1,25 кг/м3, рн2о = 0,8 кг/м3, рsо2 = 2,86 кг/м3 и рN2 = 1,2.

В ваграночных газах по данным табл. 3.8 содержатся:

С02 = 24,401/1,96 = 12,45 м³, С0 = 17,954/1,25 = 14,36 м³

Н20 = 0,912/0,8 = 1,14 м³, S02 = 0,046/2,86 = 0,016 м³,

N2 = 93,323/1,25 = 74,658 м³.

Общий объем газов в данном случае составляет 102,624 м³

Содержание отдельных газов составит (%):

С02 = 12,45 · 100/102,624 = 12,13%,

С0 = 14,36· 100/102,624 = 13,97%

Н20 = 1,14· 100/102,624 = 1,12%,

S02 = 0,016· 100/102,624 = 0,015%

N2 = 74,658· 100/102,624 = 72,72%, всего газов 100, %.

Удельная тепло?мкость ваграночного газа при температуре 400°С определяется как сумма произведений удельной теплоемкости каждого газа на его процентное содержание:

Сгаз = (С С02 · С02 + С СО · СО + С Н20 · Н2О + С S02 · S02 +

+ С N2 · N2) / 100 = (2,01 · 12,13 + 1,34 · 13,97 + 1,58 · 1,12 + 2,01 ·

· 0,015 + 1,34 · 72,72) / 100 = 1,42 кДж/(м к).

Тогда физическая теплота ваграночных газов равна

Qгаз =Сгаз · tвагр.газ ·Vвагр.газ = 1,42 · 400 · 102,624 =

= 58290,4 кДж.

Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода:



Qвагр.газ=qсоЧVco =12700Ч14,36 =182372кДж.

После дожигания ваграночных газов часть теплоты может использоваться для подогрева воздуха дутья. Аккумуляция тепла кладкой из огнеупорных кирпичей (или набивной огнеупорной футеровки) и прочие потери. Сумма расхода теплоты по вышеперечисленным статьям составляет

Qобщ=Qмет + Qшл + Qизв + Qвл + Qгаз + Qвагр.газ = 128027,73 + 9330,82 + 4860 +1300 + 58290,4 + 182372= 384180,95

Расход теплоты на аккумуляцию кладкой и прочие потери определяются по разности между приходной частью баланса и полученной суммой расходной части

Qакк=545890,718-384180,95=161709,768 кДж

т.е. принятый ранее расход кокса на плавку достаточен.

Коэффициент полезного действия вагранки определяется по соотношению:

КПД = Qмет · 100/Qприх = 128027,73 * 100 /545890,718= 23,45%.

Коэффициент использования топлива (КИТ) составляет:

КИТ=QметЧ100/Qтопл=128027,73*100/479866,5=26,68%.

Размещено на Allbest.ru