Принцип работы вагранки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время одним из наиболее распространенных чугуноплавильных агрегатов является вагранка, простота конструкции а так же простота эксплуатации и возможность получения разных марок чугунов, которой обеспечила ей широкое распространение во всём мире. Однако открытые коксовые вагранки выбрасывают в атмосферу большое количество вредных газов и пыли, а также не удовлетворяют современным требованиям предъявляемым к температуре и качеству чугуна при производстве сложных отливок. В связи с этим вагранки оснащают устройствами для дожигания и очистки отходящих газов и подогрева воздушного дутья. Так же у вагранок есть и свои недостатки, такие как необходимость использования дорогостоящего топлива, в процессе плавки расплав сильно насыщается серой и другими вредными примесями и получаемый при выпуске из вагранке чугун, имеет низкую температуру. В связи с этим вагранка все же требует усовершенствования, поэтому целью данной курсовой работы является разработка технологического процесса выплавки серого чугуна марки СЧ15 в коксовой вагранке диаметром D = 0,7 м, с нейтральной футировкой футеровкой. Вагранка оснащается копильником. Расход кокса - 10%, возврата - 30%. Угар Si - 13%, Mn - 15%. Углерода в коксе - 85%.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ существующих видов вагранок;

- изучить конструкцию коксовых вагранок;

- рассчитать основные параметры;

- провести расчет теплового и материального балансов;

- провести расчет шихты, требующейся для плавки чугуна СЧ15.



1. Классификация вагранок

Вагранка - сложный плавильный агрегат, состоящий из ряда узлов, с механизацией всех трудоемких процессов и автоматическим регулированием основных параметров плавки. Вагранка является достаточно распространенным плавильным агрегатом.

Вагранки классифицируются по ряду параметров, основными из которых являются:

1) По виду применяемого топлива:

- коксовые;

- газовые;

- коксогазовые.

2) По виду футеровки:

- с кислой (динас);

- с основной (магнезит);

- с нейтральной (шамот).

3) По теплотехническим особенностям:

- без подогрева дутья;

- с подогревом дутья.

4) По степени очистки:

- закрытого типа;

- открытого типа;

- полузакрытого типа.

5) По конструктивным особенностям:

- с копильником;

- без копильника;

- с водяным охлаждением шахты вагранки;

- без водяного охлаждения шахты вагранки.

Рассмотрим три вида вагранок:

- коксовую вагранку с холодным дутьем открытого типа с копильником;

- газовую вагранку;

- коксогазовую вагранку

Коксовые вагранки являются самыми распространенными, хотя имеют существенные недостатки по сравнению с газовыми и коксогазовыми вагранками. Одини из них - это использование дорогостоящего литейного кокса и загрязнение расплава серой. В коксовых вагранках нагрев и расплавление шихтовых материалов происходит за счет горения кокса [6].

На рисунке 1.1 представлена коксовая вагранка с холодным дутьем открытого типа с копилником.

1 - летка, 2 - дверцы днища, 3 - горн, 4 - колонны, 5 - подовая плита, 6 _ лещадь. 7 - окна, 8 - фурмы, 9 - кирпичная кладка, 10 - кожух, 11 - чугунные кирпичи, 12 - загрузочное окно, 13 - искроуловитель. 14 - шахта. 15 - бадья, 16 - металлическая шихта, 17 - коксовая колоша, 13 - копильник, 19 - летка для расплава, 20 - желоб

Рис. 1.1. - Схема устройства коксовой вагранки открытого типа с копильником



В настоящее время, так же нашли применение и газовые вагранки [6]. На рисунке 1.2 представлена газовая вагранка производительностью 7 т/ч. В конической шахте находится камера сжигания газа и перегрева металла, откуда чугун стекает в копильник.

В шахте вагранки имеются два уступа с водоохлаждаемыми кессонами, полукольцевое поднутрение и разделительный барьер. В бассейне происходит перегрев жидкого металла за счет продуктов горения природного газа, сжигаемого в горелках.

Система смешения газа с воздухом и многофакельное сжигание газовоздушной смеси позволяют получать требуемые для плавки и перегрева чугуна тепловые условия в камере перегрева, где температура превышает 1700° С.

Продукты горения природного газа, имеющие сильноокислительный характер, взаимодействуют с жидким чугуном, окисляя основные компоненты. Угар кремния и марганца и окисление углерода больше, чем в коксовых и коксогазовых вагранках. Кроме того, в газовых вагранках не происходит науглероживания металла. Вследствие этого для компенсирования повышенного угара углерода увеличивается расход чушкового чугуна и ферросплавов по сравнению с коксовыми и коксогазовыми вагранками.



1 - шахта; 2 и 4 - водоохлаждаемые кессоны; 3 - поднутрение; 5 - разделительный барьер; 6 и 12 - уступы; 7 - копильник; 8 - механизм открывания днища; 9 - бассейн; 10 - горелки; 11 - камера сжигания газа и перегрева

Рисунок 1.2 - Газовая вагранка

Топливом коксогазовых вагранок служат кокс и природный газ, который сжигается в туннелях, расположенных по периметру вагранки над фурмами [6]. Газовые горелки располагают по высоте таким образом, чтобы продукты горения выходили ниже уровня холостой колоши шахты вагранки на 250-300 мм. 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. При переводе коксовой вагранки на коксогазовый обогрев снижается расход кокса на рабочую колошу, чем объясняется тенденция к переводу на газовое топливо.

В коксогазовой вагранке состав газовой атмосферы более окислительный, чем в коксовой вагранке, что увеличивает угар кремния и марганца и ухудшает условия науглероживания жидкого металла.

Конструкция современной коксогазовой вагранки показана на рисунке 1.3.

1 - водосборник; 2 - шамотная кирпичная футеровка; 3 - набивная шамотная масса; 4 - водоохлаждаемый горелочный туннель; 5 - газовая горелка; 6 - коллектор для подачи природного газа; 7,8 - воздушные коллекторы соответственно для горелок и фурм; 9 - водяное охлаждение плавильного пояса; 10 - водяное охлаждение фурм и горелочных туннелей; 11 - медная водоохлаждаемая фурма; 12 - стационарный копильник; 13 - быстросменное леточное устройство; 14 - высокоглиноземестые огнеупоры

Рисунок 1.3 - Коксогазовая вагранка

Продукты горения газа и пары воды при температуре 1500-1550°С подают в плавильную зону шахты вагранки, вносится дополнительное количество теплоты, за счет которого улучшаются условия теплообмена в двух зонах - зоне плавления и зоне подогрева кусков твердой шихты, а в зоне перегрева жидкого чугуна при сохранении удельного расхода воздуха ничего не изменяется. Теплота от сжигания 25 м³ газа на 1 т выплавляемого чугуна позволяет уменьшить расход кокса на 25-35%, поднять производительность вагранки на 10% при постоянной температуре чугуна.

Уменьшение расхода кокса за счет сжигания дешевого природного газа позволяет снизить себестоимость чугуна, понизить содержание в нем серы, поднять производительность печи, уменьшить влияние качества разделки шихты, упростить регулирование высоты холостой колоши путем изменения расхода газа в горелках. Последнее выгодно отличает ее от вагранки, работающей на обогащенном кислородом воздухе. Однако коксогазовые вагранки имеют и существенные недостатки: взаимодействие продуктов, выделяющих при горении природного газа (СО2 и Н2О) с раскисленными кусками кокса с образованием 15-20% СО и 3-4% Н2, что поглощает большое количество тепла); повышение температуры колошниковых газов на 100-150°С, вызывающее дополнительные потери теплоты; насыщением чугуна водородом. Если совместный расход кокса и газа оценивать в единицах условного топлива, то окажется, что расход коксогазового топлива будет больше, а КПД вагранки ниже, чем для обычной коксовой. Экономия при работе коксогазовой вагранки получается только за счет низкой стоимости природного газа, поэтому даже повышенный расход газа по сравнению с сэкономленным коксом дает определенный экономический эффект.



2. Устройство и работа коксовой вагранки

Существует много систем вагранок, отличающихся друг от друга отдельными деталями. Вагранка (рис. 2.1) состоит из пяти основных частей: опорной части, шахты, дымовой трубы с искрогасителем, фурменного устройства и копильника. Однако вагранки могут быть и без копильника. Рассмотрим отдельные части вагранки [4].

1 - дымовая труба с искрогасителем; 2 - шахта; 3 - копильник;

4 - фурменное устройство; 5 - опорная часть;

Рисунок 2.1 - Основные части коксовой вагранки, оснащенной копильником



2.1 Опорная часть вагранки

Опорная часть. вагранки принимает на себя вес всей вагранки вместе с загруженной шихтой. В состав опорной части (рис. 2.2) входит подовая плита 1, фундаментная плита 2. четыре колонны 3, откидное днище 6 с запорным устройством, включающим в себя детали 4, 5, 7, 8, 9.

На подовой плите крепится болтами или при помощи сварки кожух вагранки 10. Плита может быть литая или сварная. Литые плиты меньше коробятся при нагреве; изготовление их для малых вагранок проще, чем сварных. 8 центре подовой плиты 1 имеется отверстие, служащее для выгрузки содержимого вагранки по окончании плавки. Подовая плита опирается на четыре колоины и крепится к ним болтами.

Фундаментная плита служит для крепления нижних концов колонн 3 и равномерного распределения нагрузки на фундамент. Колонны отливаются из стали или чугуна. Для предохранения от раскаленных остатков плавки, вываливающихся из вагранки через откидное днище, плиту углубляют на 150-200 мм от уровня пола и засыпают утрамбованной сухой формовочной смесью (см. фиг. I).

1 - подовая плита; 2 - фундаментная плита; 3 - колонки. 4 - шарнир; 5 - брус; 6 - днище; 7 - рым; 8 - скоба; 9 - шарнир; 10 - кожух вагранки

Рисунок 2.2 - Опорная часть вагранки

Колонны, нижними концами связанные с фундаментной плитой, а верхними с подовой плитой, воспринимают на себя вес вагранки. Лучшими колоннами, как с точки зрения прочности, так и с точки зрения сопротивления действию высоких температур являются литые чугунные или стальные. Колонны делаются пустотелыми, с опорными башмаками вверху и внизу и крепятся к обеим плитам болтами.

Откидное днище может быть литым или сварным. Литые днища в целях борьбы с короблением при нагревании, а также для увеличения прочности делаются с ребрами жесткости. Для удаления паров воды при просушке набивной подины устраиваются отверстия диаметром 15-20 мм. расположенные по всей поверхности дверей. Дверцы малых вагранок производительностью до 2 т/ч закрываются вручную, а для вагранок большей производительности - посредством лебедки и с помощью рычага с противовесом. Откидное днище служит для того, чтобы, открыв его, можно было через отверстие в подовой плите вывалить содержимое вагранки по окончании плавки. Запорное устройство днища удерживает дверцы в закрытом состоянии с помощью бруса 5.

Стальной литой брус 5 одним концом закреплен в неподвижном шарнире 4, а другим входит в скобу 8, вращающуюся в шарнире 9. Для плотного прижатия бруса к дверцам откидного днища в скобе имеется рым 7, завинчиваемый от руки илн ломиком. При выбивке вагранки необходимо отвернуть рым и немного опустить запорный брус, затем зацепить канатом за рым и отвести в сторону скобу 8, после чего брус и дверцы днища падают, а остатки плавки вываливаются из вагранки.

2.2 Шахта вагранки

Шахта является основной частью вагранки, так как в ней происходят два главных процесса ваграночной плавки - горение топлива и плавление чугуна. Шахта состоит из железного цилиндрического кожуха 1 (рис. 2.3), сделанного из листового железа толщиной 6-12 мм (в зависимости от диаметра вагранки). Внутри кожуха находится огнеупорная футеровка 2. Между кожухом и футеровкой оставляется зазор 25-50 мм, заполняемый огнеупорным неспекающимся материалом, например тощим песком. Назначение такого слоя - обеспечить беспрепятственное расширение футеровки при нагревании и ликвидировать возможность возникновения растягивающих усилий в кожухе вагранки

Шахта устанавливается на подовую плиту 8 над отверстием, закрываемым откидным днищем 7. На днище набивается под, или лещадь 6 из тощего формовочного песка слоем толщиной 200-300 мм. Набивка имеет небольшой уклон в сторону отверстия 4 - чугунной летки. К ней примыкает железный футерованный желоб 5. Если вагранка без копильника, то чугунная летка во ввремя правки заделана глинистой массой и открывается только на период выпуска чугуна. В вагранке с копильником чугунная летка служит каналом, через который чугун из горна непрерывно поступает в копильник.

Против чугунной летки на уровне пода делается рабочее окно 10, которое на время плавки закладывается огнеупорным кирпичом, забивается формовочной смесыо и закрывается дверкой 9. Рабочее окно служит для набивки пода, закладывания дров и их розжига.

Для выпуска шлака имеется отверстие 3, называевое шлаковой леткой. Обычно шлаковая летка располагается ниже фурм на 75-150 мм. Шахта по высоте делится на две части: нижняя часть, от пода до первого ряда фурм, называется горном, а от первого ряда фурм до порога завалочного окна-собственно шахтой. Горн, а также часть шахты выше фурм во время работы вагранки заполнены раскаленным коксом. Этот столб кокса называется холостой коксовой колошей. На холостую колошу загружаются отдельным» слоями чугун и кокс, называемое соответственно металлическими и рабочими коксовыми колошами. Высота горна для вагранок с копильником берется как можно меньше и в зависимости от диаметра вагранки колеблется в пределах от 150 до 300 мм.

Рисунок 2.3 - Шахта вагранки

В вагранках без копильника чугун скапливается в горне. Поэтому высота горна определяется объемом жидкого чугуна, который необходимо накопить между отдельными выпусками, и равняется в среднем 400-700 мм.

Расстояние между первым рядом фурм и порогом завалочного окна, или высота непосредственно шахты, составляет полезную высоту вагранки. Высота этой части вагранки имеет большое значение для процесса теплообмена между раскаленными газами, поднимающимися вверх, и чугуном, опускающимся вниз. Очевидно, чем длиннее путь движения газов по кускам чугуна, тем больше продолжительность соприкосновения их между собой, тем полнее газы отдадут свое тепло чугуну. Однако при слишком большой высоте вагранки возникает опасность зависания шихты н размельчения кокса как при загрузке металлических колош, так н от давления высокого столба материалов. При чрезмерной высоте шахты возрастает сопротивление движению газов в вагранке. Это требует установки мощных воздуходувных средств. В очень же низких вагранках для подогрева шихты и получения горячего чугуна необходимо расходовать избыточное количество топлива.

Верхняя часть шахты, расположенная ниже завалочного окна, выкладывается чугунными кирпичами 12, чтобы предохранить разрушение кладки от ударов загружаемой шихты. Вид чугунных кирпичей показан на рис. 2.4. Как видно из этого рисунка, эти кирпичи для уменьшения веса делаются пустотелыми и при кладке заполняются песком. Чтобы кирпичи своим весом не давили на нижележащую футеровку из огнеупорного кирпича, они опираются на опорное кольцо 11 (рис. 2.3) из углового железа.

а) б)

Рисунок 2.4 - Чугунные пустотелые кирпичи: а - форма кирпича первого ряда; б - форме кирпича, укладываемого ниже верхнего ряда

Дымовая труба служит для отвода продуктов горения топлива из шахты наружу. Она представляет собой продолжение шахты вагранки и имеет диаметр, по кожуху одинаковый с вагранкой. Труба внутри футеруется огнеупорным кирпичом в один ряд. Заканчивается труба искрогасителем, который предназначен для улавливания раскаленной пыли и искр, выбрасываемых из дымовой трубы. Их улавливание производится с целью предупреждения пожаров и загрязнения окружающей территории.

По принципу действия искрогасители разделяются на два типа: сухие и с водяной завесой - «мокрые».

Действие сухих искрогасителей основано на резком уменьшении скорости движения газов по выходе из дымовой трубы с одновременным изменением направления их движения. Вследствие этого поток газа уже не в состоянии увлекать за собой искры, которые представляют собой раскаленные частицы кокса, и они падают на днище искрогасителя.

На рис. 2.5 показан «мокрый» 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 по выходе из трубы 9 вагранки отклоняются зонтом к корпусу искрогасителя. Холодная вода из трубопровода 1 заполняет зонт и поступает в искрогаситель через сливной патрубок 5 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.



Рисунок 2.5 - Искрогаситель вагранки

Для решения вопрос об очистке ваграночных газов разработаны вагранки с так называемым закрытым колошником или просто закрытые вагранки. В закрытых вагранках дымовая труба с искрогасителем убрана и шахта вагранки сверху герметично закрывается. Загрузка шихты, топлива и флюсов производится сверху через специальное загрузочное устройство, не позволяющее газам вырываться наружу. Ваграночные газы отводятся с верхнего уровня столба шихты по газоходу и подвергаются сухой очистке от пыли. После сухой очистки ваграночные газы сжигаются, а выделенное тепло идет на подогрев. воздуха для дутья. Сгоревший ваграночный газ поступает в сырую очистку от пыли и после охлаждения выбрасывается в атмосферу. В таких вагранках степень очистки газов от пыли равна 95-98%, а окись углерода в дыме совершенно отсутствует

Таким образом, конструкция закрытых вагранок позволяет сделать сразу два полезных дела-очистить ваграночные газы от пыли и использовать тепло для подогрева дутья.



2.3 Фурменное устройство

Фурменное устройство вагранки, состоит из фурменной коробки 1 (рис. 2.6), дроссельных клапанов 3 доя регулирования количества воздуха, подаваемого к фурмам первого ряда, фурменных колен 4 и сопел трех рядов фурм 5, 6 и 8. Воздушная коробка делается из железных листов толщиной 6-12 мм и приваривается к кожуху вагранки. Дроссельные клапаны монтируются в литых цилиндрических кожухах которые крепятся к днищу фурменной коробки болтами. Круглая часть фурменного колена примыкает к дроссельному клапану, а прямоугольная - к фурменным вырезам в кожухе вагранки.

Сопла фурм всех трех рядов чугунные, прямоугольного сечения, расширяющиеся внутри вагранки (рис. 2.7). К кожуху вагранки сопла крепятся болтами. В фурменной коробке и фурменных коленах против фурм расположены смотровые окна 7 часто называемые гляделками (рис. 2.6), через которые можно наблюдать за состоянием фурм. Современная вагранка имеет три ряда фурм. Принято первым рядом считать нижний ряд: вторым - средний; третьим-верхний ряд фурм. Воздух в фурменную коробку подается от вентилятора по воздухопроводу, который перед фурменной коробкой разделяется на два отростка - штуцера. Штуцеры подходят к фурменной коробке сверху.

а) б)

Рисунок 2.7 - Форма сопел первого (а) и второго и третього (б) рядов фурм



При работе на вагранках с двумя рядами фурм следует учитывать возможность большего угара кремния, особенно при работе на холодном дутье, из-за более продолжительного пребывания жидкого металла в зоне высоких температур и контакта с СО₂ и П₂. Продолжительная эксплуатация вагранок с двумя рядами фурм на Московском автозаводе им. И.А. Лихачева (как на холодном, так и на горячем дутье) показала, что снижения концентрации СО в отходящих ваграночных разах (по сравнению с одним рядом фурм) не наблюдается.

2.4 Копильник

Вагранка без копильника устраивается в цехах, где изготовляются небольшие отливки, а также в цехах с конвейерной заливкой и частыми выпусками металла. В тех случаях, когда в таких вагранках требуется получить большую порцию чугуна, его скапливают в горне вагранки. Однако при этом увеличивается время соприкосновения чугуна с коксом холостой колоши. В результате чугун обогащается углеродом и серой и качество его ухудшается. В этих случаях лучше устраивать отдельный передний горн - копильник.

На рис. 2.8 показано устройство вагранки с копнльником. Соединительный канал 1 служит для стекания жидкого чугуна и шлака из горна в копильник. Отверстие с глазком 2 позволяет вести наблюдение за состоянием соединительного капала и при необходимости прочищать его. Для выпуска шлака из копильника имеется шлаковая летка 8 с желобом 7, а для чугуна - чугунная летка 4 с желобом 5. Под копильннка 6 набивается формовочной землей или футеруется огнеупорным кириичом. В передней части копильника, против чугунной летки, устраивается дверца 3 для ремонта копильника. Желоб 5 для чугуна крепится к дверце и при открывании дверцы отходит вместе с ней.

Для уменьшения охлаждения чугуна копильник до начала плавки следует высушивать и прогревать, а также применять хорошую тепловую изоляцию для стенок, пода и особенно свода. Установлено, что даже при хорошей тепловой изоляции и хорошем подогреве копильника перед началом плавки температура чугуна в копильнике снижается на 20-40°.

Однако устройство копильника имеет и свои преимущества: чугун выравнивается по составу и температуре; устраняется попадание шлака в фурмы, что нередко случается в вагранках без копильника; содержание углерода и серы в чугуне уменьшается; сокращается расход кокса на холостую колошу, так как фурмы можно приблизить к подине вагранки на 150-300 мм; создается более I ровный сход колош, а значит, и более равномерный их подогрев.

Рисунок 2.8 - Копильник

Сифонный шлакоотделитель вагранки показан на рис. 100. 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 5. Вода, охлаждающая плавильный пояс и фурмы 2, стекает в кольцевой желоб 3.

Рисунок 2.8 - Сифонный шлакоотделитель

2.5 Футеровка вагранки

Футеровкой называется слой из огнеупорного материала, расположенный внутри кожуха вагранки по всей ее высоте - от пода до искрогасителя. От срока службы футеровки в значительной степени зависит стоимость эксплуатации вагранки, а следовательно, и себестоимость отливок. Стойкость футеровки определяет величину затрат материалов и труда па ее ремонт. Футеровка вагранки работает в тяжелых условиях. Она подвергается одновременному действию высоких температур порядка 1700° С, разъедающему действию шлаков, истиранию и ударам от загружаемой шихты. Кроме того, футеровка вагранки испытывает резкие колебания температуры, например после выбивки вагранки, в результате чего футеровка растрескивается и разрушается.

Исходя из перечисленных условий работы, к футеровке предъявляют специальные требования. Прежде всего футеровка должна обладать высокой огнеупорностью; химической стойкостью против разрушения ее шлаками, металлом, газами; термической стойкостью (не давать трещин при резких колебаниях температуры); механической прочностью и плотностью. Однако очень трудно найти такой огнеупорный материал, который обладал бы всеми этими свойствами. B условиях ваграночной плавки наибольшее распространение получила футеровка. из шамотного кирпича, являющегося практически. нейтральным материалом.

По условиям работы футеровку вагранки можно разделить на пять частей: горн, пояс плавления, шахта, пояс ниже загрузочного окна и труба с искрогасителем.

Труба и искрогаситель испытывают действие сравнительно невысоких температур до 800° С и поэтому футеруются в один ряд шамотным кирпичом низшего класса.

Пояс высотой примерно в 1 м ниже загрузочного окна следует футеровать чугунным кирпичом, предохраняющим огнеупорную футеровку от механического разрушения в процессе загрузки. Чугунные кирпичи находятся в зоне низких температур порядка 500-600° С н поэтому служат довольно долго.

Шахта от пояса чугунных кирпичей до правильной зоны футеруется огнеупорным кирпичом уже более высокого класса. В наихудших условиях находится футеровка в плавильном поясе, где имеет место одновременное воздействие высоких температур, шлаков, газов, металла и истирающее действие опускающихся материалов. 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 плавильного пояса, области фурм и горна рекомендуется применять огнеупорные кирпичи высшего класса А.

При выборе формы кирпичей и кладке футеровки следует стремиться к тому, чтобы толщина швов была не более 4 мм, так как выгорание футеровки и ее разрушение идет главным образом по швам, как это показано на рис. 2.9. Во избежание получения больших швов применение прямого кирпича допустимо лишь для вагранок диаметром не менее 1200 мм, а для вагранок меньшего диаметра - только для наружных рядов. Для внутренних рядов следует применять ребровой клин, чередуя его с прямым кирпичом. На рис. 2.10 показано расположение кирпичей в кладке футеровки. В случае применения радиальных кирпичей швы имеют одинаковую толщину и могут быть сделаны как угодно тонкими; швы же между прямоугольными кирпичами расширяются от центра к наружной поверхности вагранки. Ясно, что при выгорании внутреннего слоя футеровки швы на футеровке будут непрерывно расширяться. Это приведет к быстрому разрушению кладки.

Рисунок 2.9 - Разрушение футеровки по швам кладки

Уничтожение швов между кирпичами, при условии сохранения огнеупорности материала, привело бы к значительному увеличению стойкости футеровки. Поэтому за последнее время все большее распространение получает так называемая набивная огнеупорная футеровка, создающая при спекании прочный монолит. Ее преимущества заключаются не только в повышении стойкости, но и в дешевизне используемых материалов.

 

а) б)

Рисунок 2.10 - Форма и величина швов при кладке футеровки нормальным (а) и радиальным (б) кирпичами

Наиболее распространен следующий состав огнеупорной массы: 90 - 95% кварцевого песка, 5-10% графита, 6-8% 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 диаметром, равным внутреннему диаметру вагранки, высотой 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.



3. Плавка чугуна в коксовой вагранке

3.1 Технология плавки чугуна в коксовой вагранке

коксовый вагранка плавка чугун

Технология плавки должна обеспечивать получение нужного и стабильного состава чугуна и высокой температуры металла при заданной производительности [4]. Выполняются эти требования за счет выбора соответствующего расхода кокса и дутья (иногда за счет изменения температуры подогрева дутья). Сложность управления процессом заключается в том, что изменение расходов кокса или воздуха изменяет одновременно как температуру металла, так и производительность вагранки. Поэтому для изменения только производительности или только температуры металла, как правило, необходимо изменять и расход кокса, и расход дутья, как это видно из номограммы на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Сетчатая номограмма взаимосвязи параметров ваграночного процесса

Оперативное регулирование процессом обеспечивается только за счет изменения температуры или расхода дутья и содержания и нем кислорода. Изменение же расхода кокса влияет на ваграночный процесс с задержкой в 30…60 мин, т.е. после достижения

измененной порцией кокса холостой колоши. В определенном интервале можно регулировать производительность вагранки только за счет изменения расхода дутья. При этом температура металла сохраняется практически постоянной. Применение подогрева дутья, доменного профиля шахты вагранки и подача дутья через фурмы, расположенные на высоте 700…1000 мм от первого ряда, позволяет значительно увеличить диапазон допустимого изменения производительности вагранки только за счет изменения подачи дутья.

Необходимость изменять производительность вагранки возникает в первую очередь при серийном поточном производстве, где требуется синхронность производительности вагранки с металлоемкостью заформованных опок. Уменьшить колебания производительности вагранки можно за счет применения миксеров большой емкости, сглаживающих неравномерность потребления металла в течение смены и его химсостава.

Тепловой к. п. д. работы вагранок различен при нагреве шихты, плавлении ее и нагреве жидкого металла. В зоне нагрева шихты к. п. д. имеет наибольшее значение и составляет 50…60%‚ в зоне плавления 30…40%. а в зоне нагрева капель жидкого металла - всего 10…15%.

3.2 Металлургические процессы плавки чугуна в коксовой вагранке

Металлургические процессы заключаются в диссоциации известняка, образовании шлака, угаре элементов и других окислительно-восстановительных реакциях между газовой фазой, шихтой и шлаком. Содержание влаги в шихте невелико (1,5…2,5% в известняке, 3…6% в коксе), и испарение ее происходит в самом верхнем слое шахты вагранки. В этой же зоне происходит выделение из кокса летучих веществ, составляющих обычно не более 1% от массы кокса. Интенсивное разложение известняка происходит при температуре 900…1000°С, когда упругость его диссоциации, увеличивающаяся с подъемом температуры, превышает парциальное давление . В этих условиях образующаяся при разложении известняка легко удаляется из его внутренних пор, увеличивая реакционную поверхность и ускоряя тем самым процесс диссоциации.

Известняк подается в вагранки для образования жидкотекучего шлака из посторонних продуктов, поступающих вместе с шихтой, из оплавившейся футеровки, золы кокса, продуктов окисления шихты. Состав шлака определяет его основные свойства: температуру плавления, вязкость и основность. Наиболее тугоплавкими являются окислы ( = 1625° С), СаО ( = 2370° С), А1 «О3 (= 2060° С). Образование двойных и тройных соединений этих окислов, особенно эвтектического состава, понижает шлака.

С повышением массовая доля FеО и МnО в шлаке резко снижается (рис. 3.2).

Рисунок. 3.2. Влияние температуры чугуна на содержание в шлаке FеО и МnО

Количество шлака, его основность и содержание в нем FеО и МnО наряду с расходом кокса, температурным и шлаковым ежимом плавки оказывают большое влияние на угар элементов. Количество шлака при кислом процессе составляет 5…8%, а при основном 8…10% от массы чугуна.



3.3 Интенсификация процессов плавки чугуна в коксовой вагранке

Методы интенсификации ваграночного процесса направлены либо на повышение температурного режима в вагранке, либо на перегрев жидкого металла на желобе, в горне или копильнике. Для повышения температуры металла применяется подогрев дутья, обогащение его кислородом, подача дутья через два ряда фурм, применение карбида кальция и подача части дутья через горн.

Подогрев дутья и обогащение его кислородом обеспечивают повышение температуры металла примерно на 15…25°С на каждые 100° подогрева дутья или на 1% повышения содержания кислорода в дутье. Наиболее простым методом обогащения дутья кислородом является его подача в воздухопровод перед фурменной коробкой. Во многих случаях обогащение дутья кислородом применяют в начальный период плавки. В этом случае увеличение содержания кислорода на 2% повышает температуру первого выпуска чугуна на 70°. По зарубежным данным, в связи с ростом цен на чушковые чугуны и кокс, применение кислорода экономически оправдано при объеме выплавки чугуна более 15 т/сут.

Отвод части дутья через горн и стационарный. копильиик расширяет высокотемпературную кислородную зону и может привести к повышению температуры металла на 30…50° в вагранках малого диаметра. Положительные результаты при этом методе обеспечиваются только в случае правильного распределения дутья, продуваемого через горн и шахту вагранки в отношении 20…25% и 75…85%, и увеличения общего расхода дутья.

Карбиды кальция или кремния подаются в вагранку вместе с коксом рабочей топливной колоши в количестве 2% от металлозавалки. Благодаря высокой температуре плавления, карбид кальция плавится в кислородной зоне и сгорает, выделяя 5500 ккал/кг и повышая температуру в этой зоне. Присадка 2% карбида кальция повышает температуру металла на 40…50° и приводит к снижению содержания серы в чугуне. Положительные результаты получаются только при применении литейного карбида кальция эвтектического состава с температурой плавления 1650° С.

Для перегрева жидкого металла применяется также электроконтактный и электрошлаковый подогрев на желобе вагранки либо продувка кислородом жидкого металла в копильнике или на желобе. Однако эти методы не нашли широкого применения из-за сложности и небезопасности в обслуживании и могутсчитаться только временной мерой для периодического перегрева чугуна. Техника же ведения процесса плавки должна обеспечивать нормальную, безаварийную эксплуатацию вагранки. Поэтому предпочтительнее вагранки с подогревом дутья и очисткой ваграночных газов, хотя они требуют более жесткой регламентации всех приемов по подготовке и проведению плавки. Кроме того, арсеналприемов и возможностей ведения плавки в них значительно шире, чем в вагранках с холодным дутьем.

3.4 Физико-химические процессы, протекающие при плавке

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 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.

Температура в кислородной зоне зависит от количества сгорающего кокса. Чем больше сгорает кокса, тем выше температура. Исследование процесса горения кокса в вагранке показало, что взаимодействие кислорода воздуха с углеродом кокса лимитируется диффузией кислорода к поверхности кокса. Поэтому количество сгорающего кокса определяется количеством воздуха, подаваемого в вагранку.

Состав раза в кислородной зоне при различных скоростях воздуха показан на рис. 3.3. Начало кислородной зоны соответствует содержанию кислорода 21%, конец - 0%. При скорости воздуха 0,11 м/с после прохождения воздухом первых рядов кусков топлива (~5% О₂) в продуктах горения содержится 4% СО и 13% СО₂ (остальное О₂ и Н₂). С повышением скорости воздуха имеет место рост концентрации СО и снижение СО₂. Так при скорости воздуха 1 м/с концентрации СО и СО₂ уже равны (~10%) а при скорости 2 м/с содержится 12% СО и 9% СО₂.

Рисунок 3.3 - Состав газа в кислородной зоне при различных скоростях подачи дутья

Такое изменение состава газа объясняется более полным протеканием, по мере роста температуры, реакции С + СО₂ = 2СО. В присутствии твердого углерода идет непрерывный процесс образования СО, и это делает бесплодными все попытки дожечь СО в шахте вагранки. В вагранке при любом количестве воздуха, поданного в слой топлива, протекает процесс одновременного образования и СО₂, и СО. Соотношение между СО и СО₂ зависит от температуры. Чем выше температура, тем больше СО и меньше СО₂. Такие способы интенсификации горения, как форсированная подача воздуха, обогащение воздуха кислородом и подогрев воздуха, приводят к повышению температуры в зоне горения и, следовательно, к росту СО в продуктах горения

Состав газов меняется по высоте вагранки (рис. 3.4). В вагранке над кислородной зоной расположена зона восстановления СО, 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 СО₂ резко изменяется на сравнительно небольшом участке, т.е. на участке с высокой температурой 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.

Рисунок 3.4 - Изменение состава газа по высоте вагранки

Правильность анализа ваграночного газа проверяют по формуле

СO₂ + О₂ + 0.6 СО = 21 ± 1,



где СО₂, О₂ и СО - составляющие ваграночных разов, %.

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, поэтому в горне вагранки все оксиды железа могут восстанавливаться. 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 оксидов металла в горне.

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

В зоне подогрева металл находится в твердом состоянии. Соприкасаясь с ваграночными газами, металл постепенно нагревается от начальной температуры і'_н до температуры плавления t_nn (рис. 3.5, 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, потому что средняя температура газов не превышает 1000°С (рис. 3.5, 3). В зоне подогрева металл окисляется, взаимодействуя с газом СО_а. Скорость окисления металла увеличивается при повышении температуры нагрева металла (рис. 3.5, 1).

В зоне плавления поверхностный слой металла начинает оплавляться. Жидкий металл в виде 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 металла повышается, а окисление металла приостанавливается, так как в результате контакта жидкого металла с коксом интенсивно протекает реакция восстановления оксидов железа (рис. 3.5, 1).

В горне вагранки температура поддерживается только за счет теплота, приносимой жидким металлом и шлаком из зоны перегрева, поэтому температура металла в горне немного понижается (рис. 3.5).

Рисунок 3.5 - Взаимодействие металла с газами по высоте вагранки

В горне протекают реакции

FeO + С = Fe + CO;

MnO + С = Мn + СО₂;

SiO₂ + С = Si + СО₂;

СО₂ + С = 2СО,

в результате чего содержание оксида углерода может достигать 97%. Процесс восстановления оксидов металлов в горне идет настолько эффективно, что при достаточной высоте горна весь металл, окислившийся в зонах подогрева, плавления и перегрева, может быть восстановлен (рис. 3.5, 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 оксидов металла в горне будет осуществляться не полностью, что вызовет значительное колебание химического состава шлака, а следовательно, и выплавляемого чугуна.

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

3.5 Обслуживание коксовой вагранки

Ваграночное топливо должно не только выделять необходимое количество теплоты для процесса плавки, но и выдерживать вес столба материалов, находящихся в шихте. Топливо, отвечающее требованиям плавки в вагранке, должно обладать высокой механической прочностью при нормальной и высокой температурах, определенной плотностью, характеризуемой его пористостью, которая должна быть не более 45%, низкой реакционной способностью и низким содержанием серы. Наиболее подходящим для этих целей топливом является литейный кокс.

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 на 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 струйка 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 копильника. Затем выпускают металл через металлическую летку.

К моменту расплавления первой металлической колоши уровень холостой колоши понижается. Для получения 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 со 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 проникания из вагранки газов, содержащих оксид углерода.

Основные показатели работы вагранки: температура выплавленного чугуна T_M.°С; удельный расход кокса m_K, %; удельный расход воздуха V'_m, м⁸/(м³ мин); удельная производительность по жидкому металлу т'_м, т/(м³ ч). Температуру чугуна замеряют при выходе его из вагранки. Расход кокса считают на 100 кг металлозавалки. Расход воздуха в м³/мин и производительность вагранки в т/ч пересчитывают на 1 м² поперечного сечения вагранки в свету.



4. Расчет среднего состава шихты

Рассчитать шихту для выплавки серого чугуна марки СЧ15 в вагранке диаметром D = 0,7 м, с кислой футеровкой. Вагранка с копильником. Расчет вести на металлозавалку. Расход кокса - 10%, возврата - 30%. Угар Si - 13%, Mn - 15%. Углерода в коксе - 85%.

4.1 Расчет массы металлозавалки

Размер рабочей коксовой колоши подбираем по объему. Установлено, что оптимальной толщиной слоя коксовой колоши является высота в 150-200 мм. Зная высоту коксовой колоши и площадь сечения вагранки, можно определить объем коксовой колоши, а по объему - ее массу, считая, что в 1 м³ помещается 450 кг кокса.

Объем коксовой калоши:

(4.1)

 м³.

где - высота коксовой колоши, м.

Отсюда масса коксовой колоши равна:

, (4.2)

кг.

Расход кокса в рабочих топливных калошах принято считать по отношению к металлозавалке. По массе рабочей - топливной калоши легко определить массу металлозавалки:



, (4.3)

кг.

Расход кокса находится в зависимости от характера литья. Для отливок, не требующих горячего металла, можно увеличить массу, что приведет к снижению расхода кокса. Для получения металла уменьшают массу металлозавалки, оставляя расход кокса, что приводит к увеличению расхода кокса.

4.2 Выбор химического состава жидкого чугуна

Состав чугуна для отливок выбирают следующим образом: назначают содержание углерода в жидком чугуне, затем по формуле А.Ф. Ланды определяют содержание кремния:

, (4.4)

где ; [5]

T - толщина cтенки отливки, мм;

- общее содержание углерода в жидком чугуне;

- количество связанного углерода, %;

K - коэффициент, зависящий от типа матрицы выплавляемого чугуна,

К = 0,9…1 - для серого ферритно-перлитного чугуна. [6]

Количество связанного углерода рассчитывается по формуле

, (4.5)



где -предел прочности при растяжении, МПа 10-¹.

Назначаем содержание углерода по марке выплавляемого чугуна (для нашего случая%). Теперь по уравнению (4.1) можно определить содержание Si в жидком чугуне

,

;

,

=17 МПа 10-¹.

Содержание остальных химических элементов жидком чугуне, за исключением серы и фосфора, следует назначить по средней величине для СЧ 15. Содержание серы и фосфора можно ограничить предельно допустимыми величинами для данной марки чугуна. Принятый в данном примере химический состав чугуна СЧ 15 приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Химический состав чугуна СЧ 15, принятый к расчету, %

C	Si	Mn	P	S
3,6	1,83	0,7	<0,2	<0,15

4.3 Расчет среднего состава шихты

Содержание углерода в шихте можно подсчитать по формуле Гиршовича:

, (4.6)

Содержание в шихте Si, Mn, Cr и других элементов, угорающих при плавке, можно подсчитать по формуле



, (4.7)

где% - содержание углерода в жидком чугуне, %;

- величина угара-пригара элемента Э, положительная величина соответствует угару, а отрицательная - пригару.

Содержание серы в шихте можно определить по эмпирической формуле

, (4.8)

где содержание серы в жидком чугуне, %;

, - расход кокса, %;

- содержание серы в коксе.%.

Пользуясь формулой (4.6), найдем содержание углерода в шихте:

.

Содержание Si, Mn в шихте подсчитаем по формуле (4.7):

,

.

Содержание S в шихте подсчитаем по формуле (4.8):

.

Подсчитав средний химический состав металлической завалки, можно перейти к расчету отдельных составляющих аналитическим методом: методом подбора.



4.4 Аналитический расчет шихты

Зная количество стального лома (10%), возврата (30%) и задавшись количеством покупного чугунного лома (15%) можно определить количество чушкового чугуна в металлозавалке (45%).

Зная количество кремния в шихте (2,1%), можно определить, среднее содержание кремния в чушковом чугуне, для чего составляем уравнение по кремнию (4.9):

, (4.9)

где количество возврата в шихте, %;

- содержание кремния в возврате, %;

- количество стального лома в шихте, %;

- содержание кремния в стальном ломе, %;

- количество чугунного лома в шихте, %;

- содержание кремния в чугунном ломе, %;

- количество чугуна в шихте, %;

- среднее содержание кремния чугуне;

- содержание кремния в шихте, %.

;

2,5%.

Зная необходимое среднее содержание кремния в чушковом чугуне, на шихтовом дворе подбирают чугун с таким содержанием кремния. Работать на одной марке чугуна можно, но не желательно. Для устранения «наследственности» в состав шихты необходимо вводить не менее двух марок чушкового чугуна. Составляется уравнение с одним неизвестным, из которого определяется соотношение выбранных чугунов:



, (4.10)

где% и% - содержание кремния для выбранных марок чушкового чугуна;% - среднее содержание кремния в чушковом чугуне, найденное решением уравнения (3.7). Допустим, что на шихтовом складе имеются чугуны JI3 с 2,6% Si и Л4 с 2,2% Si. Требуется узнать, в каком соотношении нужно взять чугуны JI3 к JI4. Для этого составим уравнение (4.9). Если чугуна Л3 взять х частей из 100 то чугуна Л4 нужно взять (100-х), и уравнение будет иметь следующий вид: