Разработка конструкций коксовой вагранки

Вагранка как печь для получения чугуна посредствам переплавки металлической шихты с добавлением флюса. Описание технологии плавки, ее основные этапы и правила. Расчет геометрических размеров печи. Составление и анализ материального и теплового баланса.

Рубрика Производство и технологии
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 03.06.2019
Размер файла 374,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

вагранка чугун плавка шихта

Задачей данного курсового проекта является расчет вагранки производительностью 6 т/ч. Данное оборудование представляет собой печь для получения чугуна посредствам переплавки металлической шихты с добавлением флюса. Курсовой проект заключает в себе расчеты по выбору основных параметров вагранки необходимых для получения чугуна заданной марки -СЧ30.

Наиболее распространенным литейным сплавом является чугун, из него изготовляют более 70% отливок. Это объясняется его хорошими литейными свойствами, достаточно высокими прочностными характеристиками, хорошей работой при разных условиях, особенно при знакопеременных нагрузках.

Вагранки являются самыми распространенными печами в чугунолитейных цехах, - в них выплавляется около 95% всего чугуна. Это связано с тем, что вагранки просты по конструкции, имеют высокий к.п.д. и удобны в эксплуатации. В свою очередь, вагранки разделяют по видам используемого топлива на коксовые, коксогазовые и газовые. Преимущество коксовых вагранок в использовании дешевой шихты с относительно низким содержанием кремния и марганца, низкая окислительная способность атмосферы внутри печи, а также возможность стабильной работы без подогрева воздуха в воздухоподогревателях.

Целью данного курсового проекта является необходимость получения знаний и умений расчета вагранок. Возможность применять на практике полученные знания для того, чтобы являться конкурентоспособным специалистом в своей специальность.

1. Описание технологии плавки

Технология плавки должна обеспечивать получение нужного и стабильного состава чугуна и высокой температуры металла при заданной производительности. Выполняются эти требования за счет выбора соответствующего расхода кокса и дутья (иногда и за счет изменения температуры подогрева дутья). Сложность управления процессом заключается в том, что изменение расхода 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. Оперативное регулирование процессом обеспечивается только за счет изменения температуры или расхода дутья и содержания в нем кислорода. Изменение же расхода кокса влияет на ваграночный процесс с задержкой 30-60 мин, т. е. после достижения измененной порцией кокса холостой калоши. 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 50% 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.

Тепловой КПД работы вагранок различен при нагреве шихты, плавлении ее и перегреве жидкого металла. В зоне нагрева шихты КПД имеет наибольшее значение и составляет 50-60%, в зоне плавления 30-40%, а в зоне нагрева капель жидкого металла - всего 10-15%. Оптимальный режим работы вагранок - получение чугуна в интервале температур 1340-1400 °С при подогретом дутье. Получение высокой температуры металла в вагранке (до 1550 °С) возможно, но требует высокотемпературного дутья и повышенного расхода кокса. Поэтому экономичнее использовать для перегрева электрические индукционные и дуговые миксеры. Выплавка чугуна с более низкими температурами хотя и позволяет снизить расход кокса, приводит к техническим трудностям по обслуживанию вагранки из-за зашлаковывания фурм, опасности «закозления» вагранки при незапланированных простоях и др.

Методы интенсификации ваграночного процесса направлены либо на повышение температурного режима в вагранке, либо на перегрев жидкого металла на желобе, на горне или в копильнике. Для повышения температуры металла применяют подогрев дутья, обогащение его кислородом, подачу дутья через два ряда фурм, применение карбида кальция и подачу части дутья через горн. Подогрев дутья и обогащение его кислородом обеспечивают повышение температуры металла примерно на 15-25 °С на каждые 100 °С подогрева дутья или на 1% повышения содержания кислорода в дутье.

Отвод части дутья через горн и стационарный копильник расширяет высокотемпературную кислородную зону и может привести к повышению температуры металла на 30-50 °С 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 75-80%, 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 теплоту и повышая температуру в этой зоне. Присадка 2% карбида кальция повышает температуру металла на 40-50 °С и приводит к снижению содержания серы в чугуне.

По условиям теплообмена между металлом, коксом и газами шахту вагранки можно условно разделить на 4 зоны (рис. 1). Зона I зона подогрева шихты; она простирается от завалочного окна вниз до того уровня, где температура поверхности кусков металла достигает температуры плавления (1150...1200 °С). Размеры этой зоны не постоянны и зависят от многих факторов (от расхода кокса и воздуха, размеров кусков металлической шихты и др.). В зоне подогрева металл находится в твёрдом состоянии. Передача теплоты от ваграночных газов к металлу происходит конвекцией. Металл постепенно нагревается от температуры tм' до температуры плавления tпл (рис.1, кривая 1). Зона II зона плавления кусков металлической шихты. Продолжительность плавления 5...15 мин в зависимости от размеров кусков. За это время куски успевают опуститься в холостую колошу на 300...500 мм, т.е. время плавления определяет размеры зоны плавления. Зона III зона перегрева жидкого чугуна, которая начинается с того уровня, где образуются капли чугуна, и простирается до нижнего ряда фурм. В этой зоне температура перегрева металла tпер увеличивается. Капли чугуна перегреваются, стекая по кускам раскалённого кокса и омываясь потоком горячих газов. Дополнительно капли перегреваются за счёт окисления примесей чугуна свободным кислородом газов. Зона IV горн вагранки, находящийся между нижней кромкой нижнего ряда фурм и лещадью. В этой зоне чугун, стекая по кускам более холодного кокса, охлаждается и насыщается серой. Температура t''м в горне немного понижается.

Рисунок 1. Зоны вагранки и характер изменения температур металла, ваграночных газов по высоте вагранки: 1 температура металла; 2 температура ваграночных газов

Воздух, поступающий через фурмы, взаимодействует с углеродом топлива по реакциям

С + 0,5О2 = СО + 110 964 кДж/моль;

С + О2 = СО2 + 395 052 кДж/моль.

Образовавшаяся СО при наличии свободного кислорода догорает:

СО + 0,5О2 = СО2 + 248 088 кДж/моль.

У поверхности кусков топлива повышается концентрация СО2 и температура газов. СО2 будет перемещаться в поток газов, где его концентрация мала. Частично СО2 будет взаимодействовать с раскалённым углеродом топлива по реакции:

С + СО2 = 2СО 173 124 кДж/моль.

При наличии свободного кислорода СО догорает до СО2, т.е. поток газов обогащается СО2 и обедняется кислородом. Та зона холостой колоши, где имеется свободный кислород, называется кислородной зоной. В конце кислородной зоны температура газов достигает максимума, усиливается процесс восстановления СО2 с поглощением тепла и с увеличением содержания СО. Зона холостой колоши, где увеличивается концентрация СО в ваграночных газах, называется редукционной. Таким образом, активная часть холостой колоши, расположенной от фурм до зоны плавления, условно может быть разделена на две зоны: кислородную, где поток газов еще содержит О2 и горение завершается в основном образованием СО2, и редукционную, где свободного кислорода практически нет, продукты горения обогащаются СО за счёт восстановления СО2.

Изменение температуры газов по высоте шахты вагранки показано на рисунке 1 (кривая 2).

Эти факторы влияют и на металлургические процессы, протекающие в печи.

2. Расчетная часть

2.1 Расчет геометрических размеров печи

Основные размеры коксовой вагранки (рис. 6) рассчитывают по эмпирическим формулам на основании опыта эксплуатации вагранок в зависимости от её часовой производительности.

Определение диаметра, м, вагранки:

где G заданная производительность вагранки, т/ч; g удельная производительность вагранки, т/(м2 •ч); т/(м2 •ч).

Определение высоты вагранки.

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

Общая высота вагранки (без трубы):

где расстояние от оси основного ряда фурм до пода (для серого чугуна 600), м; высота (толщина) набивки подины (200-400 в зависимости от размера вагранк), м; расстояние от пода до пола цеха, м.

Размер зависит от типа выплавляемого чугуна и производительности вагранки; колеблется в пределах 100...300 мм для ковкого чугуна и 300...600 мм для серого. Чем больше необходимо получить содержание углерода в чугуне, тем больше должна быть. в зависимости от размеров вагранки выполняется в пределах 200...400 мм.

принимается из условий удобства проведения ремонта.

Определение диаметра металлической лётки.

Диаметр металлической лётки, мм, рассчитывается исходя из необходимой скорости истечения жидкого металла, определяемой высотой его уровня в вагранке:

где плотность чугуна, т/м3; скорость истечения чугуна (0,5... 1), м/с.

Диаметр шлаковой лётки принимают на 30...50 мм больше диаметра металлической лётки:

Сечение вагранки в свету:

Размеры фурм.

Принимаем однорядную систему фурм с суммарным сечением Тогда

Количество фурм и фурменных рукавов равно 6. Следовательно, сечение одной фурмы и рукава равны:

Диаметр фурмы и фурменного рукава:

Расчёт искрогасителя.

Приняв температуру ваграночных газов в искрогасителе 300 увеличение объема газов вследствие подсоса воздуха через загрузочное окно (K) в 2 раза и скорость газа 1 м/с, получим для вагранки с расходом кокса 10 кг на 100 кг шихты при Vг = 91,04 м3:

Расчёт диаметра воздухопроводов.

Диаметр воздухопроводов при скорости воздуха 15 м/с и объеме Vв = 82,9 м3:

2.2 Расчет материального баланса

Расчет ведем на 100 кг металлической шихты для выплавки чугуна СЧ 20. Принимаем расход кокса равным 14% от веса металлозавалки, или 14 кг. Принимаем расход известняка 35%. Химический состав кокса приведен в таблице 1.1

Таблица 1. Химический состав кокса

Элемент

Содержание,%

В кг на 100 кг металла

В кг на 10 кг металла, счи-тая, что О2 соединен с H2

C

81,2

11,363 (14·81,2/100)

11,363

H2

0,6

0,082

0,082 - 0,06/8 = 0,0825

O2

0,4

0,056

-

N2

1

0,14

0,14

S

0,8

0,112

0,112

Зольность A

11

1,54

1,54

Влажность W

5

0,7

0,7 + (0,56·9)/8 = 0,7675

Итого

100

13,9

13,9

Примем соотношение газов CO2/CO в продуктах горения равным 60/40. Это означает, что 60% углерода, или 11,363·0,6 = 6,818 кг, сгорает в CO2 и 40% углерода, или 11,363·0,4 = 4,545 кг, сгорает в CO. При сгорании 1 кг углерода согласно реакциям горения запишем:

При сжигании 1 моля углерода образуется 22,4/12 = 1,87 м3 CO2 или CO.

Тогда при сгорании кокса в колошниковые газы перейдет:

м3 СО2,

м3 СО.

При сгорании 1 кг водорода по реакции:

,

При горении всего водорода топлива в продукты горения переходит

Примем, что из общего количества серы топлива (0,112 кг) 70% ее, или 0,078 кг, сгорает в SO2 и переходит в газы, а 30%, или 0,0336 кг, переходит в металл.

При сгорании 1 кг серы топлива согласно реакции:

Тогда из топлива в колошниковые газы перейдет:

Примем, что в известняке содержится 44% CO2 (исходя из атомных масс элементов) или

и 56% или

Тогда из известняка в продукты горения перейдет

Здесь - 0,51 объем (м3), занимаемый 1кг СО2.

Примем следующий состав шихты и металла (таблица 2).

Таблица 2. Состав шихты

Элементы

Содержание,%

В кг на 100 кг шихты

В кг в жид- ком Ме

В% в жид- ком Ме

Fe

92,96

92,96

92

93,2

Si

2,5

2,5

2,25

2,28

Mn

0,8

0,8

0,68

0,69

S

0,04

0,04

0,07

0,07

P

0,2

0,2

0,2

0,2

C

3,5

3,5

3,5

3,5

Итого

100,00

100,00

98,7

100,00

При расчете состава металла принято (можно брать по производственным данным):

угар Si 10%, т. е. 0,1135 кг, что дает 0,514 кг SiO2;

угар Mn 15%, т. е. 0,095 кг, что дает 0,12 кг MnO;

угар Fe 1%, т. е. 0,964 кг, что дает 1,195 кг FeO.

Отсюда общее количество угара составляет 1,148 кг, что дает 1.8 кг шлака.

Количество серы в металле увеличивается на 0,04 кг (согласно производственным данным содержание серы в металле возрастает в 1,5- 2 раза), содержание углерода и фосфора остается без изменений. Выход жидкого металла получим 98,85 кг на 100 кг шихты.

Для определения расхода воздуха определим сначала расход кислорода на окисление примесей и горение топлива по анализу соответствующих реакций.

На окисление кремния, марганца и железа требуется кислорода:

где 0,7 - обьем 1 кг кислорода.

Для сгорания углерода, серы и водорода топлива требуется кислорода:

Всего на горение кокса и окисление примесей требуется кислорода:

С этим кислородом вносится азота:

Всего требуется воздуха на 100 кг шихты:

или кг, где 1,293 - масса 1 м3 воздуха, кг.

Рассчитаем количество и состав ваграночных газов. Коли- чество азота, поступающего с воздухом и выделяющегося из кокса, равно:

где 1,6 - объем 1 кг азота в 1 м3.

Количество влаги, перешедшей из топлива, воздуха и про- дуктов горения, составляет:

или 2,34/1,25 = 1,872 кг Н2О,

где 1,25 - объем 1 кг Н2О;

0,005 - количество Н2О в 1 м3 воздуха.

Полагая, что 50% влаги, или 1,17 м3 (1 кг), разложится, получим: Н2О - 1,17 м3; Н2 - 1,17 м3; О2 - 0,58 м3.

Таблица 3. Состав ваграночных газов

Составная часть

Объем, м3

Содержание,%

СО2

12,75 + 1,178 = 13,9

15,3

СО

8,5

9,34

SO2

0,0546

0,6

N2

65,64

72,1

H2O

1,17

1,285

H2

1,17

1,285

O2

0,58

0,637

Итого

91,04

100

В составе ваграночных газов отношение CO2/CO = 15,3/9,34 = 1,64 немного выше заданного 60/40 = 1,5 за счет СО2, выделившегося из известняка. Всего продуктов горения получилось 91,04 м3 или 91,04·1,341 = 122,08 кг, где 1,341 - масса 1 м3 продуктов горения.

Рассчитаем количество шлака, кг:

от окисления элементов металла 1,8;

– футеровки расходуется на 100 кг шихты 0,15;

– известняк вносит в шлак СаО на 100 кг шихты 2,94;

– золы кокса переходят в шлак на 100 кг шихты 1,54;

– с шихтой вносится пригара 1%, то есть 1,00.

Итого: 7,43 кг.

Составим сводный материальный баланс на 100 кг шихты (таблица 4).

Таблица 4. Материальный баланс

Приход

Расход

Шихта

100,00

Жидкий металл

98,85

Кокс

14

Известняк

5,25

Воздух

107,13

Шлак

7,43

Из футеровки

0,15

Газообразные продукты горения

122,08

Пригар с шихтой

1

ИТОГО

227,53

ИТОГО

228,36

Невязка баланса 228,36 - 227,53 = 0,83 и составляет 0,36%, что находится в пределах точности расчета.

2.3 Расчет теплового баланса

Тепловой баланс вагранки составляется на 100 кг шихты. Для проведения расчетов используются данные, полученные при составлении материального баланса.

Приходная часть теплового баланса.

Теплота сгорания углерода при сгорании в СО2:

где qC - количество углерода кокса на 100 кг шихты, кг;

теплота сгорания 1 кг углерода кокса в СО2 (34100 кДж/кг).

Теплота сгорания водорода кокса:

где - количество водорода кокса на 100 кг шихты, кг (принимается по данным процентного содержания кокса с учетом общего веса металлозавалки (~10%), за исключени- ем водорода, соединенного с кислородом:

где - теплота сгорания единицы водорода (1 кг Н2): = 121000 кДж/кг.

Теплота сгорания серы кокса:

где qS - количество серы кокса на 100 кг шихты, кг (принима- ется по данным химического состава кокса с учетом того, что 70% от общего количества серы переходит в газы).

- теплота сгорания единицы серы (1 кг S2): = 9133 кДж/кг.

Теплота, выносимая с воздухом (объем воздуха берется из материального баланса, температура подогрева принимается равной 270 єС):

где Св - удельная теплоемкость воздуха при tв, кДж/(м3 єС);

tв - температура вдуваемого воздуха, єС;

Vв - объем воздуха, подаваемого в вагранку, м3.

Теплота, выделяемая при окислении кремния:

где qSi - количество кремния металла, соединившегося с кислородом, кг.

Теплота, выделяемая при окислении марганца:

где qMn - количество марганца металла, соединившегося с кислородом, кг.

Теплота, выделяемая при окислении железа:

где qFe - количество железа металла, соединившегося с кислородом, кг.

Теплота, выделяемая при шлакообразовании:

где qшл - количество образовавшегося шлака, кг.

В расчетах числовые коэффициенты соответствуют тепловым эффектам реакций окисления кремния, марганца, железа и шлакообразования, кДж/кг.

Суммарный приход тепла:

Расходная часть теплового баланса.

Расход теплоты на нагрев до температуры плавления, расплавление и перегрев металла:

где qм - количество жидкого металла, полученного из 100 кг шихты, кг (рассчитывается на основе составляющих шихты с учетом угара кремния, марганца и железа и того, что 30% серы кокса переходит в металл);

ств.м - удельная теплоемкость металла в твердом состоянии, кДж/(кг град): для серого чугуна ств.м = 0,73 кДж/(кг град);

rпл - скрытая теплота плавления металла, кДж/кг: для серого чугуна rпл = 210 кДж/кг;

сж.м - удельная теплоемкость металла в жидком состоянии, кДж/(кг град): сж.м = 0,86 кДж/(кг град);

соответственно температуры металла на выпуске и температура плавления чугуна.

Расход теплоты на нагрев и расплавление шлака:

где qшл - количество жидкого шлака, кг.

tшл - температура шлака, єС.

Расход теплоты на разложение известняка:

где qиз - количество известняка, кг.

Расход теплоты на испарение влаги:

где qвл - количество влаги, кг.

Расход теплоты на разложение влаги:

Физическая теплота ваграночных газов, кДж (в расчетах принимаем среднее значение температуры отходящих газов равной 600 єС):

где сух - удельная теплоемкость газов при Тух, кДж/(м3· єС),

tух - температура ваграночных газов при выходе из шихты, єС,

объем ваграночных газов, м3.

Для определения количества тепла, уносимого уходящими газами, по составу и температуре рассчитываем теплоемкость уходящих газов:

Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окcида углерода (химическая теплота):

где QCCO - теплота сгорания окиси углерода (23 800 кДж/кг);

qCCO - количество углерода, сгорающее в СО, на 100 кг шихты, кг.

Расход теплоты с охлаждающей водой, на аккумуляцию кладки и потери теплопроводностью определяются по разности приходной и расходной части баланса:

98306,9 .

Сводный тепловой баланс вагранки (на 100 кг металлозавалки) представлен в таблице 5.

Таблица 5. Тепловой баланс вагранки

п/п

Приход тепла

кДж

%

п/п

Расход тепла

кДж

%

1

Теплота горения кокса

397507,674

89,03

1

Нагрев, расплавление

и перегрев чугуна

124353,3

27,85

2

Нагрев шлака

11635,38

2,6

2

Теплота подогретого воздуха

39721,5

8,896

3

Разложение известняка

8505

1,9

4

Испарение

и разложение влаги

15418,75

3,45

3

Теплота окисления примесей

8802,76

1,97

5

Теплосодерж-ание колошниковых газов

80106

17,94

6

Неполнота

горения

108171

24,2

4

Теплота шлакообра- зования

464,4

0,1

7

Потери тепла на водяное охлаждение

и через кладку

98306,9

22,02

ИТОГО

446496,33

100

ИТОГО

446496,33

100

Заключение

вагранка чугун плавка шихта

Данный курсовой проект позволил мне научиться производить расчеты вагранок. Использованные в проекте учебные материалы из списка литературы позволили мне в широкой мере оценить важность данного проекта. Мною получены знания и умения правильно рассчитать вагранку для получения чугуна при заданных условиях. Я научился правильно выбирать диаметр воздухопровода, высоту вагранки, и различные сопутствующие материалы.

Таким образом я считаю, что цель данного проекта мною достигнута и разобрана в полной мере.

Список использованной литературы

1. Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов специальности 1-42 01 01 / И. А. Трусова, П. Э. Ратников [и др.]. - Минск: БНТУ, 2014. - 53, с.

2. Методические указания к практическому занятию для студентов очной формы обучения по направлению подготовки 150700 «Машиностроение», профиль «Машины и технология литейного производства» / В. И. Хенкин - Брянск: БГТУ, 2014. 18 с.

3. Конструкция и расчет коксовых вагранок: учебное пособие / В. И. Хенкин - Брянск: БГТУ, 2009. - 123 с.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Устройство и рабочий процесс вагранки (плавильная печи шахтного типа). Описание технологии плавки. Материальный и тепловой баланс вагранки. Расчет размеров плавильной печи. Управление работой вагранки в период плавки. Дутье и период окончания плавки.

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 25.03.2012

  • Вагранка как сложный плавильный агрегат, состоящий из ряда узлов, с механизацией всех трудоемких процессов и автоматическим регулированием основных параметров плавки, ее разновидности и характеристики. Плавка чугуна в коксовой вагранке, принципы и этапы.

    курсовая работа [3,8 M], добавлен 05.12.2013

  • Расчет материального и теплового баланса процесса коксования. Расчет гидравлического сопротивления отопительной системы и гидростатических подпоров. Определение температуры поверхности участков коксовой печи. Теплоты сгорания чистых компонентов топлива.

    курсовая работа [154,4 K], добавлен 25.12.2013

  • Конструкция и принцип работы доменной печи. Расчет шихты на 1 тонну чугуна, состава и количества колошникового газа и количества дутья. Определение материального и теплового балансов доменной плавки. Расчет профиля доменной печи (полезная высота и объем).

    курсовая работа [1,2 M], добавлен 19.05.2011

  • Расчет шихты для получения медного штейна методом автогенной плавки "оутокумпу". Проведение расчета шихты для плавки окисленных никелевых руд в шахтной печи. Материальный баланс плавки агломерата на воздухе, обогащенном кислородом, без учета пыли.

    контрольная работа [36,4 K], добавлен 15.10.2013

  • Определение параметров процесса плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья: расчет расход лома, окисления примесей металлической шихты, количества и состава шлака. Выход жидкой стали перед раскислением; составление материального баланса плавки.

    курсовая работа [103,4 K], добавлен 19.08.2013

  • Обогрев коксовой батареи. Метрологическое обеспечение технологического процесса. Расчет теплового баланса коксования, материального баланса угольной шихты для коксования, количества газа на обогрев коксовой батареи. Контроль технологического режима.

    дипломная работа [230,7 K], добавлен 06.02.2013

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.