Принцип работы вагранки

.

Решив уравнение получим: х = 75. Это значит, что чугуна Л3 нужно взять 33,75%, а чугуна JI4 - 11,25%.

Переход от процентного соотношения к массе отдельных компонентов металлозавалки осуществляется посредством умножения массы металлозавалки на процент соответствующей части ее.

Средний состав компонентов металлозавалки приведен в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Средний состав компонентов металлозавалки

Наименование компонента	Массовая доля элементов, %
	С	Si	Mn	P	S
Лом стали, 1A	0,3	0,40	0,60	0,05	0,05
Лом чугуна, 17А	3,4	2,60	0,80	0,2	0,12
Возврат	3,4	2,12	0,75	0,2	0,1
Чугун литейный, Л3, гр. III, кл. Б, кат. 2	3,85	2,4	0,7	0,12	0,3
Чугун литейный, Л4, гр. III, кл. Б, кат. 2	3,95	2,0	0,7	0,12	0,3
ФМн78	7	1	8	0,45	0,03
Электродный бой (95% С)	95

Зная состав компонентов металлозавалки, можно, исходя из их химического состава, определить количество элементов, вносимое этими материалами. Эта количества заносим в таблицу 3.3 в соответствующие графы.

После этого путем сложения определяем общее количество элементов, вносимое возвратом, стальным и чугунным ломом, чушковым чугуном, а затем путем вычитания из среднего состава шихты находим количество элементов, которые требуется внести при помощи ферросплавов и других добавок.



5. Расчет геометрических размеров вагранки

5.1 Расчет основных размеров вагранки

Диаметр вагранки в свету принимаем согласно заданию D = 0,7 м. Тогда полезная высота вагранки

(5.1)

 м.

Общая высота вагранки определяется по следующей формуле

, (5.2)

где - расстояние от подовой плиты до оси фурм первого ряда, м;

- расстояние от подовой плиты до пола цеха,  м;

 м.

Диаметр металлической летки

, (5.3)

где - производительность вагранки, т/ч; [6]

- плотность жидкого чугуна, кг/м³;

- скорость истечения жидкого чугуна из металлической летки,  м/с,

 м.

Принимаем диаметр металлической летки  м, а диаметр шлаковой летки принимаем 0,06 м.

Суммарное сечение фурм основного ряда

, (5.4)

где - площадь сечения вагранки в свету,

, (5.5)

 м²,

Подставим значение в формулу 5.4

 м².

Принимаем 4 фурмы в основном (нижнем) ряду. Тогда площадь поперечного сечения одной фурмы:

(5.6)

 м²

Размеры фурм 240х80 мм, угол наклона - 10°.

Площадь сечения всех фурм каждого вспомогательного ряда:

(5.7)

 м²

Принимаем 4 фурмы во вспомогательном ряду. Тогда площадь поперечного сечения одной фурмы:



, (5.8)

 м²

Размеры фурм 60х40 мм, угол наклона - 15°.

Расстояние между рядами фурм 200 мм, расстояние от лещади до оси основного ряда - 200 мм, толщина лещади - 220 мм.

5.2 Выбор вентилятора

Подбор вентиляторов для вагранок производится по двум основным показателям: количеству подаваемого воздуха и требуемому давлению дутья. Давление дутья можно определить по формуле:

(5.9)

 мм вод. ст.

При плавке чугуна в вагранке расход воздуха и кокса взаимосвязаны. Соотношение этих расходов влияет на высоту и температуру зоны горения, что сказывается на температуре жидкого чугуна и производительности вагранки. Определение оптимального соотношения этих расходов считается наиболее простым и эффективным средством управления температурой выплавляемого чугуна и производительности вагранки.

Удельный расход воздуха можно определить по уравнению:

, м³/м²·мин (5.10)

где N - производительность вагранки, т/ч;

- содержание углерода в 1 кг кокса, кг;

- расход кокса, %;

- содержание CO₂ в колошниковых газах, %;

- содержание CO в колошниковых газах, %;

D - диаметр вагранки, м.

Зависимость производительности вагранки от расхода воздуха определяют по формуле Юнгблайта [5]:

, (5.11)

где W - расход воздуха, м³/мин;

- коэффициент полноты горения рассчитывается по формуле:

(5.12)

Определим удельный расход воздуха. Для этого в формулу (5.10) подставляем значения входящих в нее величин. Особое внимание нужно уделить размерности этих величин.

Тогда:

 м³/м²·мин.

Для проверки справедливости решения подставим эта же значения в формулу (5.11) и решим его относительно W

. (5.13)

Коэффициент полноты горения определяем по формуле (5.12)

.

Тогда расход воздуха

 м³/мин.

С учетом диаметра вагранки:

, (5.14)

где F - площадь шахты вагранки, м²,

 м³/м²·мин.

Полученные по формулам (5.10) и (5.14) значения удельного расхода воздуха очень близки, что подтверждает правильность расчетов. Расход воздуха составляет 31,01 м³/мин, а в час - 31,01·60 = 1860,99м³. Устанавливаем вентилятор модели ВР154-21-5 производительностью 2100 м³, мощностью двигателя 7,5кВт и 3000 об/мин.



6. Расчет материального баланса вагранки

Для анализа влияния отдельных факторов на удельный расход кокса и себестоимость жидкого чугуна составляют материальный баланс вагранки. В материальном балансе устанавливают расход всех материалов и их составных частей, а также количество и состав продуктов горения. Баланс составляют на 100 кг шихты.

6.1 Шихта

Эту статью принимаем равной 100 кг. Химический состав шихты и жидкого чугуна берем из таблицы 4.3. В процессе плавки углерод, сера и фосфор полностью или частично переходят в чугун. Часть кремния, марганца, железа окислится и перейдет в шлак. Угар (пригар) элементов представлен в таблице 6.2

Таблица 6.1 - Средний состав шихты

Массовая доля химических элементов, %
C	Si	Mn	S	P	Fe
3,6	2,1	0,82	0,18	0,2	93,1

Таблица 6.2 - Угар (пригар) элементов

C	Si	Mn	S	P	Fe
0	0,27	0,12	0,03	-	0,42

Таблица 6.3 - Химический состав выплавляемого чугуна

Массовая доля химических элементов, %
C	Si	Mn	S	P	Fe
3,6	1,83	0,7	0,15	0,2	93,52

Количество кислорода, необходимое для окисления химических элементов, определим по реакциям:

Si + O₂ -SiO₂;

Mn + Ѕ·O₂ - MnO;

Fe + Ѕ·O₂ - FeO.

Количество кислорода для окисления кремния

, (6.1)

где - масса угоревшего кремния, кг;

- масса одного моля кислорода, принимающего участие в окислении кремния;

- масса одного моля кремния,

кг кислорода.

Масса оксида кремния

, (6.2)

кг.

Результаты расчетов сводим в таблицу 6.4.

Таблица 6.4 - Расход кислорода и количество образовавшихся оксидов

Реакция окисления	Угар, кг	Расход кислорода, кг	Масса оксида, кг
Si + O2 -SiO2	0,27		0,578
Mn + Ѕ·O2 - MnO	0,12		0,155
Fe + Ѕ·O2 - FeO	0,42		0,549
Bcero	0,81	0,472	1,282



6.2 Кокс

Согласно заданию расход кокса составляет 10% от массы металлической колоши, то есть в вагранку кокса поступает:

(6.5)

кг кокса.

При плавке часть углерода кокса переходит в жидкий чугун и процессе горения не участвует. При расходе кокса 10% в вагранку на 100 кг шихты поступает

(6.6)

кг углерода.

В горении принимает участие

, (6.7)

кг углерода,

где - масса углерода, не принимающего участие в горении, (табл. 6.2.)

Таблица 6.5 - Состав кокса, массовая доля

CР	HР	OР	NР	SР	WР	AР
85	0,4	0,4	0,4	0,6	5,0	12,0



Для характеристики полноты горения кокса используется коэффициент сгорания (б), который показывает, какая часть углерода кокса горит до CO₂ и какая часть до CO

(6.8)

.

Это значит, что, 64% углерода, содержащегося в коксе, сгорело до CO₂, а 36% сгорело до CO. Тогда из 8,5 кг углерода сгорело до CO_2:

(6.9)

кг

и до CO:

(6.10)

кг.

На окисление углерода кокса до CO₂ потребуется кислорода:

, (6.11)

кг,

и до CO:

, (6.12)

кг.

Всего на окисление углерода нужно кислорода:

, (6.13)

кг.

С этим количеством кислорода поступит в вагранку азота

, (6.14)

кг,

тогда масса воздуха израсходованного на окисление углерода кокса:

, (6.15)

кг.

Получено CO₂:

, (6.16)

кг,

и CO:

, (6.17)

кг.

На окисление водорода кокса потребуется кислорода, кг

, (6.18)

где - масса водорода, поступающего в вагранку с коксом,

, (6.19)

кг

Подставим полученное значение в формулу (6.18)

кг.

С этим количеством кислорода в вагранку поступит масса азота

, (6.20)

кг

Масса полученного водяного пара

. (6.22)

кг.

Коксом вносится серы

. (6.23)

кг.

Часть серы (0,03 кг) переходит в жидкий чутун, а остальная часть серы

0,06 - 0,03 = 0,03 кг горит до SO₂ (0,015 кг), а остальная (0,015 кг) переходит е шлак. На окисление серы кокса потребуется кислорода

. (6.24)

кг.

С этим количеством кислорода в вагранку поступит масса азота

(6.25)

кг,

тогда масса воздуха, израсходованного на окисление серы кокса

, (6.26)

кг.

Масса полученного SO₂

. (6.27)

кг.

Коксом вносится кислород, масса которого составляет

. (6.28)

кг.

Масса азота, пропорциональная массе кислорода кокса,

(6.29)

кг,

и соответствующее ему количество воздуха, который не должен поступить в вагранку:

, (6.30)

кг.

Масса азота, вносимого коксом

. (6.31)

кг.

Эти величины необходимо вычесть из состава воздуха и продуктов горения. Тогда количество воздуха подаваемого в вагранку составит

(6.32)

кг.

6.3 Шлаки

Шлаки обязуются из золы кокса, известняка, футеровки, окислов кремния, марганца, железа, шихты и песка, прилипшего к шихтовым материалам. Окислы шихты принимаем равными 0,2% от металлозавалки. Песок шихты - 0,8%. Разгар футеровки принимаем 1,2%. При расходе кокса 10% в шлак поступит золы

(6.33)

кг.

Расход известняка принимаем 3,5% от массы металлозавалки. В качестве флюса принимаем известняк марки С-1. Расчет количества шлака представлен в таблице 6.6.

Таблица 6.6 - Расчет количества шлака

Источники шлака	Процент к металлозавалке
Зола кокса	1,2
Угар элементов	1,282
Окислы шихты	0,2
Песок шихты	0,8
Разгар футеровки	1,2
Итого	4,672
Известняк	1,820
Всего	6,502

Количество образующихся газов

, (6.34)

кг.

Полученные результаты расчета материального баланса занесены в таблицу 6.7.



Таблица 6.7 - Материальный баланс вагранки

Поступило в вагранку, кг
Металлической шихты	100
Кокса	10
Известняка	3,5
Воздуха	84
Всего	197,5
Получено из вагранки, кг
Жидкого чугуна	99
Шлака	6,5
Газов	91
Всего	196,5



7. Расчет теплового баланса вагранки

7.1 Приход тепла

Теплота сгорания кокса определяется по формуле Д.И. Менделеева. При расчете необходимо учесть, что часть углерода и серы в процессе горения не участвуют

, (7.1)

где - расход кокса, кг;

- теплого сгорания кокса, кДж,

, (7.2)

где -количество углерода кокса, которое принимает участие в горении,

, (7.3)

;

- количество серы кокса, которое принимает участие в горении,

, (7.4)

.

Подставим значение в формулу 7.2

кДж.

Теплота сгорания кокса при расходе кокса 10 кг (формула 7.1)

кДж.

Теплота вносящим воздухом

, кДж, (7.5)

где - удельная теплоемкость воздуха при температуре , кДж/(м³ К);

- температура воздуха,°С,

- объем воздуха, подаваемого в вагранку, при плотности воздуха 1,29 кг/м³, объем воздуха, подаваемого на 100 кг шихты равен

, (7.6)

 м³.

Подставим значения в формулу 7.5.

кДж.

Теплота окисления примесей

, (7.7)

где , , - теплота окисления кремния, марганца и железа,

, (7.8)



кДж;

, (7.9)

кДж;

, (7.10)

кДж,

кДж.

Теплота шлакообразования

, (7.11)

где - масса образующегося шлака, кг,

кДж.

Итого приход теплоты составляет

(7.12)

кДж.

7.2 Расход теплоты

Расход теплоты на расплавление и перегрев чугуна

, (7.13)



где - количество жидкого чугуна, полученного при плавке 100 кг шихты, кг;

- удельная теплоемкость чугуна в твердом состоянии, кДж/(кг К).

Для серого чугуна кДж/(кг К) [5];

- температура плавления чугуна,°С;

- скрытая теплота плавления чугуна, кДж/(кг К). Для серого чугуна кДж/(кг К) [5].

- удельная теплоемкость чугуна в жидком состоянии, кДж/(кг К). Для серого чугуна кДж/(кг К) [5];

- температура чугуна на желобе вагранки,°С.

кДж.

Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака

, (7.14)

где - масса жидкого шлака, кг;

- температура жидкого шлака,°С,

кДж.

Расход теплоты па разложение известняка

, (7.15)

где - масса известняка, кг,

кДж.

Расход теплоты на испарение влаги кокса



, (7.16)

где - количество влаги, кг,

кДж.

Физическая теплота ваграночных газов

, (7.17)

где - удельная теплоемкость ваграночных газов при , кДж/(м² К);

- температура ваграночных газов при выходе из шахты,°С, - объем ваграночных газов, м³.

Рассчитаем объем ваграночных газов.

Таблица 7.1 - Плотность ваграночных газов, кг/м³

CO2	CO	H2O	SO2	N2
1,96	1,25	0,8	2,86	1,25

Таблица 7.2 - Расчет объема ваграночных газов, м³

CO2	CO	H2O	SO2	N2
19,94/1,96 = 10,17	7,14/1,25 = 5,7	0,36/0,8 = 0,45	0,03/2,86 = 0,01	63,01/1,25 = 50,4

Общий объем ваграночных газов равен

м³.

Таблица 7.3 - Расчет состава ваграночных газов, %

CO2	CO	H2O	SO2	N2
10,17·100/66,73 = 15,24	5,7·100/66,73 = 8,54	0,45·100/66,73 = 0,67	0,01·100/66,73 = 0,015	50,4·100/66,73 = 75,53



Теперь можно определить удельную теплоемкость ваграночных газов

, (7.18)

где , , , , - удельная теплоемкость составляющих ваграночных газов, кДж/(м³ К);

CO₂, CO, H₂O, SO₂, N₂ - состав ваграночных газов, %.

кДж/(м³ К)

кДж.

Расход теплоты за счет содержания в отходящих газах CO

(7.19)

где - количество CO в ваграночных газах, м³,

кДж.

Итого расход теплоты без учета расхода тепла на потери тепла через кладку составляет

кДж.

Полученные результаты расчета теплового баланса внесены в таблицу 7.4.

Таблица 7.4 - Тепловой баланс вагранки на 100 кг шихты

Приход тепла, кДж
Горение кокса	2868,30	95,3
Теплота вносимая воздухом	1684,46	0,54
Теплота окисления элементов	10861,8	3,6
Теплота шлакообразования	1677,5	0,56
Итого:	301153,76	100%
Расход тепла, кДж.
Расплавление и перегрев чугуна	127596,92	42,4
Расплавление и перегрев шлака	11687,35	3,9
Испарение влаги	900	0,3
Разложение известняка	5670	1,9
Физическое тепло ваграночных газов	48045,6	15,9
Химическое тепло ваграночных газов	102480	34
Потери тепла через кладку	4773,89	1,6
Всего	301153,76	100%

Коэффициент полезного действия вагранки равен

, (7.20)

.

Коэффициент использования топлива равен

, (7.21)

.



Заключение

В настоящей курсовой работе выполнен расчет шихты для выплавки серого чугуна марки СЧ15 в коксовой вагранке. Шихта состоит из возврата (30%), стального (10%) и чугунного (15%) лома, литейных чугунов марок Л3 (33,75%) и Л4 (11,25%). Разработана конструкция коксовой вагранки холодного дутья диаметром D = 0,7 м, с кислой футеровкой, оснащенной копильником. Для снижения выбросов пыли и вредных газов в атмосферу применяется влажный пылеуловитель.

Выполнен расчет материального и теплового баланса вагранки. Коэффициент полезного действия вагранки равен 42,4%. Коэффициент использования топлива равен 44,5%.



Список использованной литературы

1. Долотов, Г.П. Печи и сушила литейного производства / Г.П. Долотов, Е.А. Кондаков. - М. Машиностроение, 1990. - 302 с.

2. Ананьин, А.А. Краткий справочник вагранщика / Ананьин А.А., Чернобровкин В.П. - М.: Машиностроение, 1964. - 119 с.

3. Ващенко, К.И. Плавка и внепечная обработка чугуна для отливок / К.И. Ващенко, В.С. Шумихин. - К.: Вища школа, 1992. - 246 с.

4. Сухарчук, Ю.С. Плавка чугуна в вагранках / Ю.С. Сухарчук, А.К. Юдкин. - М. - Машиностроение, 1981. - 143 с.

5. Калашник, Н.П. Методические указания к практической я самостоятельной дисциплине «Основы теории плавки и производства отливок» для студентов специальности 7.090403 дневной и формы обучения / Сост. З. П. Калашник, М.А. Турчаиин. - Краматорск: ДГМА, 2002. - 56 с.

6. Худокормов, Д.Н. Производство отливок из чугуна / Д.Н. Худокормов. - Минск: Вышєйшая школа, 1987. - 200 с.

7. http://ventilator.kiev.ua

Размещено на Allbest.ru