Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Газовые вагранки и энергосберегающие процессы плавки в них чугуна: Учебное пособие

Голосов: 1

Изложены основы плавки чугуна на газообразном топливе - природном газе. Приводятся рациональные конструкции газовых вагранок для плавки чугуна, эффективные горелочные системы применительно к газовым вагранкам, рациональные конструкции рекуператоров для газовых вагранок, тепловые и металлургические процессы в газовых вагранках, эффективные технологии плавки чугуна применительно к использованию газовых вагранок в промышленности. Разработки выполнены с применением математического моделирования по результатам экспериментов. Учебное пособие подготовлено на кафедре "Машины и технология литейного производства" Пензенского государственного университета. Оно может быть использовано студентами при изучении курсов "Принципы инженерного творчества", "Печи литейных цехов", "Литейные сплавы и плавка", "Математическое моделирование в литейном производстве", а также при выполнении курсовых и дипломных работ.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
         МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
          РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

   ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ


 ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ




               А.А. Ч Е Р Н Ы Й



            ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ И
       ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ
            ПЛАВКИ В НИХ ЧУГУНА




               Учебное пособие




                  Пенза 2009


УДК 669.621.74




     Черный А.А. Газовые вагранки и энергосберегающие процессы плавки
в них чугуна: Учеб. пособие. – Пенза: Пенз. гос. ун-т, 2009. - 40 с., 4 табл.,
библиогр. 8 назв.




      Изложены основы плавки чугуна на газообразном топливе - природном
газе. Приводятся рациональные конструкции газовых вагранок для плавки
чугуна, эффективные горелочные системы применительно к газовым
вагранкам, рациональные конструкции рекуператоров для газовых вагранок,
тепловые и металлургические процессы в газовых вагранках, эффективные
технологии плавки чугуна применительно к использованию газовых вагранок
в промышленности. Разработки выполнены с применением математического
моделирования по результатам экспериментов.
      Учебное пособие подготовлено на кафедре «Машины и технология
литейного производства» Пензенского государственного университета. Оно
может быть использовано студентами при изучении курсов «Принципы
инженерного творчества», «Печи литейных цехов», «Литейные сплавы и
плавка», «Математическое моделирование в литейном производстве», а
также при выполнении курсовых и дипломных работ.




     Рецензенты:
     Научный совет Пензенского научного центра;
     А.С. Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш»




©   А.А. Черный, 2009.




                                      2


                             ВВЕДЕНИЕ

       В литейном производстве широко используется процесс плавки
чугуна в вагранках. В качестве топлива для этих печей применяют
преимущественно кокс. В коксе имеется вредная примесь – сера, которая при
плавке частично переходит в металл, ухудшая его качество. Кроме того, кокс
– непрочный материал, и часть его в шахте вагранки разрушается, образуя
уходящую с продуктами горения пыль. В ваграночных газах кроме пыли
содержатся угарный газ и вредные соединения серы, ухудшающие при
поступлении в атмосферу экологическую среду. Поэтому многократно
делались попытки заменить ваграночный кокс используемым для отопления
металлургических печей газообразным топливом.
       Известно, что в коксовой вагранке металл плавится в противотоке
газов на холостой коксовой колоше, а затем, стекая в виде капель и струек по
горящему коксу холостой колоши, перегревается. Принцип перегрева чугуна,
имеющий место в коксовой вагранке, пытались использовать при плавке
чугуна в газовых вагранках. Для этого предлагалось заменить холостую
коксовую колошу огнеупорами, разогреваемыми продуктами сгорания
горючего газа. Такие вагранки испытывались, но опыты показали, что
конструкция вагранок, принятые способы плавки и примененные для
холостой колоши огнеупоры не обеспечили необходимых для эффективного
ваграночного процесса условий. Огнеупорная колоша быстро оплавлялась,
ваграночный процесс нарушался, плавки приходилось прекращать.
Стабильность плавильного процесса не достигалась.
       В результате систематизированных исследований с применением
моделирования созданы новые газовые вагранки различных конструкций, в
том числе и с холостой огнеупорной колошей (насадкой), которые прошли
промышленное испытание. Разработки этих чугуноплавильных агрегатов
выполнены на уровне изобретений. Актуальность и новизна этих разработок
подтверждена рядом патентов, полученных как в нашей стране, так и в
зарубежных странах.




                                     3


             ГАЗОВЫЕ ВАГРАНКИ ДЛЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА

      Длительное время в нашей стране и за рубежом не решался вопрос
перевода печей непрерывного действия для плавки с твердого топлива –
кокса на газообразное топливо – природный газ. Многочисленные опыты не
давали положительных результатов – не достигалась требуемая температура
чугуна, велики были потери металла в связи с окислением, термический
коэффициент полезного действия печей был низким, нестабильными были
показатели печных процессов. Поэтому актуальной была разработка
рациональных конструкций газовых вагранок и эффективных способов
сжигания газообразного топлива в таких чугуноплавильных печах.
      Первоначально выявлялась эффективность многофакельного сжигания
смеси природного газа с воздухом и подсвечивания продуктов сгорания при
плавке чугуна в газовой вагранке с уступами в шахте. Эта газовая вагранка
имеет шахту, нижняя часть которой служит камерой сжигания газообразного
топлива и перегрева металла. К камере примыкает копильник. В шахте
вагранки имеются нижний уступ и верхний уступ, оборудованные системой
водяного охлаждения. Над нижним уступом выполнено в футеровке шахты
полукольцевое поднутрение, а на подине нижнего уступа сделан из
огнеупоров разделительный барьер. На подине камеры перегрева имеется
бассейн для перегрева жидкого металла. Над бассейном размещены сопла и
туннели многосопловой горелочной системы. Многосопловая горелочная
система состоит из смесителя, коллектора, распределительных труб,
чугунных сопел. На каждой распределительной трубе установлены кран для
отключения сопла от коллектора и гляделка для наблюдения за процессом
горения. На сопла надеты высокоглиноземистые огнеупорные трубки,
внутренняя полость которых служит горелочными туннелями. Выше двух
рядов горелочных туннелей располагается третий ряд огнеупорных трубок
системы подачи дополнительного природного газа.
      Принцип работы газовой вагранки заключается в следующем.
      Продукты сгорания, образующиеся в горелочных туннелях и за их
пределами, омывают поверхность бассейна, затем поднимаются вверх и через
канал между уступами заходят в зону плавления, где плавят металл, а далее
по мере движения к выходу из шахты подогревают твердую шихту. Из зоны
плавления жидкий металл в виде капель и струек стекает в бассейн,
образующийся в углублении подины камеры перегрева. Перегрев металла
осуществляется при прохождении падающими каплями и струйками
противотока горячих газов в камере перегрева, при стекании капель и струек
по раскаленной футеровке камеры перегрева, а также благодаря
разбрызгиванию металла при падении капель и струек в бассейн и передаче
тепла от горячих газов и футеровки к поверхности металла в бассейне. Шлак
также попадает в бассейн, но по поверхности жидкого металла непрерывно
уходит в копильник. Капли и струйки металла, падая в виде «дождя» с уступа
на металл в бассейне, разбрызгивают его, в результате чего жидкий металл
попадает на раскаленную футеровку у горелочной системы, а в бассейне
                                    4


создается «кипящий» слой. «Кипение» неглубокой ванны в условиях
движущихся над ней высокотемпературных газовых потоков способствует
более высокому перегреву металла.
      Промышленные испытания прошли газовые вагранки с уступами в
шахте, рассчитанные на производительность 1,5, 3 и 7 тонн жидкого чугуна в
час при расходе природного газа на 1 тонну получаемого жидкого чугуна 100
м3/ч для нормальных условий.
      В процессе испытаний было установлено следующее:
      а) многосопловая горелочная система с двухрядным размещением
сопел и, соответственно, туннелей в шахматном порядке при круглой камере
сжигания, диаметре горелочного сопла в выходном сечении 0,03 м, скорости
истечения газовоздушной смеси при нормальных условиях 70 м/с,
обеспечении оптимальной величины коэффициента расхода воздуха,
рационального размещения факелов и высокого теплового напряжения
объема камеры сжигания позволяет получать над перегреваемом металлом
1973-20430 К;
      б) без применения дополнительной подачи природного газа в продукты
сгорания расчетная производительность по полученному жидкому металлу
обеспечивается только в течение первого часа работы вагранки с
загруженной металлической шихтой шахтой, а далее производительность
вагранки снижается в связи с зашлакованием шахты в зоне плавления
продуктами окисления металла, причем по расчету за второй час работы
вагранки производительность приблизительно в 2 раза меньше, чем за
первый час, а через 3 часа работы вагранки плавка проходит нестабильно и
становится нерациональной;
      в) непрерывная дополнительная подача природного газа в пределах 5 ч
10% от расхода газа на сжигание приводит к стабилизации ваграночного
процесса, достижению близкой к расчетной производительности вагранки в
течение всей плавки при термическом коэффициенте полезного действия
плавильного агрегата 39,35 ч 41,19%, уменьшению потерь металла в связи с
окислением, получению жидкого чугуна с температурой 1653-17230 К,
удлинению периода плавки до величин, характерных для соответствующих
коксовых вагранок;
      г) достаточно стойкой к воздействию высокотемпературных газов и
образующихся      шлаков    была    футеровка    камеры     сжигания    из
высокоглиноземистых материалов;
      д) обнаруженные недостатки были связаны со сложностью выполнения
и ремонта футеровки уступов и медленным охлаждением массивной
футеровки уступов после плавки.
      На основе теоретических и экспериментальных исследований
разработаны и испытаны шахтно-камерные плавильные печи – газовые
вагранки с выносной камерой перегрева.
      Газовая вагранка с выносной камерой перегрева состоит из шахты и
примыкающей к ней камеры перегрева, которая служит и копильником. В
нижней части шахты в футеровке выполнено поднутрение, способствующее
                                    5


улучшению распределения потоков горячих газов по сечениям шахты.
Набивная подина имеет уклон в сторону камеры перегрева. На подине шахты
выполнен из огнеупоров разделительный барьер. В камере перегрева имеется
уступ со слегка наклонной полкой, соединенной с наклонной подиной
шахты. Образованная огнеупорными стенками камеры ванна имеет глубину
до 0,4 м. Над ванной расположены туннели, в которые входят горелочные
сопла. Газовые горелки имеют индивидуальные смесители. Применялись
горелки двух модификаций. Газовые горелки первой модификации имели
сопла с изогнутыми щелевыми каналами. Горелка второй модификации
имела водоохлаждаемое восьмиканальное сопло. Для достижения
производительности 2-2,5 тонны жидкого чугуна в час газовые вагранки
оборудовались четырьмя горелками первой модификации или двумя
горелками второй модификации. Газовые горелки устанавливались так, что
осевые линии противоположных сопел не совпадали. При этом соблюдались
условия развития вихревых зон факелов и компактного размещения факелов
в камере перегрева. Камера перегрева футеровалась высокоглиноземистыми
огнеупорами, а шахта – шамотными.
      В газовую вагранку с выносной камерой перегрева металлическая
шихта загружается после предварительного разогрева футеровки камеры до
1973-19230 К, причем перед загрузкой шихты уменьшается коэффициент
расхода воздуха до оптимальной величины и выдерживается стабильным
системой автоматики. Над подиной шахты омываемая горячими газами
шихта плавится, и образующиеся жидкие компоненты стекают в бассейн,
перегреваясь при движении по наклонной полке уступа и при падении с
уступа на поверхность бассейна. Падающий с уступа жидкий металл
разбрызгивает металл в бассейне, причем небольшой толщины слой
жидкоподвижного шлака на его поверхности не создает препятствий этому
процессу. По мере накопления перегретый жидкий металл выпускается из
бассейна.
      Примененные в газовых вагранках с выносной камерой перегрева
эффективные способы сжигания газообразного топлива позволили стабильно
проводить длительные непрерывные плавки чугуна и получать жидкий
металл с температурой выше 16730 К при сжигании «холодной» смеси
природного газа с воздухом. Термический коэффициент полезного действия
газовых вагранок с выносной камерой перегрева в среднем равен 40%.
      При производственной эксплуатации газовых вагранок с выносной
камерой перегрева достигнут значительный экономический эффект,
связанный с тем, что при использовании природного газа для плавки чугуна
не применяется дорогой и дефицитный кокс, не требуются устройства для
очистки уходящих газов от пыли, поскольку при применении газовых
вагранок не превышаются допустимые нормы выброса пыли в атмосферу.
Качество получаемого чугуна из газовых вагранок более высокое, чем при
плавке на коксе, так как в металле газовой плавки не увеличивается, а
уменьшается содержание серы.


                                   6


      Для применения в условиях металлургического производства были
разработаны конструкции газовых вагранок с водоохлаждаемыми
перемычками в шахте производительностью 6, 10 и 15 тонн жидкого чугуна в
час, а также техническая документация на горелочные устройства для
газовых вагранок и миксеров.
      Две газовые вагранки с перемычками в шахте производительностью 6
т/ч были построены на металлургическом предприятии и прошли
промышленное испытание в условиях производства. Кроме газовых вагранок
прошли промышленные испытания миксеры, вмещающие 12 тонн жидкого
чугуна и работающие по способу пламенных камерных печей. Эти
плавильные агрегаты работали по 16 часов в сутки.
      Газовая вагранка с водоохлаждаемой перемычкой в шахте представляет
собой шахтную печь со стационарным копильником – камерным миксером,
обогреваемым продуктами сгорания газообразного топлива. В шахте с
прямоугольными горизонтальными сечениями имеется перемычка из труб
водяного охлаждения, облицованных огнеупорами. Перемычка располагается
между двумя противоположными стенками шахты так, что между ней и
другими противоположными стенками шахты создаются каналы, по которым
горячие газы могут проходить из камеры перегрева в шахту. Над каналами на
боковых стенках шахты выполнены водоохлаждаемые выступы,
предназначенные для создания препятствий проникновению твердой шихты
в камеру перегрева и улучшения газодинамического процесса в шахте над
перемычкой. В камере перегрева над бассейном расположены туннели, в
которые входят горелочные сопла. Между камерой перегрева и миксером
имеется переходная летка.
      Газовая вагранка и миксер оборудованы горелками с индивидуальными
смесителями. В газовой вагранке установлено пять горелок, а в миксере три
горелки.
      Для газовых горелок были разработаны съемные чугунные литые сопла
трех разновидностей: 1) с одним изогнутым щелевым каналом; 2) с четырьмя
изогнутыми щелевыми каналами в компактном расходящемся пучке; 3) с
восемью каналами в компактном расходящемся пучке.
      При подаче в пять горелок газовой вагранки 600 м3/ч природного газа
скорость истечения горючей газовоздушной смеси из горелочного сопла с
учетом того, что 11,11% природного газа поступает через аксиальный канал,
была равна 83 м/с.
      Для газовой вагранки и миксера были применены отдельные системы
автоматического регулирования расходов природного газа и воздуха,
соотношения «газ-воздух», а также автоматики безопасности.
      Способ работы газовой вагранки с перемычкой в шахте такой же, как
газовой вагранки с уступами в шахте.
      При проведении промышленных испытаний в горелки миксера
подавалось 378-396 м3/ч природного газа и 3600 м3/ч воздуха, а в горелки
газовой вагранки 630-660 м3/ч природного газа и 6000 м3/ч воздуха при
нормальных условиях. Плавка чугуна в газовых вагранках проходила
                                    7


стабильно. Выпускаемый из летки миксера чугуна имел температуру 1723-
17530 К по замерам термопарой. Производительность газовой вагранки была
в среднем 6 т/ч. В полученном чугуне содержалось 3,45% углерода, 0,015%
серы.
      При расходах на вагранку 660 м3/ч природного газа и 6000 м3/ч
воздуха, а на миксер 396 м3/ч природного газа и 3600 м3/ч воздуха была
проведена плавка металлической шихты, содержащей 30% стального лома,
30% передельного чугуна, 40% чугунного лома, для получения
малоуглеродистого полупродукта, который можно было бы использовать для
заливки в мартеновскую печь с целью повышения ее производительности
при производстве стали. Выпущенный из миксера металл содержал 2,19-
2,32% углерода. Температура металла по замерам термопарой,
установленной около выпускной летки миксера, была 17830 К.
      При эксплуатации газовых вагранок производится следующее. Сначала
в течение трех часов разогревается футеровка миксера и вагранки, а затем
загружается шихта и начинается плавка. Плавка длится две рабочие смены.
Полученным чугуном, содержащим 3,8-3,9% углерода, заливают формы.
      При плавке высокоуглеродистого чугуна производительность газовой
вагранки вместо 6 т/ч достигается в среднем 8 т/ч, а температура
получаемого жидкого металла равна около 16230 К.
      В связи с тем, что применяется водяное охлаждение кожуха вагранки,
перемычки, выступов, то термический коэффициент полезного действия
вагранки в среднем равен 38,56%.
      Для газовой вагранки с водоохлаждаемой перемычкой в шахте
проблемой был подбор более стойких к воздействию горячих газов, жидкого
шлака и металла огнеупорных материалов. Удовлетворительную стойкость в
условиях высокотемпературного ваграночного процесса показала футеровка
из высокоглиноземистых изделий.
      Благодаря оптимизированному сжиганию смеси природного газа с
воздухом при компактном размещении факелов в миксере достигается
температура 1873-19230 К, а в камере перегрева перед загрузкой шихты
наблюдается температура 1973-20430 К.
      Эффективная работа газовых вагранок с водоохлаждаемыми
перемычками в шахте стала возможной в связи с применением
разработанных на основе исследований рациональных способов сжигания
газообразного топлива.
      Испытание газовых вагранок с уступами в шахте, с выносной камерой
перегрева, с водоохлаждаемой перемычкой в шахте показало, что
необходимо повышение термического коэффициента полезного действия
шахтных плавильных печей. На основе расчета тепловых балансов и
теоретического анализа процессов теплообмена было установлено, что для
увеличения термического коэффициента полезного действия шахтной
плавильной     печи     необходимо,   во-первых,   увеличить    площадь
теплоизлучающей поверхности в зоне, где происходит перегрев жидкого
металла, во-вторых, применить рекуперацию тепла уходящих после участия
                                   8


в теплообмене газов, в-третьих, создать условия для более равномерного
распределения горячих газов по сечениям плавильного агрегата.
      Значительное увеличение площади тепловоспринимающей –
теплопередающей поверхности достигается, если в камере перегрева газовой
вагранки разместить огнеупорную насадку. Но в таком случае можно не
выполнять в газовой вагранке уступ или водоохлаждаемую перемычку, так
как опорой для металлической шихты может быть огнеупорная насадка
(колоша).
      Экспериментами на небольших шахтных плавильных печах была
подтверждена целесообразность создания производственных газовых
вагранок с огнеупорной колошей.
      Для проведения промышленных испытаний была переоборудована
газовая вагранка с прямоугольными горизонтальными сечениями шахты, в
которой раньше выполнялась водоохлаждаемая перемычка. После демонтажа
перемычки, выступов, замены газовых горелок, футеровки в газовой вагранке
можно было проводить экспериментальные плавки на огнеупорной насадке.
      Реконструированная      газовая    вагранка    была     оборудована
многосопловой горелочной системой, предназначенной для сжигания
подогретого природного газа в горючих воздушных потоках. Но в связи со
сложностью обслуживания и ремонта эти горелочные устройства были
заменены более простыми, но эффективными газовыми горелками.
      Конструкция газовой вагранки, прошедшей промышленное испытание,
проста. В нижней части шахты над подиной установлено восемь газовых
горелок (по четыре горелки на противоположных удлиненных стенках
шахты). В горизонтальном сечении шахты газовые горелки размещены в
шахматном порядке. К шахте примыкает стационарный копильник, который
соединен с ней переходной леткой. Ниже переходной летки расположена
подина. На подину после розжига горелок и разогрева футеровки у
горелочных туннелей загружается холостая огнеупорная колоша.
      При     выполнении     футеровки     шахты    из    шамотных      и
высокоглиноземистых огнеупоров для создания огнеупорной насадки
применяется бой шамотных кирпичей, высокоглиноземистых изделий,
углеродсодержащих электродов. Вначале на подину загружается бой
углеродсодержащих электродов для создания слоя 0,15-0,3 м, а затем
производится загрузка боя шамотного кирпича, высокоглиноземистых
изделий углеродсодержащих электродов в виде смеси, в которой
приблизительно одинаковое количество указанных компонентов по объему.
Материалы огнеупорной насадки загружаются при работающих газовых
горелках последовательно кусок за куском и так, чтобы поверхностные слои
кусков успевали нагреваться до температуры не ниже 10730 К.
      После регулировки коэффициента расхода воздуха до получения
необходимой величины в зависимости от температуры подаваемого воздуха-
окислителя и требуемой температуры в огнеупорной насадке производится
загрузка металлической шихты при работающих газовых горелках. Через 10-
15 минут начинается плавление шихты над огнеупорной насадкой. Через
                                    9


переходную летку расплав поступает в копильник, откуда выпускается по
мере накопления и используется для заливки форм.
      При расходе природного газа 600 м3/ч, температуре подаваемого
воздуха 6730 К, коэффициенте расхода воздуха 0,95 достигается
производительность вагранки 6-8 т/ч в зависимости от состава шихты.
Температура выпускаемого из копильника жидкого чугуна выше 16730 К.
При плавке чугунной шихты термический коэффициент полезного действия
вагранки в среднем равен 54%.

         ГОРЕЛОЧНЫЕ СИСТЕМЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ГАЗОВЫМ
                         ВАГРАНКАМ

      Применительно      к   высокотемпературным     печам   разработано
эффективное устройство для сжигания газообразного топлива, которое
содержит горелку, закрепленную к кожуху теплового агрегата, горелочный
туннель за выходным сечением сопла горелки. За пределами выходного
сечения сопла горелки размещены сопла для подачи углеводородов, осевые
линии которых удалены от осевой линии сопла горелки на расстоянии а =
(1,5 – 7)b, где b – наибольший размер (высота, ширина, диаметр) сопла
горелки в выходном сечении. Рациональна такая конструкция горелки и
геометрическая форма сопла в выходном сечении, которая позволяет при
прочих равных условиях уменьшить длину горящего факела, увеличивать в
нем температуру. Сопла для подачи углеводородов могут быть размещены в
пределах горелочного туннеля или за пределами горелочного туннеля.
      Способ сжигания газообразного топлива осуществляется следующим
образом. В горелку подают воздух и газообразное топливо. Создание
горючей газовой смеси, если она холодная, производится в корпусе горелки
или за выходным сечением сопла горелки. Если в горелку подается горячий
воздух, то создание газовой смеси рационально за выходным сечением сопла
горелки. Горючую смесь сжигают в горелочном туннеле и тепловом агрегате.
При этом организовывают процесс горения так, чтобы горячие газы имели
температуру t1 не ниже 12000 С. В горячие газы подают струями
углеводороды при отношении скорости их движения в струях w1 к скорости
движения горячих газов в потоках w2 1,01-12, что приводит к повышению
излучательной способности горячих газов и интенсификации теплопередачи
от горячих газов нагреваемому материалу, уменьшению потерь
окисляющегося материала при нагревании горячими газами, увеличению
долговечности огнеупорной футеровки теплового агрегата. Если температура
горячих газов, в которые подают углеводороды, t1 < 12000 С, то не все
углеводороды, подаваемые в горячие газы, разлагаются и эффективность
излучательной способности газов получается недостаточной для
интенсификации теплопередачи от горячих газов нагреваемому материалу в
тепловом агрегате. Для достаточно глубокого проникновения углеводородов
                                           w1
в горячие газы, необходимо, чтобы 1,01 <      < 12 . При соблюдении указанных
                                           w2

                                    10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика