СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Вагранка – как печь для плавки чугуна КОНСТРУКЦИЯ КОКСОВОЙ ВАГРАНКИ Опорная часть вагранки Кожух вагранки и его футеровка Фурменный пояс Крпильник Искрогаситель 3 ПЛАВКА ЧУГУНА В КОКСОВОЙ ВАГРАНКЕ 3.1 Технология плавки чугуна в коксовой вагранке 3.2 Металлургические процессы плавки чугуна в коксовой вагранке 3.3 Интенсификация процессов плавки чугуна в коксовой вагранке 3.4 Контроль процесса и качества выплавляемого чугуна в кокосовой вагранки 4 РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ ЧУГУНА 4.1 Исходные данные для расчета 4.2 Расчет шихты для выплавки чугуна 4.2.1 Расчет массы топливной и металлической колоши 4.2.2 Выбор химического состава жидкого чугуна 4.2.3 Расчет состава шихты 5 РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ КОКСОВОЙ ВАГРАНКИ 5.1 Диаметр вагранки в свету 5.2 Полезная высота вагранки 5.3 Общая высота вагранки 5.4 Диаметр металлической летки 5.5 Сечение вагранки в свету 5.6 Суммарное сечение фурм 6 ВЫБОР ВЕНТИЛЯТОРА 7 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОКСОВОЙ ВАГРАНКИ 7.1 Исходные данные для расчета материального баланса 7.2 Кокс 7.3 Шлаки 8 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОКСОВОЙ ВАГРАНКИ 8.1 Теплота сгорания кокса 8.2 Теплота вносимая воздухом 8.3 Теплота окисления примесей 8.4 Теплота шлакообразования 8.5 Расход теплоты на расплавление и перегрев чугуна 8.6 Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака Расход теплоты на разложение известняка 8.8 Расход теплоты на испарение влаги 8.9 Физическая теплота ваграночных газов ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ СПЕЦИФИКАЦИЯ

3 4 4 14 14 15 18 20 23 27 27 30 43 45 48 48 48 48 50 51 57 57 57 57 57 58 58 60 63 63 64 66 69 69 70 70 70 70 71 71 72 72 76 77

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена разработке технологического процесса выплавки чугуна марки СЧ 25, в коксовой вагранке. Решение данной проблемы имеет теоретическое и практическое значение. В производстве чугуна 70 % отливок изготовляют из серого чугуна.

Несмотря на создание в настоящее время ряда новых плавильных агрегатов, основное количество чугуна для отливок выплавляется в вагранках.

Рассматривая вагранку, как агрегат для плавки чугуна, можно отметить, что она имеет ряд преимуществ по сравнению с другими плавильными агрегатами: простота конструкции и обслуживания; непрерывность процесса плавки и выпуска чугуна; экономичность; сравнительно низкие энергетические затраты. Интенсификация ваграночной плавки позволяет повысить температуру жидкого чугуна и технологические свойства отливок. Применение дожигания оксида углерода и очистки колошниковых газов от пыли, наряду с утилизацией теплоты отходящих газов, делают вагранку практически безотходным и экологически чистым плавильным агрегатом.

Поэтому целью нашей курсовой работы является разработка технологического процесса плавки чугуна в вагранке. Для достижения поставленной цели нами была предпринята попытка решить следующие задачи: проанализировать конструкцию вагранки, провести расчет основных размеров вагранки, расчет материального баланса, расчет теплового баланса.

1. Литературный обзор

1. Вагранка – как печь для плавки чугуна

Вагранка как самостоятельный плавильный агрегат для пере­плавки чугуна используется со второй половины XVIII столетия. Первоначально чугунные отливки производились исключительно из чугуна первой плавки, т. е. непосредственно из доменных печей, что, естественно, ограничивало в значительной степени и область применения чугунного литья, и возможности самостоятельного раз­вития литейного производства.

Вагранки классифицируются по типу применяемого топлива (коксовые, коксогазовые, газовые), по футеровке (кислые и основные), по теплотехническим особенностям (без подогрева и с подогревомдутья), по степени очистки газов (открытые, полузакрытые и закры­тые). В открытых вагранках про­изводится только грубая очистка от крупных частиц пыли, в полу­закрытых очищается только часть газов и в закрытых эффективной очистке подвергаются все газы.

В соответствии с ГОСТ 24774 —81, вагранки изготавливают следу­ющих типов, исполнений и модификаций:

Типы: 1) открытые, со свободным выходом ваграночных газов в атмосферу за счет естественной тяги; 2) закрытые, с принудительным отсосом ваграночных газов через систему очистки.

Открытые вагранки холодного дутья не могут быть рекомендованы к применению по экологическим соображениям и в связи с низким КПД. Вагранки с частичной очисткой газов от пыли в мокрых искро­гасителях (пылеосадителях) допускается применять только диаметром до 1300 мм при условиях длительности непрерывной работы не более 7 ч и значительной удаленности от жилых помещений.

Вагранки с высокотемпературным подогревом дутья в выносном рекуператоре с использованием теплоты отходящих ваграночных газов и полной их очисткой рекомендуются для высокопроизводитель­ных литейных цехов заводов индивидуального и мелкосерийного производств, а также цехов металлургических предприятий.

При крупносерийном и массовом производстве отливок должны применяться вагранки с высокотемпературным подогревом дутья, без футеровки, с применением эффективных рекуператоров и полной очисткой ваграночных газов.

Схема современного плавильного агрегата с системой очистки ваграночных газов представлена на рис. 3.2. Установка состоит из вагранки, весовых и загрузочных устройств для подачи металли­ческих и неметаллических шихтовых материалов, комплекса оборудо­вания для улавливания и очистки отходящих газов и пыли в две стадии (пылеосадитель, скруббер, рекуператор, фильтры и т. п.), устройств для подачи и подогрева дутья, оборудования для отбора жидкого металла и удаления шлака, системы автоматического управления и контроля за процессом плавки, различных вспомогательных устройств.

Очистка отходящих ваграночных газов может также осуществ­ляться в три стадии, включая мокрую очистку.

Рис. 1.1 – Схема ваграночной установки закрытого типа конструкции Гидростанка:

1 – бункерная эстакада ля металлической шихты; 2 – весовая тележка; 8 – установка для дозировки кокса, известняка и ферросплавов, 4 – подъ­емник для шихты, 5 – вагранка; 6 – шлюзовая камера; 7 – пылеосадитель­ная камера; 8 – эжекторный скруббер; 9 – камера дожигания, 10 – радиационный рекуператор.

Коксовая вагранка

Она имеет шахту, в нижней части которой расположены фурмы для подачи воздуха, шлакоотделительное устройство и копильник, устройство для дожигания продуктов сгорания кокса, в основном СО, устройство для очистки охлажденных отходящих газов от пыли, устройство для подогрева воздушного дутья (рекуператор). В шахту загружается холостая колоша кокса на высоту от уровня фурм, равную приблизительно диаметру шахты, а также рабочие калоши металлошихты, кокса и флюса. Чугун плавится за счет тепла, выделяющегося от сгорания кокса, стекает в нижнюю часть шахты, называемую горном, и либо накапливается там, либо непрерывно уходит в копильник, где собирается определенная порция для выпуска чугуна на заливку. Горн и нижняя часть рабочей калоши – это по существу зона плавления, а вагранка с копильником – это агрегат непрерывного действия. Характерной особенностью современной вагранки является доменный профиль шахты, который существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке и удобен для наружного поливного охлаждения. Фурмы выполняются вдвинутыми водоохлаждаемыми, быстросъемными. Корпус вагранки в плавильной зоне дополнительно охлаждается водой и имеет огнеупорную футеровку, которая чаще всего выполняется из шамотных кирпичей (изделий) – эта кислая футеровка. Реже используют основную футеровку. Это для малосернистых чугунов при производстве ответственных отливок. В вагранках с водяным охлаждением плавильной зоны (пояса) горн футеруют углеродистыми огнеупорами (SiC). Как отмечалось ранее для повышения температуры чугуна в плавильной зоне, а значит и выдаваемого в копильник, подогревают воздух поступающий в фурмы при помощи рекуператоров (за счет тепла отходящих газов) – это 400 °С, специальными электрокалориферами (до 700°С) и добавлением в горячее дутье 3-5% кислорода. В последнем случае температура в плавильной зоне врозрастает до 2050°С (по данным немецких специалистов).

Рис. 1.2 – Коксовая вагранка:

1 — герметичное загрузочное устройство; 2— водоохлаждаемое колошниковое устройство с боковым отсосом газов; 3 — шахта; 4 — воздушный коллектор; 5 — сифонный шлакоотделитель; 6 — опорное устройство; 7 — фурмы.

Коксогазовые вагранки

Вагранки, использующие в качестве топлива кокс и газ, называют коксогазовыми. При частичной замене кокса природным газом схема процесса плавки чугуна и конструкция вагранки изменяются немного. Вагранка имеет один ряд фурм, площадь которых составляет 8 – 10% площади сечения шахты, фурменную коробку, разделенную вертикальной перегородкой на две камеры для раздельной подачи воздуха в фурмы и газовые горелки, расположенные на расстоянии 900 мм от оси фурм.

Коллектор предусмотрен для подачи природного газа в горелки. Исследования состава газов у выхода их из тоннелей вагранки производительностью 10 т/ч при соотношении расходов природного газаи воздуха 1/10 показали, что происходит полное сгорание их и что газы содержат 9,5% СО₂, 3,7% О₂, 0,06% СО и 86,74% N₂. Кроме того, в результате сгорания метана и тяжелых углеводородов газы содержат около 20% Н₂О.

В коксогазовых вагранках обычно уменьшается расход кокса на 25 – 35%, соответственно уменьшается количество воздуха, поступающего в фурмы. Это снижает максимальную температуру в зоне холостой колоши. Вследствие поступления в вагранку продуктов сгорания природного газа изменяется кривая распределения температур по высоте и удлиняется зона высоких температур.

В результате увеличения количества сжигаемого газа и повышения температуры на уровне расположения горелок и в зоне подогрева шихты зона плавления металла перемещается выше, путь капель металла по раскаленному коксу удлиняется и количество теплоты, передаваемой жидкому металлу, увеличивается. Это до определенного предела повышает температуру перегрева чугуна, компенсируя отрицательное влияние снижения максимальной температуры. Кроме того, в вагранке создаются благоприятные условия для развития эндотермических реакций разложения Н₂О и восстановления СО₂ из продуктов горения кокса и газа. Повышение расхода углерода кокса на эти реакции способствует более быстрому сходу колош и росту производительности вагранки. Содержание углерода, а также угар кремния и марганца практически не изменяются по сравнению с коксовыми вагранками. Несколько увеличивается содержание водорода в чугуне в связи с увеличением его содержания в ваграночных газах. Однако практика показывает, что это не влияет на качество литья.

Частичная замена кокса природным газом дает следующие преимущества: расход кокса на рабочие калоши уменьшается на 25-35% при работе с оптимальным расходом газа, уменьшается расход флюса; удельная производительность вагранки увеличивается на 10-20%; содержание серы в чугуне уменьшается на 0,02-0,03%; общее количество шлака уменьшается, а также снижается расход теплоты на шлакообразование.

К недостаткам следует отнести необходимость наблюдения за газогорелочными устройствами, согласно правилам Гостехнадзора, и некоторое усложнение системы автоматического регулирования.

Рисунок 1.3 – Конструкция коксогазовой вагранки:

1 – коллектор для воздушных фурм; 2 – воздушный коллектор для газовых фурм; 3 – газовая горелка; 4 – подвод газовоздушной смеси; 5 – газовая фурма; 6 – огнеупорная футеровка плавильной зоны; 7 – горн; 8 – устройство для грануляции шлака; 9 – водяное охлаждение; 10 – коллектор водяного охлаждения; 11 – фурмы для воздуха; 12 – копильник; 13 – летка; 14 – футеровка металлопровода.

Газовая вагранка

Газовая вагранка представляет собой пламенную печь шахтного типа. Она существенно отличается от коксовой и коксогазовой вагранки. В газовой вагранке отсутствует традиционная холостая коксовая колоша, она имеет постоянную высоту зоны плавления над газовыми горелками и ограниченную по размерам зону перегрева. Газовые вагранки конструктивно различаются на: а) вагранки с уступами в шахте (рис. 1.4); б) вагранки с перемычкой в шахте; в) вагранки с выносной камерой перегрева. В вагранке, изображенной на рис. 1.4 по высоте шахты выполнены два уступа 6 и 12, предотвращающие попадание шихтовых материалов в нижнюю часть камеры сжигания газа 4, зону перегрева.

Рисунок 1.4 – Газовая вагранка:

1 – шахта; 2 и 4 – водяное охлаждение; 3 и 5 – поднутрения шахты; 6 и 12 – уступы; 7 – копильник; 8 – механизм открывания днища; 9 – бассейн для жидкого чугуна; 10 – горелки; 11 – камера сжигания газа и перегрева чугуна; 13 – система загрузки шихты.

Верхняя часть шахты вагранки предназначена для нагрева и расплавления шихты, а нижняя – для перегрева жидкого чугуна. Как верхний, так и нижний уступы испытывают высокие термические нагрузки, поэтому охлаждаются водой. По всему периметру нижней части камеры сжигания газа и перегрева встроены в один или в два раза туннели – трубки, в которых находятся газогорелочные устройства.

Перед плавкой камера перегрева нагревается газовыми горелками до температуры 1600°С. Затем после достижения необходимого температурного режима и состава печной атмосферы в шахту вагранки загружают шихту. Металл плавится, стекает в камеру перегрева вагранки, откуда непрерывно поступает в копильник.

Основными преимуществами газовых вагранок перед коксовыми является то, что они требуют применения дефицитного кокса, имеет существенное сокращение содержания серы. Вместе с тем в газовых вагранках труднее получить чугун с содержанием углерода более 3-3,2%. Это объясняется отсутствием в коксовой вагранке холостой коксовой колоши и образованием в камере перегрева окислительной атмосферы, что способствует угару химических элементов чугуна. В таких случаях искуственно в шихту добавляют высокоуглеродные материалы, например, куски отходов графитовых электродов.