Глава 8. Плавильные печи

8.1. Вагранки

Схемы, принцип действия, теплотехнические и металлургические процессы, происходящие в плавильных печах литейных цехов, достаточно подробно изложены в учебнике [20]. В данном учебнике излагаются современные конструктивные решения, обеспечивающие протекание этих процессов.

8.1.1. Конструкции ваграночных комплексов

Цель ваграночной плавки состоит в производстве расплава чугуна со стабильно высоким качеством при высокой производительности печи, минимальной себестоимости металла и минимальном воздействии на окружающую среду.

Согласно правилам безопасности в литейном производстве (ПБ 11-551-03) современные вагранки должны быть закрытого типа и оборудованы взрывобезопасными устройствами для пылеочистки и дожигания отходящих колошниковых газов. Содержание окиси углерода в отходящих газах не должно превышать 0,1 %, а пыли - не более 80 - 100 мг/м³. Конструкция рекуператоров должна исключать поступление газов в помещение цеха.

Рис. 8.1.Вариант конструкции ваграночного комплекса

1 - бункерная эстакада; 2 – весовая тележка; 3 – установка для дозирования кокса; 4 – подъёмник шихты; 5 – вагранка; 6 - загрузочная камера; 7 - устройство предварительной очистки газов; 8 – устройство тонкой очистки газов; 9 – камера дожигания газа; 10 – рекуператор; 11 – сливной жёлоб со шлакоотделителем; 12 – копильник.

Этим требованиям соответствуют современные ваграночные комплексы. Один из вариантов конструкций таких комплексов представлен на рис. 8.1. Комплекс состоит из установки для дозирования и загрузки шихты (1,2,3 и 4), вагранки закрытого типа (5,6,11 и 12), систем очистки (7,8) и дожигания ваграночных газов (9 и 10).

Установки для дозирования и загрузки шихты

Рабочие колоши шихты загружают в вагранку с помощью бадей двух размеров. В малые бадьи загружают расчётное количество кокса и флюса, в бадьи больших размеров – компоненты металлической шихты. На рис. 8.2. показан один из способов набора компонентов металлической шихты в бадью. Весовая тележка 4 с установленной на ней бадьёй 5 движется вдоль бункерной эстакады. Из каждого бункера 1, в котором находится один из компонентов шихты, в бадью загружают с помощью питателя 3 порцию, соответствующую расчёту шихты на ЭВМ. Более совершенным является набор шихты в бадью с помощью магнитной шайбы с регулируемой массой груза. Заполненные бадьи с помощью подъёмника 4 (рис. 8.1.) разгружаются в загрузочную камеру вагранки.

Рис. 8.2. Набор компонентов шихты в весовую тележку

1 – бункер с компонентом шихты; 2 – опорная конструкция; 3 – вибрационный питатель; 4 – весовая тележка; 5 – бадья загрузочная с коническим дном.

Вагранка закрытого типа.

Загрузочные устройства вагранок этого типа (рис. 8.3.) исключают утечку ваграночных газов в окружающую среду на протяжении всей плавильной кампании. Для этого отвод газов из вагранки в систему очистки и дожигания газов осуществляется через кольцевую полость 12 и боковое окно. Загрузка шихты производится при нормально открытой крышке 11 в цилиндрическую камеру 10, которая в процессе работы должна быть целиком заполнена шихтой. Контроль и поддержание уровня загрузки осуществляется автоматически. Слой шихты в этой камере называют «шихтовой пробкой». Высота «шихтовой пробки» рассчитана так, что её сопротивление движению газов значительно больше, чем движению газов в отверстие для вывода в систему газоочистки. Крышка 11 закрывает вагранку только в период розжига вагранки и при завершении плавильной кампании, когда шихтовая пробка отсутствует или имеет неполную высоту.

1

21

3

41

51

61

71

ШM

M

Рис. 8.3. Вагранка закрытого типа

1 – опорные колонны; 2 – фиксаторы створок днища; 3 – опорная рама; 4 –кольцевой поддон; 5 - водоохлаждаемая фурма; 6 – крышка и глазок фурмы;

7 – заслонка; 8 – воздуховод к фурме дополнительного ряда; 9 – коллектор подогретого воздуха; 10 – полость для шихтовой пробки; 11- крышка полости; 12 – кольцевая полость; 13 – компрессионный шлакоотделитель; 14 – створки днища.

Шахта вагранки в верхней части футерована фасонными чугунными блоками, способными противостоять ударам кусков шихты при заполнении вагранки в начале плавильной компании. Основная часть шахты имеет доменный профиль. Коническая часть корпуса вагранки охлаждается струями воды, выходящими из форсунок, расположенных вокруг корпуса (на рисунке показаны два яруса форсунок). Кольцевой короб 4 служит для сбора и удаления охлаждающей воды в систему оборотного водоснабжения.

Водоохлаждаемая зона вагранки, за исключением горна, не имеет огнеупорной футеровки или футеруется тонким слоем (40…70мм) огнеупора в начале плавки. В дальнейшем, по мере оплавления футеровки на стальном водоохлаждаемом кожухе образуется так называемый гарниссаж. Гарниссаж – это слой металла, застывший на интенсивно охлаждающейся поверхности кожуха. На стабильном режиме работы вагранки этот слой находится в состоянии динамического равновесия двух процессов. Скорость затвердевания металла на этой поверхности равна скорости его оплавления металла с неё. Это, парадоксальное на первый взгляд, явление объясняется тем, что приход тепла к стенке вагранки происходит путём конвекции от продуктов горения, а также со струйками и каплями металла, сдуваемыми потоком газов на её внутреннюю поверхность. Этот приход тепла уравновешивается теплоотдачей стенки струям охлаждающей воды. В горне вагранки, где жидкий металл контактирует со стенками вагранки, используют набивную футеровку из кварцитографитовой массы. Применение высокоогнеупорного материала и большая толщина футеровки обеспечивают стойкость футеровки в течение трёх и более недель непрерывной работы вагранки. Кроме этого толстая футеровка сокращает потери тепла в горне.

Уменьшение диаметра вагранки в зоне расположения фурм позволяет значительно уменьшить неравномерность распределения дутья по сечению вагранки. В комментариях к рисунку 1.4. (глава 1) отмечалось, что максимальная температура продуктов горения t_{газ.макс.} находится на границе между кислородной и редукционной зонами. Но эта граница в связи с неравномерностью распределения дутья по горизонтальному сечению вагранки не плоская, а криволинейная и может быть представлена в первом приближении конусом АБС.

Рассмотрим подобнее процесс горения кокса под слоем шихты в вагранке (рис. 8.4.). Очевидно, что максимальная скорость плавления металлической колоши (а, следовательно, и максимальная производительность вагранки) будет достигнута тогда, когда плавящиеся куски шихты будут располагаться в зоне максимальной температуры газов t_{газ.макс}. Расположить шихту по поверхности конуса АБС в реальных условиях невозможно. Поэтому высоту холостой колоши поддерживают не ниже уровня основания конуса АБС. Такая высота холостой колоши считается нормальной. При меньшей высоте холостой колоши куски шихты, расположенные у стенок вагранки, оказались бы в кислородной зоне, что привело бы к резкому повышению угара металла и снижению температуры на жёлобе.

Однако при нормальной высоте холостой колоши куски шихты, расположенные у оси вагранки, будут плавиться значительно медленнее, чем у стенок, так как температура газов здесь значительно ниже. С увеличением диаметра вагранки температура газов у её оси снижается и может оказаться ниже средней температуры плавления шихты t_пл.ср.. Важно отметить, что при увеличении удельного расхода дутья (расхода, отнесённого к 1м² сечения вагранки) неравномерность скоростей плавления шихты у стенок и у оси вагранки увеличивается. По этим соображениям ограничивают расход дутья в вагранках с цилиндрической шахтой.

Фурмы вагранок с доменным профилем приближены к её оси. Это способствует уменьшению неравномерности дутья, позволяет увеличить его удельный расход, а, значит, и производительность вагранки.

Рис. 8.4. Распределение дутья по сечению вагранки

Однако такое расположение фурм, подающих в вагранку горячий воздух, требует применение водяного охлаждения во избежание их перегрева. На рис. 8.5. показана конструкция водоохлаждаемой фурмы основного ряда фурм.

Рис. 8.5. Медная водоохлаждаемая фурма.

1 и 2 – Наружная и внутренняя трубы; 3 – подводящая труба; 4 – наконечник.

При модернизации вагранок цеха серого чугуна ЗИЛ заглубление фурм на 200мм и подогрев дутья позволил увеличить расход воздуха с 12000 до 25000м³ /час.

Выше основного ряда на 800…900мм находится дополнительный ряд фурм для подачи холодного воздуха. Эти фурмы, расположенные в шахматном порядке по отношению к фурмам основного ряда, дополнительно выравнивают распределение дутья по сечению вагранки. Кроме этого они способствуют увеличению полноты сгорания кокса, т.е. частичному дожиганию СО, образовавшемуся в редукционной зоне. В результате этого увеличивается высота зоны горения (рис. 8.6.), увеличивается путь капель и струй в среде раскалённого газа и кокса (Н_{перегрева}). В верхний ряд фурм подают холодный воздух, потому, что горение горячего ваграночного газа в горячем воздухе привело бы к повышению калориметрической температуры продуктов горения до 2000^оС и более. А это, как известно из главы 1, приводит к увеличению степени диссоциации продуктов горения (СО₂ и Н₂О). В результате этого теоретическая температура газов была бы практически такой же, как при использовании холодного воздуха. Иными словами использование горячего дутья во втором ряде фурм не имеет смысла.

t_{газ. макс.}

t_{пл. ср.}

Рис. 8.6. Расширенная зона горения при дополнительном ряде фурм.

При правильном распределении дутья между основным и дополнительном рядами фурм (50:50 или 60:40) температура чугуна на жёлобе увеличивается на 40…50^оС. А при постоянной температуре чугуна производительность вагранки увеличивается на 15…30% или снижается расход кокса на 10…15%.

На рис. 8.7. Показано распределение дутья по сечению вагранки при одно-, двух- и трёхрядном расположении фурм.

Рис. 8.7. Характера распределения дутья при разном числе рядов фурм.

С внешней стороны фурмы снабжены крышками -6 (рис. 8.3) с застеклёнными глазками, позволяющими контролировать процесс образования настыли шлака на фурме. Настыли образуются, как правило, на фурмах, подающих холодный воздух. При обнаружении настыли её стараются расплавить. Для этого заслонкой 7 перекрывают на время поступление захолаживающего воздуха к зарастающей фурме. Если проплавить настыль не удаётся, её сбивают ломиком при снятой крышке фурмы.

Металлоприёмник-шлакоотделитель. Вагранки длительного цикла действия имеют, как правило, два выносных шлакоотделителя, работающих попеременно. На рис.8.3. показан компрессионный шлакоотделитель, закрытый герметичной крышкой. Благодаря этому в рабочем пространстве шлакоотделителя поддерживается избыточное давление, равное давлению дутья. Под действием этого давления металл и шлак попадают на соответствующие желоба через два сифона. Сифон для выпуска чугуна с высотой порога М, препятствует проникновению шлака на чугунный жёлоб, изображённый справа. По шлаковому сифону (изображённому пунктиром) с высотой порога Ш, шлак сливаются в поток холодной воды, и превращается в гранулы. Высота шлакового сифона больше чем чугунного приблизительно на 100мм.

В конце плавильной кампании прекращают загрузку шихты в вагранку и проплавляют шихту оставшуюся в печи. Выход газов в атмосферу во время проплава предотвращают с помощью крышки 11. После этого приводят в действие механизм 2 запирания и раскрытия створок днища вагранки 14. Остатки шихты охлаждают водой на полу цеха. К ремонту вагранки приступают после её охлаждения до 50^оС.

Система очистки и дожигания газов

В неочищенных ваграночных газах содержится от 5 до 50г/нм³ пыли и от 5 до 24% СО. Для очистки газов от пыли используют несколько устройств предварительного и тонкого обеспыливания. Эти устройства, соединённые последовательно трубопроводами, создают значительное сопротивление движению газов. В системах очистки и дожигания газов современных ваграночных комплексов не используют механических дымососов. Это объясняется тем, что для движения газов такие устройства создают высокое разряжение системе газоочистки. В результате этого существует большая вероятность подсоса воздуха в систему и образования взрывоопасной смеси воздуха с ваграночным газом, содержащим СО. Движение газов в современных системах газоочистки обеспечивается повышенным давлением под колошником, создаваемым вентиляторами подачи воздуха, а также водяными эжекторами в системе газоочистки.

Предварительная очистка ваграночного газа производится в сухих инерционных и центробежных пылеуловителях (рис.8.8.).

Рис. 8.8. Пылеуловители. а) – инерционный, б) – центробежный.

В инерционные пылеуловители газ вводят сверху. При повороте струи газа вверх тяжёлые частицы пыли по инерции опускаются вниз и уходят из устройства.

Для тонкой очистки ваграночных газов широко используются мокрые пылеотделители. В этих устройствах взаимодействие потоков воды и газа при высоких относительных скоростях приводит к распылению частиц воды и осаждению (коагуляции) на них частиц пыли. После чего пыль хорошо отделяется от газа инерционным или центробежным способом. Мокрые пылеотделители позволяют удалить до 90% частиц размерм 2…5мкм. На рис. 8.1 позицией -8 обозначено устройство для тонкого обеспыливания – эжекторный скруббер. Одновременно с пылеотделением скруббер создаёт избыточное давление газа, необходимое для дальнейшего движения в рекуператор.

В некоторых системах очистки ваграночных газов используются дезинтеграторы Тайзена (рис. 8.9), в которых коагуляция пыли обеспечивается высокоскоростным механическим перемешиванием капель воды и пыли. Однако недостатками дезинтегратора является ненадёжность механического устройства и необходимость предварительного охлаждения газа.

Рис. 8.9. Дезинтегратор Тайзена

1 – корпус; 2 – ротор; 3 –пластины ротора; 4 –неподвижные пластины; 5 –разбрызгиватель воды; 6 – труба для подвода воды.

Наибольшую полноту очистки ваграночных газов обеспечивают тканевые рукавные фильтры (рис. 8.10.). В корпусе 1 фильтра закреплены рукава 7 из

Рис. 8.10. Тканевый рукавный фильтр

1 – корпус; 2 – патрубки нижней плиты; 3 – шнек; 4 – верхняя рама; 5 – выпускная труба; 6 – кулачковый механизм; 7 – рукава.

хлопчатобумажной или синтетической ткани. Верхние концы рукавов закрыты крышками и подвешены на раме 4. Нижние концы закреплены на патрубках 2 прикреплённых к общей плите, через отверстия в которой подаётся газ. Пыль остаётся на внутренней поверхности рукавов, а очищенный газ удаляется через трубу 5. Для очистки рукавов от накопившейся пыли раму 4 периодически встряхивают с помощью кулачкового механизма 6. Пыль удаляется из конического днища шнеком 3. Температура очищаемых газов должна быть не выше 65^оС для хлопчатобумажных рукавов и не более 300^оС для синтетических и стеклотканиевых. В тоже время температура газов должна быть на 10^оС выше точки росы иначе фильтр быстро увлажняется и покрывается грязью.

Дожигание газов происходит в рекуператорах, конструкция которых согласно правилам безопасности (ПБ 11-551-03) должна исключать поступление газов в помещение. Ваграночные газы помимо СО в количестве от 5 до 24% содержат SO₂ (0,025…0,5 %), СО₂ (5…16%) а также кислород, водород и пара воды в безвредных незначительных количествах. Количество ваграночных газов составляет примерно 1 тонну или 1000 нм³ на тонну выплавленного чугуна. Очистка ваграночных газов от SO₂ происходит одновременно с осаждением пыли в мокрых пылеуловителях, так как этот газ хорошо растворяется в воде. Очистка от высокотоксичного моноксида углерода СО осуществляется дожиганием. При дожигании ваграночного газа выделяется около 1500кДж/нм³ газа. Это тепло называют химическим теплом ваграночного газа. Кроме химического тепла газ обладает физическим теплом, оцениваемым температурой газа. Поэтому в современных ваграночных комплексах дожигание ваграночного газа используют не только для преобразования токсичного СО в СО₂ но и для подогрева дутья.

Рекуператоры для подогрева дутья могут использовать тепло сгорания дополнительного топлива, а также физическое, химическое или суммарное тепло ваграночных газов.

Использование только физического тепла для работы рекуператоров позволяло максимально упростить их конструкцию, несколько уменьшить расход топлива, но не обеспечивало получение температуры металла выше 1400^оС. Стабильно высокая температура чугуна на уровне 1420…1460^оС, как известно из курса «Плавка», необходима для получения высококачественного чугуна путём модифицирования. Кроме того, использование физического тепла ваграночных газов не позволяет производить мокрую очистку газов от большого количества содержащейся в них пыли. Отложение пыли на разделительных стенках рекуператоров резко уменьшает эффективность теплообмена и требует больших трудозатрат по очистке. Поэтому в современных рекуператорах используют ваграночные газы, прошедшие предварительную и мокрую очистку и потерявшие таким образом физическое тепло, но сохранившие химическое тепло. Этого тепла достаточно для получения технологически обоснованной температуры дутья порядка 500^оС.

Использование в рекуператорах природного газа, как основного топлива, при наличии ваграночного газа, который необходимо дожигать в соответствии с требованиями Правил безопасности, представляется расточительным. Однако для стабилизации процесса горения ваграночного газа, содержащего сравнительно немного горючего газа СО, в топку рекуператора непрерывно подают немного природного газа.

В большинстве современных ваграночных комплексов для подогрева дутья используют радиационно-конвективные рекуператоры, принцип действия которых изложен в главе 7. Комбинированный металлический рекуператор, используемый в ваграночном комплексе (рис. 8.1), отличается от ранее показанного на рис. 7.12. тем, что радиационная его часть не щелевая, а трубчатая. Это устраняет недостаток щелевых рекуператоров – коробление внутреннего цилиндра при неравномерном его нагреве.