книги из ГПНТБ / Грачев В.А. Современные методы плавки чугуна

построена на основании экспериментальных данных и расчетов и включает в себя выполненные в графической форме зависимости:

а — длины закрытого факела от диаметра (ширины) отверстия сопла горелки и коэффициента размеров факела;

б — скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки от диаметра (ширины) отверстия сопла горелки с выделением области допустимых скоростей в рабочем режиме горелки, т. е. скоростей, превышающих скорости, при которых движение газов становится стабильным, и включающих оптимальные скорости выхода газовоз­ душной смеси и сопла горелки;

в — расхода газовоздушной смеси от общей площади отверстий сопел и скорости выхода газовоздушной смеси из сопла горелки;

г — количества круглых сопел от диаметра и общей площади от­

(тип V, рис. 31) от ширины и общей площади их отверстий.

При построении номограммы было принято, что сжигание «хо­

релочной системы. Необходимо определить при оптимальных усло­

круглыми отверстиями многосопловой горелочной системы или ко­ личество сопел с изогнутыми щелевыми отверстиями. Определение начинаем с зависимости а. Проводим точки абсциссы, соответствую­ щей диаметру (ширине) отверстия сопла 25 мм, вертикаль до пере­ сечения с прямой k = 2,7. На оси ординат зависимости а получаем длину закрытого факела. Если длина факела согласуется с пара­ метрами камеры сжигания, продолжаем вертикаль в область допу­ стимых скоростей выхода газовоздушной смеси из сопла горелки, представленную на графике б. Выбираем рабочую скорость выхода газовоздушной смеси из сопла горелки, и горизонтальную прямую, проведенную на уровне выбранной рабочей скорости, продолжаем до пересечения с кривой требуемого расхода газовоздушной смеси (график в). Далее опускаем вертикаль на ось абсцисс зависимости в и определяем общую площадь отверстий сопел, соответствующую данному расходу газовоздушной смеси. Затем продолжаем верти­

по

сопла в зависимости от выбранного типа сопел горелочной системы опреде­ ляем количество сопел.

Из номограммы сле­ дует, что при выборе горелочной системы с изо­ гнутыми щелевыми отвер­ стиями сопел количество сопел можно значительно сократить, а это, в свою очередь, свидетельствует о преимуществах горелок с изогнутыми щелевыми от­ верстиями сопел по срав­ нению с многосопловой горелочной системой с круглыми соплами.

тической энергии, если соблюдаются следующие соотношения пло­

М , 6 ) - / З г с , что способствует турбулизации потока в момент смеше­ ния воздуха с газом.

Равномерность распределения природного газа из газового кол­ лектора по горелкам при прочих одинаковых условиях также опре­ деляется последовательным уменьшением площадей свободных се­ чений газопроводов от коллектора к смесительным камерам:

111

ема закрытого факела и конструктивно простые. Поэтому эти соп­ ла более приемлемы для горелочных систем газовых вагранок и подробно были исследованы с точки зрения оптимального располо­ жения в камере сжигания. На основании экспериментальных иссле­ дований установлено, что горелочные сопла типа I I рационально располагать в камере перегрева газовой вагранки выпуклой частью вниз, т. е. к перегреваемому металлу в бассейне. В этом случае с поверхностью металла соприкасаются наиболее горячие газы.

4. ГАЗОДИНАМИКА И ВНУТРЕННИЙ ПРОФИЛЬ ГАЗОВЫХ ВАГРАНОК

Профиль вагранки оказывает влияние на характер движения газов, от которого зависят форма зоны плавления, ход теплотехни­ ческих и металлургических процессов, разгар футеровки. Установ­ лено, что преимущественное движение газов наблюдается в той части шахты, где меньше газодинамическое сопротивление для дви­ жущегося газового потока. В цилиндрических шахтах наблюдается преимущественное периферийное движение газов, оказывающее от­ рицательное влияние на ход и результаты ваграночного процесса, поскольку увеличиваются тепловые потери на разгар футеровки и через стенки шахты, в результате чего снижаются температура по­ лучаемого чугуна и термический коэффициент полезного действия вагранки.

Изменением внутреннего профиля за счет удлинения пути для газов у стенок шахты можно добиться более равномерного распре­ деления газового потока по поперечным сечениям вагранки, вследст­ вие чего передается больше теплоты от газов шихте, уменьшаются теплопотери и улучшаются теплотехнические условия протекания процесса плавки.

Исследования характера движения газов в газовых вагранках проводились на гидравлических моделях, изготовленных в масшта­ бе 1 : 10 в соответствии с теорией подобия, а также на огневых мо­ делях и действующих газовых вагранках.

Производственные вагранки и их огневые модели были оборудо­ ваны приборами, которые позволяли определять температуру у сте­ нок камеры перегрева и шахты, брать газ на анализ, замерять ста­ тические и динамические давления в различных точках шахты по высоте вагранок, определять и записывать по ходу плавок расход

материалы, какие применялись в огневых моделях вагранок. В ка­ честве флюса использовались известняк и плавиковый шпат. Рас­ ход газовоздушной смеси определялся в зависимости от производи­ тельности газовой вагранки. Эксперименты проводились в газовых

112

вагранках с уступами в вертикальной шахте, с выносной камерой' перегрева и с перемычкой в шахте.

Влияние внутреннего профиля вагранки на характер движения газов

Проведенное исследование на гидравлических моделях позволи­ ло установить значительное влияние внутреннего профиля вагранки на характер движения газов. Установлено, что простейшая форма внутренней полости газовой вагранки, т. е. цилиндр с выполненны­ ми в нем уступами, не является оптимальной. В цилиндрической части шахты наблюдается неравномерность распределения движу­ щихся газов в различных участках по сечениям с преимуществен­ ным движением газов у стенок.

Распределение газового потока в пределах поперечных сечений шахты улучшается при ее форме в виде прямого усеченного кону­ са. При этом профиле удлинение пути движения газов у стенок за счет конусности приводит к уравниванию газодинамических сопро­ тивлений по сечениям шахты и более равномерному движению га­ зов. У подины нижнего уступа, т. е. в зоне плавления, распределе­ ние газового потока происходит равномерно только в том случае, если газы могут свободно пройти по поднутрению шахты в районе уступов, замкнутому с проходом между уступами.

В камере перегрева, свободной от кусков шихтовых материалов, существенное влияние на характер движения газов оказывает рас­ положение сопел и туннелей горелок. При работе одной горелки расположение туннеля против переходной летки, с ее стороны и сбоку не обеспечивает равномерного движения газов в камере пе­ регрева. Распределение газового потока выравнивается при исполь­ зовании большого количества горелок, расположенных равномерно по периметру у подины камеры перегрева.

Одновременно с экспериментами на моделирующих установках проводилось испытание газовой вагранки с уступами в шахте в про­ изводственных условиях. Внутренний профиль этой вагранки мно­ гократно изменялся. Опыты показали, что при цилиндрической шах­ те и отсутствии полукольцевого внутреннего пояса в районе усту­ пов процесс плавки в газовой вагранке протекает нестабильно. У подины нижнего уступа в начале плавки образуется настыль из по­ лурасплавленного металла и шлака, высота которого возрастает по мере удаления от отверстия для выхода газов между уступами и имеет максимальную величину у противоположной от этого отвер­ стия стенки шахты. Образование настыля и его форма подтвержда­ ют неравномерность движения газов в шахте (особенно у подины нижнего уступа) при цилиндрическом профиле. Зона плавления при этом профиле располагается в центре шахты у верхнего уступа. Плавление шихты происходит зачастую в условиях зависания, ко-

торое по мере оплавления кусков металла устраняется, но при этом шихтовые материалы, скользя по настылю на подине нижнего усту­ па, попадают в камеру перегрева, снижая температуру жидкого ме­ талла в ее бассейне. Кроме того, размягченные в поверхностных слоях, но еще не расплавленные шихтовые материалы, сталкиваясь и уплотняясь, перекрывают отверстие между уступами, в резуль­ тате чего'уменьшаются проходы для газов.

При выполнении в районе уступов полукольцевого внутреннего пояса зона плавления имеет форму обратного конуса с вершиной, расположенной на подине нижнего уступа. Процесс плавления про­ текает стабильно. Футеровка в зоне плавления оплавляется равно­ мерно. Глубина оплавления небольшая. Эксперименты показали, что на горизонтальной подине нижнего уступа после плавки оста­ ется плоский металлический настыль. Поэтому подину нижнего ус­ тупа рационально выполнять в виде горизонтальной площадки только от края уступа до осевой линии шахты, т. е. на конце нижнего уступа. Далее горизонтальная площадка должна пере­ ходить в наклонную плоскость с углом подъема в пределах 20—30°" (рис: 22).

Такая форма подины нижнего уступа не позволяет, задержи­ ваться жидкому металлу и шлаку в зоне плавления, где имеется твердая шихта. По наклонной подине жидкий металл и шлак быст­ ро стекают в камеру перегрева. Горизонтальная площадка на конце нижнего уступа позволяет задерживать куски полурасплавленного металла, движущиеся по наклонной части подины к проходу между уступами. Попадая в высокотемпературные газовые потоки, эти куски металла плавятся, в результате чего в камеру перегрева по­ ступает жидкий металл.

Методом «замораживания» шихты в процессе плавки установ­ лено, что зона плавления становится более выпрямленной в горизон­ тальном направлении, если на подине нижнего уступа имеется раз­ делительный барьер из огнеупорных материалов, высота которого больше расстояния между уступами (рис. 22). Оптимальные усло­ вия для равномерного распределения газов в зоне плавления и в шахте вагранки, а следовательно, экономичной работы газовой ваг­

Экспериментами и практикой эксплуатации газовых вагранок установлено, что высота прохода между уступами (АПМу) должна находиться в пределах 170—210 мм, а нижний уступ должен пере­ крываться верхним на длине 140—210 мм.

114

заходит в копильник, служащий одновременно камерой перегрева металла (рис. 35 б) .

Эксперименты на газовых вагранках с выносной камерой пере­ грева и их огневых моделях подтвердили данные, полученные на вагранках с уступами в шахте. Опытами установлено, что на ход плавки, разгар футеровки, образование настылей металла в шахте большое влияние оказывает характер распределения газов по сече­ ниям шахты. Показатели процесса плавки значительно улучшаются при более равномерном распределении газового потока по сечениям шахты, что достигается в конусной суживающейся кверху шахте с полукольцевым внутренним поясом у основания шахты и раздели­ тельным барьером на подине. Оптимальные размеры шахты до сечения I — I в газовой вагранке с уступами в шахте и выносной камерой перегрева одинаковы.

Исследования газодинамики в выносной камере перегрева по­ казали нерациональность выполнения удлиненного канала между шахтой и камерой перегрева. Для уменьшения сопротивления дви-

жению газов и интенсификации перегрева металла подину шахты на переходе в камеру перегрева можно выполнять в виде ступенек, начинающихся у разделительного барьера и расположенных пер­ пендикулярно ему. Поскольку быстро изнашиваемым конструктив­ ным элементом является свод, перекрывающий камеру перегрева, то его необходимо делать выше канала, соединяющего камеру пе­ регрева с шахтой. В этом случае у свода образуются вихревые то­ ки, снижающие эффективность воздействия горячих газов на огне­ упорный материал свода.

Оптимальные внутренние профили газовых вагранок с перемычкой в шахте и двойным проходом для газов

Опытами на моделях и экспериментально-производственных га­ зовых вагранках с перемычкой в шахте установлено, что за счет внутреннего профиля шахты можно добиться более равномерного распределения газового потока по поперечным сечениям, вследст­ вие чего передается больше теплоты от газов шихте, уменьшаются теплопотери и улучшаются теплотехнические условия протекания процесса плавки. Эксперименты показали, что газовые вагранки рационально выполнять с прямоугольными сечениями в горизон­ тальных плоскостях и с расположением водоохлаждаемой пере­ мычки параллельно вытянутой стороне прямоугольника горизон­ тального сечения шахты (рис. 36). Для уменьшения сопротивления движению газов и устранения выбросов шлака через шахту в трубу вагранки периметры прямоугольных сечений шахты в зоне плавле­ ния и у загрузочного окна должны быть одинаковыми по величине и равняться длине периметра круглого сечения шахты, взятой за прототип коксовой вагранки соответствующей производительности. Более равномерное распределение газового потока достигается при удлинении пути движения газов у стенок шахты, т. е. тогда, когда стенки шахты в вертикальном ее сечении плоскостью, параллельной узкой стороне прямоугольника горизонтального сечения, имеют вид ломаных линий, образующих расширение шахты выше ее выступов, а затем сужение по направлению к загрузочному отверстию (рис. 36). Угол наклона стенки выступа шахты по отношению к верти­ кальной отщ должен быть меньше 25°, так как при увеличении это­ го угла уменьшается количество движущихся горячих газов у на­ клонных стенок и образуются недостаточно продуваемые зоны над выступами шахты, в результате чего создаются условия для образо­ вания настылей металла и шлака на стенках выступов. С целью увеличения длины проходов для горячих газов из камеры перегрева в шахту, уменьшения длины пути встречных потоков газов в зоне плавления металла и устранения непродуваемых зон над подиной.

116

перемычки, т. е. основной причины образования настылей металла и шлака на подине, а также больших колебаний сопротивления дви­ жению газов, расстояние (ширина) между противоположными вы­ ступами в шахте над водоохлаждаемой перемычкой должно быть минимальным по величине (практически в пределах 500—800 мм).

Из испытанных конструкций газовая вагранка с перемычкой в шахте и двойным проходом для газов показала лучшие результаты в снижении сопротивления движению газов, стабильности и дли­ тельности плавок, уменьшении разгара футеровки. Это объясняет­ ся тем, что в этих газовых вагранках создается возможность выпол­ нять каналы для прохода газов из камеры перегрева в шахту с об-

117

щей площадью сечений, равной 20—100% от площади свободного горизонтального сечения шахты. При этом скорость газов в каналах становится равной или меньше скорости газов в загруженной ших­ товыми материалами шахте, но не меньше скорости газов в неза­ груженной шахте. Благодаря снижению скоростей газовых пото­ ков уменьшается их воздействие на футеровку, при этом в связи с узкой перемычкой обеспечивается равномерное распределение га­ зов в зоне плавления.

На основании результатов проведенного исследования исходя из законов теории подобия разработаны основные размеры внутрен­ них профилей газовых вагранок с перемычкой в шахте различной производительности. За основу для расчета размеров внутренних профилей газовых вагранок приняты основные данные нормального ряда коксовых вагранок.

ры нормального ряда коксовых вагранок. Нормальный ряд газовых вагранок разрабатывался на основании результатов исследования процессов горения газообразного топлива, газодинамики камеры перегрева и шахты, особенностей конструкций плавильных агрега­ тов, а также законов теории подобия.

Исходя из конструктивных параметров и минимально возмож­ ной трудоемкости ремонта футеровки экспериментально установле­ но, что газовые вагранки производительностью от 1,5 до 5 т/час рационально выполнять с выносной камерой перегрева (рис. 37). Размеры их приведены в табл. 22. Газовые вагранки с уступами в шахте конструктивно выполнимы для производительностей от 3 до 7 т/час (рис. 38, табл. 23). Широкий диапазон производительностей

118