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

Т а б л и ц а

Основные размеры газовых вагранок с уступами в шахте

достигается в газовых вагранках с перемычкой в шахте и двойным проходом для газов (рис. 39, табл. 24).

Рекомендации по установке горелок на вагранках нормального ряда приведены в табл. 25.

5. ТЕПЛООБМЕН ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА В ГАЗОВЫХ ВАГРАНКАХ

Тепловые условия в газовой вагранке

По характеру теплообмена газовая вагранка может быть разде­ лена на три зоны: / — зону подогрева, в которой происходит нагрев твердой шихты до температуры плавления; / / — зону плавления металла, в которой металл расплавляется и до некоторой степени перегревается; //У — зону перегрева, в которой жидкий металл пе­ регревается при падении капель и струек с уступа в бассейн и в

бассейне на подине камеры перегрева.

Анализ результатов замеров температур по высоте газовой ва­ гранки в различных ее зонах свидетельствует о том, что при сжи-

120

гании газа, подаваемого в камеру перегрева одной горелкой с круг­ лым отверстием сопла, термопара, установленная в граничной зоне факела на выходе из туннеля, показывает максимальную темпера­ туру 1730°С. Затем температура снижается по высоте камеры пе­ регрева до 1500°С на выходе из нее. Заходя в полукольцевой внут­ ренний пояс шахты, горячие газы отдают тепло плавящемуся ме­ таллу, в результате чего в боковых точках поднутрения шахты термопары показывают 1300°С, а у стенки, противоположной от­ верстию между уступами, 1200°С, что объясняется передачей боль­ шого количества тепла металлу от ваграночных газов при их про­ хождении по поднутрению шахты. Выше зоны плавления происхо­ дит дальнейшее снижение температуры по высоте шахты, так как теплота расходуется на подогрев шихтовых материалов. На выходе из шахты температура в среднем равна 650°С.

При многосопловой горелочной системе в гр'аничной зоне факе­ ла температура достигает 1770.°С, что связано с повышением тепло­ вого напряжения объема малого факела. Многофакельное сжига­ ние газа позволяет выравнивать температуры над бассейном и в

12!

камере перегрева, но все же в связи с повышением теплового на­ пряжения объемов факелов средние температуры по высоте камеры перегрева при многосопловой горелочной системе выше, чем сред­ ние температуры на этих же уровнях при работе одной горелки. На входе в шахту и в зону плавления температура равна 1550°С. В зоне плавления температура резко снижается, причем более значительно, чем при работе газовой вагранки с одной горелкой, что можно объ­ яснить большей передачей теплоты металлу в единицу времени от более горячих газов и повышением производительности газовой ваг­ ранки. Поэтому на всех уровнях шахты выше зоны плавления при многосопловой горелочной системе температура, по замерам термо­ парами, несколько ниже, чем при односопловой горелке.

Теплообмен в шахте газовой вагранки

Зависимость коэффициента теплопередачи от скорости и темпе­ ратуры газов. В шахте газовой вагранки металл нагревается до температуры плавления, плавится и в какой-то степени перегрева­ ется при стекании капель и струек по раскаленной футеровке. По­ казателем, характеризующим тепловую работу шахты, является производительность вагранки, которая при прочих равных услови­ ях зависит от интенсивности теплопередачи, т. е. от коэффициента теплопередачи в слое шихтовых материалов. Факторами, опреде­ ляющими интенсивность теплообмена, являются главным образом температура газов и их скорость, а также размер кусков шихты.

Суммарный коэффициент теплопередачи в слое шихтовых мате­ риалов газовой вагранки (Куш ) можно определить по практиче­ ским данным из уравнения баланса теплоты, переданной металлу:

122

слоя шихтовых материалов, находящихся в шахте газовой вагранки П46]:

t' +t"

tcp = — ^ — - —средняя температура газов в шахте, °С.

Эта зависимость справедлива для случая использования в шихте чушкового чугуна и чугунного лома, приведенный радиус кусков которых в среднем равен 0,087 м.

Более точно суммарный коэффициент теплопередачи определя­ ется из зависимости:

1 ( > к ч + О о к ) ( гкч + V \

где гкч — средний радиус приведенных к шарам кусков чугуна шихты, м.

V K U I — объем куска шихты, мъ\

SKU1— полная поверхность куска шихты, м2;

80 к —толщина слоя окислов на поверхности кусков шихты, об­

ккал/м-час-град;

>-о к —коэффициент теплопроводности окислов на поверхности

123

ный коэффициент теплоотдачи в слое кусковых материалов можно определить по формуле:

значение меньше, чем определено для доменных печей, что объясня­ ется специфическими условиями плавки чугуна в газовых вагран­ ках, связанными с образованием шлака в зоне плавления и частич­ ным выносом его газовым потоком через слой шихты, слиянием

/t Г~М"г 0/->.

Это выражение показывает, что производительность газовой вагран­ ки зависит от расхода природного газа, температуры продуктов сгорания, площади сечения шахты и высоты столба шихтовых мате­ риалов.

На основании анализа результатов плавок в газовых вагран­ ках различной производительности установлена зависимость удель­ ного расхода природного газа на сжигание br от производитель­ ности газовой вагранки GM в виде формулы [77]:

^ r = 1 3 2 - G M - ° . 2 2 6 , нмъ1т.

Исходя из расхода природного газа, рассчитанного по этой фор­ муле, а также принимая величину потерь газов через шлаковую

газовых вагранок. Расчетные данные для газовых вагранок произ­ водительностью 3, 5 и 7 т/час приведены в табл. 26.

125

Теплообмен в камере перегрева газовой вагранки

Расплавленный в шахте газовой вагранки металл поступает в виде капель и струек в камеру перегрева. Падая в бассейн, металл разбрызгивается, попадает на раскаленную футеровку, снова сте­ кает в бассейн. Навстречу жидкому металлу движутся горячие про­ дукты сгорания газа, которые омывают поверхность металла в бас­ сейне, футеровку, поверхность капель и струек металла. Между ме­ таллом и газами в камере перегрева при участии шлака и футеров­ ки происходят сложные физические и химические процессы. Важ­ нейшим процессом является передача теплоты металлу.

Теплота передается металлу излучением и конвекцией от горя­ чих газов и футеровки камеры перегрева, нагреваемой горячими га­ зами, а также выделяется при экзотермических химических реак­ циях в чугуне.

Благодаря расположению туннелей горелочной системы над бас­ сейном с жидким перегреваемым металлом газы имеют макси­ мальную температуру в нижней части камеры перегрева. Темпера­ тура газов влияет на величину теплового потока излучением в чет­ вертой степени и на тепловой поток конвекцией в первой степени своей величины, а также оказывает влияние на скорость газов. Од­ ним из решающих условий повышения температуры выплавляемого чугуна является достижение высокого пирометрического коэффици­ ента в камере перегрева газовой вагранки, который при оптималь­ ном сжигании газа и прочих равных условиях увеличивается с уменьшением объема теплоизолированной камеры перегрева. С уве­ личением площади тепловоспринимающей поверхности металла больше теплоты передается от горячих газов металлу. Поэтому по­ ступление жидкого металла из шахты в камеру перегрева в виде капель и струек и разбрызгивание металла на поверхности бассей­ на в зоне максимальных температур газов создают условия для по­ лучения чугуна с высокой температурой.

Во время падения капель в бассейн с жидким металлом проис­ ходит теплоотдача от горячих газов к капле чугуна конвекцией и лу­ чеиспусканием. Тепловой поток конвекцией определяется по фор­ муле:

где d— приведенный к шару средний диаметр капли чугуна, м; скорость горячих газов, м/сек;

426

зал, что из 60% от общего прихода теплоты на перегрев поступаю­ щего в камеру перегрева из зоны плавления чугуна около 2 /з тепло­ ты жидкий чугун получает во время контакта капель и струек с на-

127

гретой футеровкой и '/з теплоты воспринимают от газов капли и струйки во время их падения с уступа в бассейн, оставшиеся 40%

41,6°. Но увеличение высоты падения капель металла связано с увеличением размеров и объема камеры перегрева газовой вагран­ ки, что нежелательно, так как при этом увеличиваются тепловые потери через огнеупорную кладку и снижаются средние значения теплового напряжения, температуры и пирометрического коэффи­ циента в камере перегрева. Для достижения высокого пирометри­ ческого коэффициента условное тепловое напряжение камеры пере­

меры перегрева, а следовательно, и высоту падения капель, которая в зависимости от конструкции газовой вагранки может находиться в пределах 0,5—2 м.

Тепловой баланс газовой вагранки

Уравнение теплового баланса газовой вагранки имеет следую­ щий вид:

QnpHxofl Qpac-ход,

ИЛИ

Qt+Qb.ip ~\~ Qi-.ф-Ь С^м.ф +Q3i(3 + Qmo— QM+Qiuvi + Qy.r. ш~Ь Qy-rK. + QnoTl

128

а коэффициент использования топлива -из зависимости:

. ^ К И Т = _ QMJZ _ QM^ . 100 % -

Подробные расчеты материальных и тепловых балансов плавки на газовом топливе изложены в работе [77]. Дл я газовой вагранки производительностью 7 т/час с уступами в шахте и многосопловой горелочной системой статьи теплового баланса имеют значения:

теплоты в стационарном копильнике равен 43,31%, а коэффициент использования топлива 43%.

Повышение значений т) и % и т достигается при уменьшении по­ терь теплоты. При прочих равных условиях газовые вагранки боль­ шей производительности имеют более высокие значения коэффи­ циентов г)т и if] K H T . Потери теплоты уменьшаются с увеличением удельной производительности газовой вагранки, с улучшением тепловой изоляции футеровки. С целью повышения г]т и г\кт ра­ ционально горелки располагать у плавящейся шихты, а жидкий металл перегревать в отдельно стоящих печах, например в индук­ ционных.

Номограмма для определения основных размеров газовой вагранки в зависимости от тепловых условий

С целью определения площади бассейна для перегрева металла и объема шахты, т. е. ее размеров в зависимости от тепловых усло­ вий в газовой вагранке, разработана [77] номограмма (рис. 40).

Номограмма включает в себя шесть разделов (квадратов), каждый из. которых увязывает три параметра.