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

для высокопроизводительных литейных цехов заводов индивидуаль­ ного и мелкосерийного машиностроения и литейных цехов метал­ лургических предприятий. При крупносерийном и массовом произ­ водстве отливок должны применяться вагранки с высокотемператур­ ным подогревом дутья в отдельно отапливаемом воздухоподогрева­ теле с полной очисткой и дожиганием отходящих газов.

10

Характерной особенностью современной коксовой вагранки яв­ ляется доменный профиль плавильной зоны. Такой профиль вагран­ ки удобен для наружного поливного охлаждения и вдвинутых водоохлаждаемых, быстросменных медных фурм по типу фурм домен­ ных печей, и, как будет показано ниже, такой профиль существенно улучшает газодинамику и теплообмен в вагранке.

Аналогичное устройство имеют современные коксовые вагранки за рубежом [16].

Одна из таких вагранок показана на рис. 3. Она может иметь футеровку 13, как показано на левой половине чертежа, или только тонкий слой обмазки 7, как показано на правой половине чертежа, т. е. вагранка работает на гарнисаже, образующемся в процессе плавки. Шахта по всей высоте имеет поливное охлаждение (коллек­ торы 2, 6, 12; коробки для слива 10 и 14). Вагранки выполняются обычно закрытыми и имеют перед загрузочным устройством / ниже шахты 3 отсос газов в коллектор 4. Газы затем по трубе 5 подаются на очистку, дожигание и подогрев дутья. Фурмы 9 выполняются аналогично фурмам доменной печи, т. е. медные, выдвижные, с во­ дяным охлаждением. К ним подается воздух от изолированной ко­ робки 8. Для выпуска металла и шлака предназначен шлакоотделитель 11.

Приведенные конструкции вагранок отражают современный уро­ вень развития плавильных агрегатов на твердом топливе.

Совершенствование конструкции существующих коксовых вагра­ нок развивается в том же направлении, т. е. в применении подогрева воздуха, очистки и дожигания газов, водяного охлаждения и совер­ шенных профилей.

Футеровка коксовых вагранок

Несмотря на широкое применение водяного охлаждения, практи­ чески все вагранки имеют огнеупорную футеровку. В большинстве

12

14

Срок службы футеровки, а следовательно, и продолжительность непрерывной работы вагранки в значительной степени зависят от качества огнеупоров и качества выполнения футеровки. Поэтому при футеровке необходимо применять огнеупоры, которые строго согласуются с формой выполнения футеровки. Например, для пла­ вильной зоны вагранки диаметром 1250 мм необходимо применять изделие ШАВ-2, которое дает радиус кладки 633 мм; при других размерах следует подбирать наиболее подходящие изделия. При этом исключительно важное значение имеет толщина швов, которая должна быть 1—2 мм.

Связующий материал шва должен по своему составу соответст­ вовать применяемому огнеупору.

Кроме кислой футеровки, которая выполняется из шамотных и полукислых огнеупоров, вагранки могут иметь основную футеровку. Таких вагранок очень немного, и используются они лишь в отдель­ ных случаях, когда надо получить из вагранки малосернистый чу­ гун за счет применения основных шлаков. Работают они обычно на горячем дутье. Футеровка этих вагранок выполняется из стандарт­ ного хромомагнезитового кирпича или набивная из основных огне­ упорных смесей.

Для футеровки отдельных зон вагранок с водяным охлаждени­ ем, имеющих длительный цикл работы, применяют углеродистые огнеупоры в виде блоков или набивной углеродистой массы.

В настоящее время вагранки с водяным охлаждением плавиль­ ного пояса с горном из углеродистых материалов работают без вы­ бивки и ремонта по неделе и даже по месяцу. Эти вагранки, рабо­ тающие, как правило, на горячем дутье, имеют высокие техникоэкономические показатели.

2. ВЛИЯНИЕ ВНУТРЕННЕГО ПРОФИЛЯ НА ПАРАМЕТРЫ

ВАГРАНОЧНОГО ПРОЦЕССА

Главнейшим фактором, обусловливающим ход ваграночного процесса, является внутренний профиль вагранки. Вагранка в пер­ воначальном своем конструктивном оформлении была уменьшенной копией доменной печи. Однако постепенно перешли к простому ци­ линдрическому профилю. В настоящее время на многих заводах как у нас в стране, так и за рубежом применяются вагранки с цилинд­ рическими профилями шахт.

Однако в цилиндрических вагранках весьма неравномерно дви­ жение газов по сечениям шахты [2], что отрицательно влияет на по­ казатели работы вагранок. В то же время результаты ряда исследо­ ваний подтверждают, что путем изменения профиля шахты можно в значительной степени выровнять распределение дутья по сечению; рациональным профилем является нецилиндрический [17].

15

Широкие исследования по выявлению оптимального внутренне­ го профиля были проведены на Пензенском компрессорном заводе.

шахты.

За базу внутренних профилей была взята зона фурм, а не зона плавления, что позволяло моделировать производственные вагран­ ки Пензенского компрессорного завода, создавая в них различные внутренние профили. Проверка результатов исследований осуществ­ лялась для условий, когда за -базу внутренних профилей моделей принималась зона плавления.

Правильная картина движения газов и соответствующие законо­ мерности гидравлического сопротивления и теплообмена могут быть получены только при условии подобия явлений в образце и модели. Необходимыми и достаточными условиями теплового подобия яв­ ляются следующие:

— геометрическое подобие; •— подобие условий движения жидкости (газа) при входе;

—подобие физических параметров в сходственных точках мо­ дели и образца;

—подобие температурных полей на границах;

—одинаковость значений определяющих критериев Рейнольдса

Моделирование на гидравлических моделях. Большая работа по моделированию движения газов в цилиндрических вагранках на гидравлических моделях была проделана Л . М. Мариенбахом [7]. Взяв за основу эту методику, можно исследовать механику движе­ ния газов в вагранках с различными внутренними профилями.

Гидравлические модели вагранок с различными внутренними профилями были выполнены из прозрачных целлулоидных пленок

16

в масштабе 1 : 10 к производственным вагранкам. Исследованию подвергалось девять типов моделей (табл. 7).

личестве семи штук. Площадь сечения фурм основного ряда равня­ лась 34% от площади сечения моделей в зоне плавления и могла меняться за счет вставных целлулоидных фурм до общепринятых 20%. Общая площадь сечения фурм дополнительных рядов состав­ ляла 6% от площади сечения в зоне плавления. Боковые фурмы ос­ новного ряда имели уклон к плоскости подины 10°, а дополнитель­ ных рядов 15°. Фурмы основного ряда с общей площадью 20% мог­ ли вдвигаться внутрь моделей вагранок. Как боковые, так и цент­ ровые фурмы соединялись при помощи резиновых трубок одинако­ вой длины с коллектором, заменяющим фурменную коробку. Соеди­ нительные трубки имели тройники, куда можно было вводить анили­ новую краску. В моделях вагранок по высоте опгжделялось избыточ-_ ное давление воды с помощью пьезометров. В жчест|вё 1 ш х т ы лщ-

Рис. 5. Влияние профиля вагранки на характер движения газов.

менялся бой прозрачного стекла, моделирующего шихту производ­ ственных вагранок в масштабе 1 : 10 по линейным размерам. Расход воды определялся по показаниям счетчика.

По окрашенным струям воды, движению пузырьков воздуха и статическому давлению воды у стенок шахты на различных высотах выяснялся характер движения газов в вагранках.

Было проведено три серии опытов. В первой серии проверялась эффективность различных внутренних профилей при вводе воды через обычные многорядные фурмы с площадью сечения для основ­ ного ряда 20% от площади сечения моделей в зоне плавления, во второй серии — при работе этих же фурм, но вдвинутых внутрь мо­ делей, а в третьей — при работе фурм с общей площадью сечения для основного ряда 34%, близких по форме к щелевым. Для ориен­ тировочной количественной оценки движущихся по сечениям шахты масс воды вводились на одинаковых уровнях в центральную часть шихты и у стенок различные порошкообразные вещества (нафталин, алюминиевый порошок и др.).

Проведенное исследование позволило выявить влияние внутрен­ него профиля вагранки на характер движения газов. Данные водя­ ного моделирования, приведенные на рис. 5, подтверждают неравно­ мерность распределения объемов движущихся газов в различных участках по сечениям цилиндрических шахт вагранок с преимущест­ венным движением газов у стенок (профили 1 и 2). Эффект перифе­ рийного хода газов усиливается с увеличением внутреннего диамет­ ра вагранки (профиль 2), причем одновременно ухудшается снаб­ жение воздухом центральной части холостой колоши. При цилинд­ рическом профиле с заплечиками (профиль 5) центральная часть холостой колоши полностью омывается газами, но затем газы у зоны плавления отклоняются к стенкам цилиндрической шахты и

18

продолжают движение у них. Основной причиной периферийного движения газов в цилиндрических вагранках является пониженное сопротивление движению газов у стенки и повышенное в централь­ ной части шахты. Промежуточным между профилями 1, 2 (цилинд­ рическими) и 5 (с заплечиками) по проникновению газов в центр холостой колоши является профиль 6 (в виде обратного конуса). При этом профиле также наблюдается преобладающее периферий­ ное движение газов выше зоны плавления, но с некоторым расши­ рением потока по высоте, что можно объяснить удлинением пути газов у стенок при расширении шахты. Наиболее неравномерным,

улучшением характера движения газов по высоте в связи с увели­ чением сопротивления у стенок шахты благодаря конусности. Эл­ липтические профили 8 и 9 не устраняют периферийное™ хода га­ зов выше зоны плавления, однако при этих профилях газы прони­ кают глубже в холостую колошу, чем в цилиндрических вагранках с такой же площадью сечения шахты.

Распределение газового потока в пределах поперечных сечений вагранки значительно улучшается при доменном профиле 3. Опти­ мальным в этом отношении является доменный профиль 4. При этом профиле удлинение пути движения газов у стенок за счет ко­ нусности приводит к уравниванию газодинамических сопротивле­ ний по сечениям шахты и более равномерному движению газов.

Введение различных порошков на одинаковых уровнях в цент­ ральную часть шахты и у стенок моделей вагранок по скорости и характеру движения частиц, а также по количественному их осаж­ дению на стеклянной шихте позволило ориентировочно установить, что при неравномерном, периферийном движении потоков через центральную часть шахты может проходить до 15% газов. Основная же масса газов движется у стенок по пути наименьшего сопротив­ ления, как это изображено на рис. 5.

Подтвердилось, что потоки дополнительных боковых фурм, по­ вышая сопротивление у стенок, заставляют газы двигаться через центр холостой колоши с постепенным отклонением затем к стенкам шахты в цилиндрических вагранках. Наибольший эффект от при­ менения трехрядной системы фурм наблюдается при щелевых фур­ мах всех трех рядов. При обычных фурмах газы движутся не толь­ ко к центру, но и устремляются в зазоры между струями дополни­ тельных фурм, обтекая их у стенки.

Опытным путем установлено, что центровые фурмы при всех ти­ пах внутренних профилей вагранок не имеют преимуществ перед наклонными к поду боковыми, так как газы, встречая резкое ло­ бовое сопротивление шихты, отклоняются сразу же к стенкам шах­ ты. Более равномерное движение газов в холостой колоше наблю-