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

можным промышленное использование электродуговых плазменных нагревателей.

Особое место занимают топливо-плазменные горелки [185, 186]. В них одновременно используется химическое тепло топлива и элек­ трическая энергия. Принцип работы этих горелок заключается в том, что пламя при температурах около 2000°К становится электро­ проводным и через него можно пропускать постоянный или перемен­ ный ток относительно высокого напряжения и малой силы. При этом температура газа повышается до величины, определяемой потенци­ алом ионизации составных частей сжигаемого газа. Так, в смеси га­ зов, содержащих СО, С 0 2 , N 2 , и Н 2 0 , можно развить температуру до 6000°К [186]. Следовательно, сжигая природный газ в топливно-плаз-

ральный электрод диаметром 9,5 мм удален от входа в отверстие соп­ ла на 100 мм. В горелку под давлением 4 ат подают горючую смесь из керосина и воздуха (1,1 г1сек керосина и 15,6 г/сек воздуха). На­ пряжение источника тока 1000—2000 в, сила тока 25—50 а. Эта го­ релка обеспечивает общий тепловой поток 100 кет (50 кет от сжига­

Институтом газа АН УССР разработаны [187] и испытаны элект­ рогазовые горелки различной мощности. Горелка конструкции этого института на мощность 1000 кет показана на рис. 94 б.

Топливно-плазменные горелки перспективны, однако имеют тот недостаток, что нуждаются в очень высоком напряжении тока. Это ограничивает их широкое применение как интенсификаторов горения в обычных печах в связи с опасностью использования.

В литературе указывается на целесообразность плавки и рафини­ рования специальных сталей в плазменных печах [186]. Плазменнодуговые печи раз Личного назначения и размера в США проектирует

ростью плавления 1,2 кг1мин. Для выплавки качественных высоко­ прочных сталей и специальных сплавов фирма поставляет печи ем­ костью от 25 кг до 1,8 т. Мощность печи емкостью 140 кг составляет 120 кет. Печь емкостью 0,9 т оборудована одним плазмотроном, а печи большой емкости (фирма проектирует серию печей емкостью 90 т) будут снабжены несколькими плазмотронами. По форме ван­ ны и материалам, применяемым для футеровки, эта печь мало

272

Рис. 94. Топливно-плазменная а и электрогазовая б горелки.

отличается от обычной электродуговой печи. Дуга горит между плазмотроном и металлом, который контактирует с подовым элект­ родом. Печь работает на постоянном токе. Для создания плазменной дуги используется аргон. Расход электроэнергии в опытах был раз­ личный — от 763 до 1225 квт • ч/т.

В нашей стране также широко проводятся исследования по плав-

ке в плазменных печах. Печь отечественной кон­ струкции, на которой про­ водились исследования [188], показана на рис. 95. В центре свода вертикаль­ но расположен плазмо­ трон конструкции ВНИИЭТО; в подину вмонтирован медный водоохлаждаемый электрод диаметром 50 мм. Под действием рабочего газа (аргона, смеси аргона с водородом или азотом), подаваемого в печь, дуга стабилизируется и поддер­ живается избыточное дав­ ление 5—10 мм вод. ст., исключающее подсос воз­ духа и утар шихты. Уста­ новка обеспечивает полу­ чение дуги длиной 150— 300 мм.

Удельный расход элек­

Рис. 95. Схема плазменно-дуговой печи. троэнергии при непрерыв­ ной работе печи составля­ ет 800—1100 квт-ч/т. Большой расход электроэнергии объясняется

малой емкостью печи.

Для плавки чугуна применение дугового разряда в газовой сре­ де (низкотемпературной плазмы) впервые было исследовано в Го­ ловной лаборатории по использованию новых видов топлива в ва­ гранках.

Особенности сжигания газа; при введении в факел электрической дуги

Исследования проводились на специальном огневом стенде для испытания горелок, на котором имелась возможность вводить в фа­ кел электрическую дугу; на модели газовой вагранки с уступами в шахте и на шахтно-отражательной печи производительностью 500 кг1час.

Влияние электрической дуги на размеры факела изучалось на специальном стенде, выполненном в виде туннеля прямоугольного

274

сечения с установленной в его канале горелкой. В туннель с двух противоположных боковых сторон вставлены графитовые электро­ ды, которые изолированы от кожуха асбестовой прокладкой и могут перемещаться в горизонтальном направлении. Таким образом, в факел вводилась электрическая дуга. Расход воздуха и газа заме­ рялся при помощи диафрагм и водяных дифманометров.

Исследование заключалось в том, что при одном и том же расхо­ де газа 50 нм31час (номинальный расход для этой горелки) и посто­ янном коэффициенте расхода воздуха а = 1,00 производилось фото­ графирование и визуальное наблюдение факела без применения ду­ ги и с введением дуги в факел горелки.

Многочисленными опытами установлено, что введение дуги при­ водит к сокращению длины факела и увеличению теплового напря­ жения туннеля.

Модель газовой вагранки была рассчитана из условий теории подобия в масштабе 1 :5. При этом значение критерия Рейнольдса находилось в автомодельной области. Таким образом, обеспечива­ лось полное геометрическое и гидравлическое подобие модели и об­ разца. Это позволяет избежать влияния на полученные результаты аэродинамических факторов и относительные изменения тепловых характеристик (температур, состава газов) могут быть перенесены с модели на образец, в данном случае на газовую вагранку произво­ дительностью 3 т/час.

Схема моделирующей установки показана на рис. 96. Она состо­ ит из собственно модели газовой вагранки / в масштабе 1 :5, кото­ рая имеет в шахте 2 уступы 3 и 4, выполненные монолитными из вы­ сокоогнеупорных материалов. В-нижней части вагранки, называе­ мой камерой перегрева 5, установлена горелка 21. Газ к ней подает­ ся по шлангу 8 от газопровода 10 и воздух — по шлангу от воздухо­ вода 9. В камере перегрева установлены также два электрода 6 под углом 90° относительно горелки по оси, перпендикулярной оси го­ релки. Они подключены к трансформатору 15. К диафрагмам / / и 12, предназначенным для определения расходов воздуха и газа в трубопроводах, подключены дифманометры 13 для замера перепада давления, по которому вычисляется расход. Температура газов за­ меряется при помощи вольфрам-молибденовой термопары 22, уста­ новленной на уровне горелки и электродов. Спай термопары поме­ щали в чехол из чистой окиси алюминия, он находился на расстоя­ нии 20 мм от стенки. Термопара подключалась к электронному по­ тенциометру 23. Отбор продуктов сгорания газа на анализ произво­ дился через кварцевую трубку 20, откуда они по шлангу 19 подава­ лись на анализ в газоанализатор ГХП-3. Сила тока измерялась ам­ перметром 16, напряжение — вольтметром 17.

На моделирующей установке изучалось влияние дугового разря­ да на температуру в камере перегрева при различных значениях а

ТранароА матор Г

Рис. 96. Огневая модель газовой вагранки и схема ее подключения.

в интервале 0,85—1,05. Переменным параметром было значение си­ лы тока, пропускаемого через электросхему при постоянном напря­ жении, равном 40 в. Были произведены замеры температуры при значениях силы тока 25, 50, 100 и 150 а, что соответствовало подклю­ чаемой мощности в 1, 2, 4 и 6 ква соответственно. Опыты проводи­ лись при постоянном расходе газа, равном 2,64 ж3 .

При проведении опытов было замечено, что разряд между элект­ родами при их размещении в факеле горящего газа происходит на значительно большем расстоянии, чем при размещении их в среде холодного воздуха. Это свидетельствует об электропроводности

276

пламени в результате его ионизации и о практической возможности

мени при отсутствии автоматических регулирующих устройств мо­ жет привести к короткому замыканию цепи при сближении электро­

что на 60°С выше, чем без применения дугового разряда. Увеличение мощности до 2 ква позволяет увеличить температуру до 1725°С; при 4 ква она равна уже 1850°С и при 6 ква равна 1890°С. Незначитель-

277

ный рост при увеличении мощности от 4 до 6 ква объясняется тем, что модель по своим размерам не позволяет развить теплового на­ пряжения и потери тепла существенно возрастают.

Тепловое напряжение камеры перегрева модели равно

Оно, очевидно, является предельным для данной модели, при ко­ тором обеспечивается сохранение к. п. д.

Наиболее характерным в результатах является тот факт, что, как и при других методах интенсификации, максимальная темпера­ тура наблюдается при различных значениях а. Это доказывает ра­ нее высказанное автором положение о том, что оптимальное значе­ ние коэффициента расхода воздуха зависит от температуры, поскольку в данном случае подъем температуры не связан с процес­ сом сжигания газа, а происходит независимо от него, влияя самосто­ ятельно на процессы диссоциации, а именно ускоряя их и таким об­ разом смещая максимум температуры в область а < 1.

Это объясняется тем, что с увеличением температуры, независи­ мо от причины ее увеличения, активизируются процессы диссоциа­ ции, протекающие с поглощением тепла, тогда как при значениях а < 1 уже в самих продуктах сгорания имеются СО и Нг, препятст­ вующие своим присутствием интенсивному развитию реакций дис­ социации, в результате чего потеря тепла на диссоциацию при а < 1 ниже, чем при а > 1.

Результаты, полученные на печи большего размера, показали, что при пропускании тока силой 1000 а по электродам диаметром 100 мм при напряжении 70 в температура, замеряемая термопарой над поверхностью бассейна, повышается с 1550°С до 1800°С. Резкое повышение температуры объясняется, по-видимому, непосредствен-

278

ным воздействием электрической дуги на неэкранированную термо­ пару.

Результаты свидетельствуют о возможности применения электро­ дугового разряда, как мощного средства интенсификации процесса.

Особенности теплообмена в высокотемпературном потоке

Температурный уровень процесса оказывает непосредственное влияние на результаты тепловой работы плавильного агрегата, т. е. изменяет производительность печи и температуру выплавляемого чугуна.

Зависимость производительности печи и температуры выплавля­ емого чугуна от температурного уровня процесса приведена в табл. 64.

Из приведенных в таблице данных видно, что увеличение темпе­ ратуры способствует повышению производительности и температу­

с ростом температуры газов и их скорости, что влияет на величину объемного коэффициента теплопередачи. Увеличение температуры чугуна достигается благодаря резкому росту теплопередачи конвек­

279

FM— поверхность металла в бассейне, м2;

"к —коэффициент, учитывающий передачу тепла конвекцией

коэффициента теплопередачи определяется эмпирической зависи­ мостью:

сгорания увеличивается величина Kv • Расчетные данные для ва­ гранки 3 т/час приведены в табл. 66.

Опытные данные для вагранки 3 т1час, полученные для различ­ ных температур газов, приведены в табл. 67.

Теплообмен между жидким металлом, газами и футеровкой в камере перегрева наиболее значительно зависит от температурных

280

Т а б л и ц а 66

Влияние температурного уровня процесса на расчетную производительность печи

условий и, следовательно, интенсификация процесса, которая не­ пременно предполагает увеличение температуры в камере перегре­ ва, оказывает существенное влияние на теплообмен.

Для выяснения влияния температурного уровня процесса на пе­ регрев жидкого металла произведен расчет теплообмена для различ­ ных видов теплопередачи на разных участках контактирования ме­

1