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

дует выполнять близкими по форме к щелевым. Доличество подава­ емого воздуха, а следовательно, и производительность вагранок на­ до рассчитывать на площадь сечения шахты в зоне плавления с уче­ том состава шихты и занимаемого ею объема в шахте. При боль­ ших диаметрах в горизонтальных сечениях шахты, начиная с вагра­ нок производительностью 15 т/час, внутренний профиль рациональ» но выполнять доменнозллиптическим.

На рис. 10 указана максимальная производительность вагранок, получаемая при оптимальных условиях процесса плавки и легковес­ ной чугунной шихте. В практических условиях указанные величины следует уменьшать на 30—50%.

30

Рис. 10. Оптимальные внутренние профили для вагранок нормального ряда.

3.ТЕПЛОВАЯ РАБОТА КОКСОВОЙ ВАГРАНКИ

Решающее значение для получения из вагранки горячего метал­ ла имеет процесс теплообмена. Тепло, образовавшееся в результате сгорания топлива, должно быть передано нагреваемому металлу.

Металлическая шихта и шлак должны быть нагреты до темпе­ ратуры плавления, расплавлены, а металл и шлак затем перегреты выше температуры плавления. Температурный резерв необходим для транспортировки и разливки жидкого металла, а иногда и для дополнительных операций по обессериванию, модифицированию и легированию металла в ковше. Таким образом, наиболее важными процессами являются: нагрев, расплавление и перегрев металла.

Рабочее пространство шахтных печей заполнено шихтовыми материалами, движущимися навстречу потоку горячих газов, т. е. шахтная печь является противоточным теплообменным аппаратом.

С точки зрения процесса передачи тепла металлу вагранку мож­ но разделить на четыре зоны:

1. Шахта вагранки, где происходит нагрев твердого металла до температуры плавления. .

2.Зона плавления, где металл расплавляется.

3.Зона перегрева (редукционная и кислородная зоны холостой колоши), где капли жидкого металла перегреваются выше темпе­ ратуры плавления.

4.Горн и копильник вагранки, где происходит некоторое охлаж­ дение жидкого металла.

Вшахте вагранки металл может нагреваться лишь до темпера­ туры плавления. Температура плавления стальной части шихты в зависимости от содержания углерода находится в пределах 1400— 1500°С. Температура плавления чугуна при медленном нагреве близка к 1150°С.

При быстром плавлении чугуна не весь графит успевает раство­ риться в металлической массе в процессе нагрева, и в результате температура плавления металлической массы чугуна может под­ няться.

Температура газов в вагранках меняется от 1600—1750°С в зо­ не горения до 300—500°С у загрузочного окна. Как известно, удель­ ное значение теплопередачи конвекцией и лучеиспусканием в боль­ шей степени зависит от температуры соприкасающихся газов и тел.

В шахтных печах, и в там числе в вагранках, теплообмен совер­ шается при переменной температуре газов и шихты по высоте ваг­ ранки. Удельное значение отдельных видов теплопередачи поэтому меняется по высоте вагранки, вследствие чего нельзя их рассчитать дифф еренцир ов анно.

Теплопередача в слое кускового материала в зоне падения ка­ пель металла трудна для аналитического решения, вследствие того

32

что в нагреваемых кусках твердого тела или каплях металла име­

Б. И. Китаевым разработан метод, позволяющий подойти к комплексному решению этой задачи [8]. Применение этого метода показало, что получаемые расчетные данные по теплообмену в шахтных печах достаточно близки к практическим результатам.

Теплообмен характеризуется при помощи так называемых во­ дяных чисел :

Wr — водяное число газового потока, Ww—водяное число шихты.

Водяным числом называется произведение расхода на тепло­ емкость единицы расхода.

Водяное число показывает, сколько тепла в час нужно сооб­ щить данному потоку или отнять от него, чтобы повысить или по­ низить его температуру на один градус.

зультате теплообмена почти достигает начальной температуры га­

чем может поглотить шихта. Поэтому температура газа в резуль­ тате теплообмена снизится почти до начальной температуры пода­ ваемого в вагранку металла, а металл выйдет из теплообмена на­ гретым до некоторой температуры, значительно меньшей началь­ ной температуры газов.

В шахте вагранки отношение водяных чисел шихты и газов при

пель металла над температурой плавления, WT<CWm и металл перегревается до температуры, значительно меньшей температуры газов.

В целом теплопередача описывается уравнением теплового ба-*

V—объем теплообмена;

Kv —суммарный объемный коэффициент теплопередачи.

ш0,9. 70,3

гд е o-v = Af — - — — — • М' —суммарный .коэффициент теплоот­

дачи;

ние кусков шихты также оказывает влияние на теплообмен, и осо­ бенно при больших размерах кусков шихты.

Экспериментальные исследования тепловой работы вагранки

В последнее время исследования теплообмена в коксовой ваг­ ранке были проведены А. К. Юдкиным и Л. М. Мариенбахом [18].

Исследование проводилось на вагранке ЦНИИТМАШа диамет­ ром 600 мм, работающей на подогретом до 400—500°С воздушном дутье. Удельный расход дутья изменялся в опытных плавках от 80до 150 нмг1м2• мин, расход кокса от 10 до 15%, а высота загрузки шихты в шахте вагранки от 1700 до 3300 мм от уровня фурм. Ме-

34

таллическая шихта состояла из 20% стального лома, 40% чушко­ вого чугуна марки ЛК-1 и 40% чугунного машинного лома. Топ­

цессов горения и теплообмена в вагранке методом вертикального и горизонтального зондирования ее шахты по ходу плавки. Этот метод позволил получить более полные сведения о динамике на­ грева и плавления шихты, а также определить распределение тем­

пература получаемого из вагранки чугуна тем выше, чем выше над фурмами располагается зона плавления. При вертикальном зонди­ ровании шахты вагранки выяснилось, что влияние высоты располо­ жения над фурмами среднего уровня зоны плавления на температу­

при постоянном, равном 10%, расходе кокса приводит к некоторо­

150 нм3/мг • мин уровень начала расплавления понижается до 400 мм. При большом расходе кокса, равном 14—15%, подъем уровня на­

Аналогичное влияние на высоту расположения зоны плавления оказывает и изменение столба шихты в шахте вагранки. Увеличе­ ние полезной высоты вагранки с 2500 до 3100 мм и с 1700 до 3300 мм приводит к подъему уровня начала расплавления на 150 и 350 мм соответственно.

При изучении теплообмена в зоне нагрева шихты по результа­ там вертикального зондирования шахты вагранки были определе­ ны значения коэффициента теплопередачи между ваграночными газами и шихтой. В общем виде зависимость коэффициента тепло­ передачи выражается следующей формулой:

„с о 0 ' 6 5 - 7

Т— температура газов, °К;

^У сл —диаметр условного шара, объем которого равен объему

среднего куска шихты, м.

Из этой формулы видно, что объемный коэффициент теплопе­ редачи при нагреве металлической шихты в вагранке, определен­ ный А. К. Юдкиным, в значительно большей степени зависит от температуры газов, чем в случае нагрева шихты в доменной печи, когда согласно работам Б. И. Китаева [8] зависимость коэффициен­ та теплопередачи от температуры определялась показателем сте­ пени, равным 0,3. А. К. Юдкиным были найдены также формулы для определения коэффициента теплопередачи при плавлении шихты в вагранке:

при 7 Г > 1700°К

ных данных формулы позволяют определить время плавления кус­

кусками кокса. В первом случае теплообмен осуществляется теп­

36

На рис. 11 приведены поля корреляции для вагранок диамет­ ром 900 мм. Поля корреляции построены на основе данных о ра­ боте 1100 действующих вагранок с щимеатром 600—1300 мм. В ка­ честве группировочного признака принят диаметр вагранки. По этому признаку все вагранки подразделили на шесть групп: 600, 700, 800, 900, 1000—1100, 1200—1300; количество данных -было до­ статочным для проявления действия закона больших чисел.

Из полученных данных видно, что существует определенная зависимость g и t4 от основных конструктивных и технологических параметров.

Подтвердились известные зависимости повышения t4 с уве­ личением Кр и dK, роста g с увеличением W и уменьшением g с по­ вышением Кр. Сила связи между показателями плавки и пара­ метрами характеризуется коэффициентами корреляции г, если за-

38

g = 10,87-0,25 К р ;

£, = 1306 + 4,67 /Ср ;

Установлено, что с увеличением веса металлической колоши в два раза температура чугуна понижается на 25—30°С. Потери

39