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

были печи Петрашевского [72] и их модификации, приспособленные для работы на газовом топливе [73].

За рубежом к таким печам можно отнести так называемую печь «Flaven», которая также является разновидностью шахтно-отра- жательных печей и отличается наличием водоохлаждаемых колос­ ников в месте сочленения шахты с отражательной печью [74—76].

Однако ни одна из модификаций шахтно-отражательных печей не получила распространения в промышленности из-за серьезных недостатков в конструкции.

Поворотным пунктом в развитии плавки чугуна на газовом топ­ ливе явилось изобретение принципиально новых конструкций газо­ вых вагранок на Пензенском компрессорном заводе и способов вы- 'плавки в них чугуна требуемого качества и с высокой температу­ рой. Эти изобретения запатентованы во многих странах мира.

Газовые вагранки конструкции Пензенского компрессорного завода

Опыт создания, исследования и промышленного испытания га­ зовых вагранок различной конструкции [77—80] показал, что пер­ спективными являются три типа этих плавильных агрегатов: с ус­ тупами в вертикальной шахте, с выносной камерой перегрева, с перемычкой в шахте и двойным проходом для газов.

Конструкция газовых вагранок с уступами в шахте показана на рис. 22. Газовая вагранка представляет собой шахтную печь с копильником. В шахте вагранки выложены два уступа: нижний уступ 1 для поддержания столба шихты и верхний уступ 2 для предотвращения проваливания шихты в нижнюю часть шахты ваг­ ранки. Таким образом, шахта разделяется на две зоны. В верхней зоне находится шихта и производится ее расплавление; в нижней зоне, называемой камерой перегрева, происходит перегрев жидкого металла. Оба уступа имеют водяное охлаждение. В нижней части камеры перегрева, на ее подине выполняется углубление, которое во время плавки заполняется жидким металлом, в результате че­ го' образуется бассейн. В футеровке над бассейном равномерно по периметру шахты располагается большое количество туннелей 6 для сжигания газа. Туннели представляют собой огнеупорные труб­ ки, которые надеваются на горелочные сопла. Сопла жестко кре­

80

Принцип работы газовой вагранки заключается в следующем.

в бассейн. Бассейн на подине камеры перегрева заполняется ме­ таллом. Шлак также попадает в бассейн, но по поверхности метал­ ла непрерывно уходит в копильник. Капли и струйки металла, па­ дая в виде «дождя» с уступа в бассейн, разбрызгивают находящий­ ся там металл. На «кипящую» поверхность металла направлено большое количество факелов, создающих над поверхностью бас­ сейна сплошной слой горячих газов, что обеспечивает высокий пе­ регрев металла. Перегретый металл из бассейна непрерывно посту­ пает в копильник, откуда он отбирается по мере необходимости.

На рис. 23 показана газовая вагранка с выносной камерой пе­ регрева. Газовая вагранка имеет шахту 1 и сдвинутую по отноше­

ния с камерой перегрева расположен верхний уступ 4. Нижний ус­ туп 5 выполнен в камере перегрева со стороны шахты. В нижней части камеры перегрева ее стенками и подиной образована ванна 6 для жидкого металла. Над ванной расположены горелки с сопла­

вой вагранки с выносной камерой перегрева в основном такой же,

24). Вагранка представляет собой шахтную печь (с копильником или без него), обеспечивающую противоток газа и металла. В шах­ те вагранки выполнена водоохлаждаемая перемычка /, образую­

Рис. 23. Газовая вагранка с выносной камерой перегрева.

лаждения 6 перемычки выполнен свод 7 из высокоогнеупорных ма­ териалов. Камера перегрева 5 имеет «а своей подине бассейн «5,. который служит для перегрева жидкого металла. Над бассейном по периметру камеры перегрева расположены горелки для сжига­ ния газа.

Газовая вагранка работает следующим образом. Горячие га­ зы, образующиеся в результате сжигания углеводородов в камере перегрева, поступают через проходы с двух сторон перемычки в шахту вагранки и плавят металлическую шихту. Жидкий металл стекает в виде капель и струек с площадок перемычки и, контак­ тируя при падении с горячими газами и футеровкой, перегревает-

62

ся. Дальнейший перегрев металла осуществляется в бассейне на подине камеры перегрева, где в высокотемпературной зоне вагран­ ки происходит интенсивное разбрызгивание металла. По мере по­ ступления и накопления жидкий металл выдается в копильник или ковш через переходную летку или шлакоотделительное устройство.

Все три конструкции газовых вагранок имеют в своей основе один и тот же принцип — разделение плавильного агрегата на шах­ ту и камеру перегрева, сжигание газа производится в камере пере­ грева, обязательно имеющей бассейн жидкого металла, в который

Футеровка газовых вагранок

Вопрос об огнеупорах и выполнении огнеупорной футеровки является одним из важнейших при переводе вагранок с кокса на газ. Газовая вагранка имеет более сложную футеровку, чем обыч­ ная коксовая, и более высокую температуру в камере перегрева. Поэтому при использовании обычного шамотного ваграночного кирпича увеличивается расход огнеупоров и трудоемкость ре­ монта.

Опыт многолетней работы газовых вагранок показал, что из серийно выпускаемых огнеупоров для газовых вагранок наиболее приемлемы высокоглиноземистые и хромомагнезитовые.

На Пензенском компрессорном, Гомельском электромеханиче­ ском и некоторых других заводах футеровку выполняют из высоко­ глиноземистых блоков, форма и размеры которых приведены на рис. 25 и в табл. 16.

84

В качестве связующего используется раствор из высокоглино­ земистого пластифицированного мертеля ВТ-1.

При помощи этих блоков удобно выполнять прямоугольные формы, большие своды и.т. п., однако кладка неудобна в узких и закругленных местах. Некоторые затруднения при кладке в ваг­ ранке вызывает также вес изделий, доходящий до 40 кг. Семилукским огнеупорным заводом изготовляются высокоглиноземистые кирпичи, по размерам аналогичные ваграночным, но их выпуск не­ массовый, и использование их в вагранках в широких масшатабах

пока затруднительно. Цена всех видов огнеупорных высокоглино­ земистых изделий в 3—4 раза выше, чем шамотных.

Близкую к шамотным изделиям цену имеют хромомагнезитовые кирпичи, серийно выпускаемые нашей промышленностью. Их огне­ упорность около 2000°С, они могут применяться в газовых вагран­

85

мента. Этот метод успешно испытан Г. Д. Юрченко на газовой чугуноплавильной печи [81].

86

3. РАЦИОНАЛЬНОЕ СЖИГАНИЕ ГАЗА ПРИ ПЛАВКЕ ЧУГУНА

Экспериментальное исследование процессов горения природного газа

Горелки полного предварительного смешения газа с воздухом при прочих равных условиях дают более короткий факел, чем диффузионные горелки. Поэтому за основу для моделирования была взята горелка полного предварительного смешения природ­ ного газа с воздухом. Модель горелки имела съемные стальные сопла, которые моделировали по форме и линейным размерам в масштабе 1 : 10 сопла производственных горелок. С целью выяв­ ления формы и размеров выходных отверстий, а также других фак­ торов на процесс горения модель горелки оборудовалась съемны­ ми соплами круглого сечения разных диаметров со стабилизатора­ ми и без них; соплами с треугольными, прямоугольными и фигурны­ ми отверстиями; соплами с большим количеством круглых отвер­ стий, расположенных по окружностям, спиралям, на взаимно перпен­ дикулярных осях, на выпуклых и вогнутых поверхностях. Во всех случаях исследовался процесс горения газовоздушной смеси как в свободном факеле, так и в факеле, ограниченном стенками. Для ограничения факелов использовались непрозрачные шамотные и стальные-цилиндры, прозрачные огнеупорные кварцевые трубки, различные экраны, пластинки, ограничительные устройства простой

исложной формы.

Впроцессе экспериментов на модели горелки проводились ви­ зуальные наблюдения и замеры зон факелов. Факелы многократно фотографировались в проекции на масштабный экран и с введен­ ной в них проволочной сеткой. По степени накала и интенсивности окисления стальной проволоки на разных уровнях определялись температурные зоны факела и окислительная способность продук­ тов сгорания газа.

Результаты экспериментов, полученные на моделирующих уста­ новках, проверялись на стендах, оборудованных натурными горел­ ками, а также в экспериментальных и производственных вагран­ ках, горелочные системы которых изменялись соответственно с по­ становкой задачи экспериментального исследования.

Форма и размеры свободного факела. Основной величиной, характеризующей закономерности сгорания газа в свободном фа­ келе в неограниченном пространстве, является длина факела, ко­ торая связана с его формой. Опыты на моделирующей установке подтвердили строение факела, изложенное в работе [82]. Установ­ лено, что процесс сгорания газовоздушной смеси в свободном фа­ келе при принятых условиях заканчивается на длине, в среднем равной 16 диаметрам выходного отверстия сопла горелки d0. Ши-

87

рина свободного факела име­ ет максимальную величину, равную 2,7 d0 , в интенсивно светящейся высокотемпера­ турной области факела.

При прочих равных усло­ виях факел укорачивается, одновременно занимая боль­ шое расстояние по ширине, при наличии стабилизатора, при распределении газовоз­ душной смеси по большому количеству отверстий, от­ стоящих друг от друга на расстоянии, превышающем 2,7 d0.

Механизм стабильного факельного горения. Экспе­ рименты на моделях и стен­ довые испытания горелок по­ казали, что процесс воспла­ менения и устойчивого горе­ ния газовоздушной смеси связан как с теплофизическими, так и с газодинамиче­ скими явлениями в факеле. Съемками факела, горящего в отрыве от выходного отвер­ стия горелки, обнаружены завихрения потока, направ­ ленные к «корню» факела, непрерывно поджигающие газовоздушную смесь и ста­ билизирующие процессы го­ рения.

Вихри непрерывно обра­ зуются у выходного отвер­ стия торелки, имея здесь при небольших размерах и ма­ лом плече пары сил большую угловую скорость, находя­ щуюся в прямой зависимости

Рис. 27 а. Газодинамика факела. от скорости газовоздушной смеси. При круглом выход­ ном отверстии сопла горелки

88