Использование природного газа при плавке чугуна в вагранках

 

МИНИСТЕРСТВО  OБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ, 
МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

Национальный  технический университет

«харьковский  политехнический институт»

 

 

Факультет МТ

Кафедра «Литейное производство»

 

 

 

РЕФЕРАТ

на тему:

«Использование природного газа при плавке чугуна в вагранках»

 

 

 

Выполнил:

Студент гр. МТ-27В(М)

Пензев П.С

Преподаватель

проф. Пелих В. Ф.

 

 

 

Харьков 2012

Содержание

 

Введение.

1. Газовые вагранки для  плавки чугуна.

2. Способы плавки чугуна  на газообразном топливе.

3. Эффективные технологии  плавки чугуна в газовых вагранках.

Литература

 

Введение

В литейном производстве широко используется процесс плавки чугуна в вагранках. В качестве топлива для этих печей применяют преимущественно кокс. В коксе имеется вредная примесь – сера, которая при плавке частично переходит в металл, ухудшая его качество. Кроме того, кокс – непрочный материал, и часть его в шахте вагранки разрушается, образуя уходящую с продуктами горения пыль. В ваграночных газах кроме пыли содержатся угарный газ и вредные соединения серы, ухудшающие при поступлении в атмосферу экологическую среду. Поэтому многократно делались попытки заменить ваграночный кокс используемым для отопления металлургических печей газообразным топливом.

Известно, что в коксовой вагранке металл плавится в противотоке газов на холостой коксовой колоше, а затем, стекая в виде капель и струек по горящему коксу холостой колоши, перегревается. Принцип перегрева чугуна,

имеющий место в коксовой вагранке, пытались использовать при плавке чугуна в газовых вагранках. Для этого предлагалось заменить холостую коксовую колошу огнеупорами, разогреваемыми продуктами сгорания горючего газа. Такие вагранки испытывались, но опыты показали, что конструкция вагранок, принятые способы плавки и примененные для холостой колоши огнеупоры не обеспечили необходимых для эффективного

ваграночного процесса условий. Огнеупорная колоша быстро оплавлялась, ваграночный процесс нарушался, плавки приходилось прекращать. Стабильность плавильного процесса не достигалась. В результате систематизированных исследований с применением моделирования созданы новые газовые вагранки различных конструкций, в том числе и с холостой огнеупорной колошей (насадкой), которые прошли промышленное испытание. Разработки этих чугуноплавильных агрегатов выполнены на уровне изобретений. Актуальность и новизна этих разработок подтверждена рядом патентов, полученных как в нашей стране, так и в зарубежных странах.

Газовые вагранки для плавки чугуна

 

Длительное время в  нашей стране и за рубежом не решался вопрос перевода печей непрерывного действия для плавки с твердого топлива –

кокса на газообразное топливо – природный газ. Многочисленные опыты не

давали положительных результатов – не достигалась требуемая температура

чугуна, велики были потери металла в связи с окислением, термический коэффициент полезного действия печей был низким, нестабильными были показатели печных процессов. Поэтому актуальной была разработка рациональных конструкций газовых вагранок и эффективных способов сжигания газообразного топлива в таких чугуноплавильных печах. Первоначально выявлялась эффективность многофакельного сжигания смеси природного газа с воздухом и подсвечивания продуктов сгорания при плавке чугуна в газовой вагранке с уступами в шахте. Эта газовая вагранка имеет шахту, нижняя часть которой служит камерой сжигания газообразного топлива и перегрева металла. К камере примыкает копильник. В шахте вагранки имеются нижний уступ и верхний уступ, оборудованные системой

водяного охлаждения. Над нижним уступом выполнено в футеровке шахты

полукольцевое поднутрение, а на подине нижнего уступа сделан из огнеупоров разделительный барьер. На подине камеры перегрева имеется бассейн для перегрева жидкого металла. Над бассейном размещены сопла и

туннели многосопловой горелочной системы. Многосопловая горелочная система состоит из смесителя, коллектора, распределительных труб, чугунных сопел. На каждой распределительной трубе установлены кран для

отключения сопла от коллектора и гляделка для наблюдения за процессом горения. На сопла надеты высокоглиноземистые огнеупорные трубки, внутренняя полость которых служит горелочными туннелями. Выше двух рядов горелочных туннелей располагается третий ряд огнеупорных трубок системы подачи дополнительного природного газа. Принцип работы газовой вагранки заключается в следующем.

Продукты сгорания, образующиеся в горелочных туннелях и за их пределами, омывают поверхность бассейна, затем поднимаются вверх и через

канал между уступами заходят  в зону плавления, где плавят металл, а далее

по мере движения к выходу из шахты подогревают твердую  шихту. Из зоны

плавления жидкий металл в  виде капель и струек стекает в  бассейн, образующийся в углублении подины камеры перегрева. Перегрев металла осуществляется при прохождении падающими каплями и струйками противотока горячих газов в камере перегрева, при стекании капель и струек

по раскаленной футеровке  камеры перегрева, а также благодаря разбрызгиванию металла при падении капель и струек в бассейн и передаче

тепла от горячих газов  и футеровки к поверхности  металла в бассейне. Шлак

также попадает в бассейн, но по поверхности жидкого металла  непрерывно уходит в копильник. Капли и струйки металла, падая в виде «дождя» с уступа

на металл в бассейне, разбрызгивают его, в результате чего жидкий металл

попадает на раскаленную  футеровку у горелочной системы, а в бассейне создается «кипящий» слой. «Кипение» неглубокой ванны в условиях движущихся над ней высокотемпературных газовых потоков способствует

более высокому перегреву  металла.

Промышленные испытания  прошли газовые вагранки с уступами в шахте, рассчитанные на производительность 1,5, 3 и 7 тонн жидкого чугуна в

час при расходе природного газа на 1 тонну получаемого жидкого  чугуна 100

м3/ч для нормальных условий.

В процессе испытаний было установлено следующее:

а) многосопловая горелочная система с двухрядным размещением сопел и, соответственно, туннелей в шахматном порядке при круглой камере

сжигания, диаметре горелочного сопла в выходном сечении 0,03 м, скорости

истечения газовоздушной смеси при нормальных условиях 70 м/с, обеспечении оптимальной величины коэффициента расхода воздуха, рационального размещения факелов и высокого теплового напряжения объема камеры сжигания позволяет получать над перегреваемом металлом

1973-20430 К;

б) без применения дополнительной подачи природного газа в продукты

сгорания расчетная производительность по полученному жидкому металлу обеспечивается только в течение первого часа работы вагранки с загруженной металлической шихтой шахтой, а далее производительность вагранки снижается в связи с зашлакованием шахты в зоне плавления продуктами окисления металла, причем по расчету за второй час работы вагранки производительность приблизительно в 2 раза меньше, чем за первый час, а через 3 часа работы вагранки плавка проходит нестабильно и

становится нерациональной;

в) непрерывная дополнительная подача природного газа в пределах 5 ÷

10% от расхода газа на  сжигание приводит к стабилизации  ваграночного процесса, достижению близкой к расчетной производительности вагранки в

течение всей плавки при  термическом коэффициенте полезного  действия плавильного агрегата 39,35 ÷ 41,19%, уменьшению потерь металла в связи с

окислением, получению жидкого  чугуна с температурой 1653-17230 К, удлинению периода плавки до величин, характерных для соответствующих

коксовых вагранок;

г) достаточно стойкой к  воздействию высокотемпературных  газов и образующихся шлаков была футеровка камеры сжигания из высокоглиноземистых материалов;

д) обнаруженные недостатки были связаны со сложностью выполнения

и ремонта футеровки уступов  и медленным охлаждением массивной футеровки уступов после плавки.

На основе теоретических  и экспериментальных исследований разработаны и испытаны шахтно-камерные плавильные печи – газовые вагранки с выносной камерой перегрева. Газовая вагранка с выносной камерой перегрева состоит из шахты и примыкающей к ней камеры перегрева, которая служит и копильником. В нижней части шахты в футеровке выполнено поднутрение, способствующее улучшению распределения потоков горячих газов по сечениям шахты. Набивная подина имеет уклон в сторону камеры перегрева. На подине шахты выполнен из огнеупоров разделительный барьер. В камере перегрева имеется уступ со слегка наклонной полкой, соединенной с наклонной подиной шахты. Образованная огнеупорными стенками камеры ванна имеет глубину до 0,4 м. Над ванной расположены туннели, в которые входят горелочные сопла. Газовые горелки имеют индивидуальные смесители. Применялись горелки двух модификаций. Газовые горелки первой модификации имели сопла с изогнутыми щелевыми каналами. Горелка второй модификации имела водоохлаждаемое восьмиканальное сопло. Для достижения производительности 2-2,5 тонны жидкого чугуна в час газовые вагранки оборудовались четырьмя горелками первой модификации или двумя горелками второй модификации. Газовые горелки устанавливались так, что

осевые линии противоположных  сопел не совпадали. При этом соблюдались

условия развития вихревых зон факелов и компактного  размещения факелов

в камере перегрева. Камера перегрева футеровалась высокоглиноземистыми

огнеупорами, а шахта –  шамотными.

В газовую вагранку с выносной камерой перегрева металлическая шихта загружается после предварительного разогрева футеровки камеры до

1973-19230 К, причем перед загрузкой шихты уменьшается коэффициент расхода воздуха до оптимальной величины и выдерживается стабильным системой автоматики. Над подиной шахты омываемая горячими газами шихта плавится, и образующиеся жидкие компоненты стекают в бассейн, перегреваясь при движении по наклонной полке уступа и при падении с уступа на поверхность бассейна. Падающий с уступа жидкий металл разбрызгивает металл в бассейне, причем небольшой толщины слой жидкоподвижного шлака на его поверхности не создает препятствий этому процессу. По мере накопления перегретый жидкий металл выпускается из бассейна.

Примененные в газовых  вагранках с выносной камерой  перегрева эффективные способы сжигания газообразного топлива позволили стабильно

проводить длительные непрерывные  плавки чугуна и получать жидкий металл с температурой выше 16730 К при сжигании «холодной» смеси природного газа с воздухом. Термический коэффициент полезного действия

газовых вагранок с выносной камерой перегрева в среднем  равен 40%. При производственной эксплуатации газовых вагранок с выносной камерой перегрева достигнут значительный экономический эффект, связанный с тем, что при использовании природного газа для плавки чугуна не применяется дорогой и дефицитный кокс, не требуются устройства для очистки уходящих газов от пыли, поскольку при применении газовых вагранок не превышаются допустимые нормы выброса пыли в атмосферу. Качество получаемого чугуна из газовых вагранок более высокое, чем при плавке на коксе, так как в металле газовой плавки не увеличивается, а уменьшается содержание серы.

Для применения в условиях металлургического производства были

разработаны конструкции  газовых вагранок с водоохлаждаемыми перемычками в шахте производительностью 6, 10 и 15 тонн жидкого чугуна в

час, а также техническая  документация на горелочные устройства для газовых вагранок и миксеров. Две газовые вагранки с перемычками в шахте производительностью 6 т/ч были построены на металлургическом предприятии и прошли промышленное испытание в условиях производства. Кроме газовых вагранок прошли промышленные испытания миксеры, вмещающие 12 тонн жидкого чугуна и работающие по способу пламенных камерных печей. Эти плавильные агрегаты работали по 16 часов в сутки.

Газовая вагранка с водоохлаждаемой перемычкой в шахте представляет собой шахтную печь со стационарным копильником – камерным миксером,

обогреваемым продуктами сгорания газообразного топлива. В шахте с прямоугольными горизонтальными сечениями имеется перемычка из труб водяного охлаждения, облицованных огнеупорами. Перемычка располагается

между двумя противоположными стенками шахты так, что между  ней и другими противоположными стенками шахты создаются каналы, по которым

горячие газы могут проходить  из камеры перегрева в шахту. Над  каналами на

боковых стенках шахты выполнены водоохлаждаемые выступы, предназначенные для создания препятствий проникновению твердой шихты

в камеру перегрева и улучшения  газодинамического процесса в шахте  над

перемычкой. В камере перегрева  над бассейном расположены туннели, в