Тепловой расчет вагранки

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Задание

Рассчитать коксогазовую вагранку.

Таблица 1 - Исходные данные

Вариант	Cостав металлошихты, %								Состав сухого природного газа, %
	C	SI	Mn	S	P	Cr	Ni	Fe	CH4	C2H6	C3H8	C4H10	C5H12	CO2	N2
7	2,75	2,7	0,7	0,06	0,09	0,3	0,2	93,2	87	2	1,2	0,65	0,25	4,7	1,2

 

Таблица 2 - Исходные данные

Вариант	Содержание компонентов кокса, %							Угар при плавке, %			Пригар при плавке, %
	В горючей массе					В рабочей массе
	C	H	O	N	S	Ap	Wp	Si	Mn	Fe	C	S
7	97.43	0.67	0.32	1.18	0.4	11.1	2.6	15	20	0,5	20	50

 

Таблица 3 - Исходные данные

Вариант	Производительность вагранки, т/ч	Температура воздуха, oC	Влагосодержание, г/м3		Коэффициент расхода воздуха n
			Воздуха dв	Газа dг
7	22	455	15	9	1,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение                                                                                                               5

1 Устройство вагранки                                                                                         6

2 Характеристика вагранки                                                                                 7

3 Тепловой расчет коксогазовой вагранки                                                       10

3.1 Расчет горения топлива                                                                                10

3.1.1 Полное горение природного газа                                                              10

3.1.2 Полное горение кокса                                                                                12

3.2 Расход природного газа                                                                                15

4 Материальный баланс вагранки                                                                     20

5 Тепловой баланс плавки                                                                                   23

6 Расчёт размеров вагранки                                                                                25

7 Список использованной литературы                                                             27

 

 

Введение

 

В металлургии и машиностроении, при производстве строительных материалов и во многих других отраслях промышленности одним из основных видов оборудования являются печи - агрегаты , в которых осуществляется тепловая обработка различных металлов. Во многих производствах качество работы печей определяет качество готовой продукции. Печи являются весьма энергоемким оборудованием, потребляющим значительное количество твердого ( кокса), газообразного и жидкого топлива, а также электроэнергии.

При обработке кускового материала обычно применяют печи, работающие по слоевому режиму (шахтные печи, вагранки). Вагранка еще длительный период останется в чугунолитейном производстве главнейшим плавильным агрегатом, так как конструкция ее проста, а КПД выше, чем у пламенной печи; увеличение объема литейного производства с одновременным повышением качества требует усовершенствования печного оборудования. Перспективными являются создание и внедрение вагранок с все большей  производительностью, закрытого типа с горячим дутьем, напорными сифонами, использованием теплоты отходящих газов и очисткой ваграночных газов, выбрасываемых в атмосферу.

 

 

 

1 Устройство вагранки

 

Вагранка представляет собой цилиндрическую шахту, состоящую из стального кожуха, футерованного внутри огнеупорным кирпичом толщиной 0,15 - 0,3 м и засыпкой. Шихтовые материалы (чугун, кокс, и др.) загружают сверху через загрузочное окно при помощи бадьи с откидным дном. Воздушное дутье подают через фурмы в нижнюю часть печи; в крупных ,вагранках они размещены в два - три ряда, по три - четыре фурмы в ряду. Внизу шахта закрывается откидным днищем, на которое набивается из огнеупорного порошка подина. Часть шахты между фурмами и подиной называется горном. Расплавленный чугун и шлак стекают в горн и далее в копильник  (где происходит усреднение химического состава чугуна), откуда переодически или непрерывно выпускаются через отверстия ( летки). Шахта  в верхней своей части (выше колошникового отверстия) переходит в футерованную трубу снабжённую искрогасителем в потоке газов. В современных вагранках для увеличения срока службы футеровки применяют наружное водяное охлаждение.

Высота вагранки (до загрузочного окна) 3 - 10 м, внутренний диаметр 700 - 2500 мм, производительность до 30 т чугуна в час.

Металлическая часть шихты состоит из литейного и предельного чугуна , возврата собственного производства, стального скрапа, добавок ферросплавов и т. д. Основное топливо - литейный кокс с пониженным содержанием серы, которая при плавке частично переходит в метал. В качестве флюса обычно используют известняк.

Перед началом работы в нижнюю часть вагранки до уровня 600 - 800 мм выше фурм загружают кокс и разжигают его ,образуя так называемую холостую колошу. Она необходима для того, чтобы чугун и другие материалы расплавлялись в плавильном поясе - зоне наиболее высоких температур, несколько выше пояса фурм; куски нерасплавившегося чугуна, опускаясь в горн, вызывали бы его охлаждение.

На холостую колошу поочерёдно загружают порции проплавляемого металла, кокса и известняка до загрузочного окна. По ходу плавки, по мере опускания шихтовых материалов, проводят их дальнейшую систематическую загрузку.

При переплавлении чугуна в вагранке содержание углерода и фосфора в чугуне практически не изменяется, кремний выгорает на 10 -15 %, марганец - на 15 -20%, содержание серы увеличивается на 30 -50 % за счет кокса. Для получения чугуна нужного состава проводят расчет шихты с учетом этих изменений.

За последние годы плавка чугуна в вагранках была значительно усовершенствована. Все шире применяют вагранки более совершенной конструкции - с шахтой конусного профиля, водоохлаждаемой плавильной зоной без футеровки, разделением чугуна и шлака при помощи специальных сифонов и т. д. Вместо холодного дутья применяют горячее дутье с обогащением воздуха кислородом. Это позволяет интенсифицировать процессы плавки, повысить производительность вагранок до 80 - 100 т/ч, снизить расход дорогого и дефицитного кокса. Значительно повышается  и качество отливок благодаря получению более «горячего» чугуна (1450 -1500 С).

 

2 Характеристика вагранки

 

Вагранки, использующие в качестве топлива кокс и газ, называют коксогазовыми.

При частичной замене кокса природным газом схема процесса плавки чугуна и конструкция вагранки изменяются немного. Вагранка (рис. 35) имеет один ряд фурм 7, площадь которых составляет 8--10% площади сечения шахты, фурменную коробку 5, разделенную вертикальной перегородкой на две камеры для раздельной подачи воздуха в фурмы и газовые горелки 1, расположенные на расстоянии 900 мм от оси фурм.

Коллектор предусмотрен для подачи природного газа в горелки.

Исследования состава газов у выхода их из тоннелей вагранки производительностью 10 т/ч при соотношении расходов природного газа и воздуха 1/10 показали, что происходит полное сгорание их и что газы содержат 9,5% С02, 3,7% 02, 0,06% СО и 86,74% N2. Кроме того, в результате сгорания метана и тяжелых углеводородов газы содержат около 20% Н20. Количество влаги, поступающее в вагранку с воздухом через фурмы, составило 70 кг/ч, с продуктами горения природного газа -- 580 кг/ч.

Реакция взаимодействия Н20 с СО в верхней зоне холостой колоши увеличивает содержание водорода в отходящих газах коксогазовых вагранок до 2,5--4%.

С увеличением расхода природного газа производительность вагранки, температура чугуна и содержание СО в отходящих газах повышаются до некоторого максимального значения, а затем снижаются. Максимальные значения температуры металла, производительности вагранки и содержания СО находятся соответственно в одних и тех же оптимальных пределах расхода газа (20--25 м3 на 1 т выплавленного чугуна).

Полученные данные можно объяснить следующим. В коксогазовых вагранках обычно уменьшается расход кокса на 25--35%, соответственно уменьшается количество воздуха, поступающего в фурмы. Это снижает максимальную температуру в зоне холостой колоши tmax. Вследствие поступления в вагранку продуктов сгорания природного газа изменяется кривая распределения температур по ее высоте и удлиняется зона высоких температур (рис. 41).

В результате увеличения количества сжигаемого газа и повышения температуры на уровне расположения горелок и в зоне подогрева шихты зона плавления металла перемещается выше, путь капель металла по раскаленному коксу удлиняется и количество теплоты, передаваемой жидкому металлу, увеличивается. Это до определенного предела повышает температуру перегрева чугуна, компенсируя отрицательное влияние снижения tmax, Кроме того, в вагранке создаются благоприятные условия для развития эндотермических реакций разложения Н20 и восстановления СО 2 из продуктов горения кокса и газа. Повышение расхода углерода кокса на эти реакции способствует более быстрому сходу колош и росту производительности вагранки.

При дальнейшем увеличении расхода газа сверх оптимального наряду с повышением температуры начинают существенно сказываться аэродинамические факторы. Напор газовых потоков начинает значительно затруднять отрыв капель чугуна от поверхности кусков шихты, снижая производительность вагранки. Движение капель малого объема вниз затрудняется, а укрупнение капель уменьшает их удельную поверхность и ухудшает условия теплообмена между каплей и окружающей средой. Газы покидают зону перегрева чугуна, отдав меньше теплоты, в результате температура чугуна понижается, а удлинение пути капли по кускам кокса не компенсирует ухудшения условий теплообмена.

Содержание углерода, а также угар кремния и марганца практически не изменяются по сравнению с коксовыми вагранками. Несколько увеличивается содержание водорода в чугуне в связи с увеличением его содержания в ваграночных газах. Однако практика показывает, что это не влияет на качество литья.

Частичная замена кокса природным газом дает следующие преимущества:

Расход кокса на рабочие колоши уменьшается на 25--35% при работе с оптимальным расходом газа, уменьшается расход флюса.

Удельная производительность вагранки увеличивается на 10--20%.

Содержание серы в чугуне уменьшается на 0,02--0,03%.

Общее количество шлака уменьшается, а также снижается расход теплоты на шлакообразование.

К недостаткам следует отнести необходимость наблюдения за газогорелочными устройствами, согласно правилам Гостехнадзора, и некоторое усложнение системы автоматического регулирования.

 

3. Тепловой расчет коксогазовой вагранки

 Расчет горения топлива

3.1.1 Полное горение природного газа

Определение теплоты сгорания топлива коэффициент перерасчета сухого газа на влажный.

X_вл = X_c  ^. K_o = X ^.  , где W = dr = 9 г/м³