Проектирование и расчет вагранки производительностью 5 тонн в час

my sp.docx

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
QB – производительность вагранки тч;
DB – диаметр шахты вагранки в плавильном поясе м;
FB – площадь поперечного сечения вагранки в плавильном поясе м2;
FФ FФ.Н. FФ.В. – сумма площадей сечения всех фурм (общая нижнего и верхнего рядов) м2;
N – количество фурм в ряду штук;
fФ.Н. fФ.В. – площадь сечения одной фурмы нижнего и верхнего ряда м2;
dф aф bф – диаметр фурмы круглого сечения или ширина и высота фурмы прямоугольного сечения м;
FФ.П. FФ.П.Н. FФ.П.В. – площадь сечения общего фурменного пояса фурменных поясов верхних и нижних рядов фурм м2;
НФ.П. – рекомендуемая высота фурменного пояса м;
ВФ.П.Н. ВФ.П.В. – ширина фурменного пояса верхнего и нижнего ряда м;
DК – диаметр корпуса вагранки м;
фут ст.к. – толщина огнеупорной футеровки стенки корпуса вагранки м;
заз – зазор между корпусом вагранки и фурменным поясом м;
D1 D2 D3 – внутренние и наружные диаметры футерованных поясов нижнего и верхнего рядов м;
Qвозд Qвозд.в.ф. Qвозд.н.ф. – общий расход воздуха на вагранку расход воздуха через фурменные пояса для нижних и верхних фурм мч;
Wф.п.н. Wф.п.в. – объемы фурменных поясов нижнего и верхнего рядов м3;
Fкл.н.ф. Fкл.в.ф. – общая площадь сечения предохранительных клапанов для нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
fкл.н.ф. fкл.в.ф. – площадь сечения одного предохранительного клапана для нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
dкл.н.ф. dкл.в.ф. – диаметры предохранительных клапанов для нижнего и верхнего фурменных поясов м;
Gкл.н.ф. Gкл.в.ф. – масса грузов предохранительных клапанов включая массу колпаков для нижнего и верхнего фурменных поясов кг;
dоб.в. dвозд.н.ф. dвозд.в.ф. dвозд.ф.н.р. dвозд.ф.в.р. – диаметры воздуховодов: общего (от воздуходувки до развилки) нижнего и верхнего (от развилки до фурменного пояса) и для каждой фурмы верхнего и нижнего рядов м;
hг hф hх.к. hпол Hв – высота горна расстояние между рядами фурм высота холостой колоши кокса полезная высота вагранки и общая высота вагранки м.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ВАГРАНОК СО ВТОРИЧНЫМ ДУТЬЕМ
Цель и задачи проектирования и расчета вагранок
С целью обеспечения стабильного процесса выплавки чугуна в вагранке на базе нормализации дутьевого режима в настоящее время рекомендуется использовать вагранки со вторичным дутьем (с двумя рядами фурм) (рис. 1). Такие вагранки обеспечивают повышение температуры чугуна на выпуске на 30 – 50 % С без изменения расхода кокса или снижение расхода кокса на 10 – 20 % без повышения температуры чугуна на выпуске а так же быстрый вывод вагранки на устойчивый температурный режим с повышением производительности снижение в 2 – 4 раза выбросов СО в атмосферу (улучшение экологической обстановки).
Преимущества вагранок со вторичным дутьем обеспечиваются из счет принудительной подачи дутья в каждый ряд фурм из отдельного фурменного пояса с распределением количества воздуха между нижним и верхним рядами фурм в соотношении 60 ÷ 40 или 50 ÷ 50%.
Основное количество теплоты необходимое для нагрева расплавления и перегрева металлической шихты в коксовых вагранках выделяется за счет реакции окисления (горения) углерода кокса и дожигания угарного газа СО. Доля теплоты за счет этих реакций составляет 85 – 95 % от общего количества теплоты остальное количество теплоты выделяется при окислении серы кокса угара кремния марганца и железа.
Реакции окисления кокса и СО а также восстановления СО2 до СО описываются следующими уравнениями с сопутствующими им тепловыми эффектами:
С + О2 = СО2 + q1q1 = 34000 кДжкг; (1)
С + 05 О2 = СО + q2 q2 = 10300 кДжкг. (2)
Образовавшийся углекислый газ СО2 проходя через холостую коксовую колошу вступает в контакт с раскаленным коксом (точнее с углеродом кокса) и восстанавливается до СО по реакции
СО2 + С = 2СО – q3 q3 = 13500 кДжкг (3)
т. е. эта реакция идет с поглощением тепла.
Образовавшийся угарный газ СО по реакциям (2) и (3) при наличии избыточного кислорода в том числе за счет вторичного дутья в двухрядных вагранках снова окисляется с выделением тепла компенсируя тем самым потери по реакции (3).
СО + 05 О2 = СО2 + q4q4 = 12700 кДжкг. (4)
Суммарный тепловой баланс горения углерода позволяет снизить расход кокса или повысить температуру перегрева чугуна (температуру чугуна на выпуске).
При окислении (горении) серы кокса также выделяется теплота с образованием сернистого газа
S + O2 = SO2 + q5 q5 = 9150 кДжкг. (5)
Аналогично окисляется кремний марганец и железо. Теплота выделяется и при диссоциации известняка (флюса). Общее количество теплоты от окисления серы кремния марганца железа и диссоциации флюса не превышает 5 – 15 %.
Ниже приводятся исходные данные и методы расчета количества дутья конструктивных параметров решений воздухоподводящей системы (тип воздуходувок воздуховоды фурменные пояса фурмы предохранительные клапаны) для вагранок производительностью 5 тч.

Metodicheskie ukazania Vagranki1.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Российский государственный профессионально-педагогический
Кафедра автоматизации и технологии литейных процессов
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ДЛЯ
ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
«МЕТАЛЛУРГИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА И ПЕЧИ»
для студентов всех форм обучения
специальности 050501.65 Профессиональное обучение (металлургические
производства) (030500.09) специализации «Технологии и менеджмент в
металлургических производствах» (030503.09)
Задания и методические указания для выполнения курсового проекта
по дисциплине «Металлургическая теплотехника и печи» (ГОС–2000) Екатеринбург ФГАОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. университет» 2012. 28 с.
Составитель: канд. техн. наук доц. В.Б. Поль
В методических указаниях изложен порядок расчета конструктивных
параметров а также материального и теплового балансов вагранок со вторичным дутьем. Представлены справочные данные необходимые для расчетов и вариант расчета для вагранки производительностью 7 тч.
методической комиссии МаИ
© ФГАОУ ВПО «Российский
профессиональнопедагогический
Условные обозначения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Основы проектирования расчета вагранок со вторичным
дутьем . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
1. Цель и задачи конструирования и расчета
вагранок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2. Расчет размеров фурменных поясов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
3. Расчет предохранительных клапанов . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
4. Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов) . . . . . .11
5. Расчет горна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
6. Расчет холостой коксовой колоши . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
7. Расчет рабочей коксовой колоши . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
8. Расчет металлической колоши . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
9. Расчет полезной высоты вагранки и количества
металлических и топливных колош . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
10. Расчет массы загружаемых материалов . . . . . . . . . . . . . . . . 16
11. Расчет необходимого давления воздуходувок . . . . . . . . . . . 17
12. Расчет размеров огнеупорной кладки . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
Типовой расчет материального и теплового балансов
ваграночной плавки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18
1. Материальный баланс (на 100 кг шихты) . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.1. Статьи прихода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2. Статьи расхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2. Тепловой баланс ваграночной плавки . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1. Статьи прихода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.2. Статьи расхода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Исходные данные для расчета конструктивных параметров
вагранок материального и теплового балансов. . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Qв – производительность вагранки тч;
Dв – диаметр шахты вагранки в плавильном поясе м;
Fв – площадь поперечного сечения вагранки в плавильном поясе м2;
Fф Fф.н Fф.в – сумма площадей сечения всех фурм (общая нижнего и
N – количество фурм в ряду штук;
fф.н fф.в – площадь сечения одной фурмы нижнего и верхнего ряда м2;
dф аф bф – диаметр фурмы круглого сечения или ширина и высота фурмы
прямоугольного сечения м;
Fф.п Fф.п.н Fф.п.в – площадь сечения общего фурменного пояса фурменных поясов нижнего и верхнего рядов фурм
Нф.п – рекомендуемая высота фурменного пояса м;
Вф.п.н Вф.п.в – ширина фурменного пояса нижнего и верхнего ряда м;
Dк – диаметр корпуса вагранки м;
фут ст.к – толщина огнеупорной футеровки стенки корпуса вагранки м;
заз – зазор между корпусом вагранки и фурменным поясом м;
D1 D2 D3 – внутренние и наружные диаметры фурменных поясов нижнего
Qвозд Qвозд.в.ф Qвозд.н.ф – общий расход воздуха на вагранку расход воздуха
через фурменные пояса для нижних и верхних фурм
Wф.п.н Wф.п.в – объемы фурменных поясов нижнего и верхнего рядов м3;
Fкл.н.ф Fкл.в.ф – общая площадь сечения предохранительных клапанов
для нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
fкл.н.ф fкл.в.ф – площадь сечения одного предохранительного клапана для
нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
dкл.н.ф dкл.в.ф – диаметры предохранительных клапанов для нижнего и верхнего фурменных поясов м;
Gкл.н.ф Gкл.в.ф – масса грузов предохранительных клапанов включая массу
колпаков для нижнего и верхнего фурменных поясов кг;
dоб.в dвозд.н.ф dвозд.в.ф dвозд.ф.н.р dвозд.ф.в.р – диаметры воздуховодов: общего (от
воздуходувки до развилки) нижнего и верхнего фурменных поясов (от развилки до фурменного пояса) и для каждой фурмы нижнего и верхнего рядов м;
hг hф hх.к hпол Hв – высота горна расстояние между рядами фурм высота
холостой колоши кокса полезная высота вагранки и
общая высота вагранки м.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА
ВАГРАНОК СО ВТОРИЧНЫМ ДУТЬЕМ
1. Цель и задачи проектирования и расчета вагранок
С целью обеспечения стабильного процесса выплавки чугуна в вагранке на базе нормализации дутьевого режима в настоящее время рекомендуется использовать вагранки со вторичным дутьем (с двумя рядами
фурм) (рис. 1). Такие вагранки обеспечивают повышение температуры чугуна на выпуске на 30–50°С без изменения расхода кокса или снижение
расхода кокса на 10–20% без повышения температуры чугуна на выпуске
а также быстрый вывод вагранки на устойчивый температурный режим с
повышением производительности снижение в 2–4 раза выбросов СО в атмосферу (улучшение экологической обстановки).
Преимущества вагранок со вторичным дутьем обеспечиваются за
счет принудительной подачи дутья в каждый ряд фурм из отдельного фурменного пояса с распределением количества воздуха между нижним и
верхним рядами фурм в соотношении 60÷40 или 50÷50%.
Основное количество теплоты необходимое для нагрева расплавления и перегрева металлической шихты в коксовых вагранках выделяется
за счет реакций окисления (горения) углерода кокса и дожигания угарного
газа СО. Доля теплоты за счет этих реакций составляет 85–95% от общего
количества теплоты остальное количество теплоты выделяется при окислении серы кокса угара кремния марганца и железа.
Реакции окисления кокса и СО а также восстановления С02 до СО
описываются следующими уравнениями с сопутствующими им тепловыми
Образовавшийся углекислый газ СО2 проходя через холостую коксовую колошу вступает в контакт с раскаленным коксом (точнее с углеродом кокса) и восстанавливается до СО по реакции
т.е. эта реакция идет с поглощением тепла.
Образовавшийся угарный газ СО по реакциям (2) и (3) при наличии
избыточного кислорода в том числе за счет вторичного дутья в двухрядных вагранках снова окисляется с выделением тепла компенсируя тем самым потери по реакции (3)
СО + 05 02 = СО2 + q4.
Суммарный тепловой баланс горения углерода позволяет снизить
расход кокса или повысить температуру перегрева чугуна (температуру
При окислении (горении) серы кокса также выделяется теплота с образованием сернистого газа
Аналогично окисляются кремний марганец и железо. Теплота выделяется и при диссоциации известняка (флюса). Общее количество теплоты
от окисления серы кремния марганца железа и диссоциации флюса не
Рис. 1. Обозначение размерных параметров вагранки
Ниже приводятся исходные данные и методы расчета количества дутья конструктивных параметров и решений воздухоподводящей системы
(тип воздуходувок воздуховоды фурменные пояса фурмы предохранительные клапаны) для вагранок производительностью от 3 до 10 тч как
наиболее часто применяемых на машиностроительных заводах.
2. Расчет размеров фурменных поясов (на примере вагранки
производительностью 7 тч)
Фурменный пояс должен обеспечить равномерное распределение дутья по фурмам.
Из табл.2 строка 5 принимаем удельный расход воздуха qуд равным
0 м (м2·мин) (диапазон от 120 до 150 м3(м2·мин)). Тогда необходимое
количество воздуха составит
Qвозд= qуд × Fв × 60 = 130 × 095 × 60 = 7410 м3ч.
Из табл.2 строка 6 принимаем скорость воздуха в фурменном поясе
V2=4 мс. Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит
Fф.н = Qвозд(V2 × 3600) = 7410(4×3600) = 0515 м2.
Из табл.2 строка 8 принимаем отношение площадей сечения нижнего и верхнего рядов фурм равным 60:40 тогда
Fф.п.н = Fф.п × 06 = 0515 × 06 = 0309 м2
Fф.п.в = Fф.п × 04 = 0515 × 04 = 0206 м2.
Из табл.2 стр.7 принимаем Нф.п = 600 мм = 06 м. Тогда ширина
фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит Вф.п..н.= Fф.п.н Нф.п=030906 = 0515 м = 515 мм а для верхнего ряда
фурм Вф.п.в = Fф.п.в Нф.п = 020606=0343 м = 343 мм.
Размеры фурменных поясов определим исходя из следующих конструктивных решений. Из табл.2 строка 4 принимаем расстояние между рядами фурм (по осям) равным 700 мм=07м. Толщина стенок корпусов фурм
и размеры крепежных фланцев выбираются конструктивно обычно толщина стенки фурмы равна 6–8 мм выступ фланца равен 12–15мм материал сталь Ст. 3.
Примем толщину огнеупорной футеровки равной 295 мм (по размерам шамотного кирпича 65×113×230 мм). Примем толщину корпуса вагранки равной 12мм (толщина листовой стали) а зазор между корпусом
вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм
примем равным заз=150 мм (для удобства монтажа) толщину стенок
фурменных поясов принимаем равной ст=4 мм (листовая сталь).
Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит
ст.к = 1100 + 2 × 295 + 2 × 12 = 1714 мм = 1714 м.
Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит D1= D к+ 2 заз = 1714 + 2 × 150 = 2014 мм = 2014 м.
Диаметр перегородки разделяющей фурменные пояса для фурм
верхнего и нижнего рядов или внутренний диаметр фурменного пояса для
верхнего ряда фурм составит
ст + 2Вф.п.в= 2014 + 2 × 4 + 343 = 2708 мм = 2708 м.
Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда составит
ст + 2Вф.п.н= 2708 + 4 × 4 + 2 × 515 = 3754 мм = 3754 м.
Учитывая тип фурменных поясов (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и конструктивные особенности примем следующие размеры радиусов R1 и R2 образующие внутренние и наружные поверхности
фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего рядов (в свету):
Rвн.ф.в = (D1+ 2 ст)2 = (2014+8)2=1011мм = 1011 м.
Rнар.ф.в = Rвн.ф.в + Вф.п.в = 1011 + 343 = 1354мм = 1354 м.
Rвн.ф.н = Rнар.ф.в + ст = 1354 + 4 = 1358мм = 1358 м.
Rнар.ф.н = Rвн.ф.н + Вф.п.н = 1358 + 515 = 1873мм = 1873 м.
Определим объемы W фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего рядов что необходимо для расчета предохранительных клапанов
Wф.п.в = (R2нар.ф.в –R2вн.ф.в )×Нф.п =314(13542 – 10112)×06=1526м3.
Wф.п.н = (R2нар.ф.н –R2вн.ф.н )×Нф.п =314(18732 – 13582)×06=3135м3.
3. Расчет предохранительных клапанов
Исходя из правил безопасности в газоходах площадь предохранительных клапанов должна составлять 005 м2 на 1 м3 объема камеры. Тогда общая
площадь клапанов фурменного пояса для нижнего ряда фурм составит
Fкл.н.ф = 005×Wф.п.н = 005×3135 = 015675м2 = 0157м2
а общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм
Fкл.в.ф = 005×Wф.в.п = 005×1526 = 0076 м2.
Принимаем минимальное число клапанов на каждом фурменном
поясе равным 4. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов
нижних и верхних фурм составит соответственно:
fкл.н.ф.=01574 = 003925м2 и fкл.в.ф.=00764 = 00195м2.
Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету или
диаметры проходных отверстий клапанов составят
dкл.н.ф = 4 f кл.н.ф
dкл.в.ф = 4 f кл.в.ф
В общем виде клапан должен вписываться в ширину фурменного
пояса с монтажным зазором не менее 30 мм с каждой стороны Сопоставим
диаметры клапанов с шириной соответствующих фурменных поясов: для
вагранки производительностью 7 тч Вф.п.н=515 мм а Вф.п..в=343 мм. Следовательно диаметры клапанов как для нижнего так и для верхнего фурменного пояса почти в 2 раза меньше ширины соответствующих фурменных
поясов и установка клапанов не вызовет затруднений. Если по расчету
окажется что диаметры клапанов больше ширины фурменных поясов необходимо увеличить число клапанов на соответствующем фурменном поясе и произвести новый расчет их диаметров.
Исходя из необходимого количества воздуха поступающего в вагранку по данному расчету Qвозд=7410 м3ч из табл.4 с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В2М 101250
обеспечивающую производительность 10000 м3ч и давление 12500 Па или
50 мм вод. ст. или 0125 кгссм2.
Определим массу груза включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии исходя из максимального давления развиваемого воздуходувкой:
Gкл.н.ф = fкл.н.ф ×Р возд.maх ×104 = 003925×0125×104 = 49 кг
Gкл.в.ф = fкл.в.ф ×Р возд.maх ×104 = 00195×0125×104 = 245 кг.
Если масса одного груза превышает допустимые значения по условиям техники безопасности и охраны труда то следует увеличить число
клапанов и произвести перерасчет (рекомендуется массу клапана иметь на
уровне 10–20 кг каждый).
4. Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов)
Определим площадь общего воздуховода (от воздуходувки до «развилки» на воздуховоды для нижнего и верхнего фурменных поясов). Для
расчета принимаем расход воздуха поступающего в вагранку равным
10 м3ч. Исходя из требований табл. 2 строка 6 принимаем скорость
воздуха в общем воздуховоде равной 10 мс (V1). Из выражения
Qвозд=V1×Fобщ.возд×3600 находим площадь сечения общего воздуховода
Fобщ.возд=Qвозд(3600×V1)=7410(3600×10)=02058 м2.
Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит
dобщ.возд=0512 м=512 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 10704–
ГОСТ 8731–78 или ГОСТ 8732–78 выбираем ближайшую по размерам
трубу в данном случае трубу с наружным диаметром 530 мм и толщиной
стенки 7 мм у которой внутренний диаметр равен 530–2х7=516 мм.
Исходя из принятого соотношения расхода воздуха между нижним и
верхним рядом фурм (60:40) определяем расход воздуха через все фурмы
нижнего и верхнего рядов соответственно:
Qвоз.н.ф=06×Qвоз=06×7410=4446 М3Ч.
Qвоз.в.ф=04×Qвоз=04×7410=2964 М3Ч.
Из табл.2 строка 6 выбираем максимально допустимую скорость
воздуха в воздуховодах для нижнего и верхнего фурменных поясов V1 равной 15 мс т.е. для участков воздуховодов от «развилки» до соответствующих фурменных поясов. Тогда аналогично расчету размеров общего
воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:
Fвозд.н.ф=Qвоз.н.ф(3600×V1)=4446(3600×15)=00823 м2.
Fвозд.в.ф=Qвоз.в.ф(3600×V1)=2946(3600×15)=00549 м2.
Тогда внутренний диаметр воздуховода для нижнего и верхнего рядов фурм составит соответственно 324 мм и 264 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТам находим ближайшие по размерам трубы: для
воздуховода нижнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 351 мм и толщиной стенки 8 мм ее внутренний диаметр равен
1–2×8=335 мм аналогично для воздуховода верхнего фурменного пояса
выбираем трубу с наружным диаметром 273 мм и толщиной стенки 8 мм
ее внутренний диаметр составит 257 мм. Для обеспечения равномерного
распределения дутья рекомендуется воздуховоды подводить к фурменным
поясам тангенциально.
Из табл.2 строка 3 принимаем количество фурм равным 6 (для вагранки производительностью 7 тч). Количество фурм в каждом ряду
должно обеспечить равномерное распределение дутья по периметру ва10
гранки. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посредине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние
между рядами фурм по их осям принимается от 700 до 900 мм (см. табл.2
Определим размеры воздуховодов или патрубков для каждой фурмы нижнего и верхнего рядов на участках от соответствующего фурменного пояса до фурм. Площади поперечного сечения этих патрубков и их диаметры в свету определим по расходу дутья через каждую фурму а именно:
Скорость воздуха при входе в вагранку должна быть не менее 15 мс
(табл.2) с целью обеспечения проникновения струи по всему сечению вагранки.
При применении фурм крутого сечения площади и диаметры их определяются аналогично расчету диаметров воздуховодов а именно:
Соответственно диаметры фурм составят:
Из сортамента стандартных труб по ГОСТам выбираем ближайшие
по размеру трубы а именно для данного расчета для фурм нижнего ряда
выбираем трубу с наружным диаметром 140 мм и толщиной стенки 45 мм
т.е. с внутренним диаметром 131 мм а для фурм верхнего ряда трубу с наружным диаметром 121 мм и толщиной стенки 4 мм т.е. с внутренним
При применении фурм прямоугольного сечения чаще всего высоту
фурм принимают равной высоте огнеупорного кирпича а именно hф=65
мм тогда ширина фурм нижнего и верхнего ряда соответственно составит:
Площадь шахты вагранки составляет
Исходя из требований заказчика принимаем максимальную массу отливки mmax=1 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью QВ=7тч составит n=QВmmax=71=7 выпусков в час (обычно 3–7).
Определим высоту горна по формуле
где Wг – объем горна на 1т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем
кокса обычно принимается Wг =033 м3т;
2 – расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью
нижнего ряда фурм м.
Отсюда hг=7×033(7×095)+012=0467 м05 м.
При применении двойного (вторичного) дутья производительность
вагранок выше чем у обычных поэтому принимаем hг=07 м=700 мм. При
этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины. Определим фактический объем
Wг.факт=Fв×hг1000=095×7001000=0665 м3.
Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой
фурменного отверстия hл.ф = 75мм диаметр шлаковой летки 40 мм а наклон нижних фурм к горизонту 10°.
6. Расчет холостой коксовой колоши
Исходя из опыта эксплуатации вагранок с двухрядным фурменным
поясом и вторичным дутьем принимаем расстояние между рядами фурм
по их осям hф=07 м=700 мм а высоту кокса холостой колоши над верхним
рядом фурм hв =04 м=400 мм.
Общая высота холостой коксовой колоши составит
hх.к=hг+hф+hв=07+07+04=18 м=1800 мм.
Объем холостой коксовой колоши составит
Wх.к=Fв×hх.к=095×18=171 м3.
Определим массу кокса в холостой колоше
mх.к =Wх.к× к =171×450=7695 кг 770 кг
– объемная плотность кокса кгм3 ( к =450 кгм3).
7. Расчет рабочей коксовой колоши
Исходя из опыта работы вагранок обычно принимают высоту рабочей колоши кокса hр.к =015–02 м. Для расчета принимаем максимальную
высоту равную 02 м. Тогда объем рабочей колоши составит
Wр.к=Fв×hр.к =095×02=019м3
а масса кокса в рабочей колоше равна
mр.к.=Wр.к× к =019×450=855 кг.
8. Расчет металлической колоши
Из практики известно что масса металлической колоши обычно составляет 8–10% от часовой производительности вагранки т.е. для вагранки
производительностью 7 тч (7000 кгч)
mм.к=(008 010)×Qв=(008 01)×7000=560–700 кг.
Для расчета принимаем максимальную массу mм.к=700 кг. Тогда объем металлической колоши составит
м.к – объемная плотность металлической шихты равная 2500 кгм .
9. Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош
Определим полезную высоту вагранки по формулам:
а) для вагранок производительностью 5–10 тч и более
б) для вагранок меньшей производительности hпол=425×Dв0.5 .
Обычно полезная высота вагранок находится в рекомендуемых пределах (табл. 6). Полезную высоту 7-тонных вагранок принимают равной
hпол=3500+1000 мм или по ГОСТ 24774–81 равной 4500 мм. Однако условия каждого конкретного цеха при модернизации вагранок т.е. в условиях
существующих строительных конструкций здания цеха могут внести свои
коррективы. Примем в нашем случае hпол=3900 мм помня что полезная
высота вагранки определяется как расстояние от оси нижнего ряда фурм
до нижнего среза завалочного окна. Тогда общая высота шахты вагранки
(без учета высоты опорной части узла загрузки и трубы с искрогасителем
или пылеосадителем) составит
Нв=hг+hпол=07+39=46 м.
Общий объем шахты вагранки составит (для Qв=7тч)
Wв=Fв×Нв=095×46=437 м344 м3.
Определим количество металлических и топливных колош вмещающихся в шахту вагранки исходя из соотношения
n=(Wв–Wг)(Wр.к.+Wр.м+Wф.л)=(44–171)(019+028+0016)=553
где Wр.к. Wр.м Wф.л – объемы рабочих колош кокса металлической шихты и
Обычно mф.л составляет от 3 до 5% от массы рабочей колоши кокса
или mф.л=(003 005)×Wм.к×
м.к=(003 005)×700=21÷35кг а
ф.л=(21+35)(1600–2000)=28 (сред.)1800 (сред.)=0016 м
ф.л объемная масса известняка (
ф.л=1600–2000 кгм ).
Часто из-за незначительной величины объема флюса им пренебрегают тогда n=(Wв–Wг)(Wр.к.+Wр.м)=10780197=547 принимаем n6.
10. Расчет массы загружаемых материалов
Масса рабочих колош кокса вмещающихся в шахту составит
mр.к = n × mр.к = 6 × 855 = 513 кг.
Масса металлической шихты составит
mм.к = n × mм.к = 6 × 700 = 4200 кг.
Масса флюса (известняка) составит
mф.л = n × (9 ÷15) = 6 × 12 (сред.) = 72 кг.
Массу известняка можно определить исходя из опыта эксплуатации
вагранок приняв расход известняка равным 35-45 кг на 1 т металлической
завалки. Тогда mф.л = 40 (ср.) × 42 = 168 кг.
Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей
m = mр.к + mм.к + mф.л + mх..к = 513 + 4200 + 72 + 770=5555 кг.
11. Расчет необходимого давления воздуходувок
Необходимое давление в фурмах определяется по формуле
ΔР = V2воз × (hпол + 0.25Dв)А
где Vвоз – средняя скорость воздуха в вагранке равная по величине удельному расходу воздуха на 1м2 поперечного сечения в минуту qуд
hпол – полезная высота вагранки по расчету м;
А – эмпирический коэффициент равный 100 при нормальной шихте
по размерам кусков; при мелком коксе например этот коэффициент уменьшается.
Для вагранки производительностью 7 тч имеем (при принятой hпол =39
м) ΔР = 1302 × (З9 + 025 × 11)100 = 705575 мм вод. ст.
Обычно давление воздуха в вагранках производительностью 7 тч
колеблется в пределах 700-900 мм вод. ст. Выбранная по требуемому расходу воздуха воздуходувка В2М101250 развивает давление 12500Па
Рассчитанное давление ΔР учитывает только сопротивление столба
шихты в самой вагранке. Для более точного выбора типа воздуходувки
(табл. 4) необходимо добавить к ΔР сопротивление в системе воздуховодов: от воздуходувки до фурм (порядка 150–200 мм вод. ст. в зависимости
от поворотов расширений сужений системы подвода дутья) а также сопротивление мокрого пылеосадителя ~ 200 мм вод. ст.
Таким образом суммарное сопротивление составит:
Р = ΔР + Рвоздухов. + Рмокр.пылеос. = 705 + 150 + 200 = 1050 мм вод. ст.
Такое давление обеспечивается воздуходувкой типа В2М11250.
Выбор воздуходувки производится по необходимому количеству дутья Qвозд. (производительность воздуходувки регулируется установленным
на ней шибером на входе воздуха из окружающей среды) и суммарному
сопротивлению Р (давление развиваемое воздуходувкой не регулируется и должно быть не менее Р).
12. Размеры огнеупорной кладки
Размеры огнеупорной кладки шахты вагранки и подины определяются в основном размерами огнеупорных кирпичей порядком их расположения при кладке и количеством рядов. Для приближенных расчетов принимается толщина подины над подовой плитой в пределах 250-400 мм (в зависимости от производительности вагранки) а футеровку шахты производят в 2 слоя кирпичей с общей толщиной равной двойной ширине огнеупорных изделий по ГОСТ 3272–71 или на одну ширину и ребро (стандартный размер огнеупорного кирпича 65×113×230 мм).
ТИПОВОЙ ГРИМЕР РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И
ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ
Задание: Рассчитать материальный и тепловой балансы выплавки в вагранке чугуна марки СЧ 20.
Исходные данные. Химический состав чугуна по ГОСТ 1412–85
(табл.1) принимается средним %: С = 34; S Mn = 085; Р 02;
остальное Fе = 100 – (С + Si + Mn + Р + S) = 935
Химический состав кокса %: Ср = 85; Н2Р = 04; 02Р = 05; N2р = 10;
SР = 006; влажность Wр = 30%; зольность Ар = 96%.
Принимаем угар У (–) и пригар П (+) элементов %: S Mn = 20; Fе = -05; С = +20; S = +50.
Расчет ведем для вагранки производительностью 7 тч. Температура
подогрева дутья 500°С; чугуна на выпуске 1400°С; шлака 1350°С.
1. Материальный баланс (на 100 кг шихты)
1.1. Статьи прихода (результаты расчетов занести в табл. 8)
Шихта. Принимаем количество металлической шихты mших = 100 кг.
В процессе плавки весь углерод сера и фосфор из шихты полностью переходят в выплавляемый чугун. Часть кремния за счет угара (15%) переходит
в шлак: Siшл. = Siчуг × У = 19 × 015 = 0285кг.
Остальное количество кремния остается в чугуне т.е. 19–
85=1615 кг. В шлак переходят 20% Mn (угар): 085 × 02 = 017 кг остается в чугуне 085–017=068 кг; 05% Fе (угар): 935×0005=047 кг остается в чугуне 935–047=9303 кг.
Для окисления этих элементов определим количество необходимого
кислорода (по соответствующим реакциям) с учетом молекулярных весов
(Si = 28 О = 16 Mn = 56 Fе = 55):
О2 Si = 0285 × 3228 = 0326кг
О2 Mn = 017 × 1656=0049кг;
О2 Fе = 047 × 1655 = 0137кг.
Так как кислород поступает с дутьем из воздуха то одновременно
поступает и азот количество которого определяется исходя из того что
воздух содержит 21% 02 и 79% N2 (по объему) или 232% 02 и 768% N2 (по
массе). Расчет количества азота осуществляем по формулам для каждой
N2 Mn = 0049 × 768232 = 0162 кг;
N2 Fе = 0137 × 768232 = 0454 кг;
где 0326; 0049 и 0137 – количество кислорода необходимое для окисления Si Mn и Fе.
Перейдет в шлак кремния в виде S
марганца в виде MnО: 017 × 7256 = 0219 кг;
где 0285; 017 и 047 – количества соответствующих элементов переходящих в шлак за счет угара (Siшл Mnшл и FеОшл).
Кокс. Учитывая подогрев дутья до 500°С принимаем расход кокса
% от массы шихты т.е. mк=01×mших=01×100=10кг. При плавке 20% уг17
лерода кокса переходит в жидкий металл (пригар) т.е. 34 × 02 = 068кг
где 34 – среднее содержание углерода в заданной марке чугуна. В процессе горения будет участвовать углерод кокса за вычетом пригара т.е. 85–
8=782 кг где 85 кг - содержание углерода в 10кг кокса при Ср=85%.
Принимаем что в процессе горения образуются 50% СО2 и 50% СО
(отношение СО2 : СО =50:50) т.е. для образования СО2 и СО расходуются
по 391 кг углерода кокса соответственно. При других значениях отношения СО2 :СО расход углерода кокса определяется в соответствии с этим отношением.
Для горения углерода кокса до СО2 потребуется кислорода:
О2 СО2=391×3212=10427 кг. С этим кислородом
воздух внесет азот в количестве 10427×768232=34517 кг. При этом образуется СО2 в количестве 391×4412=14337 кг.
Для горения углерода кокса до СО потребуется кислорода:
О2 СО=391×1612=5213 кг. При этом вносится
азот в количестве 5213×768232=17258 кг и образуется СО в количестве
Часть серы кокса переходит в жидкий чугун (примем пригар серы
% при ее содержании в коксе 006%) т.е. 006×05=003 кг. Остальная
сера (006–003=003 кг) горит с образованием SO2 по реакции S+О2=SO2
для которой потребуется кислорода 003×3232=003 кг. При этом воздухом
дутья вносится азот в количестве 003×768232=0099 кг при этом образуется SO2 в количестве 003×6432=006 кг.
Горение водорода кокса (на 10 кг кокса при содержании в нем 04%
Н2 сгорает 04×01=004 кг Н2) потребует кислорода по реакции
Н2+05О2=Н20 004×162=032 кг; при этом воздухом дутья будет внесено
азота в количестве 032×768232=106 кг; образуется Н2О в количестве
Необходимо в табл. 8 вычесть количество кислорода (005 кг) содержащееся в коксе (на 10 кг кокса) и соответствующее количество азота
(768×005232=017 кг).
Влага и зола кокса вносятся полностью: зола – в шлак а влага – в газы (заносима табл. 8): Wр=03 кг и Ар=096 кг.
Известняк (флюс). Принимаем расход известняка 3% от массы металлической шихты т.е. mизв=3кг. При нагреве известняк разлагается (диссоциирует) по реакции СаСОз=СаО+С02. Из 3 кг известняка образуется:
СаО=3×56100=168кг; С02=3×44100=132 кг.
Расход дутьевого воздуха. Количество воздуха определяется суммированием кислорода и азота необходимого и внесенного при окислении
элементов. Оно равно (из табл. 8) с учетом вычитания 005кг 02 и 017кг N2
Разгар футеровки. Принимаем величину разгара футеровки в количестве 10 кг на 100 кг шихты т.е. mфут=1 кг.
Итого статьи прихода:
mприх=mших+mк+mизв+mвозд+mфут=100+10+3+70910+1=184910 кг.
Выплавленный металл. Из 100кг шихты выплавляется чугуна mмет =
585 кг (в жидкий металл кроме составляющих шихты переходит пригар: 068 кг углерода кокса и 003 кг серы).
Ваграночные газы. Общее количество образующихся газов составит
mгаз=(СО2+СО+Н2О+SO2+N2)=14337+132+9123+036+030+006+
+1079+0162+0454+34+517+17257+106-017+01+0099=80065 кг.
Шлак. Шлак образуется из золы кокса известняка футеровки и оксидов кремния марганца и железа. Из табл.8 общее количество шлака составит mшл=0611+0219+0607+168+096+10=5077 кг.
Итого статьи расхода: mрасх=mмет+mгаз+mшл=184727 кг.
Невязка по статьям прихода и расхода составляет 0183 кг или 01%.
2. Тепловой баланс ваграночной плавки
Теплота сгорания кокса. Определим по формуле Д.И. Менделеева
теплоту сгорания кокса учитывая что часть углерода и серы кокса в процессе горения не участвуют (по химическому составу кокса):
Qрн=339×nс×Ср+1030×Нр–109×(Ор–ns×Sр)–25×Wр=339×(85–068)×
×8585+1030×04-109×[05×(006-003)×05006]-25×3=26860425 КДж.
При расходе кокса 10 кг на 100 кг шихты имеем
Qтопл (кокса)=mкок×Qрн=10×26860425=268604 кДж.
Теплота вносимая воздухом. При плотности воздуха 129 кгм3 его
объем на 100 кг шихты составит
Vвоз = mврв = 70910129 = 5497 м3.
Удельная теплоемкость воздуха при принятой температуре дутья
(500°С) составляет своз 133 кДж(м К) тогда количество теплоты внесенной подогретым дутьем составит
Qвоз = Своз × tвоз × Vвоз = 133 × 500 × 5497 = 36555 кДж.
Примечание: при использовании холодного дутья т.е. без подогрева
воздуха теплота вносимая воздухом в тепловом балансе не учитывается
вследствие ее незначительной величины.
Теплота выделяемая при окислении элементов:
марганца: QMn = 6900 × mMn = 6900 × 017 = 1173 кДж;
железа: QFе = 4990 × mFе = 4990 × 047 = 23453 кДж
где 0285; 017 и 047 – количество соответствующих элементов перешедших в шлак.
Теплота шлакообразования: Qшл = 258 × 5077 = 13099 кДж.
Итого .приход тепла: Qпр = Qтоп + Qвоз + Qокисл + Qшл = 31836б2 кДж.
Расход теплоты на расплавление и перегрев металла
Qмет=mмет ×[Ств.мет×tпл+Спл+Сжид.мет×(tвып.мет–tпл)]= 99585 × [075 ×
×1200 + 210 + 088 × (1400 – 1200)] = 12806631 кДж
Расход тепла на расплавление и перегрев шлака (tшл = 13500С)
Qшл = mшл × (113 × tшл + 272) = 5077× (113 × 1350+272) = 912591 кДж
Расход тепла на разложение известняка
Qизв. = 1620 × Vизв = 1620 × 3 = 4860 кДж.
Расход тепла на испарение влаги (mвл = 03кг в 10кг кокса)
Qвл. = 2500 × mвл = 2500 × 03=750 кДж
Физическая теплота ваграночных газов. Определим объемный состав газов исходя из их плотности: рсо2 = 196кг рсо = 125кгм3 рн2о =
кгм3 рsо2 = 286кгм3 и рN2 = 12. В ваграночных газах по данным табл.
С02 = (14337 + 132)196 = 7988 м3
С0 = 9123125 = 7298 м3
Н20 = 06608 = 0825 м3
S02 = 006286 = 0021 м3
N2 = 54558125 = 43646 м3.
Общий объем газов в данном случае составляет 59403 м3. Содержание отдельных газов составит (%):
С02 = 7988 × 10059403 = 1345%
С0 = 7298 × 10059403 = 1229%
Н20 = 0825 × 10059403 = 139%
S02 = 0021 × 10059403 = 003%
N2 = 43646 × 10059403 = 7347%
Удельная тепломкость ваграночного газа при температуре 500°С
определяется как сумма произведений удельной теплоемкости каждого газа на его процентное содержание:
Свагр.газ =(С С02×С02 +С СО×СО+С Н20×Н2О+С S02×S02+С N2×N2)100
=(201×1345+134×1229+158×139+201×003+134×7347)100=(270345+1
+64686+21962+00603+984498)100=1442 кДж(м к).
Тогда физическая теплота ваграночных газов равна
Свагр.газ =Свагр.газ×tвагр.газ×Vвагр.газ=1442×500×59403=42829563 кДж.
Расход теплоты с охлаждающей водой (для водоохлаждаемых вагранок). Примем общий расход воды для охлаждения вагранки 50 м3ч или
0 кг воды на 100 кг шихты. Температура воды до охлаждения 10°С а после охлаждения 30°С т.е. происходит ее нагрев на 20° тогда
Qвод=Свод×Δtвод×mвод=1×(30–10)×250=5000 кДж.
Примечание: для вагранок без водяного охлаждения расход теплоты
с охлаждающей водой не учитывается.
Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода
Qвагр.газ=qсо×Vco =12700×7298=926846 кДж.
После дожигания ваграночных газов часть теплоты может использоваться для подогрева воздуха дутья.
Аккумуляция тепла кладкой из огнеупорных кирпичей (или набивной огнеупорной футеровки) и прочие потери. Сумма расхода теплоты по
вышеперечисленным статьям составляет
Qобщ=Qмет+Qшл+Qизв+Qвл+Qгаз+Qвагр.газ=12806631+91259+4860+750+
+428296+5000+926846=2833164 кДж.
Расход теплоты на аккумуляцию кладкой и прочие потери определяются по разности между приходной частью баланса и полученной суммой расходной части Qакк=3183662–2833164=350508 кДж т.е. принятый
ранее расход кокса на плавку достаточен.
Коэффициент полезного действия вагранки определяется по соотношению
КПД=Qмет×100Qприх=12806631×1003183662=4023%.
Коэффициент использования топлива (КИТ) составляет
КИТ=Qмет×100Qтопл=12806631×100268604=4768%.
Примечание: в выполненом расчете сводные данные необходимо
представить в виде таблицы 8 (материальный баланс) и таблицы 9 (тепловой баланс).
Оформление курсового проекта
Студент должен оформить пояснительную записку по расчету
всех конструктивных параметров вагранки а также по расчету
материального (табл. 8) и теплового баланса (табл. 9)
В графической части студент должен представить чертеж вагранки (разрез по вертикали) включая опорную часть (рис.2 или 3)
корпус и трубу вагранки (рис. 1) и мокрый пылеосадитель (рис. 4)
в масштабе а также сечение вагранки по корпусу выше фурменного пояса с распределением фурм верхнего и нижнего рядов.
Для мокрого пылеосадителя принять следующие основные конструктивные размеры (табл. 10).
Основные размеры мокрого пылеосадителя
Величина зазора Нзаз
Диаметр корпуса мокрого
пылеосадителя Двн. пыл. мм
Высота цилиндрической
части мокрого пылеосади2800
Рекомендуемый состав марок чугунов по ГОCТ 1412–85
Содержание элементов %
Технические характеристики вагранок со вторичным дутьем
Наименование параметров
Производительность вагранок тч
Внутренний диаметр шахты
вагранки в плавильной зоне мм
Отношение площади сечения
всех фурм к площади сечения 20÷25
шахты вагранки (рекомендуемые) %
Рекомендуемое количество
фурм в каждом ряду штук
Рекомендуемое расстояние 700-900 700-900 700-900 700-900
между рядами фурм (по осям)
Удельный расход воздуха 120-150 120-150 120-150 120-150
Скорость воздуха мс:
а) в воздуховодах (от воздуходувки до фурменного пояса)
б) в фурменном поясе
Высота фурменного пояса 500-700 600-900 700-1100 900-125
Отношение площадей сече- 60:40
ния фурм нижнего и верхнего
Коэффициенты показывающие расход тепла на реакции
Разложение (диссоциация) известняка
Разложение (диссоциация) влаги
Технические характеристики воздуходувок
диаметр шахты Тип воздуходувдительразвивав мое
воздуходув- двигателя
Полезная высота вагранок
Значения требуемого давления дутья
Внутренний диаметр шахты вагранки мм
Коэффициенты теплового эффекта окисления и шлакообразования
Наименование элемента или материала
Материальный баланс плавки чугуна в вагранке (на 100 кг шихты)
Наименование Элемент
Реакция окислеВоздух кг
Siокис(0285) Si+О2=SiО2
Mnокис(017) Mn+05×О2=MnО 0049
Feокис (047) Fe+05×О2=FeО
Известняк3 кг СаСО3 (30)
Теплота от сгорания углерода
Теплота от окисления:
Теплота шлакообразования
Теплота вносимая воздухом (при
Тепловой баланс ваграночной плавки
37 расплавление и перегрев металла
расплавление и перегрев шлака
разложение известняка
(для водоохлаждаемых
ваграночных газов (содержание СО)
кладки и проч. потери 350508 1100
Примечание: если в п. 8 «Расход тепла» количество теплоты аккумуляции
превысит 25% то необходимо написать: «Рекомендуется применить водяное охлаждение вагранки».
Исходные данные для расчета конструктивных параметров вагранок материального и теплового балансов
Содер-жание в отход.
Основная литература:
Износостойкие стали для отливок: монографияМ.А. Филиппов А.А. Филиппенков Г.Н. Плотников. Екатеринбург: УГТУ-УПИ 2009 -358 с.
Новиков В.П. Огнеупоры и футеровки плавильных и литейных агрегатов. М.:
Технология производства чугуна для отливок: Учеб. пособиеВ.Б. Поль Б.С.
Чуркин Э.Б. Гофман; Под ред. Б.С. Чуркина. Екатеринбург; ГОУ ВПО Рос. гос.
проф.-пед. ун-т 2007. -236 с.
Дополнительная литература:
Воронин Г.В. Гущин С.Н. Казяев М.Д. Крюченков Ю.В. Миляев В.М. Конструирование и расчет сушильных печей и установок литейного производства. Екатеринбург УГТУ-УПИ РГППУ 2002. – 257 с.
Воскобойников В.Г. Кудрин В.А. Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Металлургия 2000. – 540 с.
Гусовский В.Л. Лившиц А.Е. Тымчак В.М. Сжигательные устройства нагревательных и термических печей: Справочник. – М.: Металлургия 1986. – 272 с.
Долотов Г.П. Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства. М.: Машиностроение 1990. – 303 с.
Конструирование и расчет сушильных агрегатов М.Д. Казяев В.С. Шаврин И.П.
Ренжин Г.В. Воронов. С.Н. Гущин УПИ Свердловск 1989.–71 с.
Краснощеков Е.А. Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия
Леви Л.И. Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. – М.: Машиностроение 1970. – 496 с.
Мариенбах Л.М. Металлургические основы ваграночного процесса. – М.: Машиностроение 1960. – 327 с.
Матюхин В.И. Мадисон В.В. Поль В.Б. Брусницин С.В. Вайс И.А. Ваграночный процесс плавки чугуна. Екатеринбург УГТУ-УПИ РГППУ 2004. – 158 с.
Методические указания. Расчет конструктивных параметров материального и
теплового баланса вагранок со вторичным дутьем. УГППУ Екатеринбург 1997.
Сушка в литейном производствеС.Н. Гущин И.П. Ренжин Г.В. Воронов М.Д.
Казяев. – УПИ Свердловск 1988. – 81 с.
Теплотехнические расчеты металлургических печейПод ред. А.С. Телегина. –
М.: Металлургия 1970. – 358 с.
Формат 60 8416. Бумага для множ. аппаратов. Печать плоская. Усл. печ. л.
профессиональнопедагогический университет» Екатеринбург ул. Машиностроителей 11.
Ризограф ФГАОУ ВПО РГППУ. Екатеринбург ул. Машиностроителей 11.

dfuhfyrf.cdw

dfuhfyrf (2).cdw

мой кп.docx

Условные обозначения 3
Основы проектирования расчета вагранок со вторичным дутьем 5
Цель и задачи конструирования и расчета вагранок 5
Расчет размеров фурменных поясов .7
Расчет предохранительных клапанов 8
Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов) 9
Расчет холостой коксовой колоши ..12
Расчет рабочей коксовой колоши 13
Расчет металлической колоши . 13
Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных калош ..13
Расчет массы загружаемых материалов . .14
Расчет необходимого давления воздуходувок 14
Расчет размеров огнеупорной кладки .16
Типовой расчет материального и теплового балансов ваграночной плавки 16
Материальный баланс (на 100 кг шихты) 17
Тепловой баланс ваграночной плавки . 20
Исходные данные для расчета конструктивных параметров вагранок материального и теплового балансов . . ..23
Список литературы .. . .26
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
QB – производительность вагранки тч;
DB – диаметр шахты вагранки в плавильном поясе м;
FB – площадь поперечного сечения вагранки в плавильном поясе м2;
FФ FФ.Н. FФ.В. – сумма площадей сечения всех фурм (общая нижнего и верхнего рядов) м2;
N – количество фурм в ряду штук;
fФ.Н. fФ.В. – площадь сечения одной фурмы нижнего и верхнего ряда м2;
dф aф bф – диаметр фурмы круглого сечения или ширина и высота фурмы прямоугольного сечения м;
FФ.П. FФ.П.Н. FФ.П.В. – площадь сечения общего фурменного пояса фурменных поясов верхних и нижних рядов фурм м2;
НФ.П. – рекомендуемая высота фурменного пояса м;
ВФ.П.Н. ВФ.П.В. – ширина фурменного пояса верхнего и нижнего ряда м;
DК – диаметр корпуса вагранки м;
фут ст.к. – толщина огнеупорной футеровки стенки корпуса вагранки м;
заз – зазор между корпусом вагранки и фурменным поясом м;
D1 D2 D3 – внутренние и наружные диаметры футерованных поясов нижнего и верхнего рядов м;
Qвозд Qвозд.в.ф. Qвозд.н.ф. – общий расход воздуха на вагранку расход воздуха через фурменные пояса для нижних и верхних фурм мч;
Wф.п.н. Wф.п.в. – объемы фурменных поясов нижнего и верхнего рядов м3;
Fкл.н.ф. Fкл.в.ф. – общая площадь сечения предохранительных клапанов для нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
fкл.н.ф. fкл.в.ф. – площадь сечения одного предохранительного клапана для нижнего и верхнего фурменных поясов м2;
dкл.н.ф. dкл.в.ф. – диаметры предохранительных клапанов для нижнего и верхнего фурменных поясов м;
Gкл.н.ф. Gкл.в.ф. – масса грузов предохранительных клапанов включая массу колпаков для нижнего и верхнего фурменных поясов кг;
dоб.в. dвозд.н.ф. dвозд.в.ф. dвозд.ф.н.р. dвозд.ф.в.р. – диаметры воздуховодов: общего (от воздуходувки до развилки) нижнего и верхнего (от развилки до фурменного пояса) и для каждой фурмы верхнего и нижнего рядов м;
hг hф hх.к. hпол Hв – высота горна расстояние между рядами фурм высота холостой колоши кокса полезная высота вагранки и общая высота вагранки м.
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ВАГРАНОК СО ВТОРИЧНЫМ ДУТЬЕМ
Цель и задачи проектирования и расчета вагранок
С целью обеспечения стабильного процесса выплавки чугуна в вагранке на базе нормализации дутьевого режима в настоящее время рекомендуется использовать вагранки со вторичным дутьем (с двумя рядами фурм) (рис. 1). Такие вагранки обеспечивают повышение температуры чугуна на выпуске на 30 – 50 % С без изменения расхода кокса или снижение расхода кокса на 10 – 20 % без повышения температуры чугуна на выпуске а так же быстрый вывод вагранки на устойчивый температурный режим с повышением производительности снижение в 2 – 4 раза выбросов СО в атмосферу (улучшение экологической обстановки).
Преимущества вагранок со вторичным дутьем обеспечиваются из счет принудительной подачи дутья в каждый ряд фурм из отдельного фурменного пояса с распределением количества воздуха между нижним и верхним рядами фурм в соотношении 60 ÷ 40 или 50 ÷ 50%.
Основное количество теплоты необходимое для нагрева расплавления и перегрева металлической шихты в коксовых вагранках выделяется за счет реакции окисления (горения) углерода кокса и дожигания угарного газа СО. Доля теплоты за счет этих реакций составляет 85 – 95 % от общего количества теплоты остальное количество теплоты выделяется при окислении серы кокса угара кремния марганца и железа.
Реакции окисления кокса и СО а также восстановления СО2 до СО описываются следующими уравнениями с сопутствующими им тепловыми эффектами:
С + О2 = СО2 + q1q1 = 34000 кДжкг; (1)
С + 05 О2 = СО + q2 q2 = 10300 кДжкг. (2)
Образовавшийся углекислый газ СО2 проходя через холостую коксовую колошу вступает в контакт с раскаленным коксом (точнее с углеродом кокса) и восстанавливается до СО по реакции
СО2 + С = 2СО – q3 q3 = 13500 кДжкг (3)
т. е. эта реакция идет с поглощением тепла.
Образовавшийся угарный газ СО по реакциям (2) и (3) при наличии избыточного кислорода в том числе за счет вторичного дутья в двухрядных вагранках снова окисляется с выделением тепла компенсируя тем самым потери по реакции (3).
СО + 05 О2 = СО2 + q4q4 = 12700 кДжкг. (4)
Суммарный тепловой баланс горения углерода позволяет снизить расход кокса или повысить температуру перегрева чугуна (температуру чугуна на выпуске).
При окислении (горении) серы кокса также выделяется теплота с образованием сернистого газа
S + O2 = SO2 + q5 q5 = 9150 кДжкг. (5)
Аналогично окисляется кремний марганец и железо. Теплота выделяется и при диссоциации известняка (флюса). Общее количество теплоты от окисления серы кремния марганца железа и диссоциации флюса не превышает 5 – 15 %.
Ниже приводятся исходные данные и методы расчета количества дутья конструктивных параметров решений воздухоподводящей системы (тип воздуходувок воздуховоды фурменные пояса фурмы предохранительные клапаны) для вагранок производительностью 5 тч.
Расчет размеров фурменных поясов (на примере вагранки производительностью 5 тч)
Фурменный пояс должен обеспечить равномерное распределение дутья по фурмам.
Удельный расход воздуха qуд принимаем равным 120 м3(м2*мин). Тогда необходимое количество воздуха составит
Qвозд = qуд × Fв × 60 = 120 × 0.7 × 60 = 4608 м3ч
где Fв = dв24 = 314 × 0924 = 064 м2.
Скорость воздуха в фурменном поясе V2 принимаем равной 3мс. Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит
Fф.п. = Qвозд3600 × V2 = 46083600 × 3 = 0.43 м2.
Отношение площадей сечения нижнего и верхнего рядов фурм принимаем равным 60 : 40 тогда
Fф.п.н. = Fф.п. × 06 = 043 × 06 = 026 м2
Fф.п.в. = Fф.п. × 04 = 043 × 04 = 017 м2.
Нф.п. принимаем равной 800 мм = 08 м. Тогда ширина фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит
Вф.п.н. = Fф.п.н.Нф.п. = 02608 = 0325 м = 325 мм а для верхнего ряда фурм
Вф.п.в. = Fф.п.в.Нф.п. = 0.1708 = 0213 м = 213 мм.
Размеры фурменных поясов определим исходя из следующих конструктивных решений. Расстояние между рядами фурм (по осям) примем равным 800 мм = 08 м. толщина стенок корпусов фурм и размеры крепежных фланцев выбираем конструктивно обычно толщина стенки фурмы равна 6 – 8 мм выступ фланца равен 12 – 15 мм материал Ст 3.
Примем толщину огнеупорной футеровки равной 295 мм (по размерам шамотного кирпича 65 × 113 × 230 мм). Примем толщину корпуса вагранки равной 12 мм (толщина листовой стали) а зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм примем равным заз = 150 мм (для удобства монтажа) толщину стенок фурменных поясов принимаем равной ст = 4 мм(листовая сталь).
Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит
Dк = Dв + 2фут + 2ст.к = 900 + 2 × 295 + 2 × 12 = 1514 мм = 1514 м.
Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит D1 = Dк + 2заз = 1514 + 2 × 150 = 1814 мм = 1814 м.
Диаметр перегородки разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего рядов или внутренний диаметр фурменного пояса для верхнего ряда фурм составит
D2 = D1 + 2ст + 2Вф.п.в. = 1814 + 2 × 4 + 2 × 213 = 2248 мм = 2248 м.
Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда составит
D3 = D2 + 4ст + 2Вф.п.н. = 2248 + 4 × 4 + 2 × 325 = 2914 мм = 2.914 м.
Учитывая тип фурменных поясов (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и конструктивные особенности примем следующие размеры радиусов R1 и R2 образующие внутренние и наружные поверхности фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего рядов (в свету):
Rвн.ф.в. = D1+ 2ст2 = 1814+2 ×42 = 911 мм = 0911 м.
Rнар.ф.в. = Rвн.ф.в. + Вф.п.в. = 911 + 212 = 1123 мм = 1123 м.
Rвн.ф.в. = Rнар.ф.в. + ст = 1123 + 4 = 1127 мм = 1128 м.
Rнар.ф.н. = Rвн.ф.н. + Вф.п.н. = 1127 + 325 = 1452 мм = 1453 м.
Определим объемы W фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего рядов что необходимо для расчета предохранительных клапанов безопасности.
Wф.п.в. = (Rнар.ф.в.2 - Rвн.ф.в.2) × Нф.п. = 314 (11232 – 09112) × 08 = 108 м3.
Wф.п.н. = (Rнар.ф.н.2 - Rвн.ф.н.2) × Нф.п. = 314 (14522 – 11272) × 08 = 211 м3.
Расчет предохранительных клапанов
Исходя из правил безопасности в газоходах площадь предохранительных клапанов должна составлять 005 м2 на 1 м3 объема камеры. Тогда общая площадь клапанов фурменного пояса для нижнего ряда фурм составит
Fкл.н.ф. = 005 × Wф.п.н. = 005 × 2.11 = 0107 м2
а общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм
Fкл.в.ф. = 005 × Wф.в.п. = 005 × 108 = 0054 м2.
Примем минимальное число клапанов на каждом фурменном поясе равным 6. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:
fкл.н.ф. = Fкл.н.ф. 6= 01076 = 00178 м2 и fкл.в.ф. = Fкл.в.ф. 6= 00546 = 0009 м2.
Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету или диаметры проходных отверстий клапанов составят
dкл.н.ф. = 4fкл.н.ф. = 4 × 00178314 = 015 м = 150 мм.
dкл.в.ф. = 4fкл.в.ф. = 4 × 0009314 = 0107 м = 107 мм.
В общем виде клапан должен вписываться в ширину фурменного пояса с монтажным зазором не менее 30 мм с каждой стороны. Сопоставим диаметры клапанов с шириной соответствующих фурменных поясов: для вагранки производительностью 5 тч Вф.п.н. = 350 мм Вф.п.в. = 240 мм. Следовательно диаметры клапанов фурменных поясов меньше ширины фурменных поясов. Установка клапанов не вызовет затруднений.
Исходя из необходимого количества воздуха поступающего в вагранку по данному расчету Qвозд = 4608 м3ч с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В2М 101250 обеспечивающую производительность 10000 м3ч и давление 12500 Па или 1250 мм вод. ст. или 0125 кг*ссм2.
Определим массу груза включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии исходя из максимального давления развиваемого воздуходувкой:
Gкл.н.ф. = fкл.н.ф. × Рвозд.max ×104 = 00178 × 0125 × 104 = 222 кг
Gкл.в.ф. = fкл.в.ф. × Рвозд.max ×104 = 0009 × 0125 × 104 = 1125 кг.
Если масса одного груза превышает допустимые значения по условиям техники безопасности и охраны труда то следует увеличить число клапанов и произвести перерасчет (рекомендуется массу клапана иметь на уровне 10 – 20 кг каждый).
Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов)
Определим площадь общего воздуховода (от воздуходувки до «развилки» на воздуховоды для нижнего и верхнего фурменных поясов). Для расчета примем расход воздуха поступающего в вагранку равным 4608 м3ч. Принимаем скорость воздуха в общем воздуховоде равной 10 мс (V1). Из выражения Qвозд = V1 × Fобщ.возд. × 3600 находим площадь сечения общего воздуховода Fобщ.возд. = Qвозд.3600 × V1 = 46083600 × 10 = 013 м2.
Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит dобщ.возд. =4Fобщ.возд. = 4 × 013314 = 0404 м = 404 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 10704 – 91 выбираем ближайшую по размерам трубу в данном случае трубу с внутренним диаметром 426 мм и толщиной стенки 5 мм у которой наружный диаметр равен 426 + 2 × 5 = 436 мм.
Исходя из принятого соотношения расхода воздуха между нижним и верхним рядами фурм (60 : 40) определяем расход воздуха через все фурмы нижнего и верхнего рядов соответственно:
Qвоз.н.ф. = 06 × Qвоз = 06 × 4608 = 2764 м3ч.
Qвоз.в.ф. = 04 × Qвоз = 04 × 4608 = 1843 м3ч.
Максимально допустимую скорость воздуха в воздуходувках для нижнего и верхнего фурменных поясов V1 выбираем равной 15 мс т.е. для участков воздуховодов от «развилки» до соответствующих фурменных поясов. Тогда аналогично расчету размеров общего воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:
Fвозд.н.ф. = Qвозд.н.ф.3600 × V1 = 27643600 × 15 = 0051 м2
Fвозд.в.ф. = Qвозд.в.ф.3600 × V1 = 18433600 × 15 = 0034 м2.
Тогда наружный диаметр воздуховода для нижнего и верхнего рядов фурм составит соответственно 267 мм и 217 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТу находим ближайшие по размерам трубы: для воздуховода нижнего фурменного пояса выбираем трубу с внутренним диаметром 315 мм и толщиной стенки 5 мм ее наружный диаметр равен 315 + 2 × 5 = 325 мм. Аналогично для воздуховода верхнего фурменного пояса выбираем трубу с внутренним диаметром 234 мм и толщиной стенки 5 мм ее наружный диаметр составит 244 мм. Для обеспечения равномерного распределения дутья рекомендуется воздуховоды подводить к фурменным поясам тангенциально.
Количество фурм принимаем равным 6 (для вагранки производительностью 5 тч). Количество фурм в каждом ряду должно обеспечить равномерное распределение дутья по периметру вагранки. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посередине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние между рядами фурм по их осям принимаем 800 мм.
Определим размеры воздуходувов или патрубков для каждой фурмы нижнего и верхнего рядов на участках от соответствующего фурменного пояса до фурм. Площади поперечного сечения этих патрубков и их диаметры по свету определим по расходу дутья через каждую фурму а именно:
qн.р. = Qвозд.н.р.N = 27646 = 461 м3ч
qв.р. = Qвозд.в.р.N = 18436 = 307 м3ч.
Скорость воздуха при входе в вагранку должна быть не менее 15 мс с целью обеспечения проникновения струи по всему сечению вагранки.
При применении фурм крутого сечения площади и диаметры их определяются аналогично расчету диаметров воздуховодов а именно:
fн.р. = qн.р.3600 × Vф = 4613600 × 15 = 00085 м2
fв.р. = qв.р.3600 × Vф = 3073600 × 15 = 00056 м2.
Соответственно диаметры фурм составят:
dн.р. =4fн.р. = 4 × 00085314 = 0104 м = 104 мм
dв.р. =4fв.р. = 4 × 00056314 = 0085 м = 85 мм.
Из сортамента стандартных труб по ГОСТу выбираем ближайшие по размеру трубы а именно для данного расчета для фурм нижнего ряда выбираем трубу с наружным диаметром 114 мм и толщиной стенки 5 мм т.е. с внутренним диаметром 104 мм. Для фурм верхнего ряда трубу с наружным диаметром 89 мм и толщиной стенки 5 мм т.е. с внутренним диаметром 79 мм.
При применении фурм прямоугольного сечения чаще всего высоту фурм принимают равной высоте огнеупорного кирпича а именно hф = 65 мм тогда ширина фурм нижнего и верхнего ряда соответственно составит:
aн.р. = fн.р. hф = 000850065 = 0131 м = 131 мм
aв.р. = fв.р. hф = 000560065 = 0088 м = 88 мм.
Площадь шахты вагранки составляет
Fв= × DВ24 = 314 × 0924 = 064 м2.
Исходя из требований заказчика принимаем максимальную массу отливки mmax = 1 т. тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью QB= 5 тч составит n = QBmmax = 51 = 5 выпусков в час.
Определим высоту горна по формуле
hГ = WГ × QB n × FB + 0.12
где WГ – объем горна на 1 т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем кокса обычно принимается WГ = 033 м3т;
2 – расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью нижнего ряда фурм м.
Отсюда hГ = 5 ×0335 ×064 + 012 = 0519 м 05 м.
При применении двойного (вторичного) дутья производительность вагранок выше чем у обычных поэтому принимаем hГ = 06 м = 600 мм. При этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины. Определим фактический объем горна:
WГ. факт = hГ× FB1000 = 064 ×600 1000 = 0382 м3.
Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия hл.ф. = 75 мм диаметр шлаковой летки 40 мм а наклон нижних фурм к горизонту 10.
Расчет холостой коксовой калоши
Исходя из опыта эксплуатации вагранок с двухрядным фурменным поясом и вторичным дутьем принимаем расстояние между рядами фурм по их осям hф = 08 м = 800 мм а высоту кокса холостой колоши над верхним рядом фурм hв = 04 м = 400 мм.
Общая высота холостой коксовой колоши составит
hх.к. = hГ + hф + hв = 0.6 + 0.8 + 0.4 = 1.7 м = 1800 мм.
Объем холостой коксовой колоши составит
Wх.к. = FB×hх.к. = 064 × 18= 1145 м3.
Определим массу кокса в холостой колоше
mх.к. = Wх.к.×γк. = 1145 × 450 = 515 кг
где γк. - объемная плотность кокса кгм3 (γк. = 450 кгм3).
Расчет рабочей коксовой колоши
Исходя из опыта работы вагранок обычно принимают высоту рабочей колоши кокса hр.к = 015 ÷ 02 м. для расчета принимаем максимальную высоту равную 02 м. Тогда объем рабочей колоши составит
Wр.к. = FB×hр.к. = 064 × 02 = 013 м3
а масса кокса в рабочей колоше равна
mр.к. = Wр.к.×γк. = 013 × 450 = 57 кг.
Расчет металлической колоши
Из практики известно что масса металлической колоши обычно составляет 8 – 10 % от часовой производительности вагранки т.е. для вагранки производительностью 5 тч (5000 кгч)
mм.к. = (008 . 010) × QB = (008 . 010) × 5000 = 400 .500 кг.
Для расчета принимаем максимальную массу mм.к. = 500 кг. Тогда объем металлической колоши составит
Wм.к. = mм.к.γм.к. = 500 2500 = 02 м3
где γм.к. - объемная плотность металлической шихты равная 2500 кгм3.
Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош
Определим полезную высоту для вагранки производительностью 5 тч hпол=5 × DB = 5 × 09 = 45 м
Примем в нашем случае hпол= 4500 мм помня что полезная высота вагранки определяется как расстояние от оси нижнего ряда фурм до нижнего среза завалочного окна. Тогда общая высота шахты вагранки (без учета высоты опорной части узла загрузки и трубы с искрогасителем или пылеосадителем) составит
HВ = hг + hпол= 06 + 45 = 51 м
Общий объем шахты вагранки составит (для QВ = 5тч)
WB = FB × HB = 064× 51 = 32 м3
Определим количество металлических и топливных колош вмещающихся в шахту вагранки исходя из соотношения
n = WB - Wг.Wр.к. + Wр.м. + Wф.л. = 62
где Wр.к. Wр.м. Wф.л.- объемы рабочих колош кокса металлической шихты и флюса (известняка).
Обычно mф.л. составляет от 3 до 5% от массы рабочей колоши кокса или mф.л. = (003 005) × Wм.к. × γм.к. = (003 005) × 2500 × 02 = 15 ÷ 25 кг а
Wф.л. = mф.л.γф.л. = 201800 = 0011 м3
где γф.л. объемная масса известняка (γф.л.= 1600-2000 кгм). Часто из-за незначительной величины объема флюса им пренебрегают тогда n= = WB - Wг.Wр.к. + Wр.м. = 6 принимаем n = 6.
Расчет массы загружаемых материалов
Масса рабочих колош кокса вмещающихся в шахту составит
mр.к. = n × mр.к. = 6 × 57 = 343 кг.
Масса металлической шихты составит
mм.к. = n × mм.к. = 6 × 500 = 3000 кг.
Масса флюса (известняка) составит
mф.л. = n × 12 = 6 × 12 = 72 кг.
Массу известняка можно определить исходя из опыта эксплуатации вагранок приняв расход известняка равным 35-45 кг на 1 т металлической завалки. Тогда mф.л.=40 ×45=180 кг.
Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей массой
m = mр.к. + mм.к. + mф.л. + mх.к. = 343 + 3000 + 72 + 515 = 3930 кг.
Расчет необходимого давления воздуходувок
Необходимое давление в фурмах определяется по формуле
ΔР = Vвоз 2×(hпол+ 0.25DB)А
где Vвоз - средняя скорость воздуха в вагранке равная по величине удельному расходу воздуха на 1м2 поперечного сечения в минуту qyд ммин;
hпол — полезная высота вагранки по расчету м;
А - эмпирический коэффициент равный 100 при нормальной шихте по размерам кусков; при мелком коксе например этот коэффициент уменьшается.
Для вагранки производительностью 5 тч имеем (при принятой hпол = 45 м)
ΔР = 1202×(45+025 ×09)100 = 7128 мм рт ст
Обычно давление воздуха в вагранках производительностью 5 тч колеблется в пределах 300-500 мм вод. ст. Выбранная по требуемому расходу воздуха воздуходувка B2M101250 развивает давление 12500Па (1250мм вод. ст.).
Рассчитанное давление ΔР учитывает только сопротивление столба шихты в самой вагранке. Для более точного выбора типа воздуходувки необходимо добавить к ΔР сопротивление в системе воздуховодов: от воздуходувки до фурм (порядка 150-200 мм вод. ст. в зависимости от поворотов расширений сужений системы подвода дутья) а также сопротивление мокрого пылеосадителя ~ 200 мм вод. ст.
Таким образом суммарное сопротивление составит:
Р = ΔР + Рвоздухов. + Рмокр.пылеос. = 10628 мм вод. ст.
Такое давление обеспечивается воздуходувкой типа В2М11250.
Выбор воздуходувки производится по необходимому количеству дутья Qвозд. (производительность воздуходувки регулируется установленным на ней шибером на входе воздуха из окружающей среды) и суммарному сопротивлению P (давление развиваемое воздуходувкой не регулируется и должно быть не менее Р).
Размеры огнеупорной кладки
Размеры огнеупорной кладки шахты вагранки и подины определяются в основном размерами огнеупорных кирпичей порядком их расположения при кладке и количеством рядов. Для приближенных расчетов принимается толщина подины над подовой плитой в пределах 250 - 400 мм (в зависимости от производительности вагранки) а футеровку шахты производят в 2 слоя кирпичей с общей толщиной равной двойной ширине огнеупорных изделий по ГОСТ 3272 - 71 или на одну ширину и ребро (стандартный размер огнеупорного кирпича 65 × 113 × 230 мм).
ТИПОВОЙ ПРИМЕР РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ
Задание: Рассчитать материальный и тепловой балансы выплавки в вагранке чугуна марки СЧ15.
Исходные данные. Химический состав чугуна по ГОСТ 1412—85 принимается средним %: С = 36; S Мп = 065; Р 02; S 0 остальное Fe = 100 - (С + Si + Мп + Р + S) = 932
Химический состав кокса %: СР = 85; Н2Р - 04; 02Р = 05; N2P = 10;
Sp = 006; влажность W = 30%; зольность Ар = 96%.
Принимаем угар У (-) и пригар П (+) элементов %: S Мп = -20; Fe = -05; С = +20; S = +50.
Расчет ведем для вагранки производительностью 5 тч. Температура подогрева дутья 500°С; чугуна на выпуске 1400°С; шлака 1350°С.
1. Материальный баланс (на 100 кг шихты)
1.1. Статьи прихода
Шихта. Принимаем количество металлической шихты ттш = 100 кг. В процессе плавки весь углерод сера и фосфор из шихты полностью переходят в выплавляемый чугун. Часть кремния за счет угара (15%) переходит в шлак: Siшл = Siчуг × У = 22 × 015 = 033 кг.
Остальное количество кремния остается в чугуне т.е. 22 - 033=187 кг. В шлак переходят 20% Мп (угар): 065 × 02 = 013 кг остается в чугуне 065 - 013 = 052 кг; 05% Fe (угар): 932 × 0005 = 047 кг остается в чугуне 932 - 047 = 927 кг.
Для окисления этих элементов определим количество необходимого кислорода (по соответствующим реакциям) с учетом молекулярных весов (Si = 28 О = 16 Mn = 56 Fe = 55):
S O2 Si = 033 × 3228 = 0377кг
Мn + 05 × О2 = МnО; О2 Мn = 012 × 1656=0034кг;
Fe + 05 × О2 = O2 Fe = 047 × 1655 = 0137кг.
Так как кислород поступает с дутьем из воздуха то одновременно поступает и азот количество которого определяется исходя из того что воздух содержит 21% 02 и 79% N2 (по объему) или 232% 02 и 768% N2 (по массе). Расчет количества азота осуществляем по формулам для каждой реакции:
N2 Mn = 0034 × 768232 = 0113 кг;
N2 Fe = 0137 × 768232 = 0454 кг;
где 0377; 0034 и 0137 — количество кислорода необходимое для окисления Si Мп и Fe.
Перейдет в шлак кремния в виде S
марганца в виде МnО: 013 × 7256 = 0167 кг;
железа в виде FeO: 047 × 7155 = 0607 кг
где 033; 013 и 047 - количества соответствующих элементов переходящих в шлак за счет угара (Siшл Мnшл и FeOшл).
Кокс. Учитывая подогрев дутья до 500°С принимаем расход кокса 10% от массы шихты т.е. mк = 015 × mших = 015 × 100 = 15кг. При плавке 15% углерода кокса переходит в жидкий металл (пригар) т.е. 36 × 015 = 072 кг где 36 - среднее содержание углерода в заданной марке чугуна. В процессе горения будет участвовать углерод кокса за вычетом пригара т.е. 1275 - 072 = 1224 кг где 1275 кг - содержание углерода в 10кг кокса при Ср = 85%.
Принимаем что в процессе горения образуются 80% СО2 и 20% СО (отношение СО2: СО = 80:20) т.е. для образования СО2 и СО расходуются по 102 кг углерода и 255 кг кокса соответственно. При других значениях отношения СО2 : СО расход углерода кокса определяется в соответствии с этим отношением.
Для горения углерода кокса до СО2 потребуется кислорода:
С + О2 = СО2;О2 СО2 = 102 × 3212 = 272 кг. С этим кислородом воздух внесет азот в количестве 272 × 768232 = 9004 кг. При этом образуется СО2 в количестве 102 × 4412 = 374 кг.
Для горения углерода кокса до СО потребуется кислорода:
С + 05 × О2 = СО; О2 СО = 102 × 1612 = 136 кг. При этом вносится азот в количестве 136 × 768232 = 4502 кг и образуется СО в количестве 102 × 2812 = 238 кг.
Часть серы кокса переходит в жидкий чугун (примем пригар серы 50% при ее содержании в коксе 006%) т.е. 006 × 05 = 003 кг. Остальная сера (006 -003 = 003 кг) горит с образованием SO2 по реакции S + O2 = SO2 для которой потребуется кислорода 003 × 3232 = 003 кг. При этом воздухом дутья вносится азот в количестве 003 × 768232 = 0099 кг при этом образуется SO2 в количестве 003 × 6432 = 006 кг.
Горение водорода кокса (на 15 кг кокса при содержании в нем 06% Н2 сгорает 06 × 01 = 006 кг Н2) потребует кислорода по реакции Н2 + 05О2 = Н2 О 006 × 162 = 032 кг; при этом воздухом дутья будет внесено азота в количестве 005 × 768232 = 106 кг; образуется Н2О в количестве 006 × 182 = 054 кг.
Необходимо вычесть количество кислорода (005 кг) содержащееся в коксе (на 15 кг кокса) и соответствующее количество азота (768 × 005232 = 017 кг).
Влага и зола кокса вносятся полностью: зола - в шлак а влага - в газы: Wp = 03 кг и Ар = 096 кг.
Известняк (флюс). Принимаем расход известняка 3% от массы металлической шихты т.е. mизв = 3кг. При нагреве известняк разлагается (диссоциирует) по реакции СаСОз = СаО + СО2. Из 3 кг известняка образуется: СаО = 3 × 56100 = 168 кг; СО2 = 3 × 44100 = 132 кг.
Расход дутьевого воздуха. Количество воздуха определяется суммированием кислорода и азота необходимого и внесенного при окислении элементов. Оно равно с учетом вычитания 005 кг О2 и 017 кг N2 mвозд = 70910 кг.
Разгар футеровки. Принимаем величину разгара футеровки в количестве 15 кг на 100 кг шихты т.е. mфут = 15 кг.
Итого статьи прихода:
mприх = mших + mк + mизв + mвозд + mфут = 100 + 15 + 3 + 7091 + 1 = 18991 кг.
Выплавленный металл. Из 100кг шихты выплавляется чугуна mмег = 99624 кг (в жидкий металл кроме составляющих шихты переходит пригар: 068 кг углерода кокса и 003 кг серы).
Ваграночные газы. Общее количество образующихся газов составит
mгаз = (CO2 + CO + H2O + SO2 + N2) = 272 + 132 + 14035 + 054 + 030 + 006 + 1248 + 0113+ 0454 + 904 + 1521 + 4502 + 106 - 017 + 01+ 0099 = 1833кг.
Шлак. Шлак образуется из золы кокса известняка футеровки и оксидов кремния марганца и железа. Общее количество шлака составит mшл = 0707 + 0167 + 0607 + 168 + 096 + 15 = 5621 кг.
Итого статьи расхода: mрасх = mмет + mгаз + mшл = 99624 + 1833+ 5621 = 288545кг.
Исходные данные для расчета конструктивных параметров вагранок материального и теплового балансов
Производительность – 5 тч;
Диаметр вагранки – 900 мм;
Распределение дутья по рядам – 60 : 40;
Удельный расход дутья – 120 м3м2мин;
Марка выплавляемого чугуна – СЧ15;
Пригар элементов: С 20% S
Отношение СО2 : СО – 80 : 20%;
Содержание в отходящих газах:
Долотов Б. П. Кондаков Е. А. Печи и сушила литейного производства: Учеб. для металлургических техникумов. 3-е изд. перераб. и допол.М.: Машиностроение 1990 г.
Задания и методические указания для выполнения курсового и дипломного проектов « Расчет конструктивных параметров материального и теплового балансов вагранок со вторичным дутьем». Екатеринбург. РГППУ2005.32 с.
Поль В. Б. Чуркин Б. С. Гофман Э. Б. Технология производства чугуна для отливок: Уч. пособие под ред. Чуркина Б. С. Екатеринбург. РГППУ 2007 г.