Рис.29. Разгар футеровки в плавильном поясе коксовой и коксогазовой вагранок:

1 − горелка; 2 − туннель; 3 − водяная рубашка; 4, 5 − соответственно разгар в коксогазовой и коксовой вагранках.

Недостатком коксогазовой вагранки является наличие горелок, требующих обслуживания и частого ремонта футеровки в плавильном поясе. Если в коксовой вагранке разгар футеровки происходит в основном вблизи фурм, то в коксогазовой вагранке футеровка выгорает вблизи фурм и на участке, где установлены горелки (рис.29).

2.10. Расчет вагранки

Материальный баланс вагранки. Для анализа влияния отдельных факторов (качества кокса, нагрева дутья, температуры колошниковых газов и т.д.) на удельный расход кокса и себестоимость жидкого чугуна составляют тепловой баланс вагранки.

Для составления теплового баланса предварительно делают материальный баланс. В материальном балансе устанавливают расход всех материалов и их составных частей, подвергающихся в ходе ваграночного процесса различным превращениям, при которых выделяется или поглощается тепло в вагранке, а также количество и состав продуктов горения.

Баланс обычно составляют на 100 кг шихты, что даст возможность сопоставить работу различных вагранок сравнением их балансов. Рассмотрим порядок составления материального баланса вагранки на 100 кг шихты.

Статьи прихода.

Шихта. Как говорилось выше, эту статью принимают равной 100 кг. Кокс. Его расход определяют по результатам испытаний (для действу-

82

ющей вагранки) или задаются им при проектировании вагранки. Известняк. Его расход определяют так же, как и расход кокса.

Расход дутьевого воздуха определяют на действующей вагранке непосредственным измерением расхода воздуха в воздухопроводе перед вагранкой или расчетным путем по количеству азота в колошниковых газах. Для вновь проектируемой вагранки расход воздуха определяют расчетом горения кокса и окисления элементов.

Разгар футеровки и пригар с литником. Для действующей вагранки составляющие этой статьи определяют по разности расходной и приходной частей баланса.

Статьи расхода.

Выплавленный металл. На действующей вагранке количество выплавленного металла в ковше определяют взвешиванием или по залитым деталям. Для вновь проектируемых вагранок задаются величиной угара таких элементов, как кремний, марганец, железо и величиной пригара для таких элементов, как углерод и сера.

Ваграночные газы. Их количество для действующей вагранки определяют по расходу кокса и известняка и химическому составу колошниковых газов.

По расходу кокса и известняка находят количество углерода в кг, перешедшее в ваграночные газы (на 100 кг шихты)

где − расход кокса, кг; − содержание углерода в 1 кг кокса, кг; − расход известняка, кг;

− содержание СО2 в 1 кг известняка, кг; − атомная масса углерода; − молекулярная масса.

По химическому составу колошниковых газов определяют содержание углерода в 1 м3 колошникового газа в кг/м3

83

, где СО − содержание окиси углерода в колошниковом газе, %;

СО2 − содержание углекислого газа в колошниковом газе, %; 22,4 − объем 1 кмоля.

Общее количество колошниковых газов на 100 кг шихты в м3 Для вновь проектируемой вагранки количество ваграночных .газов

определяют расчетом горения кокса и разложением известняка.

3. Шлак. Для действующей вагранки количество шлака определяют непосредственным измерением; для вновь проектируемой вагранки эту величину находят исходя из окисления элементов, разгара футеровки, количества известняка, золы кокса и др.

На основании данных материального баланса составляют тепловой баланс.

Тепловой баланс вагранки. Рассмотрим порядок составления теплового баланса вагранки на 100 кг шихты.

Приходная часть

1.Теплота сгорания углерода кокса при сгорании в СO2 в кДж

2.Теплота с воздухом в кДж

где − удельная теплоемкость воздуха при , кДж/(м3·°С); − температура воздуха, °С; − объем воздуха, подаваемого в вагранку, м3.

3. Теплота, выделяемая при окислении кремния, в кДж

, где 29400 − коэффициент, показывающий величину теплового эффек-

та реакции горения кремния;

− количество кремния металла, соединившегося с кислородом, кг. 4. Теплота, выделяемая при окислении марганца, в кДж

, − количество марганца металла, соединившегося с кислородом, кг.

84

5. Теплота, выделяемая при окислении железа, в кДж

, где − количество железа металла, соединившегося с кислородом,

кг.

6. Теплота, выделяемая при шлакообразовании, в кДж

,

Расходная часть 1. Расход теплоты на расплавление и перегрев металла в кДж

где − количество жидкого металла, полученное из 100кг шихты, кг; − удельная теплоемкость металла в твердом состоянии, кДж/

(кг·°С);

− скрытая теплота плавления металла, кДж/кг;

− удельная теплоемкость металла в жидком состоянии кДж/(кг·°С); для серого чугуна:

=0,75 кДж/(кг·°С);

210 кДж/(кг·°С);

=0,88 кДк/(кг·°С),

− температура металла на желобе вагранки, °С; − температура плавления металла, °С.

2. Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака в кДж

где − количество жидкого шлака, кг; − температура шлака, °С.

3. Расход теплоты на разложение известняка в кДж

где − количество известняка, кг.

4. Расход теплоты на испарение влаги в кДж

где − количество влаги, кг.

5. Расход теплоты на разложение влаги в кДж

85

6. Физическая теплота ваграночных газов в кДж

где − удельная теплоемкость газов при кДж/(м3·°С); − температура ваграночных газов при их выходе из шихты, °С; − объем ваграночных газов, м3.

7. Расход теплоты с охлаждающей водой в кДж

где − удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·° С); − температура воды после вагранки, °С; − температура воды перед вагранкой, °С; − расход воды, кг.

8. Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода (химическая теплота) в кДж

где − теплота сгорания окиси углерода, кДж/м3; − содержание окиси углерода в ваграночных газах. об. %.

9. Аккумуляция теплоты кладкой и потери теплоты через нее. Эту статью баланса обычно определяют по разности приходной и расходной частей баланса.

На рис.30 показана структура тепловых балансов коксовой вагранки производительностью 5 т/ч серого чугуна при холодном и горячем дутье. Как видно, использование тепла ваграночных газов позволяет значительно увеличить к.п.д. вагранки.

На основании данных, полученных при составлении теплового баланса, можно произвести анализ влияния отдельных факторов (качество кокса, нагрева дутья, охлаждения плавильного пояса и т.д.) на величину удельного расхода кокса и сравнение работы различных вагранок.

86

Рис.30. Тепловой баланс вагранки производительностью 5 т/ч серого, чугуна при холодном (а) и горячем

(б) дутье:

1 − теплота от горения 13% кокса; 2 − теплота от сгорания элементов чугуна;3 − потери через кладку; 4 − теплота, уносимая жидким шлаком; 5 − теп-

лота, уносимая жидким чугуном при 1350С;̊ 6 − ф изическая теплота колошниковых газов; 7 − химическая теплота колошниковых газов; 8 − теплота, вносимая

воздухом (20°С); 9 − теплота от горения 8,5% кокса; 10 − теплота от угара элементов чугуна; 11 − потери через кладку; 12 − теплота, уносимая жидким шлаком; 13 − теплота жидкого чугуна (1400°С); 14 − физическая теплота дымовых газов, выходящих из рекуператора (300°С); 15 − рекуператор; 16 − потеря теплоты в рекуператоре; 17 − теплота, отбираемая в рекуператоре от ваграночных газов: 18 − химическая теплота ваграночных газов; 19 – физическая теплота ваграночных газов; 19 – теплота, вносимая воздухом в ва-

гранку через фурм.

Расчет вагранки. Основные размеры вагранок рассчитывают по эмпирическим формулам, в которых отражен опыт их эксплуатации.

Определяем диаметр вагранки в м

,

где − заданная производительность вагранки, т/ч; − удельная производительность вагранки, т/(м2·ч)

Определяем полезную высоту вагранки, т.е. расстояние от оси основного ряда фурм до порога загрузочного окна, в м

, Общая высота вагранки (без трубы) в м

,

87

где − расстояние от оси основного ряда фурм до пода, м; − расстояние от пода до пола цеха, м.

Величина Н зависит от типа выплавляемого чугуна и производительности вагранки; величина колеблется от 100 (для ковкого чугуна) до 600 мм (для серого чугуна); величину принимают исходя из условий проведения ремонта. Для малых вагранок =1,0 м, для больших =2,0 м.

Определяем высоту горна исходя из количества накапливаемого чугуна и шлака между двумя последовательными выпусками металла и шлака. Если принять, что объем пустот между кусками кокса составляет 50% всего объема горна, то высота горна в м

где − площадь поперечного сечения вагранки, м2; − максимальное количество чугуна и шлака, накапливаемое в горне, т;

− плотность жидкого чугуна и шлака, т/м3;

− минимальное расстояние от наивысшего уровня чугуна до оси шлаковой летки, м;

− расстояние от оси основного ряда фурм до оси шлаковой летки, м. Диаметр металлической летки находят исходя из необходимой скорости истечения жидкого металла, определяемой высотой его уровня в ва-

гранке

− диаметр цилиндрической части металлической летки, мм;

− количество накапливаемого чугуна, т;

− диаметр вагранки, м;

− продолжительность выпуска чугуна, мин.

Диаметр шлаковой летки принимается большим диаметра металлической летки на 30 − 50 мм.

Определяем суммарное сечение фурм основного ряда в м2

88

где − сечение вагранки в свету, м2.

У многорядной вагранки сечение второго и третьего рядов фурм принимают равным 0,025.

Определяем сечение искрогасителя в горизонтальной плоскости в м2. Для того чтобы из газов выпадала пыль, необходимо уменьшить скорость их движения до 1 м/с, при этом

где − коэффициент, учитывающий увеличение объема газов за счет подсоса воздуха через загрузочное окно (=2÷3);

− количество воздуха, подаваемого в вагранку, м3/(м2·мин);

− сечение вагранки, м2;

− коэффициент объемного расширения;

− температура газов в искрогасителе, °С.

Следует отметить, что в искрогасителе осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Мелкие фракции выносятся из искрогасителя с газами.

Определяем диаметр воздуховодов в м

− расход воздуха на вагранку (с учетом потерь в воздухопроводе),

м3/с;

− скорость воздуха в воздухопроводе, м/с (обычно 15 м/с).

Кожух вагранки, подовая плита, колонны и днище рассчитывают обычным путем. Кожух и колонны рассчитывают на продольный изгиб, а подовую плиту и днище − на поперечный изгиб. Колонны воспринимают всю нагрузку от кожуха, футеровки, шихты, искрогасителя, включая ветровую нагрузку.

89