Способ плавки материала в вагранке

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к литейному производству. Способ включает сжигание топлива, нагрев и плавку материала поступающими в шахту продуктами сгорания топлива. Продукты сгорания топлива подают к нагреваемому материалу попеременно, то увеличивая, то уменьшая расход в пределах 2-60 процентов от средней величины расхода с частотой изменения этого расхода 3-120 колебаний в минуту. Причем чем меньше величина изменения расхода продуктов сгорания топлива, тем больше частота колебаний расхода этих продуктов во времени. Использование изобретения позволяет увеличить производительность вагранки, повысить температуру получаемого жидкого материала. 1 табл.

 

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть использован в литейном производстве при плавке материала в вагранке.

Известен способ плавки чугуна в вагранке, согласно которому в шахту загружают твердое топливо - кокс, разжигают кокс, создают холостую колошу, продувают ее воздухом, доводят температуру в холостой колоше до 1700°С и выше, на разогретую холостую колошу заваливают шихту, подают в фурмы воздух до 1000 м³ при нормальных условиях из расчета получения 1 тонны жидкого чугуна при стабильной, постоянной подаче воздуха на сжигание топлива, плавят чугун, выпускают его из вагранки и используют для заливки форм. При этом способе плавки образуются продукты сгорания топлива прямо пропорционально количеству вдуваемого воздуха, причем продукты сгорания движутся в шахте между кусками шихты по пути наименьшего сопротивления преимущественно у стенок шахты (Ладыженский Б.Н., Орешкин В.Д., Сухарук Ю.С. Литейное производство. Под ред. к.т.н. В.Д.Орешкина. - М. - Свердловск, 1953, стр.92-97; Леви Л.И., Мариенбах Л.М. Основы теории металлургических процессов и технология плавки литейных сплавов. - М.: Машиностроение, 1970, стр.171-182; Литейное производство. Под ред. И.Б.Куманина. - М.: Машиностроение, 1971, стр.226-234; Баринов Н.А. Водоохлаждаемые вагранки и их металлургические возможности. - М.: Машиностроение, 1964, стр.22-38.). Недостатком известного способа является неэффективное использование тепла продуктов сгорания топлива, преимущественное движение газов у стенок шахты, оплавление огнеупорной футеровки шахты, необходимость применения водяного охлаждения шахты, что приводит к увеличению тепловых потерь и снижению термического коэффициента полезного действия плавильного агрегата.

Известны способы плавки материала в коксовых и газовых вагранках с оптимальной формой шахты типа доменной (Грачев В.А., Черный А.А. Современные методы плавки чугуна. - Саратов: Приволжское книжное издательство, 1973, стр.26-31; Опыт плавки чугуна в газовой вагранке / Е.Д.Сосновский, Н.А.Горелов, В.Н.Моргунов, В.П.Гуськов // Литейное производство, 1996, №5, стр.9-10; Черный А.А. Газовая вагранка. Авторское свидетельство СССР №873739, Кл.³ F27B 1/08). В этих вагранках изменение формы шахты с цилиндрической на более сложную, типа доменной, позволяет улучшить распределение горячих продуктов сгорания по сечениям шахты, сделать более равномерным движение горячих газов, повысить производительность плавильных агрегатов, но эффективность работы этих агрегатов уменьшается по мере увеличения диаметров шахты.

Техническим результатом предлагаемого способа является достижение многократного перераспределения горячих газов в шахте вагранки, интенсификации турбулизации газовых потоков в слоях нагреваемого материала, улучшение теплопередачи от горячих газов шихте, уменьшение тепловых потерь, увеличение производительности вагранки, повышение температуры получаемого жидкого материала, экономия топлива, повышение термического коэффициента полезного действия теплового агрегата.

Сущность предлагаемого способа плавки материала в вагранке заключается в том, что сжигают топливо, нагревают и плавят материал поступающими в шахту продуктами сгорания, но в отличие от известных способов, продукты сгорания топлива подают к нагреваемому материалу попеременно, то увеличивая, то уменьшая расход в пределах 2-60 процентов от средней величины расхода с частотой изменения этого расхода 3-120 колебаний в минуту, причем, чем меньше величина изменения расхода продуктов сгорания, тем больше частота колебаний расхода этих продуктов во времени.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет достигать многократного перераспределения горячих газов в шахте вагранки, интенсифицировать турбулизацию газовых потоков в слоях нагреваемого материала, улучшить теплопередачу от горячих газов шихте, уменьшить тепловые потери, увеличить термический коэффициент полезного действия (кпд), повысить производительность теплового агрегата, уменьшить расход топлива на 1 тонну получаемого жидкого материала.

Способ осуществляется следующим образом. Продуктами сгорания топлива нагревают материалы (куски) холостой колоши в шахтной печи, повышая постепенно температуру до 1650-1700°С. Затем загружают шихту, устанавливают средний расход продуктов сгорания, исходя из требуемой производительности плавильного агрегата. После стабилизации процесса плавки и выпуска жидкого материала с требуемой температурой подают продукты сгорания к нагреваемому материалу в шахте попеременно, то увеличивая, то уменьшая расход R в пределах 2-60 процентов от средней величины расхода с частотой N изменения этого расхода 3-120 колебаний в минуту. Чем меньше величина изменения расхода продуктов сгорания, тем больше может быть частота колебаний расхода этих продуктов во времени. Расход продуктов сгорания определяют по расходу воздуха, подаваемого на сжигание топлива. При изменениях расхода продуктов сгорания и прочих одинаковых условиях изменяется глубина проникновения струй газа в шахте, перераспределяются газовые потоки, турбулизируются горячие газы у нагреваемого материала, интенсифицируется теплопередача, достигается экономичность процесса плавки. При R<2 резко уменьшается турбулизация в слоях шихты, а при R>60 нарушаются процессы дожигания газов. При N<3 не наблюдается улучшение процессов теплопередачи, а при N>120 происходит интенсивная вибрация теплового агрегата. Оптимальные величины находятся в пределах 2≤R≤60, 3≤N≤120. При плавке чугуна в коксовых вагранках изменение величины R, N в оптимальных пределах приводит к увеличению производительности плавильного агрегата, уменьшению расхода топлива, повышению термического кпд, а при плавке в газовых вагранках достигаются уменьшение расхода природного газа, повышение кпд, снижение угара элементов в чугуне.

Поскольку расход продуктов горения прямо пропорционален расходу воздуха, подаваемого на сжигание топлива, то изменениям подвергается расход воздуха путем автоматического регулирования. При использовании твердого топлива в вагранках кислород подаваемого в холостую колошу воздуха окисляет углерод, образуются преимущественно горячие оксиды углерода, нагревается поступавший с воздухом азот, и эти горячие газообразные продукты, омывая загруженную в шахту шихту, нагревают, плавят и перегревают материал. Изменение указанных расходов приводит к изменению глубины проникновения горячих газов в холостой колоше, перераспределению потоков в шахте, интенсификации теплопередачи. Это же происходит и в газовой вагранке с холостой колошей. Но при газовой плавке материала топливом преимущественно являются газообразные углеводороды (природный газ), и для достижения положительного эффекта при изменениях расходов воздуха необходимо изменять расход горючего газа, выдерживая оптимальную величину коэффициента расхода воздуха, при этом прямо пропорционально расходам воздуха и газа изменяются расходы продуктов сгорания, проходящих через холостую колошу и слои шихты в шахте.

Эффективность предлагаемого способа повышается с увеличением диаметров шахты вагранки, так как в таких вагранках глубже по направлению от стенок шахты проникают горячие газы в кусковые материалы, больше шихты смывается горячими продуктами сгорания.

Испытания проводились при плавке чугуна в универсальной вагранке с шахтой типа доменной. Эта вагранка могла работать на твердом или газообразном топливе.

Пример осуществления способа.

Производили плавку чугуна в вагранке, производительность которой выдерживали в обычных условиях производственного процесса 7 тонн жидкого чугуна в час. Средний расход воздуха в коксовом и в газовом вариантах работы вагранки был 7000 м³ в час в расчете на нормальные условия. При газовой плавке чугуна средний расход природного газа был 700 м³/ч для нормальных условий. Эксперименты проводили при величинах 1,7≤R≤62, 2,7≤N≤123.

Полученные результаты приведены в таблице. В таблице при применении предложенного способа по сравнению с известным способом Q - увеличение производительности вагранки, раз; ΔT - повышение температуры получаемого жидкого чугуна, град.; G - экономия топлива на 1 тонну полученного жидкого чугуна, %; D - повышение термического коэффициента полезного действия вагранки, раз.

Таблица
Факторы R; N	Показатели процесса плавки чугуна предлагаемым способом по сравнению с известным
	Плавка на твердом топливе	Плавка на газообразном топливе
Q, раз	ΔТ, град	G, %	D, раз	Q, раз	ΔТ, град	G, %	D, раз
R=2; N=3	1,025	10	1,04	1,02	1,03	15	1,035	1,025
R=2; N=60	1,1	15	1,06	1,07	1,09	20	1,1	1,09
R=2; N=120	1,15	20	1,07	1,1	1,13	25	1,15	1,11
R=30; N=3	1,21	25	1,09	1,2	1,25	25	1,3	1,21
R=30; N=60	1,25	30	1,15	1,25	1,27	35	1,32	1,27
R=30; N=120	1,17	20	1,14	1,07	1,18	20	1,25	1,09
R=60; N=3	1,28	25	1,16	1,27	1,29	35	1,33	1,28
R=60; N=60	1,11	20	1,08	1,12	1,1	25	1,11	1,11
R=60; N=120	1,02	10	1,05	1,03	1,04	10	1,05	1,04
R=1,7; N=2,7	экономическая эффективность не достигается, показатели такие же, как и при применении известного способа
R=1,7; N=123	экономическая эффективность не достигается, происходит вибрация кожуха вагранки
R=62; N=2,7	экономическая эффективность не достигается, показатели резко не увеличиваются
R=62; N=123	экономическая эффективность не достигается, происходит вибрация кожуха вагранки

В оптимальных пределах величин 2≤R≤60; 3≤N≤120 достигается эффективность, так как при плавке чугуна в вагранке на твердом топливе Q=1,02-1,28; ΔT=10-30; G=1,04-1,15; D=1,02-1,27, а при плавке на газообразном топливе Q=1,03-1,29; ΔT=10-35; G=1,035-1,33; D=1,025-1,28, то есть выше, чем при известном способе плавки. Рационально увеличивать N по мере уменьшения R.

При использовании предлагаемого способа уменьшаются потери металла в связи с окислением, ускоряются процессы горения топлива и дожигания горючих компонентов продуктов сгорания, устраняется зависание шихты в шахте вагранки.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств, его можно применять не только в литейном производстве, но и при нагреве, и обжиге, и плавке металлических и неметаллических материалов в шахтных печах металлургической промышленности и строительной индустрии.

Способ плавки материала в вагранке, включающий сжигание топлива, нагрев и плавку материала поступающими в шахту продуктами сгорания топлива, отличающийся тем, что продукты сгорания топлива подают к нагреваемому материалу с попеременным увеличением и уменьшением расхода в пределах 2-60% от средней величины с частотой изменения расхода 3-120 колебаний в минуту, причем меньшая величина изменения расхода продуктов сгорания топлива соответствует большей частоте колебаний расхода этих продуктов.