4.Расчет вагранки

4.1РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА 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 материальный и тепловой баланс вагранки.

В материальном балансе устанавливают расход всех материалов и их составных частей, подвергающихся в ходе ваграночного процесса различным превращениям, при которых в вагранке выделяется или поглощается теплота, а также количество и состав продуктов горения.

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

Статьи прихода:

1.Шихта. Эту статью принимают равной 100 кг.

2.Кокс. Его расход определяют по результатам испытаний (для действующей вагранки) или задаются им при проектировании вагранки.

3.Известняк. Его расход определяют так же, как и расход кокса.

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

5.Разгар футеровки. Для действующей вагранки составляющие этой ста-

тьи находят по разности расходной и приходной частей баланса.

Статьи расхода:

1.Выплавленный металл. Его количество определяют взвешиванием выплавленного металла в ковше или по массе залитых деталей. Для вновь проектируемых вагранок задаются количеством угара таких элементов, как кремний, марганец, железо, и количеством пригара для таких элементов, как углерод и сера.

2.Ваграночные газы. Их количество для действующей вагранки определя-

ют по расходу кокса и известняка и химическому составу колошниковых газов. По расходу кокса и известняка находят количество углерода в кг, перешед-

шее в ваграночные газы (на 100 кг шихты):

СП.Г = mК × mC + mИЗ (MCO2 / MCaCO3 ) × (M C / MCO2 ) - CM′ ,

где mк – расход кокса, кг; mс – содержание углерода в 1 кг кокса, кг;

51

mиз – расход известняка, кг; МСО2 – молярная масса углекислого газа, кг/кмоль; МСаСО3 – молярная масса известняка, кг/кмоль; МС – молярная масса углерода, кг/кмоль; CM′ – количество углерода кокса, перешедшего в выплавленный металл, кг.

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

C′П.Г. = [(СО + СО2 ) /100]× (МС / 22,4) ,

где СО и СО2 – содержание окиси углерода и углекислого газа в колошниковом газе, %; 22,4 – молярный объем СО и СО2, м3/кмоль.

Общее количество колошниковых газов на 100 кг шихты (м3)

VП.Г = СП.Г / CП′ .Г .

Для вновь проектируемой вагранки количество ваграночных газов определяют расчетом горения кокса, разложения известняка, окисления элементов металлической шихты.

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 кокса (кДж),

QТОПЛ = mК × QHP

При определении QHP следует учесть переход части углерода и серы кокса в

выплавленный металл.

2. Теплота, внесенная воздухом (кДж),

QВ = сВ × tВ × VВ ,

где сВ – удельная теплоемкость воздуха при tВ , кДж/(м3·К); tВ – температура воздуха, °С; VВ – объем воздуха, подаваемого в вагранку, м3.

3. Теплота, выделяемая при окислении кремния (кДж),

QSi = 29400× mSi ,

где 29400 – коэффициент, показывающий величину теплового эффекта реакции горения кремния; mSi – количество кремния металла, окисленного при плавке, кг.

4. Теплота, выделяемая при окислении марганца (кДж),

QMn = 6900 × mMn ,

где mMn – количество марганца, окисленного при плавке, кг. 5. Теплота, выделяемая при окислении железа (кДж),

52

QFe = 4990× mFe ,

где mFe – количество железа, окисленного при плавке, кг. 6. Теплота, выделяемая при шлакообразовании (кДж),

QШЛ = 258× mШЛ

Расходная часть:

1. Расход теплоты на расплавление и перегрев металла (кДж)

для серого чугуна); сПЛ – скрытая теплота плавления металла, кДж/кг (210 для серого чугуна); сЖМ – удельная теплоемкость металла в жидком состоянии, кДж/(кг∙К) (0,88 для серого чугуна); tМ – температура металла на желобе вагранки, °С; tПЛ – температура плавления металла, °С.

2. Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака (кДж)

QШЛ = mШЛ (1,13× tШЛ + 272) ,

где mШЛ – количество жидкого шлака, кг; tШЛ – температура шлака, °С.

3. Расход теплоты на разложение известняка (кДж)

QИЗ = 1620 × mИЗ ,

где mИЗ – количество известняка, кг.

4. Расход теплоты на испарение влаги (кДж)

QВЛ = 2500 × mВЛ ,

где mВЛ – количество влаги, кг.

5. Физическая теплота ваграночных газов (кДж)

QП.Г = сП.Г × tП.Г × VП.Г ,

где сП.Г – удельная теплоемкость газов при tП.Г , кДж/(м3 К); tП.Г – температура ваграночных газов при выходе из шахты из вагранки, °С; VП.Г – объем ваграночных газов, м3.

6. Расход теплоты с охлаждающей водой (кДж)

QВОД = сВОД (tВОДК - tВОДН ) × mВОД ,

где сВОД – удельная теплоемкость воды, кДж/(кг·К); tВОДК – температура воды после вагранки, °С; tВОДН – температура воды перед вагранкой, °С; mВОД – расход

воды, кг.

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

QП′ .Г . = QCO × VCO ,

где QCO – теплота сгорания окиси углерода, кДж/м3; VCO – содержание окиси углерода в ваграночных газах, м3.

8. Аккумуляция теплоты кладкой и прочие потери теплоты. Эту статью баланса обычно определяют по разности приходной и расходной частей баланса.

53

ланса, можно проанализировать влияние отдельных факторов (качества кокса, нагрева дутья, охлаждения плавильного пояса и т. д.) на удельный расход кокса и сравнить работу раз- личных вагранок.

4.2 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ВАГРАНКИ

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

Диаметр вагранки (м)

D = 1,1 Gq ,

Полезная высота вагранки, т. е. расстояние от оси основного ряда фурм до порога загрузочного окна (м)

H0 = 4,25D .

Общая высота вагранки (без трубы) (м)

HОБЩ = H0 + H1 + H2 ,

где H1 – расстояние от оси основного ряда фурм до пода, м; H2 – расстояние от пода до пола цеха, м.

Величина H1 зависит от типа выплавляемого чугуна и производительности вагранки; H1 колеблется от 100 (для белого чугуна) до 600 мм (для серого чугуна); H2 принимают исходя из условий проведения ремонта. Для малых вагранок H2 = 1 м, для больших H2 = 2 м.

54

Диаметр металлической летки (мм)

плотность чугуна, т/м3; ω – скорость истечения чугуна (0,5 – 1), м/с.

Диаметр шлаковой летки принимают большим диаметра металлической летки на 30 – 50 мм.

Суммарное сечение фурм основного ряда (м2)

f1 = (0,1- 0,3) × F ,

где F – площадь поперечного сечения вагранки в свету, м2.

Для многорядной вагранки площадь поперечного сечения второго и третьего рядов фурм принимают 0,025F.

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

воздуха через загрузочное окно ( k = 2 – 3); ω П.Г – скорость газов в искрогасителе, м/с; α – температурный коэффициент объемного расширения газов, равный 1/273; t – температура газов в искрогасителе, °С;

Диаметр воздухопроводов (м)

DВ = 1,1 10 × VВ × G ,

3600 × ω В

где ω В – скорость воздуха в воздухопроводе, равная 15 м/с.

Кожух вагранки, подовую плиту, 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.

Пример. Рассчитать вагранку для выплавки серого чугуна по следующим данным.

Химический состав металлической шихты: 2,75 % С, 2,12 % Si, 1,06% Mn, 0,05% S, 0,1% P, 93,92% Fe;

Химический состав кокса: 85% СР, 0,4% HР, 0,5% OР, 1% NР, 0,05% SР, 3% WР, 9,6% АР.

Угары при плавке: 15% Si, 20% Mn , 0,5% Fe. Пригар при плавке: 20% С, 50% S. Производительность вагранки 30 т/ч. Температура жидкого металла 1400 °С

Температура воздуха, подаваемого в вагранку – 300 °С.

Вначале составим материальный баланс плавки на 100 кг шихты.

Статьи прихода:

55

1. Шихта. Количество металлической шихты принимаем равной 100 кг ( mШИХ = 100 кг). В процессе плавки весь углерод, сера и фосфор полностью перейдут в выплавляемый металл. Часть кремния 2,12*0,15 = 0,32 кг перейдет в шлак, а 2,12 – 0,32 = 1,8 кг – в выплавленный металл. Марганец переходит в шлак 1,06*0,2 = 0,21 кг, в металл 1,06 – 0,21 = 0,85 кг. Железо переходит в шлак 93,92*0,005 = 0,47 кг, в металл 93,92 – 0,47 = 93,45 кг. Количество кислорода для окисления элементов определяют по реакциям; например, окисление кремния происходит по реакции Si + О2 = SiO2. Из реакции видно, что для окисления 1 моля Si требуется 1 моль O2, а для окисления 0,32 кг кремния – 0,37 кг кислорода, так как масса 1 кмоля Si равна 28 кг, а 1 кмоля О2 – 32 кг (табл. 4.1). Количество азота легко вычислить, если учесть, что содержание кислорода в воздухе

– 21%, а азота – 78%. Таким образом масса азота ( для реакции Si + О2 = SiO2) равна 1,37 кг.

2.Кокс. Учитывая подогрев воздуха до температуры 300 °С, принимаем расход кокса равным 10 % массы металлической шихты, т. е. mК = 0,1 mШИХ = 0,1·100 = 10 кг. При плавке часть углерода кокса переходит в жидкий металл (0,2·2,75 = 0,55 кг) и в процессе горения не участвует. В вагранке горит 8,5 –

0,55 = 7,95 кг кокса, принимаем 50% (3,975 кг) в СО2 и 50% (3,975 кг) в СО. Часть серы кокса также не горит, а переходит в жидкий металл (0,5·0,05 =

0,025 кг), а остальная часть серы (0,05 – 0,025 = 0,025 кг) горит до SO2. Зола кокса полностью переходит в шлак.

При подсчете необходимого количества кислорода и азота из воздуха вычитаем 0,05 кг кислорода, содержащегося в коксе.

3.Известняк. Принимаем расход известняка равным 3 % массы металличе-

ской шихты, т. е. mИЗ = 0,03mШИХ = 0,03·100 = 3 кг. При нагреве известняк разлагается по реакции CaCO3 → СаО + СО2. Из 3 кг известняка образуется 1,68 кг СаО и 1,32 кг СО2 (масса 1 кмоля СаСО3 равна 100 кг, СаО – 56 кг, СО2 – 44 кг). СаО переходит в шлак, СО2 – в ваграночные газы (табл. 4.1).

4.Расход дутьевого воздуха. Для каждого элемента металлической шихты

икокса определяют требуемое количество кислорода. Количество азота, поступающее с кислородом воздуха, находят обычным способом (табл. 4.1)

mВ = mO2 + mN2 = 16,755 + 62,22 = 78,975 кг.

5.Разгар футеровки. Примем разгар футеровки 10 кг на 1 т выплавленного чугуна, т. е. – 1 кг на 100 кг шихты: mФ = 1 кг.

6.Итого статьи прихода

mПРИХ = mШИХ + mК + mИЗ + mВ + mФ = 100 + 10 + 3 + 78,975 + 1,0 = 192,975кг

Статьи расхода:

1.Выплавленный металл. На 100 кг шихты выплавляется 99,575 кг металла (табл. 4.1): mМ = 99,575 кг.

2.Ваграночные газы. Общее количество образующихся газов 88,2 кг, в

том числе 15,895 кг СО2; 9,275 кг СО; 0,66 кг Н2О; 0,05 кг SO2; 62,32 кг N2 (табл. 4.1): mП.Г = 88,2 кг.

56

3.Шлак. Образуется из зоны кокса, известняка, футеровки и окислов кремния, марганца и железа. Общее количество шлака 5,2 кг (табл. 4.1): mШЛ = 5,2 кг.

4.Итого статьи расхода.

mРАСХ = mМ + mП.Г + mШЛ = 99,575 + 88,2 + 5,2 = 192,975 кг

Тепловой баланс плавки Статьи прихода:

1. Теплота сгорания кокса. Определяем по формуле Д.И. Менделеева, учитывая, что часть углерода и серы кокса в процессе горения не участвует:

QHP = 339η CCP + 1030H P - 109(OP - η S S P ) - 25W P =

=339· (8,5 – 0,55) 85/8,5 + 1030·0,4 – 109[0,5· (0,05 – 0,025) ·0,5/0,05] –

–25·3 = 27274 кДж

При расходе кокса 10 кг

QТОПЛ = mК × QНР = 10 × 27274 = 272740 кДж.

2. Теплота, вносимая с воздухом. При плотности воздуха 1,29 кг/м3 объем воздуха на 100 кг шихты VВ = mВ : ρ В = 78,975:1,29 =

= 61,22 м3, температура воздуха 300 °С, удельная теплоемкость воздуха при 300°С сВ = 1,32 кДж/(м3 К):

QШЛ = 258mШЛ = 258* 5,2 = 1342 кДж.

Итого приход:

QПРИХ = QТОПЛ + QB + QSi + QMn + QFe + QШЛ =

= 272740 + 24243 + 9408 + 1449 + 2345 + 1342 = 311527 кДж.

Статьи расхода:

1. Расход теплоты на расплавление и перегрев металла

QM = mM [cTM tПЛ + сПЛ + сЖМ (tМ - tПЛ )] =

=99,575[0,75·1200 + 210 + 0,88· (1400 – 1200)] = 128053 кДж.

2.Расход теплоты на расплавление и перегрев шлака. Температуру шла-

ка примем равной 1350 °С.

QШЛ = mШЛ (1,13tШЛ + 272) = 5,2·(1,13·1350 + 272) = 9347 кДж.

3. Расход теплоты на разложение известняка

QИЗ = 1620 × mИЗ = 1620·3 = 4860 кДж.

4. Расход теплоты на испарение влаги

57

QВЛ = 2500 × mВЛ = 2500·0,3 = 750 кДж.

5. Физическая теплота ваграночных газов. Определим объемный состав газов. Плотность СО2 1,96 кг/м3, СО 1,25 кг/м3, Н2О 0,8 кг/м3, SO2 2,86 кг/м3, N2 1,25 кг/м3.

В ваграночных газах содержится СО2 15,895:1,96 = 8,11 м3; СО 9,275:1,25 = 7,42 м3; Н2О 0,66:0,8 = 0,83 м3; SO2 0,05:2,86 = 0,02 м3; N2 62,32:1,25 = 49,86 м3.

Общий объем газов равен 66,24 м3 или: CO2 (8,11:66,24)·100 = 12,24%; CO (7,42:66,24)·100 = 11,2%; Н2О (0,83:66,24)·100 = 1,25%; SO2 (0,02:66,24) ·100 = 0,03%; N2 (49,86:60,73) ·100 = 75,27%. Удельная теплоемкость ваграночного газа при температуре 5000С

сП.Г = (сСО2 СО2 + сСО СО + сН2О Н2О + сSО2 SО2 + сN2 N2 ) /100 =

= (1,99·12,24 + 1,34·11,2 + 1,59·1,25 + 2,07·0,03 + 1,33·75,27)/100 = = 1,41 кДж/(м3· К);

тогда

QП.Г = сП.Г × tП.Г × VП.Г =1,41·500·66,24 = 46699 кДж.

6. Расход теплоты с охлаждающей водой. Примем общий расход воды для охлаждения вагранки 60 м3/ч или 200 кг воды на 100 кг шихты. Температура воды до вагранки 10 °С, после вагранки 30 °С.

QВОД = сВОД × D tВОД × mВОД = 1· (30 – 10) ·200 = 4000 кДж.

7. Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода

QП′ .Г . = QСО × VСО = 12700·7,42 = 94234 кДж.

После дожигания ваграночных газов часть теплоты используется для подогрева воздуха.

8. Аккумуляция теплоты кладкой и прочие потери. Сумма перечисленных статей теплового баланса составляет

QМ + QШЛ + QИЗ + QВЛ + QП.Г + QВОД + QП′ .Г. =

= 128053+9347+4860+750+46699+4000+94234 = 287943 кДж. Расход теплоты на аккумуляцию теплоты кладкой и прочие неучтенные по-

тери определяем по разности между приходной частью баланса и подсчитанными выше статьями расхода баланса, т. е.

QАКК = QПРИХ - (QМ + QШЛ + QИЗ + QВЛ + QП.Г + QВОД + Q′П.Г. ) =

=318765 – (128048 + 9491 + 4800 + 750 + 43422 + 5000 + 94234) =

=23584 кДж,

т.е. принятый ранее расход кокса на плавку достаточен. Коэффициент полезного действия вагранки

КПД = QМ × 100 / QПРИХ = 128053·100/311527 = 41,1%. Коэффициент использования топлива

КИТ = QМ × 100 / QТОПЛ = 128053·100/272740 = 47%

Таблица 4.1

Материальный баланс плавки в вагранки (на 100 кг шихты)

58

Расчет размеров вагранки

Вначале, используя результаты исследования В. Паттерсона, по рис. 15 определяем наиболее оптимальный режим работы вагранки.

Для температуры жидкого металла 1400°С расход чистого углерода кокса равен 10% массы металлической шихты, удельный расход воздуха VB′ = 100 м3/

59

Диаметр шлаковой летки принимаем больше диаметра металлической летки на 30 мм, т.е. 40 + 30 = 70 мм.

где VB′ – удельный расход воздуха, определяемый по рис.15

60

Приложение 1 ЧУГУН С ПЛАСТИНЧАТЫМ ГРАФИТОМ ДЛЯ ОТЛИВОК

ГОСТ 1412 – 85

Настоящий стандарт распространяется на чугун с пластинчатым графитом для отливок и устанавливает его марки, определяемые на основе временного сопротивления чугуна при растяжении.

1.МАРКИ

1.1.Для изготовления отливок предусматриваются следующие марки чугуна: СЧ10; СЧ15; СЧ20; СЧ25, СЧ3О; СЧ35.

По требованию потребителя для изготовления отливок допускаются марки чугуна СЧ18, СЧ21 и СЧ24.

1.2.Условное обозначение марки включает буквы СЧ – серый чугун и цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении в МПа*10-1.

Пример условного обозначения: СЧ15 ГОСТ 1412 – 85.

2.МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

2.1Временное сопротивление при растяжении чугуна в литом состоянии или после термической, обработки должно соответствовать указанному в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Примечание. Допускается превышение минимальною значения временного сопротивления при растяжении не более чем на 100 MIIа, если в нормативно-технической документации на отливки нет других ограничений

Временное сопротивление при растяжении чугуна марки СЧ10 определяется по требованию потребителя.

2.2. Механические свойства чугуна в стенках отливки различного сечения приведены в таблице 1.2.

Дополнительные сведения о физических свойствах чугуна приведены в таблице 1.3.

Химический состав приведен в таблице 1.4.

61

3.МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ

3.1.Испытания на растяжение проводят по ГОСТ 24806 – 81 на одном образ-

це.

3.2.Определение твердости проводят по ГОСТ 24805 – 81.

3.3 Заготовки для определения механических свойств чугуна отливают на ГОСТ 24648 – 81.

3.4.При применении термической обработки отливок, заготовки для определения механических свойств должны проходить термообработку вместе с отливками.

Допускается использовать заготовки в литом состоянии (без термообработки) при применении низкотемпературной термообработки для снятия литейных напряжений в отливках.

3.5.При получении неудовлетворительных результатов испытаний проводят повторные испытания на двух образцах.

Образцы считают выдержавшими испытания, если механические свойства каждого из них соответствуют требованиям настоящего стандарта.

Таблица 1.2

Ориентировочные данные о временном сопротивлении при растяжении и твердости в стенках отливки различного сечения

Марка

62

Примечания:

1 Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в реальных отливках могут отличаться от приведенных в таблице

2 Значения временного сопротивления при растяжении и твердости в стенке отливки толщиной 15 мм приближенно соответствуют аналогичным значениям и стандартной заготовке диаметром 30 мм.

Примечание. Допускается низкое легирование чугуна различными элементами (хромом, никелем, медью, фосфором и др.).

63