Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО “Уральский государственный технический университет - УПИ”

Кафедра: Литейное производство и упрочняющие технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ВАГРАНОК СО ВТОРИЧНЫМ ДУТЬЕМ

Студент А.А. Попова

Руководитель С.В. Брусницын

Екатеринбург 2006

Содержание

• Введение
• 1. Расчет размеров фурменных поясов вагранки
• 2. Расчет воздухоподводящей системы
• 3. Расчет горна
• 4 Расчет холостой коксовой колоши
• 5. Расчет рабочей коксовой колоши
• 6. Расчет металлической колоши
• 7. Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош
• 8, Расчет массы загруженных материалов
• 9. Расчет необходимого давления воздуходувок
• 10. Расчет предохранительных клапанов
• 11. Размеры огнеупорной кладки
• Заключение
• Библиографический список
• Введение
• 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). Такие вагранки обеспечивают повышение температуры чугуна на выпуске на 30-50°С без увеличения расхода кокса или снижение расхода кокса на 10-20% без повышения температуры чугуна на выпуске, а также быстрый вывод 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 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. 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.
• Суммарный тепловой баланс горения углерода позволяет снизить расход кокса или повысить температуру перегрева чугуна (температуру чугуна на выпуске).
• Общее количество теплоты от окисления серы, кремния, марганца, железа и диссоциации флюса не превышает 5-15%.
• Задание
• Производительность вагранки, т/час 7
• Внутренний диаметр вагранки, мм 1100
• Удельный расход воздуха, м³/м² мин 140
• Распределение дутья между нижним и верхним рядами фурм, % 50:50
• Высота фурменного пояса, мм 900
• Толщина футеровки, мм 295
• Толщина стенки корпуса вагранки, мм 12
• Толщина стенки фурменного пояса, мм 4
• Зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхнего ряда фурм, мм 150
• вагранка выплавка чугун металлический
• 1. Расчет размеров фурменных поясов вагранки производительностью 7 т/час
• Расчет производится по методическим указаниям [1].
• Определим площадь вагранки
• F_в = ,
• где D - внутренний диаметр вагранки
• D = 1100 мм = 1,1 м
• F_в = = 0,950 м²
• Удельный расход воздуха равен 140м³ /(м² мин) Тогда необходимое количество воздуха составит
• Q_возд =q_уд F_в 60,
• q_уд - удельный расход воздуха
• Q_возд = 140*0,950*60 = 7978,74 м³/ч
• Скорость воздуха в фурменном поясе V₂ = 4 м/с принимаем из таблице 1.
• Таблица 1 - Технические характеристики вагранок со вторичным дутьем.

Наименование параметров	Производительность вагранок, т/ч
	3	5	7
1.Рекомендуемое количество фурм в каждом ряду, штук 2.Рекомендуемое расстояние между рядами фурм, мм 3.Удельный расход воздуха, м3/м2 мин 4.Скорость воздуха, м/с а)в воздуховодах б)в фурменном поясе в)в фурмах	4 700-900 120-150 10-15 2,5-4,5 12-15	6 700-900 120-150 10-15 2,5-4,5 12-15	6 700-900 120-150 10-15 2,5-4,5 12-15

• Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит
• м²
• Распределение дутья между нижним и верхним рядами фурм равно 50:50, тогда
• F_ф.п.н. =
• F_ф.п.н. = 055*0,5 = 0,275 м²,
• F_ф.п.в. =
• F_ф.п.в. = 0,55*0,5 = 0,275 м²
• Высота фурменного пояса H_ф.п = 900 мм = 0,9 м. Тогда ширина фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит
• В_ф.п.н. =
• В_ф.п.н. = 0,275/0,9 = 0,306 м
• а для верхнего ряда фурм
• В_ф.п.в. =
• В_ф.п.в. = 0,275/0,9 = 0,306 м
• Размеры фурменных поясов определим исходя из следующих конструктивных решений. Расстояние между рядами фурм (по оси) принимаем равным 700 мм по таблице 1. Толщина стенок корпуса фурм и размеры крепежных фланцев выбираются конструктивно, обычно толщина стенки фурмы равна 6-8 мм, выступ фланца равен 12-15 мм, материал сталь 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 150 мм (для удобства монтажа), толщину стенок фурменных поясов принимаем равной д_ст.ф.п = 4 мм (листовая сталь).
• Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит
• D_к = D_в + 2д_фут + 2д_ст.к
• д_фут - толщина огнеупорной футеровки, мм,
• д_ст.к - толщина корпуса вагранки, мм.
• D_к = 1100 + 2*295 + 2*12 = 1714 мм = 1,74 м
• Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит
• D₁ = D_к + 2 д_заз.
• д_заз. - зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхнего ряда фурм, мм.
• D₁ = 1714 + 2*150 2014 мм = 2,014 м
• Диаметр перегородки, разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего рядов, или внутренний диаметр фурменного пояса для верхнего ряда фурм, составит
• D₂ = D₁ + 4 д_cт.ф.п + 2В_ф.п.в
• D₂ = 2014 + 4*4 + 2*306 = 2640 мм = 2,64 м
• Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда составит
• D₃ = D₂ +2 д_ст.ф.п +2В_ф.п.н.
• D₃ = 2640 + 2*4 2*306 = 3260 мм = 3,260 м
• Учитывая тип фурменного пояса (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и конструктивные особенности, примем следующие размеры радиусов, образующие внутренние и наружные поверхности фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего рядов (в свету)
• R_вн.ф.в. = (D₁ + 2 д_cт.ф.п)/2
• R_вн.ф.в. =(2014 + 8)/2 = 1011 мм = 1,011 м
• R_нар.ф.в = R_вн.ф.в. + В_ф.п.н
• R_нар.ф.в =1011 + 306 = 1317 мм = 1,317 м
• R_вн.ф.н = R_нар.ф.в + д_cт
• R_вн.ф.н =1317 + 4 = 1321 мм = 1,321 м
• R_нар.ф.н = R_вн.ф.н + В_ф.п.н
• R_нар.ф.н = 1321 + 306 = 1627 мм = 1,627 мм
• Определим объемы W фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего рядов, что необходимо для расчета предохранительных клапанов безопасности.
• W_ф.п.в. = р(R²_нар.ф.в - R²_вн.ф.в.)Н_ф.п.
• W_ф.п.в. = 3,14(1,317² - 1,011²)*0,9 = 2,013 м³
• W_ф.п.н. = р(R²_нар.ф.н - R²_вн.ф.н.)Н_ф.п.
• W_ф.п.н. = 3,14(1,627² - 1,321²)*0,9 = 2,55 м³
• 2. Расчет воздухоподводящей системы
• 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 Q_возд = 7978,74 м³/ч.Скорость воздуха в общем воздуховоде по таблице 1 равна V₁ = 10 м/с. Из выражения
• Q_возд = V₁ F_{общ возд} 3600
• находим площадь сечения общего воздуховода
• F_{общ возд} = Q_возд/ V₁3600
• F_{общ возд} = 7978,74/3600*10 = 0,222 м²
• Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит
• d_{общ.возд} =
• d_{общ.возд} = м = 513 мм
• Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 [2] выбираем ближайшую по размерам трубу, в данном случае трубу с наружным диаметром 550 мм и толщиной стенки 9 мм, у которой внутренний диаметр равен 550-2*9 = 532 мм.
• Исходя из принятого соотношения расхода воздуха между нижним и верхним рядами фурм (50:50), определяем расход воздуха через все фурмы нижнего и верхнего рядов соответственно:
• Q_{возд.н.ф} = 0,5 Q_возд
• Q_{возд.н.ф} = 0,5*7978,74 = 3989,37 м³/ч
• Примем по таблице 1 максимально допустимую скорость воздуха в воздуховодах для нижнего и верхнего фурменных поясов V₁ = 15 м/с, т.е. для участка воздуховодов от “развилки” до соответствующих фурменных поясов. Тогда определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:
• F_{возд.н.ф} = Q_{возд.н.ф.}/3600 V₁
• F_{возд.н.ф} = 3989.37/3600*15 = 0,074 м²
• Тогда внутренний диаметр воздуховодов для нижнего и верхнего рядов фурм составит
• d_{возд.н.ф} =
• d_{возд.н.ф} ==0,307 м
• Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 [2] находим ближайшие по размерам трубы: для воздуховодов нижнего и верхнего фурменных поясов выбираем трубу с наружным диаметром 325 мм и толщиной стенки 8 мм, ее внутренний диаметр равен 325-16=309 мм.
• Из таблицы 1принимаем количество фурм в каждом ряду равным 6. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посредине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние между рядами фурм по их осям из таблицы 1 принимаем 700мм.
• 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 соответственно составят
• f_{возд.ф.н.р.} = F_{возд.н.р}/N
• f_{возд.ф.н.р.} = 0.074/6 = 0.012 м²
• а диаметры соответственно равны
• d_{возд.ф.н.р} =
• d_{возд.ф.н.р} = = 0,124 м
• Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 [2] выбираем трубу для нижнего и верхнего рядов фурм с наружным диаметром 133 мм и толщиной стенки 4,5 мм, т.е. с внутренним диаметром 124 мм.
• 3. Расчет горна
• Площадь шахты вагранки составляет F_в = 0,95 м²
• Исходя из требований заказчика, принимаем максимальную массу отливки m_max = 1 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью Q_в = 7 т/ч составит
• n = Q_в/ m_max ,
• n = 7/1 = 7 выпусков в час.
• Определим высоту горна
• h_г =
• где W_г - объем горна на 1 т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем кокса. W_г = 0,33 м³/т,
• 0,12 - расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью нижнего ряда фурм, м.
• h_г = 7*0,33/(7*0,95)+0,12 = 0,47 м
• При применении двойного (вторичного) дутья производительность вагранок выше, чем у обычных. При этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины, поэтому принимаем h_г = 0,62 м = 620 мм
• Определим фактический объем горна
• W_г.факт = F_в h_г
• W_г.факт = 0,95*0,62 = 0,589 м³
• Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия h_л.ф = 75 мм, диаметр шлаковой летки 40 мм, а наклон фур к горизонту 15⁰.
• 4. Расчет холостой коксовой колоши
• Исходя из опыта эксплуатации вагранок с двухрядным фурменным поясом и вторичным дутьем, принимаем расстояние между рядами фурм по оси h_ф = 0,7 м = 700 мм, а высоту кокса холостой колоши над верхним рядом фурм h_в = 0,4 м = 400 мм.
• Общая высота холостой колоши составит
• h_х.к = h_г + h_ф + h_в
• h_г - высота горна.
• h_х.к = 0,62+0,7+0,4 = 1,72 м
• Объем холостой коксовой колоши составит
• W_х.к = F_в h_х.к
• W_х.к = 0,95*1,72 = 1,639 м³
• Определим массу кокса в холостой колоше
• m_х.к = W_х.к г_к
• где г_к - объемная плотность кокса, кг/м³ (г_к = 450 кг/м³)
• m_х.к = 1,639*450 = 735,3 кг
• 5. Расчет рабочей коксовой колоши
• Исходя из опыта работы вагранок, обычно принимают высоту рабочей колоши кокса h_р.к = 0,15-0,2 м. Для расчета принимаем максимальную высоту, равную 0,2 м. Тогда объем рабочей колоши составит
• W_р.к = F_в h_р.к
• W_р.к = 0,95*0,2 = 0,19 м³ ,
• а масса кокса в рабочей колоше равна
• m_р.к = W_р.к + г_к
• m_р.к = 0,19*450 = 85,5 кг.
• 6. Расчет металлической колоши
• Из практики известно, что масса металлической колоши обычно составляет 8-10% от часовой производительности вагранки, т.е. для вагранки производительностью 7 т/ч (7000 кг/ч)
• m_м.к = (0,08…0,1) Q_в
• m_м.к = (0,08…0,1)*7000 = 560…700 кг
• Для расчета принимаем максимальную массу m_м.к = 700 кг. Тогда объем металлической колоши составит
• W_м.к = m_м.к/ г_м.к
• где г_м.к - объемная плотность металлической шихты, равная 2500 кг/м³
• W_м.к = 700/2500 = 0,28 м³
• 7. Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош
• Определим полезную высоту вагранки по формуле
• h_пол = (3,5…6) D_в
• h_пол = (3,5…6)*1,1 = 3,85…6,6
• Обычно полезная высота вагранок находится в пределах 3,85-5,5 м при данном внутреннем диаметре шахты вагранки. Примем h_пол = 4,5 м. Полезная высота вагранки определяется как расстояние от сои 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
• H_в = h_г + h_пол
• H_в = 0,62+4,5 = 5,12 м
• Общий объем шахты вагранки составит (для Q_в = 7 т/ч)
• W_в = F_в H_в
• W_в = 0,95*5,12 = 4,860 м³
• Определим количество металлических и топливных колош, вмещающихся в шахту вагранки, исходя из соотношения
• n = (W_в - W_г)/(W_р.к + W_м.к + W_ф.л)
• n = (4.86-0,589)/(0,19+0,28+0,016)=8,79
• примем n = 9
• Обычно m_ф.л составляет от 3 до 5 %от массы металлической колоши
• m_ф.л = (0,03…0,05) W_м.к г_м.к
• m_ф.л = (0,03…0,05)*0,28*2500 = 21…35 кг
• W_ф.л = m_ф.л / г_ф.л
• W_ф.л = (21…35)/(1600…2000) = 28(сред)/1800(сред) = 0,016 м³
• где W_р.к , W_м.к , W_фл - объемы рабочих колош кокса, металлической шихты и флюса (известняка).
• 8. Расчет массы загруженных материалов
• Масса рабочих колош кокса, вмещающихся в шахту, составит
• кг
• Масса металлической шихты составит
•  кг
• Масса флюса (известняка) составит
• кг
• = 769,5+6300+252+735,3 = 80,56,8 кг
• 9. Расчет необходимого давления воздуходувок
• Необходимое давление в фурмах определяется по формуле
• где V_воз - средняя скорость воздуха в вагранке, равная по величине удельному расходу воздуха на 1 м² поперечного сечения в минуту q_уд, м/мин,
• h_пол - полезная высота вагранки, м,
• А - эмпирический коэффициент, равный 100 при нормальной шихте по размерам кусков.
• Для вагранки производительностью 7 т/ч имеем (при принятой h_пол = 4,5 м)
• мм вод. ст.
• Выбираем по расчетному давлению воздуходувку. При установке мокрого пылеуловителя сопротивление отходящих газов увеличивается на 100-200 мм вод. ст. Поэтому рекомендуется установить воздуходувку типа В2М10/1250 с максимально развиваемым давлением 1250 мм вод. ст. из таблицы 2.
• Таблица 2-Технические характеристики воздуходувок

Внутренний диаметр шахты вагранки, мм (производительность вагранки, т/ч)	Тип воздуходувки	Производительность по воздуху, м3/ч	Давление развиваемое воздуходувкой , Па	Мощность электро- двигателя, кВт
700 (3) 900 (5) 1100 (7) 1300 (10)	В8/800 В2М10/1250 В2М10/1250 В2М14/1400	8000 10000 10000 14000	8000 12500 12500 14000	40 75 75 100

• 10. Расчет предохранительных клапанов
• Исходя из “Правил безопасности в газоходах”, площадь предохранительных клапанов (м²) должна составлять 0,05 на 1 м³ объема камеры. Тогда общая площадь клапанов фурменного пояса нижнего ряда фурм составит
• м²
• а общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм
• м²
• Принимаем минимальное число клапанов на каждом фурменном поясе равным 4. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:
• f_кл.н.ф = 0,1275/4 = 0,032 м²
• f_кл.в.ф = 0,1/4 = 0,025 м²
• Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных отверстий клапанов, составят:
• d_кл.н.ф =
• d_кл.н.ф = = 0,202 м
• d_кл.в.ф =
• d_кл.в.ф = = 0,178 м
• В общем виде клапан должен вписывать 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 т/ч В_ф.п.н = 306 мм и В_ф.п.в =306мм. Следовательно, установка клапанов не вызовет затруднений.
• Исходя из необходимого количества воздуха, поступающего в вагранку, по данному расчету Q_возд = 7978,74 м³/ч с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В2М10/1250, обеспечивающую производительность 10000м³/ч и давление 12500 Па или 1250 мм вод.ст., или 0,125 кгс/см²
• Определим массу груза, включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой
• G_{кл. н.ф} = f_кл.н.ф Р_{возд мах} 10⁴
• G_{кл. н.ф} = 0,032*0,125*10⁴ = 40 кг
• G_{кл. в.ф} = f_кл.в.ф Р_{возд мах} 10⁴
• G_{кл. в.ф} = 0,025*0,125*10⁴ = 30 кг
• По условиям техники безопасности и охраны труда (рекомендуемая масса клапана 10-30 кг каждый) масса одного груза превышает допустимые значения. Значит, увеличим число клапанов до 6. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:
• f_кл.н.ф = 0,1275/6 = 0,021 м²
• f_кл.в.ф = 0,1/6 = 0,017 м²
• Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных отверстий клапанов, составят
• d_кл.н.ф = = 0,164 м
• d_кл.в.ф = = 0,146 м
• Определим массу груза, включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой
• G_{кл. н.ф} = 0,021*0,125*10⁴ = 26 кг
• G_{кл. в.ф} = 0,017*0,125*10⁴ = 21 кг
• Данная масса груза соответствует допустимым значениям.
• 11. 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 х 113 х 230 мм).
• Заключение
• В данной курсовой работе был произведен расчет вагранки со вторичным дутьем производительностью 7 т/ч. Рассчитали площадь вагранки Fв=0,950 м³, размер фурменных поясов F_фпн = F_фпв = 0,275 м³. Выполнили расчет воздухоподводящей системы, получив расход воздуха через все фурмы нижнего ряда Q_{возд н ф} = 3989,37 м³/ч и верхнего ряда Q_{возд в ряда} = 3989,37 м³/ч. Определили количество металлических и топливных колош, вмещающихся в шахту вагранки, n = 9. Количество шихтовых материалов, загружаемых в шахту вагранки m = 8056,8 кг. Исходя из необходимого количества воздуха, поступающего в вагранку, по данному расчету Q_возд = 7978,74 м³/ч выбрали воздуходувку типа В2М10/1250, обеспечивающую производительность 10000 м³/ч и давление 12500 Па.
• Библиографический список
• 1. Поль В.Б., Брусницын С.В. Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем. Методические указания к курсовой работе по курсу “Производство литейных расплавов на основе железа”. Екатеринбург: ГОУ ВПО “УГТУ - УПИ”. 2005. 15 с.
• 2. ГОСТ 8732-78. Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент. М.: Изд-во стандартов, 1988.
• Размещено на Allbest.ru
...