Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГАОУ ВПО

«Уральский федеральный университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра литейного производства

и упрочняющих технологий.

Расчет вагранки со вторичным дутьем

Курсовая работа

Руководитель Брусницын С. В.

Студент Фрейман В.В.

Группа Мт - 430001

Екатеринбург 2016

Задание на курсовую работу

По заданным исходным данным сконструировать вагранку со вторичным дутьем, описать принцип работы.

Производительность, т/ч - 10;

Внутренний диаметр вагранки, мм - 1300;

Удельный расход воздуха, м³/(м²·мин) - 120;

Расход дутья между нижним и верхним рядом фурм, % - 50/50;

Высота фурменного пояса, мм - 900;

Толщина футеровки, мм - 295;

Толщина стенки корпуса, мм - 12;

Толщина стенки фурменного пояса, мм - 4;

Зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхнего ряда фурм, мм - 150

5

Условные обозначения:

F_в - площадь вагранки, м²;

D - внутренний диаметр вагранки, м;

q_уд - удельный расход воздуха,

Q_возд - необходимое количество воздуха,

V₂ - скорость воздуха в фурменном поясе,

F_ф.п. - общая площадь сечения фурменного пояса, м²;

F_ф.п.н. - площадь сечения фурменного пояса нижнего ряда фурм, м²;

F_ф.п.в. - площадь сечения фурменного пояса верхнего ряда фурм, м²;

H_ф.п. - высота фурменного пояса, м;

д_ст.ф.п. - толщина стенок фурменного пояса, м;

д_ст.к. - толщина стенок корпуса, м;

д_фут. - толщина футеровки, м;

д_заз - толщина зазора между вагранкой и внутренним диаметром фурменного пояса для верхнего ряда фурм, м;

D_к - диаметр корпуса вагранки, м;

D₁ - внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда, м;

D₂ - диаметр перегородки, разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего ряда, м;

D₃ - наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда, м;

R_вн.ф.в. - радиус внутренней поверхности фурменных поясов для верхнего ряда, м;

R_вн.ф.н. - радиус внутренней поверхности фурменных поясов для нижнего ряда, м;

R_{нар.ф.н.} - радиус наружной поверхности фурменных поясов для нижнего ряда, м;

R_{нар.ф.в.} - радиус наружной поверхности фурменных поясов для верхнего ряда, м;

- радиус внутренней поверхности фурменных поясов для фурм верхнего ряда, м;

- Радиус наружной поверхности фурменных поясов для фурм верхнего ряда, м;

- радиус внутренней поверхности фурменных поясов для фурм нижнего ряда, м;

- радиус наружной поверхности фурменных поясов для фурм нижнего ряда, м;

W_ф.п.в. - объем фурменного пояса для фурм верхнего ряда, м;

W_ф.п.н. - объем фурменного пояса для фурм нижнего ряда, м;

- площадь сечения общего воздуховода, м²;

- диаметр общего воздуховода, м;

- расход воздуха через фурмы нижнего ряда, м³/ч;

- расход воздуха через фурмы верхнего ряда, м³/ч;

- Площадь сечения воздуховода для нижнего ряда фурм, м²;

- площадь сечения воздуховода для верхнего ряда фурм, м²;

- диаметры воздуховодов для нижнего ряда фурм, м;

- диаметры воздуховодов для нижнего ряда фурм, м;

- площадь поперечного сечения для патрубков нижнего ряда фурм, м²;

- площадь поперечного сечения для патрубков верхнего ряда фурм, м²;

- диаметр поперечного сечения для патрубков нижнего ряда фурм, м;

- диаметр поперечного сечения для патрубков верхнего ряда фурм, м;

- площадь шихты вагранки, м²;

- высота горна, м;

- фактический объем горна, м³;

- общая высота холостой коксовой колоши, м;

- объем холостой коксовой колоши, м³;

- масса холостой коксовой колоши, кг;

h_p.к - высота рабочей колоши, м;

- объем рабочей коксовой колоши, м³;

Г_м.к. - объемная плотность металлической шихты равная 2500 кг/м³;

- полезная высота вагранки, м;

- объем колоши флюса, м³;

- масса флюсовой колоши (в среднем составляет 20 кг);

- удельный вес флюсовой колоши (в среднем 1800 кг/м³).



1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ВАГРАНКИ

Вагранка относится к типу шахтных печей. Основная отличительная черта печей такого типа печей - это то, что все он работают по принципу противотока. Суть этого принципа в противоточном движении шихтовых материалов и газов. В вагранке шихтовые материалы опускаются вниз, подогреваемые восходящими газами. Восходящие газы создают определенную атмосферу по высоте вагранки и обеспечивают необходимую для расплавления шихты температуру. Особое внимание при рассмотрении работы данной печи следует уделить составу газовой фазы, с чего и начнем.

Газовая фаза в большинстве вагранках состоит преимущественно из СО, СО₂ и О₂, но в состав газовой фазы могут входить различные продукты окисления элементов, содержащихся в шихте. Среди этих элементов следует выделить оксиды серы SO_x, так как они оказывают огромное влияние на качество выпускаемого из вагранки чугуна. Что касается оксидов углерода, то их наличие в вагранке связано с использованием в качестве топлива кокса. При использовании такого вида топлив в вагранках происходит науглероживание расплава в следствии контакта капель жидкого металл с твердым топливом. Мы остановимся на процессах науглероживания чуть ниже.

Основная часть тепла, необходимого для расплавления шихты, выделяется вследствие протекания реакции:

С + О₂ = СО₂ + q (q = 34000 кДж/кг).

Эта реакция протекает в два этапа:

С + 1/2О₂ = СО,

СО + 1/2О₂ = СО₂.

Попутно с этой реакцией диоксид углерода взаимодействует с С по реакции:

СО₂ + С = 2СО - q (q = 13500 кДж/кг)

Такие реакции протекают в основном в зоне со значительным содержанием кислорода. Эту зону называют кислородной зоной вагранки. Она расположена выше уровня фурм.

При протекании выше обозначенных реакций газовая фаза вагранки насыщается монооксидом углерода, образую следующую зону вагранки - редукционную. Своим названием эта зона обязана восстановительной способности газовой фазы.

В кислородной зоне жидкий чугун насыщается кислородом, вследствие чего происходит окисление его элементов с образованием соответствующих оксидов. Эти процессы можно описать следующими реакциями:

2Fe + O₂ = 2FeO + q

2FeO + Si = SiO₂ + 2Fe + q

FeO + Mn = MnO + Fe + q

3FeO +2Cr = Cr₂O₃ + 3Fe + q

FeO + C = CO + Fe - q

Элементы, имеющие большое сродство к кислороду, окисляются, восстанавливая железо из его оксида, и переходят либо в шлак, либо в газовую фазу и частично растворяются в жидком чугуне.

Протекание окислительно-восстановительных реакций в различных зонах вагранки определяет качество и химический состав чугуна на выпуске. Еще в самой верхней зоне вагранки - шахте - происходит насыщение металлической шихты элементами, которые содержатся в газовой фазе. Например, Л.М. Мариенбах описывает процесс насыщения шихты серой в зоне шахты вагранки, поскольку сера, окисляясь в кислородной зоне до SO₂, взаимодействует с Fe с образованием сульфида железа FeS. Содержание серы в чугуне ограничивается в связи с образованием по границам зерен при кристаллизации легкоплавкой эвтектики Fe - FeS. Которая приводит к эффекту красноломкости в отливках.

В редукционной зоне вагранки происходит восстановление оксидов в металле за счет монооксида углерода СО, который взаимодействуя с оксидами элементов, сродство которых к кислороду меньше, образует диоксид углерода CO₂. Редукционная зона расположена выше кислородной зоны.

Газовая фаза в горне вагранки является окислительной в верхней части, в средней части слабоокислительная, а у подины неокислительная. В этой зоне металл и шлак охлаждается за счет потерь теплоты через футеровку. При работе вагранки без копильника, если уровень шлака поднимается близко к фурмам, то происходит окисление чугуна через шлак. При наличии копильника угар элементов состава чугуна при прохождении его через горн будет минимальным. В горне продолжается процесс насыщения углеродом.

Особое внимание в ваграночной плавке уделяют шлак. Шлак в вагранке зависит от типа футеровки и подбирается в зависимости от требуемых характеристик чугуна на выпуске и химического состава шихтовых материалов.

Источниками образования ваграночного шлака являются примеси шихтовых материалов, пригар формовочной смеси при использовании возврата собственного производства в качестве шихтовых материалов, футеровка печи, угар элементов, зола топлива и флюсы, добавляемые с целью повышения вязкости шлаков. Количество шлака, образующегося таким образом составляет примерно 6 - 8% от массы металла.

Конечный ваграночный шлак состоит главным образом из кремнезема SiO₂, извести CaO, глинозема Al₂O₃, магнезии MgO, закиси железа FeO, оксида марганца MnO, щелочей K₂O и Na₂O и некоторых других составляющих (сернистых и фосфористых соединений). Источником кремнезема служит зола кокса, песок, угар кремня и в случае кислого процесс огнеупорная футеровка. Окись кальция в вагранку вводят с известняком. Глинозем Al₂O₃ также как и магнезия поступает в шлак из золы топлива, флюса и оплавления футеровки.

Для обеспечения необходимого качества чугуна на выходе ваграночный шлак должен обладать низкой температурой плавления и хорошей жидкотекучестью. Высокая жидкотекучесть шлака обеспечивает легкое его отделение от чугуна, а также стекание по стенкам шахты и горна без образования настылей, поглощение сернистых соединений и быстрое вытекание через шлаковую летку, если таковая имеется. Получения в вагранке шлака с весьма низкой температурой плавления может привести к тому, что шлак, быстро расплавившись, не успеет достаточно перегреться и, попав в горн вагранки, снизит его температуру, что приведет к полученю холодного чугуна.

На жидкотекучесть шлака больше всего влияет его химический состав и температура. Замена в составе шлаков окиси кальция (СаО) ·окисью магния (МgО) в пределах 15-25% заметно снижает вязкость шлаков. Вязкость шлака снижается также с повышением содержания в нем FeO и MnO.

Производительность коксовых вагранок зависит от габаритов и составляет от 1,5 до 30 т/час. В целях повышения производительности и снижения расхода кокса иногда применяется подогрев воздуха в отдельно расположенном воздухонагревателе, имеющем самостоятельное отопление. А для снижения расхода кокса на 40% и увеличения производительности вагранки на 35% рекомендуют разогревать воздух до 500^оС в отдельно стоящем рекуператоре за счет глубокой утилизации теплоты отходящих ваграночных газов. Существуют и другие способы экономии кокса: топливо загружают в вагранку уже обработанное флюсами или другими веществами. Такие вещества блокируют взаимодействие кокса с газами при низких температурах, что позволяет коксу проходить шахту вагранки при минимальном взаимодействии с углекислыми газом.

Чтобы получать чугун постоянного состава, необходимо снабжать вагранки копильником. Копильник является цилиндрическим сосудом, футерованным полукислым кирпичом. Из лещади в копильник чугун перетекает постоянным потоком, оттуда попадает в летку с желобом.

Вагранка получила широкое распространение в чугунолитейном производстве. И это вполне оправдано: она имеет ряд преимуществ. Для вагранки характерна относительно несложная конструкция, высокая производительность и экономичность. Такие печи обеспечивают непрерывный процесс плавки. Производительность агрегата достигает 100 т чугуна ежечасно.

Однако при всем наборе положительных характеристик у вагранок существуют и слабые стороны. К примеру, технология, используемая для изготовления серого чугуна высокого качества, довольно затратна и недостаточно экономична. Обусловлен такой недостаток вагранки двумя параметрами: конструкцией печи и принципом работы.

Как известно, в основе функционирования вертикальной печи лежит принцип противотока. Загружаемая сверху шихта вместе с топливом постепенно опускаются вниз. Раскаленный металл, поступающий в копильник или горн, довольно быстро покидает зону с максимальными температурами, где происходит нагревание выше температуры плавления. После, стекая по раскаленному коксу, металл должен успеть нагреться выше температуры плавления на 350 градусов. Поступая в горн, жидкий металл отдает тепло окружающей среде. Поэтому весьма проблематично сделать этап перегрева чугуна более эффективным и менее затратным. Так как расплавленный металл малое время находится в зоне с максимальными температурами, то следует найти способ повысить температуру зоны холостой колоши. Чем, собственно, и занимаются проектировщики.

Таким образом, есть все предпосылки для того, чтобы вагранка была не только самым распространенным плавильным агрегатом, но и готовым одинаково эффективно справляться с различными задачами по выплавке металлов.

2. РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ФУРМЕННЫХ ПОЯСОВ

Определим площадь вагранки:

По заданным в задании параметрам найдем:

Принимаем удельный расход воздуха q_уд = 120 . Тогда необходимое количество воздуха составит:

Подставив значения получим:

Примем скорость воздуха равную V₂ = 4 Тогда общая площадь сечения составит:



После подстановки известных значений получим:

Учитывая, что распределение дутья между нижним и верхним рядами фурм равно 50:50, определим площади сечения соответственно нижнего и верхнего фурменного пояса:

Принимая высоту фурменного пояса равной H_Ф.П. = 0,9 м, найдем ширину фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего и верхнего ряда фурм:

В итоге получаем: для нижнего ряда фурм B_ф.п.н, = 367 мм, а для верхнего B_ф.п.в, = 367 мм.

Размеры фурменных поясов определим исходя из следующих конструктивных решений. Примем расстояние между рядами фурм (по оси) равным 700 мм = 0,7 м, толщина стенок корпуса фурм 4 мм. Выступ крепежного фланца равен 12 мм. Материал сталь Ст3.

Толщину огнеупорной футеровки принимаем равной 295 мм (по размерам шамотного кирпича 65 х 113 х 230). Толщину стенки корпуса вагранки принимаем равной 12 мм. Зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм равен 150 мм. Толщина стенок фурменных поясов д_ст.ф.п. = 4 мм.

Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит:

Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит:

Диаметр перегородки, разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего ряда, или внутренний диаметр фурменного пояса для нижнего ряда фурм, составит:

Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда фурм составит:



Учитывая тип фурменных поясов (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и конструктивные особенности, примем следующие размеры радиусов, образующие внутренние и наружные поверхности фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего ряда (в свету):

Определим объемы фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего ряда, что необходимо для расчета предохранительных клапанов безопасности

3. 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 м³/ч. Скорость воздуха примем исходя из производительности печи 10 т/ч. Она составит 10 м/с (V₁). Найдем площадь сечения воздуховода из выражения:

вагранка чугун металл

Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит:

Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 10704-76 выбираем ближайшую по размеру трубу с наружным диаметром 630 мм и толщиной стенки 10 мм, у которой внутренний диаметр равен 630 - 210 = 610 мм.

Исходя из принятого соотношения расхода воздуха между нижним и верхним рядом фурм (50:50), определяем расход воздуха через все фурмы нижнего и верхнего рядов соответственно:

Максимально допустимую скорость воздуха в воздуховодах для нижнего и верхнего ряда фурм пример из рекомендации представленных в методических указаниях к курсовой работе. Она составит 15 (V₁) м/с. Тогда аналогично расчету размеров общего воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего ряда фурм:

Внутренние диаметры воздуховодов для нижнего и верхнего ряда фурм составят соответственно:

Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 находим ближайшие размеры труб: d с толщиной стенки 8 мм, ее внутренний диаметр .

Рекомендуемое в учебно-методическом пособии количество фурм для вагранки производительностью 10 т/ч составляет 8. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посередине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние между рядами фурм примем равным 700 мм.

Определим размеры воздуховодов, или патрубков, для каждой фурмы нижнего и верхнего ряда на участках от соответствующего фурменного пояса до фурм. Площади поперечного сечения этих патрубков и их диаметры в свету составят:

Диаметры соответственно:

Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 находим ближайшие размеры труб: d с толщиной стенки 4 мм ее внутренний диаметр .

4. РАСЧЕТ ГОРНА

Площадь шахты вагранки составляет:

Исходя из требований заказчика, принимаем максимальную массу отливки m_max = 1 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью 10 т/ч составит n = Q_в / m_max, n = 10 / 1 = 10.

Определим высоту горна по формуле:

где W_r - объем горна на 1 т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем кокса. Обычно принимается W_r - 0,33 м³/т;

0,12 - расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью нижнего ряда фурм, м.

Отсюда:

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 = 0,5 м. Определим фактический объем горна:

Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия h_л.ф. = 75 мм, диаметр шлаковой летки 40 мм, а наклон фурм к горизонту 15⁰.

5. РАСЧЕТ ХОЛОСТОЙ КОЛОШИ

Исходя из опыта эксплуатации вагранок с двухрядным фурменным поясом и вторичным дутьем, принимаем расстояние между рядами фурм по их осям h_ф = 0,7 м, а высоту кокса холостой колоши над верхним рядом h_в = 0,4 м.

Общая высота холостой коксовой колоши составит:

Объем холостой коксовой колоши составит:

Определим массу кокса в колоше:

где г_к - объемная плотность кокса, кг/м³ (г_к = 450 кг/м³).

Тогда:

6. РАСЧЕТ РАБОЧЕЙ КОКСОВОЙ КОЛОШИ

Исходя из опыта работы вагранок, обычно принимают высоту рабочей коксовой колоши h_p.к. = 0,15 - 0,2 м. Для расчета примем максимальную высоту равную 0,2 м. Тогда объем рабочей коксовой колоши составит:

,

.

А масса кокса в рабочей колоше равна:

,

7. РАСЧЕТ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ КОЛОШИ

Из практики известно, что масса металлической колоши обычно составляет 8-10% от часовой производительности вагранки, т.е. для вагранки производительностью 10 т/ч (10000 кг/ч):

Для расчета принимаем максимальную массу m_м.к. = 1000 кг. Тогда объем металлической колоши составит:

где _{м. к.} объемная плотность металлической шихты, равная 2500 кг/м3 .

8. РАСЧЕТ ПОЛЕЗНОЙ ВЫСОТЫ ВАГРАНКИ И КОЛИЧЕСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ И ТОПЛИВНЫХ РАБОЧИХ КОЛОШ.

Определим высоту вагранки по формуле для вагранки производительностью 10 т/ч:

Полезная высота вагранки равна 6,5 м. Полезная высота вагранки определяется как расстояние от оси нижнего ряда фурм до нижнего среза завалочного окна. Тогда общая высота шахты вагранки (без учета опорной части, узла загрузки и трубы с искрогасителем или пылеосадителем) составит:

Общий объем шахты вагранки составит (для Q_в = 10 т/ч):

Определим количество металлических и топливных колош, вмещающихся в шахту вагранки, исходя из соотношения:

Обычно m_фл составляет от 3 до 5% от массы металлической колоши или , а

Принимаем n = 13.

10. РАСЧЕТ МАССЫ ЗАГРУЖАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Масса рабочих колош кокса, вмещающихся в шахту, составит:

Масса металлической шихты составит:

Масса флюса (известняка) составит:



Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей массой:

11. РАСЧЕТ НЕОБХОДИМОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУХОДУВОК

Необходимое давление в фурмах определяется по формуле:

При установке мокрого пылеуловителя сопротивление отходящих газов увеличится на 100 - 200 мм вод. ст. По требуемому расходу воздуха выбрана воздуходувка В2М 14/1400 с максимально развиваемым давлением 1400 мм вод. ст.

12. 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:



Общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм:

Принимаем минимальное число клапанов на каждом фурменном поясе равным 8. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:

Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных отверстий клапанов, составят:

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 10 т/ч: , Следовательно, диаметры клапанов как для верхнего так и для нижнего фурменного пояса меньше ширины соответствующих фурменных поясов, и установка клапанов не вызовет затруднений.

Исходя из необходимого количества воздуха, поступающего в вагранку, по данному расчету Q_возд = м³/ч, выбираем воздуходувку типа В2М 14/1400, обеспечивающую производительность 14000 м³/ч и давление 14000 Па или 1400 мм вод. ст., или 0,14 кгс/см².

Определим массу груза, включая массу колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой:

13. РАЗМЕР ОГНЕУПОРНОЙ КЛАДКИ

Размеры огнеупорной кладки шахты и подины вагранки определяется 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 шихты 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 65x113x230 мм).



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. С. В. Брусницын, А. В. Сулицын. «Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем». 2014г. 15 с.

2. Конспект лекций.

Размещено на Allbest.ru

...