автореферат диссертации по металлургии, 05.16.04, диссертация на тему:Разработка и исследование ваграночного комплекса для плавки чугуна и его оптимизация по конструктивным и технологическим параметрам

Р Г 6 од

2 В ИОП

СИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИЁТДЛЛ9РГИЧЕСКИИ ИНСТИТУТ им.С.ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи

СЕЛЯНИН ИВАН ФИЛИППОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ВАГРАНОЧНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПЛАВКИ ЧУГУНА И ЕГО ОПТИМИЗАЦИЯ ПО КОНСТРУКТИВНЫМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Специальность 05.18.04 -'Литейное производство

А В Т 8 Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание дченой степени доктора технических наук

Новокузнецк, 1993

Диссертационная работа виполнена на кафедре литВйного производства Сибирского металлургического института , г. Новокузнецк.

Официальные оппоненты:'

- доктор технических наук, профессор Г.Й.Косников

- доктор технических наук, профессор В.Г.Бабкин

- доктор технических наук, профессор Я.М.Гордон.

Ведуцее предприятие - Западьо-Сибирский металлургический комбинат.

Зацита состоится "20" декабря 1993 года в 15-00 часов на заседании специализированного Совета Д 063.14.0!. по защите диссертаций на соискание- Ученой степени доктора технических наук при Уральской государственной техническом университете - УИН .

С диссертацией йоено ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Ваз отзыв и замечаний , заверенные гербовой печатью учреждения,просим направить по адресу.620002,г.Екатеринбург. К - 2, ул. Мира; 19 , УГТУ - УПИ, Ученому, секретарю Совета института.

• Г" ' ><1^1

Автореферат разослан г.

О

Ученый, секретарь

специализированного Совета, Н.С .Шумаков

доктор технических наук,профессор /

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМ!!. Основная масса литейннх вагранок в нашей стране выплавляет чугун с температурой 1320-133Р~С, что явно недостаточно для обработки чугуна специальными добавками, проведения термовременной обработки в кидкон состоянии и получения высококачественного литьа.

Перевод части вагранок на двойное дутье позволил повысить -температуру жидкого металла на 20-б0°Г, не изменяя качества и расхода кокса. Но многие литейные цехи, проведя ь;одчр[»;?ацив Фурменного пояса плавильной печи, не получили о а и да с-к о. о результата. Это показывает, что ваграночный процесс недостаточно изучен в экспериментальном я теоретической плане, а отдельное вдачнкз аналитические решения вопросов газодинамики,тепломассообмена не объединены в единую математическую модель, которая позволила бы ставить численные эксперименты, используя возможности современных ЭВМ.

Основная задача исследования заключается в создания обобщенной математической модели на основе уравнений, описнвагацих процессы газообразования в холостой колзые,аэродинамики движения газа в зернистом слое, выноса илака в зерхние горизонты печи, теплообмена в зоне нагрева твердой вихты, плавления ч перегрева видного чугуна, фиэико-хиаического взаимодействия компонентов чугуна и илака в коксовой насадке, тепловых потерь через стенки яахты. На основе результатов численной реализации модели создать новые конструкции фурменного пояса, позволяющие получить максимальную температуру перегрева металла. Для условий Сибири, Урала и Дальнего Востока разработать ваграночный комплекс с простой по конструкции и надегно работающей системой сухой пылеочистки.

В соответствии с основной задачей был выполнен анализ уравнений теплообмена с цельи выявления оптимального вида температурной кривой газа, дашщзй максимальную температуру перегрева чугуна при неизменных расходах кокс?, и воздуха. Для получения недостающей экспериментальной информации были сделаны следуздие исследования:

- сопротивления столба агихтовых материалов с больиими размерами кусков, характерных для ваграночной плаэки при подача дутья

%

через один, два и три ряда фуры:

- газообразования в коксовой насадке вагранки при многоуровневом подводе дутья с большим расстоянием нейду рядами Фурм;

- теплообмена «евду газом и шихтой в зоне нагрева:

- выноса шлака из холостой колоши в зону плавления и подогрева шихты;

- газодинамики вихревой камеры с целью определения оптимальных углов закрутки газового потока и показателей по степени очистки запыленного потока о г аэрозольных частиц.

нйучнйя новизна.

1. Создана обобщенная математическая модель ваграночного процесса на основе уравнений газификации в коксовой насадке, аэродинамики газового потека в слое материалов, выноса клака в верхние области шахты печи, теплообмена мегду газом и материалами плавки в зонах ногреза твердой щихты, плавления и перегрева жидкого чугуна.

2. ПредлоЕена физическая модель, объясняющая резкое снивение температуры кидкого чугуна при большой удельной подаче дутья С']«),

Показано , что при ^ > 1.75...2.0 и3/и*с экспоненци -альна растет выкос капель влака в зону плавления и подогрева них-ты. Шлак, обволакивая пленкой куски металлической вахты, резко уменьшает коэффициент теплопередачи от газа к поверхности аетал-ла. Зона перегрева шихты до температуры плавления растет по высоте вахты, одновременно сникается зона перегрева аидкого чугуна.

Установлен аналитический вид зависимости доли выноса влака от скорости воздуха на пустое сечение шахты.

3. Составлена вариационная задача по теплообмену меаду газом к материалом с учетом дополнительного изменения температура газа за счет реакций газификации в слое кокса холостой колоши, Дано ее решение в виде г> - Функции Дирака. Отмечено, что физический смысл данного решения заключается в получении максимальных температур газового потока у торца фурм и з зоне плавления металлической аихтц.

4. Установлено, что производительность вагранок со вторичным дутьем растет за счет увеличения расходной характеристики центро-бевного вентилятора. ' Избыток количества подаваемого дутья в печь связан с уменьшением высоты и гидравлического сопротивления стол-

ба материалов при устройства верхних радов фурн-.

5. Разработона конструкция вагранки 'с треая радами фурм, позволявшая интенсифицировать процесс теплообмена «езду яидкиа чугуном н газозыа потоком в холостой колоие.

Показано, что данная конструкция фурменного пояса дает воз-нояность получить вид температурной кривой газа, более всзго соответствующий реаениа вариационной задачи.

6. Разработана конструкция вихревой камеры для очистки ваграночных газов ог тверднх частиц.

7. Разработана конструкция электровесовой телепки на тензо-петрических датчиках, с их защитой от динамических нагрузок.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Разработана рабочие черте'яи ваграночных комплексов в состав которых сходят: иахтиая печь с расширенной зоной горения с внутренний диаметр о« 700.800,950,1100,1300 им, теплообменник, вихревая канера для очистки отходящих газов от пыли,. скиповый подъемник. электроэесовая телезка с защитой тонзодатчикоз иг динамических нагрузок для взвешивания материалов в бадье и в бункере, система контроля и управления ваграиочнаи процессом. По данным рабочим чертезаи построены и эксплуатирувтся вагранки с двупя и тремя рядами сурн на Ногайском 'зкспериаентально-иеханическом предприятия, Тартусском опытном литейно-иеханическоа заводе,Гурь-евском металлургическом заводе, на кемеровских заводах электромеханической ("К3!33") и "Строынапина", на заводах "Нозокузнецисель-«ап" и "Сйнтехлят". Составлена рабочие инструкции по эксплуатации спроектированных установок. Главный технологический результат -псвизелие температура чугуна на 60-80°С по сравнении с однорядными печани и на 15-20°С по сравнении с вагранками, модернизированными на вторичное дутье. Значительно повипена надежность работы-' тензонетрического устройства злектрозесовой телеаки. Весовая те-лезка з условиях литейного цеха завода "КЭНЗ" показала безотказную работу в течении пяти лет эксплуатации. Обций зкононический аффект за период с 1981 по 1981 гг составил сейме 0,5 млн рублей.

АПРОБАЦИЯ РАБ0ТИ. Основные результаты исследований были до-лозены ка 1 непдународной и 16 Всесоюзных, республиканских и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах (Чехословакия, С-Петербург. Новосибирск, Владикавказ, Минск, Новокуз-

о

н«цк,Кемерово, Красноярск, Чебоксары, Тольятти).

ПШШЩИЙ. Иатериади диссертации опуйликоваин в двух учеб-ннх пособиях, 23 статьях, 12 отчетах по nagwo -исследовательский работай,получено 2 автсрскяк свидетельства СССР и патент.

СТРЗШРй Д'ЛССЕРТпЦ"«. Основное содержание диссертации г.ред-стаелсно & cea;: разделах.Диссертация взлозеиа на 342 стр. кавиио-пиенпго текста, содержит в ток числе 04 рисунка, 23 таблицу и 4 приложения.

. В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполнении:; «второй самостоятельно, а также совместно с сотрудниками Сибирского металлургического института, лаборатории ГПТИ "Пронав-тонатика", лаборатории вихревых технологий Восточного института черной нгтталлурп;!;, предприятия "Экологическая слукба зкергетя-ки". Автору принадлежит постановка проблегш в целок, задач $кспв-рнненталышх исследований, разработка методик проведения экспериментов, создание математической модели, проведение численных расчетоз на ЗВМ. обработка и анализ результатов, руководство и непосредственное участие во внедрении результатов.

КЕТ0Д«К£ ИССЛЕДОВАНИЙ. Исследования проводили в производственных условиях и на лабораторной вагранке с внутренним цна-нетрои 5500 «а и полезной высотой 3,18 и . Вагранку оборудовали треке рядами оурк по три Фургш в ряду, расстояние мевду рядами составляло 350 ми. Расход воздуха контролировали диафрагмой на главной трубопроводе и расходными соплами, установленными :на каждом подводящем фурменной патрубке, изготовлениаии в соответствии с нормативными правилами. Конструкция фурменных колен позволяла легко менять фурменные насадки при переходе от одной серии экспериментов к другой.

Температуру чугуна измеряли W-Re термопарой погружения, Производительность вагранки определяли по времени отбора пяти ковшей массой 80 кг после выхода печи на ус/ойчивнй регим работы.

Газ на анализк отбирали водоохлаъдаемой трубкой. Гази отсасывались через трубку с помощью насоса ЗННР-1Д. Для измерения .температуры поверхности кокса использовали алундовув трубку длиной 700им.и диаметром 20мм. Трубка проходила через измерительное отверстие, один конец ее упирался в кусок кокса с таким расчетом, чтобы теплоизлучение в плоскости измерения ило только от одной

!

поверхности куска. другой сторонн трибки тснпвпэтуру азмеэялн оптическая пирометр . г типа РйП"Р с сниГкой 27.. ¡¡¡¡утри груЗни проходила й-!?е тернопара для йзыерсни« температура газа и температуры поверхности. При кзкерекии твиператири поверхности кокса оятк-ческкп пнроястро" отялзччли вснтилятс? загран:««. ьа 10... 15 секунд. Двадцать сень кзиерктелмсв; точек располагалась по вертикали захтя на расстоянии 175. чи друг от друга по трем вертикалы;;;;: плоскостяи 'от эрозия первого рада '.'Урн. Контроль пзракетроз иа дакноч горизонте прозодкли у стенки па;.тн, в центре ч ¡:а половин* рад,¡уса печи.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ!" ,

СОСТОЯНИЕ' ВОПРОСА И ПАТЕНТНАЯ'ПРОРйПСТКА ТЕИЙ КССПЕДОШИЯ.

Откачено, что заграночнкЯ чоппдокс отличаете" простотой в эксплуатации, отшиагьш::: затрата.;;: на изготовлен« и -

к у и йсиболез яфусвтивеи для вдплазкл сернх чугунов низких и средних марок.

Рассмотрен'! -детали иитеисвенкация ваграночного процесса, детально проанализирован!,! зкспешшектзльнзе и теоретические работ;,-, по прякенекиа двойного дутья. Ь'кезано, что патентная литератора по "загранкам со вторячкин дуться противоречива по вопросу распределения воздуха непду рядами фурм, а расстояние неаду рядами заявлено в неоправданно кярокок диапазоне о г 570 до 1300 ми. Такое полошше связано с теи, что теория ваграночного процесса недостаточно разработав« и не налет указать граначиао значения оснопних технологических и конструктивных параметров (разягф кискоз кокса ;; сяхтн, расстояние нанду рядами сурн, внутренний днзнетр и высота печи), когда знход за границы спределенннх значений не дает г«?фскта перегрева выплавляемого чугуна. Неполнота теории сказывается на виде экспериментально построенных н'онограии ваграночного процесса. Они существенно отличаются у различных авторов. Совершенно нет оизнческих аодолей, хотя бя качественно по-яскяБпих ход кривых те1атературн чугуна при больчеи расходе дутья.

С увеличением количества подаваемого воздуха скорость газового потока растет и .как показывает числовые оценки, превышает скорость витания илакозцх частиц. Последние до.гаа; внноситься в верхние горизонты печи и обволакивать ¡злаковой пленкой куокн шихты и , следовательно, снизать значение коэффициента теплоотдачи

от газа к шихте. Исследований по выносу слака из холостой колоша в зону плавления и подогрева нет. Нет исследований по сопротивлении столба пихтовых материалов, характерных для ваграночной плавки. Отсутствуют данные по изйенекию количества подаваемого дутья при модернизации Фурменного пояса на вторичное дутье и при неизменно работающей центробееном вентиляторе. Не исследован процесс газообразования при многоуровневом подводе дууья в коксовую насадку вагранки с большим расстоянием кскду рядами оурк. Нет систематических данных по составу отходящих газов из вагранок со вторичные дутьем во всем диапазоне пленения количества подаваемого дутья. Имеется четкое несоответствие меадд данными по снике-н;ш СО в отходяцих газах и повышением производительности печи с расширением зоны горения. Отсутствуют аналитические исследования, которые позволили бы кэ больного разнообразия кривых изменения температуры газа по высоте холостой колоши выбрать, а затек экспериментально получить такие кривые, которые дадут максимальную температуру перегрева чугуна при неизкешшх расходах топлива и воздуха.

Из-за отсутствия оптимальных решений по ' конструктивным и технологическим параметрам плавку на вагранках до сих пор ведут с неоправданно высоким расходом кокса и получают низкую температуру перегрева чугуна, что окэывает высокий брак литья по вине металла.

Рассмотрены способы пылеочистки ваграночных газов. Сухие способы на основе центробежных циклонов малоэффективны'из-за низких значений окрувной скорости внутри аппарата. Мокрые способы в условиях Сибири, Урала и Дальнего Востока приводят к большш эксплуатационный трудностям за счет образования в зимнее ' время наледей на конструкциях установки.

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗООБРАЗОВАНИЯ В СЛОЕ КОКСА ХОЛОСТОЙ

колойи

Опыты проводили по двум технологический реаииам. По первому реаииу вагранку загружали на высоту 1400 ии над уровнен ниянего ряда оурм и по мере выгорания слоя восстанавливали до первоначального значения'рабочими топливными колонам«. По второму реишу после розЕига холостой колоин в вагранку загружали металлические колоии массой 160 кг и рабочие топливные колон;1, массой 20...22 кг, расход известняка составлял 3% от иеталлозавзлки.

Установлено, что воздушный поток от второго и третьего ряда Фурм интенсивно- перенепивается с восходящими газами.Кислород дутья уненьвается за счет двух причин:его расходование на реакцип горения я на смешение с топочными газани. Содержание СО в вагранках с двумя и тремя рядами фура зависит от количества подаваемого дутья. При малом количестве подаваемого воздуха содержание СО аеньве, при больной удельной подаче дутья ( •Jo > 1,75 m V(а-с)) содерпание СО на 1..ЛХ болызе чем у вагранок с одним рядом фурм. При больших скоростях газа первичные ялаки, содержащие до 407. FeO .выталкиваются на периферии очагов горения, где развивается реакция восстановления оксида келеза.

FeO + С —Fe + Си У вагранок со вторичным дутьем поверхность очагов горения в 2...3 раза вине, а шлак более перегрет, чем у печей с одноуровне-В1!н вдузанием. Все зто приводит к более интенсивному протекании вышеприведенной реакции у вагранок с двумя и тремя рядами фура з случае подачи большего количества дутья.

Как правило, содержание монооксида углерода з восстановительной зоне на 1...2Х вине, чей его содержание в газах редукционной зоны по сравнению с простым сяигониен кокса .

В реяиме плавки потоки зйдких металла й злака активно смывая золу кокса, увеличивает эсоективнуа поверхность.реагирования для реакции

С0?, + С ' —2С0 Кроме того,поверхность реагирования резко увеличивается за счет мелкодисперсного графита, который всегда присутствует на поверхности капель чугуна. В математической подели принято Fk(1 + аР); где а = 1,1; Р - производительность печи.

Предлозено дифференциальное уравнение теплопроводности с отрицательным тепловым источником для описания температуры поверхности кокса в кислородной и восстановительной зонах.Рекение данной задачи в виде экспоненциальной функции хорошо соответствует экспериментальны:! данным и значительно уменьшает машинное время при численной реализации обобщенной математической модели.

АЭРОДИНАМИКА СЛОЯ МАТЕРИАЛОВ ВАГРАНОЧНОЙ ПЛАВКИ Основная масса вагранок в литейных цехах не имеет контрольно-измерительных приборов для определения расхода воздуха. При

модернизации фурменного пояса с.целью расширения зоны Горения изменяется количество дутья, подаваемого в вагранку, вместе с этим изменяется производительность печи и температура выпускаемого чугуна. Исследуя аэродинамические параметры плотного слоя материалов, мояко построить катематическуа модель газодинамики ваграночного процесса, которая позволит с помоцыо расчетов на ЭВМ оценить распределение воздуха по рядам Фурм, используя только дополнительные конструктивные параметры печных установок.

Расходы воздуха через 1,2 и 3 ряды фурм будут .равны

52 Р1 + 53 1*1

51. §2 + —\] 51 5 3 >1

52 53 (§1

е? = 01-—V — ; дЗ ='(».--—

6.2 43

где Уо = I) ; Ро - давление, развиваемое воздуходув-

кой; - сумма коэффициентов сопротивлений по всему воздуапо-

ку тракту; ^1,^2,^3,51 ,52,53 -суммарное сопротивление по тракту и относительная плоцадь сечения 1,2,3 ряда фурм.

В суммарные - коэффициенты сопротивлений входят коэффициенты сопротивлений слоя материалов ваграночной плявки С П, а потеря давления на слое (дР) зависит от его порозности ( £П, диаметра куска СДI >. полного удельного расхода воздуха (Оо), высоты слоя (НП, температуры газа <ТП '

ЛР1=0С^ 1, £ 1 ,Д1,Н1 ,Т1 ,ио).

В экспериментах на вагранке диаметром 500 мм контролировались все аргументы вышеназванной Функциональной зависимости отдельно для слоев кокса, чушкового чугуна,кокс+чуиковый чугун и полностью перемешанных засыпок кокс+известняк+чувковий чугун при холодных и горячих продувках.

Дашшо опытов позволили вычислить коэффициенты сопротивления слоев (у1) к установить, что в автомодельной области с точностью до 3-5'/. справедливо вирааение Христианина Е.В.

>Ь = 5,31 - ,

где - Рт/ги - геометрический коэффициент форма кус,са;Рт.Ри -площади поверхности иуска и эквивалентного пара при постоянстве их объемов.

Расчетная модель адаптировалась по данным лабораторных продувок и промышленных плавок, числендае значения срединного отклонения к среднеарифметической овибке и к дисперсии составило для холодных продузок - 0,312; 0,00 ;для обычной технологии плавки -0.895;0,?00. Отклонения от стандартных значений нормального закона распределения случайной величины не превышает 5.9%.

Наблюдения показали рост сопротиг'ения воздупного тракта при плавке на производственной взгранке (А0"Унизерсал"). Он связан с постепенным оплакованием кусков кокса холостой колош: и уменьшением проходного сечения Фурм за счет их затягивания нлаковыми диафрагмами.

Результаты расчетов и экспериментов показывают, что расход воздуха через верхние ряды на В...102 больше, а через 1 ряд на 6..,10% меньше, чем сойветствуивде площади сечения фурм. Разность в расходах воздуха растет с увеличением расстояния мекду рядами Фурм, с уменьшением высоты вагранки и высоты холостой колоши Кроне того при модернизации фурменного пояса на двойное . дутье при постоянной характеристике центробенкого вентилятор? снабяение вагранки воздухом увеличивается на 8,..14 У., что связано с дненьвением эффективной высоты столба материалов в. иахте печи.

ТЕПЛООБМЕН В ИАХТН0Й ПЕЧИ

Для коэффициента теплообмена мезду газон и' материалом в кахтных печах предлонено больпое количество формульных выражений. Их анализ, проведенный С.Вардарьяноа (1986 г), показал, что для доменных печей наилучшие результаты дает формула Б.И. Китаева.

Для идентификации выоеприведенных формульных выраяений к условиям ваграночной плавки были проведены опыты по нагреву металлической пихты в шахте печи. Экспериментальные точки блике всего распопокены к расчетной температурной кривой, полученной с использованием внрааения Б,И,Китаева.Поэтому в обобщенной математической модели для расчета теплообмена в иахте печи была использована последняя формула. ' ;

Для области холостой колоии была сформулирована вариационная

задача по теплообмену меаду еидким металлом и газовым-потоком.

Математически данная задача записывается следующей системой вирааений .:

¿Юм =Х'(Тг

с!0г = - аОи + сШ + с№к - <!0в - ¿Шп;

У

, Иг----= Иг -(Т -Т). ■

Первое уравнение определяет тепло сШн, которое передано в единицу времени от газа к металлу за счет теплообмена через поверхность Р. Второе виравение - это уравнение теплового баланса.Те-пл'о. от газа йОг = МгёТг расходуется на нагрев металла йОм = НмйТк (где Км.Иг - теплоемкости потоков газа и металла) , сглака (¡Йи и на потери тепла й0п через стенки печи. Кроме того ,гаэ получает тепло от реакции горения топлива <30 и окисления компонентов чугуна <№к.Третье выражение показывает,что количество тепла, выделяемое в холостой колоше, постоянно и не зависит от вида варьируемой Функции Т(г). (Т'и Т"- температура газа на входе и выходе из зоны перегрева без учета теплообмена между газом и металлом).

Решение вариационной задачи дано в виде функции Дирака

1 <5Т

8 Ш ------------—

т" - т' Эг г=о

тег) = ] (Ти- т')• Зт-аг = т' - т', р

Оно показывает, что максимальная температура металла -достигается в случае нагрева газа теплом химических реакций или иными источниками тепла на входе в хону перегрева до Т( 2 3 =т'- Т;.

Реиение аналогичной зада,чи для зоны плавления выранается через ступенчатую функцию

1 'дй Ъ-а - Ъ ----------------- .

1шгР Ьг

где Z - среднее значение уровня плавления: 1.пл - теплота плавления. затрачиваемая на элементарном участке dZ; Р - производительность печи.

Следовательно, максимальная температура чугуна достигается если плавление завершается в тонком приграничном .слое, толщиной dZ. В вагранке с расииренной зоной горения плавление осуществляется на подушке верхних кислородных зон с максимальным значением температури поверхности кокса. Зона плавления в этом случае значительно сокращается.

Задача о границах расширения зони вдувания решалась следующим образом. Основное требование TtZ) = const достигается тогда, когда понижение температуры газа и кокса на уровне Z за счет развития восстановительной реакции точно компенсируется приходом тепла от расходования новых порций кислорода дутья, подаваемого через верхние горизонты.

Оценочные расчеты по выведенным уравнениям дают для мелкого кокса (Дк = 0,06 м с порозностью ъ - 0.4) величину зоны расширения 0,7 м, для крупного кокса (Дк = 0,1 м, £ = 0,45) зона расширения равна 1,05 м.

БЫН0С ШКА ИЗ ЗОНИ ПЕРЕГРЕВА МЕТАЛЛА В ЗОНУ НАГРЕВА ШИХТЫ

Влияние выноса илака из нианей части зоны перегрева в зону плавлени и нагрева пихта на температурный реяим и производительность доменной печи ' хороао известно и изучено .В доменной печи выход илака на порядок выше, чем в литейных вагранках. На на вынос плака из низнкх горизонтов иахтной печи оказывают основное влияние гистограмма дробления илака по диаметрам капель и максимальная скорость газа в области выноса. Плотность орошения оказывает косвенное влияние на этот процесс.Установлено, что средний' размер капель чугуна и шлака , стекающих по коксовой насадке в доменных печах и вагранках равен 5 мм.Критическая скорость витания таких капель составляет 38,5 - 38,8 м/с. Локальные максимальные скорости газа в доменной печи составляют 24 - 40 м/с.Максимальные скорости характерны для низа доменной печи в области очагов горения. Средние скорости газа в литейной вагранке в зоне перегрева находятся в интервале 32 - 40 м/с,следовательно, превышают критические скорости витания при Qc> 2,1 и^/и^-с. Из пра-

ктики эксплуатации вагранок известно,что температура чугуна резко уменьшается при > 2 и "'/и5, с.Вынос капель мака в зону нагрева шихты непосредственно наблюдается при модернизации вагранок на вторичное дутье.Капли расплавленного шлака, достигая уровня бронированного пояса,подплавлявт его,что создает дополнительные трудности при эксплуатации таких вагранок .

йидкий илак, стекая вниз по элементам коксовой насадки,дробится на части за счет взаимодействия с кусками кокса и турбу-, лентными пульсациями газового потока.

Исследование выноса кидких капель клака проводилось на мо-делирувцей установке-шахтной печи при равенствах критериев Вебера .Рейнольдса , Архимеда модели и объекта.

Вероятность выноса (А) или отношение массы унесенных капель ¡злака к полной массе шлаковой навески на основе опытных данных экспоненциально возр&стает при удельной подаче дутья .сверх 1,5 • м-'Ук^с.

В иахтной печи в стационарном ревиме плавки скорости дробления и коагуляции частиц влака равны. Учитывая только парный взаимодействия и дополнительно закон сохранения поверхностной энергии для вероятности выноса получаем выракение А = 1 - [ ("Л/До + 1)- ехрС-Д/До)] Д = 0.?5'СГ'Рг-иг^ / ф ) , где СГ - коэффициент сопротивления шлаковой частицы; р г, р и -плотность газа и влака;иг - скорость газа. Экспериментальные данные по вероятности выноса хорошо описывается вышеприведенным выражением при До = 4,90 мм.

Елак, вынесенный в зону плавления и нагрева, обволакивает куски мих'ты пленкой толщиной Ъ . Учитывая постоянство массы клана на элементарной высоте слоя и то обстоятельство , что шлак растекается- по поверхности куска металла диаметром Дм и плотностью р м, имеем

^ ' Оо'А Ри

¿5 ---------------(

6 ^р и

где Оо - относительное количество шлака на единицу массы еидкого чугуна.

Более крупная шихта экранируется более толстым слоем шлака и

ее нагрев до температуры плавления резко замедляется при больших скоростях газового потока, когда величина А экспоненциально возрастает от Ur.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВАГРАНОЧНОГО ПРОЦЕССА Разработанная математическая модель ваграночного процесса включает следующие раздели: ! - динамика двмения газов и натери-алов в пахт.е печи; 2 - кинетика газообразования в слоо кокса холостой колоии; 3 - нагрев счхтн дз точки плавления; А - глубина зоны плавления и теплообмен при плавлении; 5 - теплообмен при нагреве впдкого металла; б - потери тепла через стенки вахты: 7 --■ Физико-химические процессы образования мака, окисления и восстановления элементов.

Б разделе динамики движения газов й материалов реиеяа система уразненай Насье Стикса в околофариеииои пространстяе иахтной печи. Показано, что при больаих числах Рейнольдса , характерны/ для ваграночной плавки, в неподвижной коксовой насадке движении газа потенциальное, следовательно, кинотику газообразования мо;.;но рассматривать иеьаьисимо вдоль каждой трубки тока и привести трехмерную математическую модель к одномерному виду.

При потенциальном течзнии реагируацегп газа поверхности равного потенциала скорости параллельны изотермическим поверхностям вне зависимости от п - мерности области течения.Вблизи Фурн изотермические поверхности имеют Форму сферы.

3 теплообмене с вертикально диипуцинися каплями яидкого чугуна участвует объем газа U = 4--'?Г-г'3/3 , для однойерной модели этот объем равен U = l-jT-r^vVZ и Л Z : г / 3, Здесь г -радиус сферы, &1 -высота одномерного элементарного объема. Следовательно, резкер захолакиеадщей пони вблизи фурм при Tr(Z) < Тпл необходимо уиеньиить в К раз,где 2 <: К < 3, Коэффициент'К с 3 по той причине, что переход от трехмерного к двумерному дпипенив происходит постепенно,-при двизении газа от торца фурмы. Для математической модели хорошим пиркбдпзониеи будет селичина К г 2,5.

Расходование кислорода п диоксида углерода по высоте кислородной и восстановительной зон описывается однотипным дифференциалы«» уравнением первого порядка, которпе решалось численным методом Эйлера на кэидон 1 элементе по высоте печи. Для i-ялзмента по высоте AZ оно записывается в виде !

1 Тс

дс = - ср. г-с--------- -- йг ,

1 V 5ш Тг

где С - концентрация реагирувцьго газа;Р - удельная поверхность кусков кокса; Би - критерий Семенова; ^ - Функция переноса; Тс -температура поверхности кокса, Тг - температура газа. Функция Тг-= Тг(С).

При температурах поверхности кокса в кислородной зоне Тс > 2000 К развивается реакция термического разложения углекислоты (СОо ).

Учитывая зависимость константы равновесия этоГ! реакции от температуры К = К(Тс) и балансовые соотношения по кислороду и диоксиду углерода, находим содеряание С0д,0й, СО и приведенную ка-локетркческув температуру в конце кислородной зоны.

Реакции восстановлениия РеО и ИпО из первичных планов на вневней поверхности очагов горения приводят к дополнительному приросту содергания СО по высоте холостой колови на величину

дСО = 0,56-Ме0-0о~А-дЯ , где НеО - начальное содеряание РеО + ИпО в первичных планах.

Вероятность выноса шлака (А) на периферию очагов ^горения возрастает экспоненциально от скорости газа,поэтому величина А СО. становится значимой только при <д0 > 1.5

Для одномерной модели при нагреве материала в противотоке температура видного металла, температура ешхты и температура газа Тг на выходе из зон теплообмена определяется по известным формулам. Температура газа на входе в зону перегрева равна средней температуре газа по всей высоте холостой колови, которая рассчитана в кинетической блоке программы.

Потери тепла на плавление и на разлозение известняка учитывалась интегрально. Производительность печи определялась по заданным расходам кокса (К,%) , дутья ( О,о .м^/м^с), содержания кислорода в дутье ( 02о ,7.) и по рассчитанному содержанию С0^ ,СО в отходящих газах по формуле, вытеказцей из баланса сгоревшего углерода

Рв = 0,53-9<г 0йо'СС0й + СО )/[К-(С0а+ 0.5-С0)].

Куски ыихты, опускаясь от колошника к зоне плавления, постепенно зарастают пленками шлака толщиной <3 . Пленки, имея иеныгую

теплопроводность ( X ). уменьшают эффективный коэффициент тепло -передачи ( Х£, ) от газа к инлте. Последний определяли по формуле

Хс - (1/^1 + S /X где - коэффициент теплоотдачи.

Глубина зоны плавления рассчитывалась из уравнения баланса тепла, полученного от газа через поверхность куска вихти на его расплавлений. Глубина гони плавления пропорциональна диаметру куска ггихтя (Дм),

За основу расчета теллопотерь через стенки tia/тк и п горне вагранки били взяты критериальные уравнения для теплоотдачи при течении газа в тэдСах и г,л;.! теилоотдач« конвекцией:Ки - 0,01" U-i ',' J'ix - 0.133- i'jsVnu! Ни.Ре. «у г - критерии НусиЬльта.Рейяольд-са, Грасго^а. . ' ,

Блок-схема алгоритма расчета представлена не. рис. .

Основные блоки схемы: 4 - расчет производительности печи Р , теплоемкостей потоков металла Км, кокса 11к, известняка î'iî, тепловых потерь через стенки Si , калорикетричаскя;: температур и кислородной ТК' и восстановительной ТВ зонах; 5-1G -расчет состава, темперам урн газа l'f .температуры поверхности коксл ТС не высоте холостой колоши; 17 - расчет средних температур га:.з S , кокса TcS, вероятности выноса алака П, коэффициента теплопередачи через пленку илака глубины зоны плавления ZP,минимально"! H!i!!i и максимальной НИНА высоты холостой колози, температуры жидкого металла TH1 и газа Т^-3 на выходе из пачи.

Математическая модель била реализована в виде программы на языке 8 - Basik. Расчеты выполнена на персональных ЗВИ типа PC/fiT/288.

В математической модели температура чугуна, на выпуске из пе-• чи и ее производительность является Функцией следующих параметров

ïh - Р = f ( (}о,То,К, 02а, El .ПЛ.'Л .Си, Снт. Дк.Дм,Д1, Ho,Hg,L12,L23, çt , , Д1, Д2) . где ТО - температура дутья; Е1,Е2 - энергии активации реакции горения углерода до С02 и реакции восстановления С02; I - расход известняка ; .X - теплопроводность Футеровки; Снт,См - теплоемкости шихты и ¡едкого иеталла;Дк,Дм,Дг - срсдкий*разиер кусков кокса, известняка, шихты; Но, Нд - полезная высота вагранки и

Б/Ш-СШ1Л АЛГОРИТМА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВАГРАНОЧНОЙ П/1АЕКЙ

■ •(■ начало ^

1LK. СО ,СОс .К, I.DH. DK. DI.EJ1.EX. EI.DEX. 'í¡ / DEí?. DSX. El, E2. LPL. L.SL. CU, CMT, CK, CI. L1, LQ , DI. D2. AL1. ALH. L2. FeO . tínO . ZOt. ,Hs, Но. /

ШС = KS ♦ O.Ol

Расчет p.wi ,wk ,wi , qi. T¡í . та

— 1

П/П1

5 Расчет co2(Z).oe(Z).ts<Z).tc(Z) : п/п £

/02 - огк/ < о

i

п/ПЗ

оораяэнио к в/п 1. п/п г

о /Z1-L1E / < о: /ог -огк/ < о

И/513

—

Расчзт C02D(Z). COBÍZÍ»02В (Z)>TE0(Z): П/П ftl

/ zi + zb - иг/ < о

п/п 4

п/п е

Ó

1у

гсрна;!Л2.123 - расстояние неадц рядами Фурм; <]1 , -

относительный расход дутья через 1,2,3 ряды Фурм; Д1.Д2 - внутренний и внесший диаметры печи.

Поэтому графическое построение полных номограмм невозмогио,-Как правило, в экспериментальных работах строят номограммы в зависимости от изменения двух параметров Тм = ^ К); Р = не указывая их полностью. Выполнен расчет и построение номограмм для двух типов вагранок с одним рядом , с двумя рядами С = у а = 0,5; 1.12 = 0,?м) , с тремя рядами Фурм (9^= 0,55;

¿¿д. = 0,31,. цЬ = 0,14; 112=123=350 ум). Первый тип Д1 = 0,5 м; Но = 3,13 м; второй тип Д1=1,13 м; Но - 5,0 м. Дополнительные значения параметров; То=293 К;02о = 2 \У.\ Е1 - 119000 кДх/ыоль ; Е2 = 188000 кДс/коль;I = Ъ'/.: Дк = 0.005 м; Дм = 0,1 м;Нд = 0,4 к; Д2 - Д1 = 0.52 м. Основные отличия от вагранок с одним рядом Фурм: при низких расходах дутья ( ¿¡с < 1,5 мл/м^с) температура чугуна возрастает.для Но - 3,18 и, Л Та - 1О...ЗОвС, для Но= 5 и, /хТк г .20...60°С. Чем выие вагранка, тем значительней перегрев чугуна на вагранке с двойник дутьем. На вагранке с тремя рядами Фурм температура перегрева на 10...20СС всегда выше, чем у вагранок с двумя рядами фурм.

Проверка модели проводилась ка лабораторной вагранке с геометрическими параметрами: Д1 = 0,5 м; Но = 3,13-м, с числом рядов Фурм от одного до'трех,, на загранках Тартусского опытного литей-но-мехаиического завода (ТОЛМЗ), Можайского экспериментально-механического предприятия (НЭМП), заводов "Кузбассэлектромотор" (КЗЙЗ) и "Строммашина" ССТР0МЫАШ>.Й0 "Универсал'Чг.Новокузнецк).Из выходных параметров контролировались Р ,Тм и состав отходящих газов.

По данным расчета и эксперимента строились диагональные диаграммы распределения отклонений исследуемых параметров.Отклонения расчета от опытных значений не превышают 57., а расчетно-экспериыентальное поле точек образует полосу значений,располовен-ную вдоль диагонали диаграммы.

Несовпадение, опытных значений Ты. Р ,С0# ,С0 с расчетными связан» с недостаточной информацией по вторичным входным параметрам (Дн.Дк, Е1,Е2,Но,Сн) в период плавки.Так увеличение содержания стального лома резко уменьшает теплоемкость твердой вихты,

уровень плавления подается, растет Тм .Так se часто изнзиястся уровень' загрузки Но, размеры кусков иихты Дм и Дк, ù у расчете брали только средние значения.

Полому проверка модели проводилась .на различных предприятиях, чтобы виявить главные закономерности в Функциональных зависимостях Тм и Р.

Состав газа на ьагранках с одни!: рядом и с тремя рядотн существенно отличаются. Так на вагранках первого типе содержание СОЙ возрастает на {...27., а содерааике СО умевьвается пп 2.. .У/, о увеличением расхода воагуха от 0,5 до 2,0 m'Vm^c , на вагранкех второго типа,наоборот, содервакие СОЙ- ¡¡..вньсае-тса, а СО увеличивается.

Расчеты на ЗВЙ по предлагаемому алгоритму показали во винца зависимость вида номограмм от энергий активация реакции Е2. Длз различных коксо" величина Е2 - (94...200 5-10 кДя/молъ' . Для Е = = 200'10акД;з/моль температура чугуна возрастает дс 1400 ... 1500 'С в зависимости от расхода'кокса. Содержание СО п газах уменьшается до О...12%, что на 4...меньше опытных значений.

Для Е2 = 170-10 кДе/моль, наоборот, увеличение расхода кокса с 10 до 182 повышает температуру чугуна с ti80"'С до 1300°С, но со-дерзание СО в газах на 4...8Х больше экспериментальных значений. Соответствие одновременно с температурой чугуна, производительностью печей, содержанием СО^и СО в коловникових газах длл оте-. чественных вагранок наблюдается при Е2-( 135.. ЛЗОЫО^кДя/мпль. Кроме того п{Л1 таких значениях Е2 наблюдается хорошее соответст -вне экспериментальных и расчетных значений средней высоты зонн плавления .

Положение уровня плавления (¡Ж) в основном определяет конечную температуру зидкого чугуна. Как показали расчеты по модели, зависимости НК и Тм от параметров процесса аналогичны.Увеличение И ,El ,Е2 ,Дк .Но ,L12 ,L23 . , Д2-Д1 вызывает рост НИ

и одновременно Тм. Прирост других паранщров сопровождается падением уровня НК и температуры металла на выпуске.

Нокограммние кри&ае Тм(д0,К) имеют экстремальный характер. Поведение кривых опоеделяется следующими факторами. Козффицциент теплоотдачи от газа к аихте имеет зависимость вида м ¡/о /Дм . С ростом.подачи дутья и уменьшением характерного размера куска

время прогрева вихгк до температуры плавления уменьшается, внсота зоны перегрева увеличивается. Подъем текпературц Тм на начальной участке кривых соответствует характеру изменения . Но вместе с увеличение« J~v растет вынос плака в зону подогрева вкхт« . Обздй коэффициент теплопередачи кекду газоа и пихтой будет уменьиаться с ростом толщины пленки олака на кусках вихтц, кроме того при * const толщиia пленки будет больве натисках бользего раз -мера . Резкое падение Тн при больших значениях скорости воздуха определяется экспоненциальны* поведением выноса илака от д0 .

ПРОИШЕННОЕ ОСВОЕНИЕ ВАГПяОК С РАСШИРЕННОЙ ЗОНОЙ ГОРЕНИЙ.

На;«; проведена «эдеонизация двенадцати ваграночных установок на семи заводах. Параметры устайозок приведены в таблице 1.

На заводах "Строиыавина","K3U3"."ТОЛМЗ","Сантехлит"."Нпивер-сал" в литейных цехах установлено'по две и по три иахтнвх печи. При их последовательной замене возникала.ситуация, когда в цехе вели поочередно плавку на вагранках старого и нового типа.Появилась возиовность сравнительного анализа параметров плавки при одинакових исходных данных по качеству кокса, по его крупности, по компонентам и размеру кусков шихты, по вланности дутья.

Наилучсис результата получены на в.агранках с тремя рядами Фурм, конструктивные параметры которых выполнены в соответствии с авторски« свидетельством [273. Соотношение площадей сечения всех Фуры к сечению вагранки было принято 0,07...0,1. Увеличение сечения фурм и переход на вагранки с двум рядаик Фуры во -всех случаях привело к понивению температуры чугуна. На ваг.ранках со btg-ричныи дцтьек без копильника нианий ряд чаце заливает илакои и иеталлой, чек у однорядных вагранок. Нукнс более четко следить за состоянием маковой летки и за уровнем подъека металла и ¡плана в горне. Зто связано с тец, что при работе с одной воздуходувкой параллельные каналы для газовых потоков верхних рядов фури имеет иеньпее гидравлическое сопротивление, чеы сопротивление каналов ниинего ряда фурк.

При возникновении дополнительного сопротивления на фурмах нижнего ряда за счет влаковой диафрагмы воздувный поток перераспределяется мевду рядами. Количество дутья на верхних горизонтах увеличивается, а в нивних уменьшается. Динамический напор на шла-

1ГЗ M о о о > с»

Ä о (и а . fi N и> (0 п ги « «з О <0

к ГЗГ с £Г. П -гг о о о о M •¿г ^î

С '¿ и 1 "Г f^

PI X О 6 О о ООО

и с

а >»

я о L5 1'1 1 ) ) о

s а M го 10 п ( 1 t 1 1 Vf

X 3* 1Л . го и"» CO r-í ю 1 1 ' О- Г-?

> о о « fw о 1 1 1 Й-

* с -'-Г О ó

ГО ^Г ¡D 1 о 1Г>

си ■о tn CJ 1 cu

гэ С el Г» О 1) ю <о О о О 1 \ fn 0J

1 . . fu о ЬЗ 1 о —

>> о •С гэ о о о fw о о 1 Г- 1 >т

к а s ó rî

fa

ь- in г-

а ONN сз i? >0 § « л

ií го 1Л го in о OOOOJ

0 ь* с 0 о ÍU о о о О M

п X «J ГО M О о о о о о SJ CJ л1 «х

rr Я/ d

к а о о

с

•о IP Cl 01 1

и ft "Î И о о 1 1 о

с í'3 (■J -о о o 1 О 1 >

ж и 1 . . о о о 1 из ( О

.3 CI X о ГО ГО О о сЗ 1 г- t vT *« Р)

и с m

ni >Х

и

о п H to СЗ

U. о аз (У ю -т о 1 1 \ о

s OhN 10 л: (У -a- о о 8 1 О 1 о ~

rt о 1 О 1 с, '"» го

Ï-Î Ï- Г! M О О О о о I W ~

а J:J «£ О о 1

Cl И «

С в с <Э Г) in 111 ю о о о ■г* о о о о ! си в

3 g 1 . (Л г* си PO -t о VI Li ó И

ü. б U3 -Г . о ó о -Т 'Т Й ^ ÍU

н с о ó ó 11

Gí

Г) m СЗ lí*3

а Cl m о t о

«■a л с 03 14 И Í-J о о 1 о 1

с о a 1 . <7> из -т . г» о. m iO ô о ó ( ! 3 о го ^

а Ô с о о п

CÎ ti.

X

и к го Г1 1 1 1 f

и 1/3 n <и 0J 1 1 1 1 о

У г» го a !П 1 1 1 i с'

с о ( . . о C'l о 1 1 1 1 О í-'Д

и 'Л "Т о ó CD »н

о си

с

Ж tn

?с о « го а о (-3

Ci <¡ !Л ■ г If) г^ 1 Г4»

f- о и ГЭ, Ю ГО л о о п п

* Í1 3 } . . n •T о о о о i-i л

«if о с ГО го о о О fî f<3 Í0

£ а о о о о

г о

3 О

а S к m -г 1 i i

tu >- -X О СЗ Cï 1/3 1 I > 1 1 о

к и £ О -г- г- ГО (0 о Г0 о 1 1 t о <л

н (1 си 1 t {

X О Г0 Г*! о о о о ó 1 I <д ^Ч

ч

а н

У 1 ■j ^ 1— fC

-J 1- ж г: л с 3. з: OL X M ■с 2 •с

о к > >. o я а 1-1 /

S з i* £ 1- с: 0 » S в Сл. Г. п. г.; X b

Î,I • н c> и rj п. >> с u

fX О 'S X g Ü !H te и TJ o

vi. X 1- ГЗ и £ 0 » >> V3

И~ j о а я « К с Cl { ( т >. л

сч UJ к о н "3 X a X •X к

а Ш 3 о т з: Ol % '1 НЧ >И m к и

е.: Ь й Е ш а 0 и V D. г ь

ы a я m и о si X и ■л >v а си

СИХ с. 0 Ol ta X s tc

Í* О 41 SC л ^ b о и ? ÏS ГП о

ог X . «с ч E-J 0 о £ а и s ¿1

0> « Ci. «1 V- s T й n H к * «

X tu я 0 i X 0 о tl г. с: О «

OCX о о c: с X 1- и а. * t; rï о

а о s с; о о ■>. -л <v >ч Ci о о сх

с: с: сз С Í3 — О 13 га а # f- rt 5Ú с

2-1

к»оуп диафрагму ншпшх Фурм прогрессивно уменьвг.егся. 'влак и металл практически без сопротивлений заполняют фурма. Этот отрицательный фактор,усиливается при работе г. конвейерной линией. Так на заводе "Универсал" линия купольных ванн часто простаивает в течение С, 5.. Л часа из-за технических отказов. После отключения воздуходув;:!! вагранка с расвирепной зоной горения,имея более высоки?: температурный режим п холостой колоие, продолжает плавить в точение 10-15 минут, и в этом случае неизбежно переполнение горна вядкик металлом при отсутствии копилькика. При последующем включении пе.чи иикний ряд Фурк оказывается зашлакованным, воздух поступает только через верхние ряди фурм и вагранка медленно набчрг.ет необходима® производительность.

На литейко-механическом заводе г.Тарту литейная линия работает надежно, вагранщики тщательно следят за состояние)! илаковой летни и вкзйиазваиннй отрицательней эффект на вагранке с расвиренной *онгй горения отсутствует,"

В труболитейном цехе 60 "Универсал" по чертегам заводских конструкторов ус таков лен;; две вагранки с двумя рядаки фурм с 1.12! V и г; 5Ф/ьв = 0,25. Дутье , порядка 80Х, проходит через второй ряд Фурм, полезная внеота печи практически оказалась снижена с 4,85 ы до 3,85 и . При мойных воздуходувках кидние капли слака выносят в область бронированного.пояса и подплавлявт его. Чугунное блоки пояса выходят чане из строя, что увеличивает трудозатраты при ремонте. Цех в настоящее время вновь перевел на подачу дутья только через никний ряд фурм. В литейных цехах заво-доз "Строммашияа","КЗаЗ","йЗМЛ",'"Т0ЛНЗ" суммарное сечение верхние рядов Фурм уменьшено, соотнааениз х5Ф/5в = 0,025.. .0,030 и под-плавления бронированного пояса,не наблюдается.

Для укеньиекия скорости газа в зоне подогрева I увеличения - времени теплообмена меаду газом и тахтой для завод; "Куобассэлектрокотор" Сила спроектирована вагранка с тремя рядам: Фурм с отношением диаметра ыахты к диаметру фурменного пояс, Дк/Д! - .1,8 1281. Вагранка смонтирована и показала следующие ре 'зультаты: температура чугуна повысилась на 10-15г'С по отношении трехрядной вагранке с расширенной зоной горения,совершенно исклн чено зависание при работе на крупногабаритной шихте и лодплавле ние чугунных кирпичей загрузочного пояса.

Показано, что г-д иногорядной вагранки средний уровень вду-«ания смещается относительно перэиго ряда оурн на величину л Н = , где qi - относительное количество дутья через i «яд оурм; Lit - расстояние от первого ряда фурм. Поэтому холос -■ая колона должна бить увеличена по отновешш к однорядной ваг-«анкз на ту яе высоту а К,В условиях литейного цеха П'.З (г.Гурь-:вск) экспериментально установлено резкое пенияение температуры m 40°С выплавляемого чугуна при у:.-«ньй8нии высоты холостой колоти до ее чровня на однорядной вагранке (с ПК- 1850 км до 1050 ш, при qZ - 0.3: L12 = 0,8 и).В этом случае воздух, уходя через ¡торой ряд фурм, не успевает полносшз прореагировать с тонким гши холостой колоои и резко захслаясеаег металл на" уровне пязв-¡ения.

Отношение суммарного сечения фурм к сечении- печи при проектировании новых ваграночных установок выбиралось в соответствии с шрагением

4 £*To-Rr* С Д1 - Rr) Тл-Д1й

"де £, - порозность слоя кокса,Тк- температура газа в конце кисло-¡одной зоны.Пг - протяженность кислородной зоны по радиусу печи.

Данное рецение получено из совместного ревения уравнений ии-туяьсов и неразрывности яла сечений, проходящих через торец фурмы ? через верхнЕп границу очага горения.

На основании проведенных экспериментальных опоеделений хими-jecKoro состава выплавленных чугунов, были получены следующие ре--рессионные уравнения (завод "К3'!3")

. С = 0.025i-К * 0.000061"Т - 0.232-51 + +0,390<Ип - 0.535 Мп =-1,02? - С,0038?-К - 0,000582-Т -

-0.088 - С - 0,0051"Si Si= 0,1 - 0,0?93 - К + 0,000015-Т + чО,695-С + 0.44-Кп . "де C,Sl,Mn - прпцемтное содержание элемента в полученном чугуне;

Т - температура чугуна на выпуске из вагранки,°С;.К -рас:-;од кокс?>,'/£. По отноаонкз к загранке г одним рядом Фурм прг.гар углерода унеличивается, угар кремния уменьшается.

Статистическая обработка экспериментального массива дашшх позволила получить нее регрессионное уравнение дл-л paciera

среднего расхода огнгуаора па тонну гадкого чугуна У * 2,188-Р + 0,120-'Т - "14,55-Д1 + 3,143-Li2 + 0,-130-123 - 83,324

Относительно вагранок с одним рядом Фурм расход огнеупоров на вагранках с рзенирешюп зоной горения увеличился на 5...82. В основном зто связано с поБккеннен температурного уровня в холостой кодоие и с раезнреиием сони перегрева.

Анализ браке литья за 6 иесяцег. после внедрения тройного дутья ría вагранках зарода "Строммааяна" показан, что брак по ела-ковы" засорзм, гэзовык раковинеш к спаям уменьшился на 30...50%. Зто прежде всего связано с поэизением теу.пературк кидкого чугуна после реконструкции печи на 50...80сС.

Ка вагранке с двойки» дутьем завода "Носокузнецкселъмаг" в спазк с провзводстсеивой необходимость» били проведены зкепери-«гкгы по замене части кокса топливных колов тощими углями. В химическом составе полученных чугунов заметно снихсиае содзркаиия црегшкя и незначительное повпиеиив содержания углерода, содерп-нив S10¿k HgO р ¡¿лаке снияаэтса. Механические и ягглйине свойства чугунов оставтся на прекнеи уровне.. Температура чугуна не изменяется при законе ЮИ и 25% кокса и падает на 10...15°С при добавке 40V, тоцих углей.

Устойчивые полоЕктсльные результаты пропиленного освоения вагранок с двойным к тронным дутьем позволили подучить фянансооив поддеркку предприятий и разработать рабочие проекты вагрзночнкк комплексов для заводов "Трансмаа" (г.Барнаул), Алтайского завода транспортного электрооборудования (г.Рубцовск).В состав комплекса входит вагранка с аэродинамическим затвором , рекуператор, ус -тройство для догиганиа СО в колошниковых газах, вихревая камера пнлеочистки, система грануляции слана', злектровесовая теленка с защитой тензодатчиков от динамических ударов.

Для исследования рабочих характеристик пылеуловителя была построена моделирующая установка с геометрически;-! подобием 1:3. Изменение скорости проводилось цилиндрическим зондом, давлений -

.кфианскетроа.

Йсследозаийк проведена для двух заверителей с углом наклона 'опатой к радиальному направленна Рх - 30° я р> - 50°.Расчетное наченпе закрутки потока o'i- 8,6 и = 1,2.

Установлено, что течение с больней закруткой индуцирует вто-ичное течение в средней области по радиусу трубя, в то время как ри ъ - 1,2 осевая скорость практически постоянна по сечении.

Первый заверитель дает больнее сопротивление по длине каае-:¡ и быстрее кзнзаивается за счет образизного воздействия пнли.

Б экспериментах использовались гостирозанкне кварцевые пыли удельной поверхностью S = 1700 си?'/г . средним размером частиц 5, - 18 ака и S = 5000 ск?'/г\ di - 5,5 мка. Измерялся коэффи -мент пропуска лили йп = n/rio, где :: - касса уловленного песка в кзневон оильгре на выводе из установки.

С увеличением расхода воздуха ( с<г, ) от ! до 6 m'Vh". с коз$-шглеит пропуска возрастает от 1,5 до 4 X. Коэффициент пропуска аеисит от количества отсасшзаеаого газа С cjvr ) через вторичные кклонв и от дисперсности пнли. Он достигает хштальнзх значений .8л при fjn-У <(\о s 0,15, и возрастает з три раза для пнли с г 5000 cv¡& /г по отноввшш к исходной фракция с S 5 1?С0 с?г'/г. есовая концентрация пили з экспериментах составляла 0,003...0,009 г/кг. что соответствует пределам изменения весовой концентрации или в колооннковнх газах.

Для зазодов разработаны г.клоочист:аде канерн с расчетной закуткой (i - 1,2 и с дизчзтрок труби основного участка Д=0,5а, то соответствует среднему расходу запиленного газа (? = 10й Па , = 233 К) от 3 до 5 jr'/¡i'v.c. Расчетная степень очистки 30...352.

з и ü о д а

1. Создана обобщенная математическая модель ваграночного про-' есса, в которой учтенн аэродинамика,кинетика," газообразование, оплооо.ч'ен в слоевнх материалах и вынос плана из холостой кояоки

зоны плавления и нагрева якхта. Модель адаптирована по резуль-атаи собственник исследований и известшнг экспериментальным дан-ын.

2. Построены экспериментально и рассчитаны по математической одели нонограмнн ваграночного процесса для следующих параметров о.-- 3,18 м; Д1= 0,5 и:Д2= 0.65 м;Дк - 0,035 и; Дш = 0,1 м -1 ряд

Фури; 2 ряда Фурм - 112 = 0,7 м= 52 = 0,5: 3 ряда фурм- 1Л2 -0,35 м ;Ь23 = 0,35 м; 51 = = 0,55; 52 = 0,41 ;53 = 0,14.

3. Методом физического и численного моделирования установлено, что максимальное значение температуры чугуна на номограимной кривой определяется действием двух противоположных факторов. При малом расходе дутья коэффициент- теплообмена мевду газом и пихтой о*-"" ^о^при больной подаче дутья экспериментально растет вынос клака из зоны перегрева,куски вихты обволакиваются пленкой мака и эффективный коэффициент теплообмена с газом уменьаается. В соответствии с зтиы уменызается высота зоны перегрева. Оптимуми на кривых Ти = и НК = не' совпадайт в связи с повыыр-нием температурного уровня в холостой колоше с ростом недачи дутья и максимум Тм всегда сдвинут вправо по осн <-]■<>.

4. Исследовано сопротивление столба кокса и пихтовых материалов при подводе воздуха в печь через одни, два и три ряда фуры. Предложен алгоритм расчета сопротивления ваграночной вихти в период плавки для печей с различным числом рядов Фурм. Численные эксперименты выполнены на персональных ЭВМ типа РС/ЙТ 206/287. Адаптация численных расчетов проведена по результатам холодных и горячих продувок лабораторной загранки и действующих производственных вагранок.

5. Установлены экспериментальные и теоретические зависимости процесса газообразования р холостой колоие кногорядных вагранок. Содержание СО в отходящих газах зависит от количества подаваемого дутья при постоянном расходе кокса. При < 1 м'/м^с содержание СО меньше,при 1,5 мл/нЧ-содержание СО больае, чем у вагранок с одним рядом фуры.

8. Исследован вынос ваграночного злака из коксовой насадки в зону нагрева пихты на физической модели шахтной печи. Установлен экспоненциальный рост выноса влака - при удельных подачах дутья сверх 1.5 .

7. Используя методы вариационного исчисления установлен оптимальный вид кривой температуры газа в зоне перегрева, которая дает максимальнуа температуру чугуна на выпуске. Теоретическая температура гезозого потока доляиа быть постоянной по всей высоте коксовой насадки. У вагранок с двойным и особенно тройным дутьем экспериментальный ход температуры газа блине всего соответствует

ге оптимальному характеру.

8. Разработана конструкция сагранки с тройным дутьем с рассто-мием между рядами сури 112 = 123 = 350-400 мм. Для высоких печей 1о > 5,5 м соотношение сечений 'фурм равно 51 : 52 : 53 --- 0,24 : 5,35 : 0.41 ; для низких печей Но < 4.5 м - 51 : 52 : 53 = 0.24 : ),35 : 0.41.

9. Внедрение вагранок с дво'йнкм и тройным дутьем в литейных дехах Кузбасса.Алтая, Подмосковья,Эстонии показало их болыгую троизводительность на 10-25% по аидкому металлу в сравнении с однорядными вагранками.

Производительность таких пзчей с в^тренним диаметром Д!< 1,1 4 возрастает за счет увеличения подачи дутья центробежной аозду-<одувкой при уменьшении эффективной высоты столба пихтовых материалов, Увеличение производительности более крупных печей обеспечивается в основном ростом содержания СО в колошниковых гаэях.

Температура чугуна увеличивается на 20-60°С у крупных вагранок при удельной подаче дутья Ц0< 1,5 м~7м"с. Увеличение количества подаваемого воздуха выше 1,5 м^/м'^с вызывает снигение прироста температуры металла и при > 2 и'^/м'-с температура чугуна вновь дменьиается по отношении к базозому варианту.

10. Наилучшие результаты по повнвении температуры чугуна и надежности работы на крупногабаритной юихте получены на вагранках с тремя рядами Фурм с расстоянием мезду ними в 350-400 км. Температура чугуна на 10-20°С выве, чем на вагранках с двумя рядами ФУрм.

11. Основной недостаток вагранок с двойным й тройным' дутьем связан с больной вероятностья заалаковывания нижнего ряда фурм и подплавлениен бронированного пояса у низких печей. Для устранения первого невелательного эффекта рекомендуется обязательная установка стационарного копильника или подача воздуха на фурмы ниянего рада от отдельной воздуходувной иавины. Для устранения второго отрицательного Фактора предлагается оригинальная конструкция вагранки с расширенной вахтой г отношением диаметра шихты к диаметру Фурменного пояса 1.8-2,2,

12. Разработаны и внедрены ваграночные установки с тройным дутьем с обеспыливанием и дожиганием отходяцих газов.Разработаны оригинальные конструкции электровесовой телегки с завитой тепло-

за

метрических датчиков от импульсных нагрузок, вихревой камеры пы-леочистки, устройства для дояиГания СО в колошниковых газах.

Основной содержание работы отражено в следующих публикация:;:

1. Селянин И.О.,-Парке Г.П., Караев С.И. Модернизация фурменного пояса вагранки // Литейное производство, 1082, N 5.с.2?.

2. Селянин И.Ф., Степанов О. К расчету оСъема зоны горения в иахтннх печах //Изв.вузов,Черная металлургия.198?.N12,с .12-И.

3. Селянин И.Ф.,Маркс Г.Л, Аэродинамика и конструктивные параметры вагранок с расширенной зоной горения //Литейное производство.- 198?,N12. с.23-25.

4. Селянин И.О.,. Парке Г.Л. К определению высоты холостой колоии на вагранках с расширенной зоной горения //Изв.вузов.Черная металлургия.-1987,N10, с. 96-98.

5. Селянин И.О. Расчет количества воздуха для ваграночной плавки с помощью ЭВМ // Новокузнецк : СМИ. 1988 - 20 с.

6. Селянин И.Ф, Расчет на ЗБМ расхода воздуха через Фурмы трехрядной вагранки с расширенной зоной горения // Новые металлургические технологии и оборудование. АНСССР. Новосибирск,1988, с. 64 - 66.

?. Селянин И.Ф. К определению площади сечения фурм в шахтных печах // Современные технологические процесса получения высококачественных изделий методом литья. Тез. ыеяреспублчканской науч-но-праккгической конференции. - Чебоксары : ЧГУ, 1989, с. 84-86.

8. Опыт эксплуатации вагранок с расширенной зоной горения / Селянин И.Ф.. Маркс Г.Л.. Кудрявцев Н.А. и др. Литейное производство, 1989, Н1. с.21. .

9. Селянин И.Ф. Определение производительности и температуры чугуна в зависимости от высоты вагранки на математических моделях// Новые металлургические' технологии и оборудование. Материала семинара совещания исполнителей программы "Сибирь". ЙНСССР Новосибирск: 1988, с. 66 - 68.

10. Расчет теплотехнических параметров ваграночной плавки с помощью ЭВМ// Технологическая теплофизика. Раздел 1. Методы теп-лефизических исследований. Тольятти. ТПИ. 1988. С. 14-15.

11. Селянин И.Ф., Романов И.В. Численное моделирование процессов в шахтных печах малого диаметра// Повыиекие эффективности

лтеяного производства1 Материалы научно-технической конференции Л. : Ленинградски« ИТП, Î390. с.30-34.

12. Селянин Й.Ф., Маркс Г.Л. Плавка чугуна в вагранке с зсвиренной зоной горения с применением каменного уг-¡¡//"Ресурсосберегающие технологические процессы в литейном про-'рпдстве". Ордзочикидзе.1338. С. 42.

13. Зелоков С.А,. Косарев В.И., Селянин И.Ф., Князев C.B. К зпросу об моделировании и исследовании процессов дозирования и звегг:,ания в литейном производстве на установке промышленного íina // Социально-экономические проблемы достижения коренного пе-злома эффективности развития производительных сил Кузбасса. -зкерово: АН СССР-, 1938. с. 107 - 108.

14. Селянин И.<Р., Маркс Г.Л., В^льдман Л.М. Аналитическое и «спеоиментальное определение температуры поверхности кокса в г!Слородной зоне иахтной печи// Изв. вузов. Черная металлургия.-9S1. N4. с. ? ! - 73.

13. Селянин И.О.. Каркс Г.Л., Зоткин И.Я. Оптимизация тепло-бкенних процессов р зоне перегрева вагранки // Изв.вузов. Черная еталлургня, - 1991. Ч 8, с. 4S-51.

15. Селянин И.О., Маркс Г.Л., Головко В.Д., Иоекин Б.Я. Про-¡хзгенное освоение вагранок с'рзегшренной зоной горения// Изв. «зов. Черная металлургия'. 1333, N 4,с.32-34.

17. Селянин И.О., ¡'арке Г./í.. Зубакин С.Я. Исследование уга-з элементов па вагранке с расвиренной зоной горения// Изв.вузов '

Черная металлургия. 1393, N 6.

18. Селянин Н.Ф., йзркс Г.Л. Исследование разгара футеровки а вагранках с расвиренной зоной горения.// Изв.вузов. Черная ме-зллурогия. - 1393. Ü б.

19. Селянин И.Ф., КречманЯ.Ф., Маркс Г.Л., Нагибин В.Н.-' есоизмерительное устройство для иихтовых материалсв. Изв.вузов, ерная металлургия. - 1330, !1 12, с.61-83.

20. Селянин й.Ф. Ваграночная установка // Инф.листок. N 216 90. Кемсрорский ЦНТИ. Ï390.

2!. Селянин И.О. Течение г?за в неподвизном зернистк слое колофурменного пространства иахтной печи// I!-.в.вузов. Черная ме-аллургия. - 1391. N2. с.76-77.

22. Селянин И.Ф., Маркс Г.Л., Вальдиан'Л.М.. Соколов Б.М.

■5<2

Экспериментальное исследование газообразования в слое кокса холостой колоши вагранки с расвиренной зоной горения //Изв.вузов. Черная металлургий, 1991. К10, с.74-7?.

23. Селянин И.О.. Маркс Г.Л. Изменение структуры брака литья при модернизации вагранки на вторичное дутье //Изв.вузов. Черная металлургия. 1993,N6.

24. Установка для очистки ваграночних газов от пыли. Селянин И.Ф., Нйркс Г.Л., Багрянцев В.И. и др./ Минск: сб."Литейное производство и скружаацая среда".Ш, 1992, 52 с.

25. Выбрр схемы пылеуловителя и расчет технологических и конструктивных параметров установки. Отчет по з/н. N 1?-?. Новокузнецк: СМИ. 1992, 34 с. Научный руководитель Селянин И.О.

20. Селянин И.Ф., Маркс Г.Л..Куценко А.И.. Зубакин С.А. Коэффициенты сопротивлений плотного слоя материалов ваграночной плавки // Изв. вузов. Черная металлургия, 1993. N 10.

2?. Й.С. 1132130. СССР. Вагранка. Селянин И.Ф., Маркс Г.П., Горбунов Н.Г., Кудрявцев А.Н. Открытия. Изобретения. )984. N 4В, с.120.

28. А.С. 1615512.СССР. Вагрвнка. Селянин И.Ф.. Каркс Г.Й., Головко В.Д., Кузин В.И. Открытия. Изобретения. 1990, Н 4?. с.123.

29.Селянин И.Ф., Парке Г./!., Головко В.Д.. Антипин В.П, Вагранка.//Реаение о'выдаче патента по заявке 5024305/02. Приоритет 01.07.91. Дата выдачи 25.03.92.

Подписано в печать 2.11.93 НС 24511 Формат 60x84 1/16 Буыага йксчая Печать йфсетная Ясл.п.л, 1.86

Уч.-изд.л. 2.03 Тираж 120 Заказ

Сибирский металлургический институт , 654080. г.Новокузнецк, ул.Кирова, 42, Лаборатория оргтехники СкбНИ