На правах рукописи

Бедарев Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИТЕЙНОГО

ЧУГУНА И ОКСИДНЫХ РАСПЛАВОВ В ШАХТНЫХ ПЕЧАХ

МАЛОГО ДИАМЕТРА С ПРИМЕНЕНИЕМ АНТРАЦИТА

Специальность 05.16.04. – Литейное производство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк-2010 2

Работа выполнена на кафедре литейного производства Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Селянин Иван Филиппович

Официальные оппоненты – доктор технических наук, профессор Марков Василий Алексеевич – кандидат технических наук Дробышев Александр Николаевич

Ведущая организация – ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Защита состоится 22 декабря в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.252.04 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» по адресу: 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова 42, факс: (3843) 46-57-92, e-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет».

Автореферат разослан «_» _ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.Ф. Горюшкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Вагранка как металлургический агрегат нашла широкое применения в литейном производстве. Известна также технология плавки в вагранке доменных шлаков и горных пород для изготовления каменного литья. Вместе с тем в промышленности сложилась непростая ситуация с обеспечением коксом – основным топливом вагранок. Литейный кокс производится на специализированных коксохимических предприятиях в условиях постоянно ужесточающейся конкуренции со стороны предприятий, находящихся в более выгодных условиях, касающихся сырьевой базы.

Возможность замены литейного кокса на более дешевое и качественное топливо, не требующее дополнительной подготовки в коксовых печах, позволит повысить технико-экономические показатели работы вагранок.

Поиски альтернативного вида топлива для плавильных агрегатов, а так же изучение процессов происходящих при плавке с использованием данного вида топлива, являются одной из основных проблем ресурсосбережения в литейном производстве.

Все большее распространение в качестве топлива ваграночной плавки находит антрацит, который значительно дешевле кокса и не уступает ему по качеству, однако его применение требует глубокой теоретической проработки и практической апробации.

Разработка технологии использования антрацита в качестве топлива ваграночной плавки позволит значительно уменьшить затраты на топливо, а значит снизить себестоимость готовых литых изделий.

Цель работы. Исследование поведения антрацита в шахтной печи в процессе плавки и разработка технологии получения литейного чугуна и оксидных материалов в вагранке с частичной или полной заменой кокса на антрацит.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработать методику расчета лабораторных вагранок и воздуходувных средств с учетом сопротивления столба шихты. Спроектировать и построить лабораторный ваграночный комплекс для исследования процесса ваграночной плавки чугуна.

2. Исследовать поведение антрацита на лабораторной установке в процессе ваграночной плавки чугуна при различных технологических режимах и произвести комплексные измерения основных параметров плавки.

3. Провести обоснование технологических режимов плавки на основе математического анализа полученных экспериментальных данных.

Исследовать технологические свойства выплавляемого чугуна с применением антрацита в качестве топлива.

4. Разработать технологию получения литейных чугунов в шахтных печах малого диаметра.

5. Разработать новые конструкции рекуператоров «труба в трубе» для подогрева дутья с длительным временем эксплуатации.

6. Исследовать процесс плавки оксидных материалов в производственных условиях и разработать технологию их выплавки в вагранке с определением оптимальных технологических параметров плавки.

Научная новизна.

1. Предложена методика расчета полупромышленных лабораторных вагранок и воздуходувных средств с учетом сопротивления столба шихты.

2. Впервые в лабораторных условиях исследовано поведение антрацита в процессе плавки чугуна при различных технологических режимах.

3. Разработаны в лабораторных условиях технология выплавки чугуна и в промышленных условиях - оксидных материалов с использованием в качестве топлива антрацита. Рассчитаны основные технологические параметры плавки и проведено сравнение их с экспериментальными результатами. Теоретически и технологически обоснованно влияние подогрева и увлажнения дутья на процесс плавки чугуна и оксидных материалов в шахтных печах малого диаметра с применением антрацита.

';

Практическая значимость работы.

Разработанные технологии получения чугуна и оксидных расплавов в вагранке позволяют устойчиво вести технологический процесс плавки и получать расплавы с заданными технологическими свойствами значительно снизив при этом затраты на топливо в общей калькуляции себестоимости.

диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научнопрактической конференции «Прогрессивные литейные технологии», г. Москва, г., Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 125-летию И.П. Бардина (г. Новокузнецк, 2008 г.); Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (г. Новокузнецк, 2009 г.).

На защиту выносятся следующие положения:

Результаты исследований по выбору оптимальных режимов плавки чугуна в вагранке с применением в качестве топлива антрацита.

Экспериментальные результаты по определению температуры и состава отходящих ваграночных газов, температуры поверхности куска топлива в холостой колоше, высоты топливной насадки, длины кислородной зоны, температуры металла на выходе, подтвержденные аналитическим способом.

Результаты лабораторных экспериментов по обоснованию влияния подогрева и увлажнения дутья на изменение технологических параметров плавки и на поведение антрацита в топливной насадке.

Разработанная технология ваграночной плавки чугуна с применением в качестве топлива антрацита Результаты опытно-промышленных плавок оксидных материалов с применением в качестве топлива антрацита.

Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в печатных работах, 8 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК и в 4 патентах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, приложений, библиографического списка из (102) наименований, изложена на (151) странице, содержит (34) рисунка, (29) таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены основные научные положения, выносимые на защиту, а также показана практическая значимость результатов работы.

В первой главе представлен обзор технической литературы, касающийся проблемы получения чугуна и оксидного расплава из минерального сырья в вагранке. Рассмотрены основные способы плавки в газовых, коксогазовых и коксовых вагранках с позиции использования различного топлива. Обозначена проблема поиска новых более дешевых видов топлива и описаны основные направления поиска решения этой проблемы.

Вагранка, как плавильный агрегат для чугуна и минерального сырья, обладает многими положительными качествами. Процесс плавки минерального сырья в вагранке практически не отличается от чугуноплавильного процесса.

Наибольшее распространение из всех видов получили коксовые вагранки в силу своей конструктивной простоты и возможности получения высоких температур перегрева расплава. Попытки частичной или полной замены кокса на альтернативный вид твердого топлива ведутся давно. Особый интерес представляет использование антрацита и тощих углей. Антрацит отличается высокой плотностью, низкой реакционной способностью, высокой теплотворной способностью, малой влажностью и низкой зольностью. Имеются экспериментальные данные по замене части кокса на антрацит и тощие угли (порядка 25 – 35% от обшей массы топливных колош). Однако увеличение доли углей резко ухудшает ход печи, т.к. эти марки углей обладают низкой термической стойкостью, вследствие чего он при быстром нагреве в вагранке и большом давлении столба шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки.

Растрескивание происходит за счет высоких механических и термических напряжений по объему куска топлива в кислородной зоне, где поверхность куска разогревается до 2000 – 2100С. Поэтому процесс плавки нуждается в интенсификации. Имеются большие теоретические и практические разработки по интенсификации технологического процесса плавки, однако нет единого мнения о влиянии тех или иных мероприятий на ход процесса. Приводятся отдельные исследования таких определяющих параметров плавки, как высота холостой колоши, угол внутреннего трения шихтовых материалов, высота кислородной зоны, подогрев дутья и др. При этом нет комплексных исследований в работах по замене кокса на антрацит и тощие угли. В таких работах ограничиваются только практическими выводами о возможности или невозможности применения данных видов топлив.

В результате выполнения анализа литературных данных по рассматриваемой в работе проблеме сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приведена методика исследования. Для проведения испытаний в лаборатории СибГИУ была спроектирована и смонтирована лабораторная ваграночная установка, которая представлена на рисунке 1.

Установка включает в себя вагранку (1) с внутренним диаметром мм, вентилятор (2) высокого давления ВР 120–28 с номинальной производительностью Q 4,5 10 3 м3/ч (Р = 600 мм вод. ст.) и рекуператор (3) высотой 1500 мм, способного подогревать дутье до 200С.

Таблица 1- Основные геометрические параметры лабораторных вагранок 0,20 2,2 0,601 0,175 0,03 0, 0,25 2,4 0,617 0,175 0,03 0, 0,30 2,6 0,633 0,175 0,03 0, 0,35 2,8 0,645 0,175 0,03 0, геометрические размеры для лабораторных вагранок, представленные в Рисунок1 – Лабораторная закрываются заглушками (13), которые отвинчиваются в момент измерений.

Вагранка снабжена одной фурмой (14), которая в свою очередь является и камерой смешения, в которую через штуцеры (15) и (16) могут, в зависимости от плана эксперимента, подводиться баллонный кислород и природный газ.

Воздух в фурму подается либо напрямую от вентилятора (2) через воздуховод (17) – холодное дутье; либо по цепочке воздуховод (18) – рекуператор (3) – воздуховод (19) – подогретое дутье. Расход дутья измеряется с помощью диафрагмы (20) и трубки Пито (21), вмонтированных в воздуховоды (17) и (18) соответственно.

Для изменения направления дутьевого потока (напрямую в фурму или через рекуператор для подогрева), а так же для регулирования расхода дутья установка снабжена системой заслонок (22), (23) и (24).

Для увлажнения дутьевого воздуха, согласно плану эксперимента, в воздуховод (17) вмонтирована трубка (27) с форсункой на конце.

Было рассчитано полное сопротивление воздушного тракта и слоя шихты вагранки. Исходя из этого выведен требуемый напор вентилятора, который составил Н = 561 мм.в.ст. В соответствии с этим было выбрано воздуходувное устройство, способное давать напор Н = 600 мм.в.ст.

Для забора и анализа этих газов, а также их температуры использовался газоанализатор VarioPlus Industrial фирмы MRU GmbH с диапазоном измерения О2 0 – 30%, СО 0 – 30%, СО2 0 – 30% и погрешностью до ±5% от измеряемого значения.

чугуна на выпуске, а также температуры кусков топлива в шахте вагранки использовался пирометр спектрального отношения С-3000.4 с диапазоном относительной погрешностью ±1%.

Приведена технология определения высоты Нхк В процессе экспериментальных плавок было 25% антрацита и 75% кокса; 3-серия – 50% антрацита и 50% кокса; 4-серия – 75% антрацита и 25% кокса;

5-серия – 100% антрацита. В каждой серии плавки проходили по трем режимам: на холодном дутье, на подогретом и на увлажненном и подогретом дутье.

Варьировалось процентное содержание топлива по отношению к металлозавалке К = 12 – 16%. Масса металлической части колоши равнялась 15 кг.

чугунного лома. Добавлялся известняк в количестве 3 – 5% от металлозавалки.

Расход дутья в среднем составлял q = 1,75 – 1,90 м3/(м2с). Размер кусков шихты не превышал 40 мм.

Отбор газа и измерение температуры поверхности топлива производились в точках представленных на рисунке 2. Для отбора газа использовались алундовые трубки.

Приведена методика определения жидкотекучести и усадки чугуна.

В третьей главе приведены результаты исследований технологических параметров плавки на лабораторной вагранке.

Экспериментальные плавки проводили на коксе и антраците по трем технологическим режимам: на холодном дутье, на дутье подогретом до 200 С и на дутье подогретом до 200 С и увлажненном до содержания 5% пара. Плавки проходили не до полного выгорания топлива. Как только проплавлялся весь чугун, летку разделывали и весь оставшийся кокс или антрацит шел на провал.

После этого определяли гистограмму размеров кусков оставшегося топлива. В На рисунке 3 приведены гистограммы изменения фракционного состава кокса и антрацита при плавке с использованием холодного дутья.

% по массе Рисунок 3 – Изменение фракционного состава кокса и антрацита при плавке с Из результатов экспериментов видно, что на размеры кокса подогрев и увлажнение дутья практически не влияет, небольшие изменения размеров куска кокса связано в большей степени с его выгоранием и меньше с его растрескиванием. Средний размер загружаемого в вагранку кокса dк = 28,6 мм, после провала на холодном дутье составлял dк = 23,9 мм, на подогретом dк = 24,4 мм и на увлажненном дутье dк = 23,7 мм.

При плавке с применением холодного дутья видно (рисунок 3), что антрацит сильно растрескивается на мелкие куски (средний диаметр куска загружаемого антрацита dа = 29,4 мм, после провала dа = 16,6 мм), что негативно сказывается на технологическом режиме печи, мелочь забивает свободное пространство печи, нарушая дутьевой режим, холостая колоша просаживается, в результате чего температура перегрева чугуна уменьшается из-за сокращения времени его нахождения чугуна в области высоких температур.

Растрескивание антрацита происходит из-за его низкой термической стойкости вследствие чего он при быстром нагреве в вагранке и большом давлении столба металлической шихты растрескивается на мелкие куски, которые уменьшают свободное сечение вагранки и приводят к нарушению хода плавки. Растрескивание происходит за счет высоких механических и термических напряжений по объему куска топлива в кислородной зоне, где поверхность куска разогревается до 2000 – 2100С. Плотность и модуль упругости антрацита на 30 – 40% выше, чем у кокса.

Для уменьшения термических напряжений в кусках антрацита необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно осуществить при подогреве и увлажнении дутья. Это хорошо подтверждается данными эксперимента. При подогреве дутья до 200С средний диаметр куска антрацита после выбивки уже составляет dа = 19,35 мм с преобладание фракции 15 – 20 мм.

Это объясняется тем, что подогрев дутья способствует протеканию реакции вместо реакции что уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне, температурные градиенты и уменьшает вероятность растрескивания антрацита.

Дополнительно стойкость антрацита против растрескивания повышается за счет увлажнения подогретого дутья. При увлажнении подогретого дутья до 5% пара средний размер куска антрацита после выбивки уже составляет dа = 22,05 мм. В кислородной зоне реакция восстановления водяного пара углеродом антрацита резко интенсифицируется при скорости дутья свыше 0, м/с.

Суммарным эффектом реакций (3 – 5) будет реакция которая идет с большим поглощением тепла Q6 = - 210,036 МДж.

Реакция (6) резко понижает температуру поверхности антрацита в кислородной зоне с 2000С до 1600 - 1650С, но одновременно увеличивается высота кислородной зоны, что понижает температурные градиенты и, следовательно, напряжения в поверхностных слоях куска топлива. Это дает возможность вести плавку в устойчивом режиме.

Плавки на антраците показали, что при подогреве дутья до 200 С и увлажнении его до содержания пара порядка 5% температура металла на выходе растет с 1310 С до 1350 С. На коксе при том же подогреве без увлажнения температура металла на выходе растет в тех же пределах до 1355С, однако дополнительное увлажнение дутья приводит к обратному эффекту, температура металла прогрессивно падает до 1320 С.

Результаты газового анализа процесса плавки на коксе и на антраците приведены в таблице 2.

В процессе плавки измерялась температура поверхности куска топлива (рисунок 4) в тех же точках (2,3 и 4), в которых производился забор газов. На рисунке 3 приведены кривые температур поверхности топлива при различных режимах плавки по вертикалям 2 и 3.

плавки подогретом На подогретом увлажненном Точки замера по высоте По этим данным можно косвенно оценить размеры кислородной зоны (zкз), т.к. начало эндотермической реакции восстановления углерода СО2 будет сопровождаться падением температуры в этой зоне. Видно, что на антраците температура поверхности топлива начинает падать раньше, чем на коксе (горизонт 3-го измерительного отверстия), это свидетельствует о границе между кислородной и восстановительной зон (zкз 200 мм). Такое поведение объясняется тем, что кокс крупнее, антрацит же в процессе плавки растрескивается и уменьшается в размерах.

Высоту кислородной зоны можно также оценить по содержанию газов в измерительных точках. На границе кислородной и восстановительной зон должен наблюдаться максимум содержания СО 2 и минимум О2. Это свидетельствует о преобладании реакции (2) полного горения углерода. В дальнейшем развивается реакция восстановления СО 2 и содержание СО значительно увеличивается. Такая тенденция хорошо прослеживается в точках замеров вблизи фурмы (вертикали 1,2). Глубже от фурмы по диаметру печи эта зависимость сглаживается, т.к. реакции горения и восстановления углерода начинают поочередно сменять друг друга. Из таблиц 2 хорошо видно, что соотношение максимум СО2 и минимум О2 наблюдается в точке 3 (на коксе СО2 – 11,6% и 13,4%, О2 – 7,02%, 0,26%; на антраците СО2 – 12,6% и 6,7%, О2 – 1,69%, 2,22%). Это хорошо подтверждается результатами замеров температуры поверхности топлива (рисунок 4).

Однако видно, что при плавке на коксе максимумы располагаются чуть правее чем на антраците (смещены к точке 4). При плавке на антраците кислород полностью расходуется до точки 4, тогда как на коксе в точке значение кислорода еще имеет минимальное значение. Это свидетельствует о том, что в процессе плавки на коксе с использованием холодного дутья кислородная зона длиннее, чем на антраците, т.к. антрацит измельчается.

В процессе плавки с использованием подогретого дутья во всех точках четко прослеживается некоторое увеличение содержания СО на 1 – 2%, по сравнению с холодным дутьем, а также падение СО2. Это связано с тем, что подогрев дутья способствует протеканию реакции (1) вместо (2) что уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне.

В точках замера у измерительных отверстий (по вертикали 5) во всех случаях наблюдалось некоторое увеличение содержания кислорода. Повидимому, это связано с подсосом воздуха через измерительные отверстия.

При плавке на коксе и антраците с подогревом дутья соотношение максимум СО2 и минимум О2 также прослеживается в районе третьего измерительного отверстия, однако эти максимумы не такие ярко выраженные.

Можно сделать вывод о том, что параметры горения по высоте кислородной зоны несколько выравниваются, а граница между кислородной и восстановительной зонами сглаживается. Значения высоты кислородной зоны (zкз) на антраците приближается к значению zкз на коксе.

Положительный эффект от увлажнения подогретого дутья на антраците объясняется тем, что данные мероприятия направлены на снижение растрескивания антрацита при уменьшении поверхности антрацита в кислородной зоне за счет смещения реакции в сторону неполного горения углерода, а также преобладания суммарной реакции (6). Высота кислородной зоны растет.

Отрицательный тепловой эффект компенсируется подогревом дутья и более высокой теплотворной способностью антрацита.

Кокс достаточно прочный и не требует дополнительных мероприятий по снижению его растрескивания, при этом он имеет меньшую теплотворную способность чем у антрацита, поэтому увлажнение дутья на коксе неэффективно.

На рисунке 4 приведены соответственно значения температуры поверхности антрацита при одном нагреве дутья до 190С, а также при нагреве дутья и увлажнении его до содержания 5% пара. На коксе осуществлять одновременно и увлажнение дутья не целесообразно.

Увлажнение осуществлялось до 5% содержания пара в дутье. При этом максимальный подогрев дутья был не более 200С, что определялось возможностями рекуператора. Увлажнение дутья свыше 5% вело к захолаживанию горновой зоны, температура чугуна резко падала до Т м = 1170С. Это было вызвано недостаточным подогревом дутья, чтобы компенсировать потери тепла на разложение влаги.

Во всех точках наблюдался рост содержания О2, СО а также незначительное падение СО2 (таблица 2). Это вызвано тем, что влага дутья при высоких температурах поверхности кокса в кислородной зоне вначале разлагается, а затем уже взаимодействует с углеродом кокса по реакциям Увлажнение дутья уменьшает максимумы содержания СО 2 температур в кислородной зоне, горение углерода в основном идет по реакции (8).

Однако изменение состава газа в различных точках не было равномерным. Так содержание О2 больше всего возрастало в точках 1, 2, 3 по вертикалям 1, 2, другими словами у фурмы. Это объясняется тем, что влага попадая в область высоких температур сразу же разлагалась по реакции (7), а образовавшийся кислород еще не успевал прореагировать с углеродом кокса, отсюда и незначительный рост СО в этих точках.

Дальше по направлению движения воздуха (точки 3, 4 по вертикалям 2, 3, 4) содержание О2 почти приравнивалось к содержанию при плавке на подогретом дутье. При этом увеличение содержания СО в этих точках по сравнению с данными на подогретом дутье было максимальным.

Температура металла на антраците при подогреве дутья до 200С и увлажнении его до 5% растет и составляет примерно Тм = 1350С. На коксе температура металла растет только при подогреве дутья Тм = 1355С, при подогреве и увлажнении дутья она падает Тм = 1310С.

Из данных по температуре поверхности топлива видно, что при подогреве дутья средняя температура поверхности антрацита снижается на – 130 С, а при подогреве и увлажнении снижается на 150 – 200 С. Это подтверждает выдвинутое ранее предположение о том, что подогрев дутья способствует протеканию реакции (1) вместо (2), что незначительно уменьшает температуру поверхности кокса в кислородной зоне, так как действует еще подогрев. Также подтверждается то, что дополнительное увлажнение дутья еще больше снижает температуру поверхности за счет расходования части тепла на разложение пара по реакции (6).

Можно с уверенностью сделать вывод о том, что высота кислородной зоны на коксе и антраците имеет примерно одинаковые значения и смещена к точке 4, что примерно соответствует значению zкз = 0,2 – 0,3 м. Граница между кислородной и восстановительной зонами также несколько сглажена. Это подтверждает предположение о том, что подогрев дутья с одновременным его увлажнением способствует снижению вероятности растрескивания антрацита.

Температура колошниковых газов в точке замера ниже завалочного окна на коксе составляла порядка 760С, на антраците примерно 810С. Далее шло интенсивное догорание СО и температура газов в точке замера выше рекуператора была порядка 1100С.

В процессе плавки определяли высоту холостой колоши (Нхк) экспериментальным путем.

При плавке на коксе появление первых капель наблюдалось на горизонте шестого измерительного отверстия (рисунок 2) от уровня фурмы, которое находилось на высоте 520 мм, что близко к расчетному значению по формуле:

Hхк = 0,45 + 0,70 Дг = 0,45 + 0,7 0,2 = 0,59 м.

При плавке на антраците на холодном дутье появление первых капель наблюдалось на горизонте пятого измерительного отверстия, которое находилась на высоте 416 мм от уровня фурмы. Это связано с тем, что в процессе плавки антрацит растрескивался и давал просадку.

При плавке на антраците с подогревом и увлажнением дутья на уровне шестого измерительного отверстия капли чугуна не наблюдались, однако на уровне пятого измерительного отверстия они четко прослеживались, что свидетельствовало о появление капель на горизонте между пятым и шестым измерительными отверстиями, приблизительно на уровне 500 мм. Это подтверждает предположение о том, что подогрев и увлажнение дутья способствуют меньшему растрескиванию антрацита.

В четвертой главе представлено обоснование технологических режимов ваграночной плавки чугуна на основе математического анализа полученных 1 – фурма; 2 – очаг горения; *, по которой происходит движение кусков 3 – конус коксовой насадки;

Рисунок 5 – Геометрия коксовой насадки в вагранке лабораторной вагранки с внутренним диаметром Д г = 200 мм, что хорошо подтверждается экспериментальными данными, в которых холостая колоша находилась на уровне 500 мм.

При плавки чугуна в вагранках с диаметром горна Дг > 1м высокий уровень загрузки может дать значительную просадку топливной насадки, поэтому было рекомендовано экспериментально обоснованное соотношение антрацита и кокса в топливных колошах – 60% антрацита / 40% кокса. Уровень загрузки не должен превышать 3,0 м. Кокс не теряет своей прочности при горении и имеют высокую теплотворную способность Q = (6,2 6,8) Ккал/кг, антрацит Q = (7,5 8,3)103 Ккал/кг. При заданном процентном соотношении: 40% кокс и 60% антрацита количество теплоты, выделяющееся при сгорании топливной колоши равно:

Qобщ = Qкокс + Qантрацит = 0,4 6,5 103 + 0,6 8 103 = 7,4 103 Ккал/кг Кокс при горении и нагрузке не растрескивается, хорошо держит давление верхних слоев шихты, как каркас воспринимают нагрузку на себя и разгружают от нагрузки куски антрацита. Это позволяет значительно повысить уровень загрузки шихтовых материалов.

При плавке в вагранке доменных шлаков с применением подогрева и увлажнения дутья следует использовать 100% антрацита в рабочих топливных колошах, так как насыпная масса шлака приблизительно в два раза меньше массы чугуна, поэтому снижение температуры поверхности кокса за счет подогрева и увлажнения дутья и меньшее давление столба шихты обеспечивают ровный ход процесса плавки.

В разделе 4.2 проведено обоснование высоты кислородной зоны при рассмотрении процесса газообразования в слое кокса холостой колоши. По данным температур поверхности кусков топлива (рисунок 4) приближенно оценена высота кислородной зоны (zкз, мм) и приведен ее аналитический расчет и сравнение с экспериментальными данными.

Проанализировав тепловой режим горения куска топлива, используя положения формальной кинетики, а так же тройную аналогию Рейнольдса между теплопередачей, диффузией и переносом количества движения в турбулентных потоках была установлена связь между теплоотдачей и гидравлическим сопротивлением. Для кислородной зоны получено соотношение где dк – диаметр куска топлива; – порозность слоя; – коэффициент формы куска топлива (для кокса – 2,86; для антрацита – 3,17 3,50).

Из результатов экспериментов видно, что средний размер кокса после провала как на холодном, так и на подогретом и на увлажненном дутье почти одинаков dк 24,2 мм. При плавке на холодном дутье средний диаметр куска антрацита после провала dа = 16,6 мм. По (11) имеем для кокса длину кислородной зоны z кз 0,130 м, для антрацита z кз 0,078 м. При подогреве дутья средний диаметр куска антрацита равен dа = 19,35 мм, а на подогретом и увлажненном дутье dа = 21,5 мм. Для этих значений длина кислородной зоны будет равна соответственно z кз 0,093 м и zкз 0,101 м.

Данные значения длин кислородной зоны близки с полученными значениями для лабораторных вагранок (таблица 1), однако имеются некоторые расхождения от оценочных значений, полученных из анализа значений температуры поверхности топлива (рисунок 4) и из анализа состава газов (таблица 2), там предполагалось, что высота кислородной зоны находится на горизонте zкз 200 – 300 мм. Это объясняется тем, что расстояние между измерительными отверстиями составляет 104 мм. Поэтому вполне возможно допустить, что граница кислородной зоны могла принимать любое значение лежащее в пределах между вторым и третьем измерительным отверстием (zкз 100 – 200 мм). К тому же считалась длина кислородной зоны для среднего значения размера куска топлива, а не для верхней и нижней границы. Тем не менее, видно, что кислородная зона на коксе выше.

В разделе 4.3 проведено сравнение экспериментальных и расчетных значений температуры поверхности кусков топлива. По экспериментальным данным (рисунок 4) температура поверхности куска топлива в максимуме кислородной зоны на холодном дутье составляет: на коксе Тк = 2383 К, на антраците Та = 2353 К. Данные значения, с небольшими отклонениями, подтверждаются теоретическими расчетами, проведенными для холодного воздушного дутья. По данным расчетов Кнорре расчетная температура поверхности куска топлива в этой зоне составляет Т с 2449 К, по Померанцеву Т с 2390 К.

В разделе 4.4 проведен математический анализ состава газа по двум основным реакциям (1) и (2), проходящим в горновой зоне, используя аналитические выражения (12) и (13).

где - полнота горения твердого топлива.

При расчете по формулам (12) и (13) ошибка в определении СО2 и СО составляет не более 1%.

Полнота горения зависит от расхода кокса К, содержание углерода в коксе Ск и может быть определена по эмпирической зависимости:

Расчетные значения состава газа по формулам (12 – 14) близки к полученным экспериментальным путем. Таким образом, используя формулы (12 – 14) можно достаточно точно спрогнозировать состав отходящих ваграночных газов по СО2 и СО.

Чем выше подогрев дутья, тем выше температура металла на выходе. По результатам экспериментов на холодном дутье температура металла была порядка Тм = 1200С. При подогреве дутья до Тд = 100С металл на выходе имел Тм = 1240С, а при Тд = 190 – 200С, Тм = 1350С.

Для анализа влияние подогрева дутья на изменение температуры металла в разделе 4.6 проведен анализ основных формул для расчета температуры поверхности топлива ТС, и температуры газа ТГ в конце кислородной зоны при подогреве дутья, которые были приведены к нормальным условиям:

Р0 10 5 Па, Т д0 298К 25 С, О2 21%. В итоге получили где – коэффициент массообмена; Е – энергия активации реакции;

Т д Т д 25, °С; Q1 – тепловой эффект реакции С + О2 = СО2, кДж/кмоль; a, в – коэффициенты; О2 - начальное содержание кислорода в дутье, %; С Г средняя теплоемкость газов в интервале температур 0 < T < ТГ, кДж/(м3К); Сд теплоемкость дутья при температуре вдувания, кДж/(м 3К).

Исходя из этих расчетов определяется состав и температура газов на выходе из восстановительной зоны и зоны нагрева. Таким образом подогрев дутья способствует дополнительному нагреву газа в коксовой насадке, а так же росту температуры поверхности куска топлива ТС, которая растет в соответствии с формулой (15). Как известно металл нагревается за счет контакта с горячими газами, а основной перегрев получает при контакте с раскаленным куском топлива, когда капли чугуна стекают по его поверхности.

Отсюда увеличение температуры металла на выходе.

В разделе 4.7 было проведено исследование химического состава и литейных свойств чугуна полученного с применением разработанной технологии в зависимости от процентного содержания антрацита в топливных колошах. Сделан вывод о том, что технологические свойства чугуна, полученного с применением разработанной технологии плавки с использованием в качестве топлива антрацита соответствуют технологическим требованиям, предъявляемым к технологическим свойствам чугунов для получения качественного литья в производственных условиях в соответствии с ГОСТ 1412 – 85.

В пятой главе приводятся результаты промышленного внедрения результатов исследований, которые проводили на вагранке Новокузнецкого предприятия ЗАО «Изолит», предназначенной для приготовления оксидного расплава из отвального доменного. Вагранка имеет внутренний диаметр мм, два уровня загрузки на высотах 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда фурм.

Вагранка имеет два ряда фурм с расстоянием между рядами l12 = 250мм;

количество фурм в ряду – 5; отношение суммарной площади сечения фурм к площади сечения вагранки Sф/Sв =0,1. Первый ряд фурм имеет диаметр 140мм, второй – 110мм. Вагранка оборудована воздуходувками ВМ 6/6000 и ВМ 17/17000с номинальными характеристиками соответственно Р = 600 мм вд. ст., Q = 6000 нм3/ч. и Р = 1700 мм вд. ст., Q = 17000 нм3/ч. Воздуходувка ВМ 17/17000 включалась при работе на холодном дутье, когда сопротивление столба шихты резко возрастало до 1200 мм вд.ст. Ваграночная установка включала радиационно-конвективный рекуператор, позволяющий подогревать дутье до 550С. В качестве топлива применяли антрацит марки А и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский».

Цена природного газа из года в год повышается, поэтому с 2009 г радиационно-конвективный рекуператор был отключен и в трубу вагранки установлен трубчатый рекуператор. В процессе работы было опробовано несколько конструкций рекуператора, пока не остановились на оптимальном варианте конструкции, используемой на данный момент. Все последующие конструкции учитывали недостатки предыдущих моделей. Срок службы их составлял от одной недели (первая пробная конструкция) до года и стабильной работы по сей день. Основной проблемой предыдущих вариантов рекуператора было коробление металлических конструкций из-за жесткого закрепления их между собой вследствие высоких термических напряжений. Поэтому основным направлением оптимизации конструкции рекуператора было обеспечение свободного хода расширяющихся частей, при сохранении герметизации внутренней полости рекуператора. Все эти требования были учтены в Холодный воздух 1 – шахта вагранки; 2 – внутренний цилиндр; 3 – внешний цилиндр;

4 – винтовая насадка; 5 – патрубок подвода холодного воздуха; 6 – патрубок отвода нагретого воздуха; 7 – нижнее кольцо; 8 – верхнее кольцо; 9 – шнур из Рисунок 6 – Рекуператор конструкции прокладывался уплотнительный шнур (9) из углестекловолокна, который хорошо герметизировал внутреннее пространство рекуператора. Высота его составляла 13м, т.е. использовали все свободное расстояние от завалочного окна до искрогасителя. Такая конструкция позволяет подогревать дутье до С. Срок службы рекуператора на данный момент составляет уже 2 года. По данной конструкции получен патент на полезную модель (RU 89684 U1).

Так как в вагранке проплавляется доменный шлак, в состав которого входит 38 – 40% SiO2, 18 – 20% Al2O3, оксиды Са и Мg, то поверхность труб рекуператора при нагреве в процессе работы подверглась алитированию и силицированию, т.е. покрылась пленкой оксидов Al и Si, которые диффузионно проникли и насытили поверхность стальных труб. Поэтому окисления стальной поверхности и, тем более, прогара стенок труб не происходит.

Были произведены измерения температуры и состава отходящих газов на колошнике и перед искрогасителем. Средняя температура газов на колошнике составляла 950С. Состав газов: О2 – 0,05%; СО2 – 12,5%; СО – 14,1%. Перед завалочным окном температура газов составляла 745С. После догорания состав газов: О2 – 1,1%; СО2 – 18,9%; СО – 1,5%. Перед искрогасителем температура газа составляла 650С.

Температура расплава на выходе держалась в пределах 1350 – 1370 С.

До 2009 года плавку вели на антраците марки А разреза «Красногорский». Затем на тощих углях марки ТК. Топливные колоши составляли 28 – 30% от массы шихтовой завалки. Цена литейного кокса марки КЛ-1 на 2010г составляет порядка 20000 руб/т, антрацита марки А – 7000 руб/т, тощих углей марки ТПКО – 5500 руб/т.

Первые экспериментальные плавки выполнялись без подогрева дутья.

Температуру шлакового расплава не удалось поднять выше 1200 С. Плавку вели на антраците, начальное давление в фурменной коробке было порядка мм.в.ст., в конце плавки через 2 часа давление поднялось до 1200 мм.в.ст.

Визуальные наблюдения показали, что в верхней части штыба образовался корж из шлакового расплава и мелких частей угля, газовый поток шел только в узкой области, прилегающей к стенкам шахты. На этом эксперимент был закончен.

Далее было решено осуществить подогрев дутья до 450 – 550С и подавать его в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними 250 мм, при этом уровень загрузки шихтовых материалов в вагранке составлял 2,5 2,8 Дв – диаметр вагранки. Первый уровень вдувания имеет площадь сечения отверстий 52 – 57%, верхний 48 – 43% от общей площади сечения фурменных отверстий.

При замене кокса на антрацит на холодном дутье было установлено, что в конце плавочной кампании над фурмами образуются козырьки, состоящие из шлака и угольной мелочи. Давление дутья и, соответственно, сопротивление столба шихты возрастает с 400 до 1200 мм в начале и в конце кампании.

Для исключения этих нежелательных явлений была уменьшена высота загрузки вагранки и было применено подогретое дутье. В таблице 3 приведены данные по времени работы вагранки до выбивки в зависимости от температуры подогрева дутья.

Таблица 3 – Основные параметры плавочной кампании подогрева дутья, С подогрева Время плавочной кампании, сутки Это позволил снизить затраты на приготовление оксидного расплава на 12 – 15%, повысить температуру расплава на 25 – 30С, что благоприятно сказалось на эксплуатационных показателях минерального волокна.

После этого было решено дутье, подогретое до 450 – 550С, дополнительно увлажнить до содержания (10 – 15)% водяного пара и подводить его через один ряд фурм.

Так же для сравнения была проведена серия плавок, в которой дутье подавалось в два ряда фурм, причем в первый ряд подавалось сухое дутье, подогретое до 450 – 550С, а во второй ряд паровоздушное дутье с тем же подогревом.

В таблицах 4, 5, 6 приведены данные плавок при увлажнении на холодном дутье, при увлажнении на подогретом дутье и при подаче увлажненного горячего дутья только во второй ряд фурм.

Таблица 4 – Данные плавок на паровоздушном холодном дутье Таблица 5 – Данные плавок на паровоздушном дутье, подогретом до 450 – 550С Температура расплава, С 1370 1365 1355 Производительность по расплаву, т/ч 3,1 3,3 3,5 3,8 4, Таблица 6 – Данные плавок при подаче паровоздушного дутья во второй ряд фурм подогретого до 450 – 550 С, в первый ряд фурм – сухое дутье с тем же подогревом Температура расплава, С 1375 1370 1365 Производительность по расплаву, т/ч 3,1 3,2 3,45 3,65 4, Плавки показали, что увлажнение холодного дутья неэффективно, температура расплава прогрессивно падает с увеличением подачи водяного пара в кислородную зону вагранки (таблица 4). Производительность вагранки растет, но при добавлении в дутье свыше 10% Н2О температура расплава падает до критических значений, вагранка идет на замораживание.

Увлажнение дутья с одновременным его подогревом наиболее эффективно при подаче пара в дутье в количестве 10 – 15%. В этом случае достигаются оптимальные параметры по температуре расплава (1350 - 1355С) и производительности (3,5 – 3,8 т/ч).

При увлажнении ниже 10% на подогретом дутье температура остается на технологически необходимом уровне, но производительность печи по расплаву недостаточна, при увлажнении дутья выше 15% производительность вагранки растет прогрессивно, но температура расплава резко падает и печь идет на захолаживание.

При подаче увлажненного и подогретого дутья только во второй ряд фурм температура расплава при увеличении содержания водяного пара падает менее прогрессивно, чем при подаче увлажненного и подогретого дутья в оба ряда фурм (таблицы 5, 6). В этом случае при подаче в дутье до 20% пара достигается максимальная производительность печи, а температура расплава остается на приемлемом уровне. Данная технология защищена патентами РФ на изобретение (RU 2378388 С1, RU 2350659 С1, RU 2335718 С2).

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана методика расчета основных параметров лабораторных вагранок.

В лабораторных условиях был спроектирован и построен экспериментальный ваграночный комплекс для исследования основных процессов ваграночной плавки чугуна, включающий в себя вагранку с внутренним диаметром 200 мм, вентилятор высокого давления ВР 120–28 с номинальной производительностью Q 4,5 10 3 м3/ч (Р = 600 мм вод. ст.), рекуператор высотой 1500 мм, способного подогревать дутье до 200С.

2. В лабораторных условиях проведено исследование поведения антрацита в процессе ваграночной плавки чугуна по трем технологическим режимам: на холодном дутье; на подогретом дутье; на увлажненном и подогретом дутье.

Выполнены сравнительные плавки на коксе по тем же технологическим режимам. Установлено, что увлажнение и подогрев дутья снижают вероятность растрескивания антрацита. Оптимальные результаты по химическому составу, по температуре выпускаемого чугуна и по технологическим свойствам были достигнуты при увлажнении дутья до 5% пара и максимально возможном подогреве дутья до 200С.

3. Проведено обоснование технологических режимов плавки на основе математического анализа полученных экспериментальных данных (диаметра кусков топлива до и после плавки, состава газов, температуры поверхности кусков топлива, температуры чугуна на выходе, косвенным путем измерены высота холостой колоши и длина кислородной зоны) и проведено сравнение их с расчетными значениями. Расчетные данные технологических параметров попадают в интервал экспериментальных значений. Химический состав и литейные свойства чугуна, полученного с применением разработанной технологии плавки с использованием в качестве топлива антрацита, соответствуют технологическим требованиям, предъявляемым к технологическим свойствам чугунов для получения качественного литья в производственных условиях в соответствии с ГОСТ 1412 – 85.

4. Разработана технология получения литейных чугунов в шахтных печах малого диаметра с применением антрацита. Установлены оптимальные режимы плавки на лабораторной вагранке: расход антрацита К = 14 – 16% от металлозавалки, расход дутья q = 1,75 – 1,90 м3/(м2с), подогрев дутье Тд = 200С, влажность W = 5%. При этих параметрах достигается ровный ход печи при минимальном колебании высоты коксовой насадки, при температуре чугуна на выходе Тм = 1350 С. Для плавки чугуна на антраците в промышленных печах (диаметр Дг > 1 м) с высоким уровнем загрузки топливная насадка должна состоять из 40% антрацита и 60%.

5. В результате последовательной разработки конструкций рекуператоров труба в трубе установлено, что наибольший срок службы и максимальный подогрев дутья до 450С имеет рекуператор с верхним скользящим замком, герметизированным углестекловолоконным шнуром. По конструкциям рекуператоров получены 3 патента на изобретение.

6. Проведено исследование плавки оксидных материалов на вагранке Новокузнецкого предприятия ЗАО «Изолит» с применением антрацита.

Конструктивные параметры вагранки: внутренний диаметр 1250 мм; высота загрузки материалов 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда. Определены оптимальные параметры плавки: подогрев до 400 – 450С; влажность W = – 15%. При этих параметрах производительность печи составляет 3,5 – 3,8 т/ч, температура расплава на выходе Тм = 1350 – 1355С, снижение затрат на топливо составило 25 – 30%.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Селянин И.Ф. Технология ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов с применением в качестве топлива антрацита / И.Ф. Селянин, А.В.

Феоктистов, С.А. Бедарев, В.И. Клопов // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2007. -№ 12. – С. 36 – 39.

2. Селянин И.Ф. Геометрические размеры лабораторных вагранок, шихты и топлива / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.П. Мочалов, С.А. Бедарев // Заготовительные производства в машиностроении. – 2008. -№ 4. – С. 10 – 11.

3. Селянин И.Ф. Технология подогрева и увлажнения дутья в ваграночном процессе / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А. Бедарев, В.И. Клопов, О.Г. Ротенберг // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2008. -№ 6. – С. 44 – 45.

4. Селянин И.Ф. Механика движения материалов в шахтных печах и высота коксовой насадки / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.П. Мочалов и др. // Заготовительные производства в машиностроении. – 2008. -№ 9. – С. 9 – 11.

5. Селянин И.Ф. Основные подходы к определению конструкции лабораторных вагранок / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А. Бедарев, О.Г.

Ротенберг // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии : сборник научных трудов / под ред. проф. Г.В. Галевского; СибГИУ. – 2008. -Вып. 21. – С. 33 – 35.

6. Селянин И.Ф. Прогнозирование состава отходящих ваграночных газов по заданной полноте горения твердого топлива / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, О.Г. Ротенберг, С.А. Бедарев // Вестник горно-металлургической секции Российской академии естественных наук. Отделение металлургии : сборник научных трудов / под ред. проф. Г.В. Галевского; СибГИУ. – 2008. -Вып. 22. – С. 148 – 150.

7. Селянин И.Ф. Применение антрацита для повышения эффективности плавления минерального сырья в вагранке / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А. Бедарев и др. // Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья : Доклады VIII Всероссийской научнопрактической конференции (21 – 23 мая 2008г., г.Белокуриха). -Бийск: БТИ АлтГТУ, 2008. – С. 48 – 51.

8. Селянин И.Ф. Интенсификация ваграночного процесса при плавки чугуна и оксидных материалов на антраците / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А.

Бедарев // Прогрессивные литейные технологии: Труды IV Международной научно-практической конференции (22 – 28 октябряя 2008г., г.Москва) / под ред проф. В.Д. Белова; МИСиС. – 2007. – С. 87 – 90.

9. Селянин И.Ф. Геометрические параметры шахтных печей, определенные по критериям конвективного теплообмена / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.П. Мочалов, С.А. Бедарев, В.И. Клопов // Заготовительные производства в машиностроении. – 2009. -№ 1. - С. 11 – 13.

10. Селянин И.Ф. Интенсификация технологического процесса в шахтных печах с применением комбинированного дутья / И.Ф. Селянин, А.В.

Феоктистов, С.А. Бедарев и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2010. -№ 6.

– С. 56 – 59.

11. Селянин И.Ф. Влияние влажности и нагрева дутья на интенсификацию технологического процесса в шахтных печах / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А. Бедарев и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. – 2010. -№ 8. – С. 35 – 37.

12. Селянин И.Ф. Шахтная печь малого диаметра для исследования ваграночного процесса / И.Ф. Селянин, А.В. Феоктистов, С.А. Бедарев // Изв.

вузов. Черная металлургия. – 2010. -№ 8. – С. 54 – 56.

13. Пат. 2335718 Российская Федерация, МПК F 27 В 1/00, C 21 C 1/08.

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците / Пашков В.В., Селянин И.Ф., Клопов В.И., Бедарев С.А ; Пашков В.В., Селянин И.Ф., Клопов В.И. – № 2006141925/02 ; заявл. 27.11.06 ; опубл. 10.10.08. – 5 с. ;

1 л. ил.

14. Пат. 2350659 Российская Федерация, МПК F 27 В 1/00, C 21 C 1/08.

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците / Селянин И.Ф., Феоктистов А.В., Бедарев С.А, Клопов В.И.; ГОУ ВПО «СибГИУ». – № 2007139393/02 ; заявл. 23.10.07 ; опубл. 27.03.09. – 5 с. ; ил.

15. Пат. 2378388 Российская Федерация, МПК F 27 В 1/00, C 21 C 1/08.

Способ ваграночной плавки чугуна и оксидных материалов на антраците / Пашков В.В., Селянин И.Ф., Клопов В.И., Бедарев С.А., Феоктистов А.В. ;

Пашков В.В., Селянин И.Ф. – № 2007119705/02 ; заявл. 28.05.07 ; опубл.

10.01.10. – 4 с. ; ил.

16. Пат. 89684 Российская Федерация, МПК F 27 В 1/00. Рекуператор вагранки / Пашков В.В., Селянин И.Ф., Феоктистов А.В., Бедарев С.А, Филинберг И.Н. ; ГОУ ВПО «СибГИУ». – № 2009128149/22 ; заявл. 21.07.09 ;

опубл. 10.12.09. – 3 с. ; 1 л. ил.

Формат бумаги 60х80 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная Усл. печ. 1,34 Уч. - изд. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.