УДК 621.745.34:662.665/.667
ВАГРАНОЧНЫЙ КОМПЛЕКС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА АНТРАЦИТА И ТОЩИХ УГЛЕЙ
© Феоктистов Андрей Владимирович, канд. техн. наук, e-mail: umu@sibsiu.ru; Протопопов Евгений Валентинович, д-р техн. наук, проф., e-mail: rector@sibsiu.ru; Бедарев Сергей Александрович, канд. техн. наук, e-mail: sergunfm@rambler.ru; Модзелевская Ольга Геннадьевна, e-mail: ol.berg@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный индустриальный университет» (СибГИУ). Россия, г. Новокузнецк Статья поступила 27.08.2014 г.
Рассмотрен процесс плавки чугуна и оксидных материалов в вагранке при замене кокса антрацитом или тощими углями. Приведено теоретическое и практическое обоснование основных технологических параметров ваграночного процесса. Установлено, что плавка чугуна и оксидных материалов в вагранках возможна при уровне загрузки материалов (2,5—2,8)УДв, подаче в кислородную зону дутья, подогретого до 450-500 °С, в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними 17,5-20% диаметра вагранки.
Ключевые слова: вагранка; кокс; антрацит; тощие угли; подогрев дутья.
Плавка литейных сплавов — первичный технологический передел, обеспечивающий литейные, прочностные и эксплуатационные характеристики отливок. В последние годы недостаточное внимание уделяется совершенствованию технологии ваграночной плавки чугуна и конструкций ваграночных комплексов. Вместе с тем вагранка в ряде случаев незаменима в условиях массового производства, при выплавке чугуна ограниченного марочного состава и возможности получения в ней оксидных расплавов с дальнейшей их переработкой в теплоизоляционные изделия. Вагранки применяются также при обжиге серных колчеданов и для других целей.
Основными направлениями развития ваграночного процесса являются разработка ресурсосберегающих технологий плавки с применением заменителей кокса, интенсификация процесса за счет подогрева, увлажнения и обогащения кислородом дутья, что должно способствовать повышению температуры получаемого расплава.
Замена кокса более дешевым топливом позволяет повысить технико-экономические показатели работы вагранок. Все большее распро-2 странение в качестве топлива получают антрацит
о
™ и тощие угли, однако их применение в шахтных 2 печах требует глубокой теоретической проработ-^ ки и практической апробации. ^ Основной недостаток способа плавки с при-
Ц менением антрацита и тощих углей — их низкая | термическая стойкость, вследствие чего при бы-
стром нагреве в вагранке и значительном давлении столба шихтовых материалов образуется большое количество мелких фракций, что приводит к уменьшению свободного сечения вагранки и нарушению хода плавки. Растрескивание происходит вследствие высоких механических и термических напряжений в объеме куска топлива в кислородной зоне, где поверхность куска разогревается до 2200—2300 °С.
Задачей настоящего исследования является разработка технологии плавки чугуна и оксидных материалов в вагранке, позволяющей полностью заменить кокс антрацитом и тощими углями без нарушения технологического режима плавки. Экспериментальные плавки проводили в вагранке Новокузнецкого ЗАО «Изолит». Вагранка внутренним диаметром 1250 мм имела два загрузочных окна на высоте 3,5 и 5,5 м от уровня основного ряда фурм. Она предназначена для приготовления оксидного расплава из отвального доменного шлака и горной породы — диабаза, используемого при производстве минераловатных изделий. В качестве топлива применяли антрацит марки А и тощие угли марки ТПКО ОАО ОФ «Разрез Красногорский» (Юг Кузбасса). Вагранка оборудована радиационно-конвективным рекуператором, позволяющим подогревать дутье до 550 °С. Предприятие работает на заменителях кокса в качестве топлива с 2005 г.
Цены на природный газ постоянно повышаются, поэтому с 2009 г. радиационно-конвек-тивный рекуператор был отключен, и в трубе
вагранки был установлен рекуператор по принципу «труба в трубе», конструкция которого разработана инженерно-техническими специалистами ЗАО «Изолит» совместно с группой сотрудников кафедры литейного производства СибГИУ. Конструкция рекуператора разрабатывалась поэтапно [1-4], что позволило в ее последнем варианте достичь подогрева дутья до 450-500 °С.
Плавка ведется на холостой колоше высотой Нхк = 1000-1200 мм от уровня вдувания воздуха. Сверху холостой колоши загружают послойно в шахту вагранки рабочие топливные и колоши шихты, состоящей из диабаза и доменного шлака.
Следует подчеркнуть, что уровень вдувания материалов от места подачи дутья для чугуноплавильных вагранок расположен на высоте Нв, определяемой эмпирической зависимостью [5]
Нв = (4,25-4,30)^, (1)
где Ов - внутренний диаметр вагранки.
Высокие уровень загрузки и температура куска топлива в кислородной зоне вагранки не позволяют технологически устойчиво вести плавку на антраците и тощих углях, теплотворная способность которых в 1,1-1,2 раза выше, а зольность в 1,3-1,5 раза ниже, чем кокса. Поэтому для ведения ваграночной плавки с использованием антрацита и тощих углей уровень загрузки материалов в вагранке необходимо понизить до (2,5-2,8)^Ов, а дутье следует подавать подогретым до 450-550 °С в равных количествах на двух горизонтах с расстоянием между ними Ь12 = 250 мм (см. рисунок).
Для определения оптимальной высоты уровня загрузки материалов были выполнены теплотехнические расчеты [5], которые экспериментально подтверждены на производственной печи.
При высоте загрузки меньше 2,5VDв не достигается полного прогрева шихты до температуры плавления, наиболее крупные ее куски диаметром > 0,085 м будут проваливаться в горн печи, резко охлаждая шлаковый расплав. При высоте загрузки больше увеличива-
ется давление столба шихты на холостую колошу из антрацита или тощих углей. Они начинают интенсивно истираться и растрескиваться, мелочь угля вместе с расплавом шлака образуют мощные козырьки над фурмами, сопротивление столба материалов резко возрастает, уменьшается поступление дутья в вагранку, что приводит к снижению температуры выпускаемого расплава.
Второй уровень вдувания должен быть расположен в конце кислородной зоны первого уровня. По данным работы [6], длина Ьк кислородной зоны составляет
Ьк = АО^е02, (2)
где А - константа; Ок - средний размер кусков топлива; Ие - число Рейнольдса.
В соответствии с ГОСТ 24774-81 вагранки средней производительности имеют внутренний диаметр 900; 1100; 1300 мм. Для коксовой вагранки длина кислородной зоны составляет 350-400 мм [1], что соответствует [5]. Куски углей при опускании в кислородную зону частично истираются и дробятся, их средний размер примерно в два раза меньше размера кусков кокса, они занимают пространство между уровнями подачи дутья, которое соответствует высоте кислородной зоны Ьп = Ьк = (0,175-0,20)0
Расстояние между двумя уровнями вдувания менее 250 мм неэффективно вследствие сокращения общей высоты кислородных зон, или зоны перегрева расплава. Расстояние между фурменными поясами более 250 мм также не эффективно, так как в этом случае эндотермическая реакция восстановления СО2 + С = 2СО - Q углеродом топлива успевает развиваться в области между первым и вторым уровнями фурм, что приводит к снижению как эффективной температуры источника тепла, так и температуры перегрева расплава шлака.
Анализ горения топлива показал, что чем больше высота кислородной зоны и меньше высота восстановительной зоны, тем сильнее перегревается расплав при движении от зоны плавления до горна.
Высота зоны восстановления уменьшается до минимума или практически будет отсутствовать, если на расстоянии 250 мм от первого уровня вдувания будут установлены фурмы второго уровня вдувания с площадью сечения всех отверстий на 5-10% меньше, чем фурм первого уровня. Первый уровень вдувания снабжен фурмами, площадь сечения отверстий которых составляет 52-57% общей площади их сечения. Соответственно площадь сечения фурменных отверстий верхнего уровня составляет 48-43%. Такое соотношение позволяет подавать примерно одинаковое количество дутья на оба горизонта зоны горения топлива, так как высота столба шихты, расположенного выше второго уровня вдувания (см. рисунок), всего на 5-10% меньше высоты столба от первого уровня [7].
Конструктивные элементы ваграночной установки:
1 — шахта печи; 2 — фурменная коробка; 3 — фурмы нижнего ряда; 4 — фурмы второго ряда; 5 — рекуператор «труба в трубе»;
6 — воздуходувка; 7 — загрузочное окно;
8 — трубопровод холодного дутья; 9 — трубопровод горячего дутья; 10 — горн печи; 11 — летка для выпуска расплава;
Нкз — высота кислородной зоны; Нв — высота восстановительной (редукционной) зоны;
Нп — полезная высота вагранки
Подогрев дутья в вагранке интенсифицирует теплообмен в зоне перегрева расплава [5]. При этом стойкость кокса против механического истирания и термического растрескивания не изменяется, а стойкость антрацита и тощих углей повышается. Плотность и модуль упругости антрацита на 30—40% выше, чем кокса, так как последний имеет большое количество пор, которые образуются в угольной шихте в процессе коксования за счет удаления влаги и летучих. Поэтому для снижения термических напряжений в кусках антрацита необходимо резко уменьшить градиенты температуры на его поверхности, что возможно при подогреве дутья, способствующего протеканию реакции
С + 1/2О2 ^ СО + 117 МДж/моль (3)
вместо реакции
С + О2 ^ СО2 + 400,428 МДж/моль, (4)
что уменьшает температуру поверхности топлива в кислородной зоне, температурные градиенты и 2 вероятность растрескивания антрацита.
о
Оптимальным является подогрев дутья до
2 450—550 °С. Температура ниже 450 °С недоста-
^ точна для эффективного подавления реакции
^ (4) и развития реакции (3), температура по-
Ц верхности куска антрацита в кислородной зоне
| остается высокой (порядка 2000 °С), что создает
значительные температурные градиенты, увеличивает вероятность растрескивания куска топлива. Подогрев дутья до температуры свыше 550 °С нецелесообразен, так как на шахтных печах меньших размеров устанавливаются ра-диационно-конвективные рекуператоры, в которых теплообменные трубы из жаростойкой стали выше
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.