СПОСОБ ПЛАВКИ ЧУГУНА В ГАЗОВОЙ ВАГРАНКЕ
PROCEDURE FOR MELTING IRON IN CUPOLA

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве при плавке чугуна в газовых вагранках.
Известен способ плавки чугуна в вагранке, включающий сжигание твердого топлива (кокса) в холостой колоше, нагрев и плавление металлической шихты горячими продуктами сгорания в шахте, отличающийся от известного способа плавки в обычных вагранках тем, что продукты сгорания отбираются (отсасываются) ниже порога загрузочного окна, подаются в отдельно стоящую камеру для дожигания газов, где смешиваются с вводимым через трубку воздухом, дожигаются, поступают в отдельно стоящий рекуператор, частично отдают теплоту проходящему по рекуператору воздуху, а затем через дымосос и трубу удаляются в атмосферу. Горячий воздух из рекуператора подается по трубопроводу в фурмы вагранки (Кузелев М.Я., Скворцов А.А., Смеляков Н.Н. Справочник рабочего-литейщика. Изд. второе, доп. и перераб. - М.-Свердловск: Машгиз, 1956, стр.376, фиг.140). Этот способ плавки в вагранке - сложный и малоэффективный. Ваграночная установка занимает много производственных площадей. Наблюдаются большие тепловые потери, в камере дожигания газов возможны взрывы, камера дожигания и рекуператор засоряются пылью, которую трудно удалять. Эффективность работы рекуператора снижается по мере засорения его проходов ваграночной пылью, в вагранку поступает воздух на сжигание кокса с температурой 315°С, что недостаточно для увеличения производительности вагранки и уменьшения расхода топлива на плавку. Эти же недостатки наблюдаются при известных способах плавки в вагранках закрытого типа конструкции Гипростанок (Справочник по чугунному литью. / Под ред. д-ра техн. наук Н.Г.Гиршовича. - 3-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978, стр.163-170, рис.11.5, 11.6). Общие недостатки способов плавки в этих вагранках - недостаточная надежность устройств и процессов, возможность подсоса воздуха и образования взрывоопасной смеси в системе газоочистки из-за наличия в ней высокого разряжения, необходимость устанавливать резервные дымососы, обеспечивать повышенный контроль за герметичностью газового тракта и состоянием предохранительных клапанов. Ваграночный комплекс - сложный, ненадежный агрегат, термический кпд его низкий, для дожигания ваграночных газов требуется не только вдувать воздух, но и дополнительно подавать газообразное или жидкое топливо в камеру дожигания ваграночных газов.
Известен способ плавки чугуна в коксогазовой вагранке, в которой отбор газов производится ниже загрузочного окна (Справочник литейщика. Чугунное литье. / Под общей редакцией д.т.н. проф.Н.Н.Рубцова. - М.: Машгиз, 1961, стр.326, рис.158). Этот способ - также неэффективный, дорогостоящий, термический кпд вагранки невысокий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ плавки чугуна в газовой вагранке, включающий загрузку металлической шихты, флюса, подачу подогретого дутья, отличающийся тем, что дутье с температурой 450-550°С подают в течение 75-83% времени плавки, в оставшееся время снижают температуру дутья и плавку заканчивают при температуре дутья 150-200°С (Авторское свидетельство СССР №2092569 «Способ плавки чугуна в вагранке», авторы Грачев В.А., Куряев В.И., Горелов Н.А., Коданев В.Н., Кл. 6 С21С 1/08, Заявка №95109586/02. Приор. 07.06.95. Заявитель - Пензенский государственный технический университет. Бюл. №28, опубл. 10.10.97). При использовании этого способа воздух нагревают в отдельно стоящем воздухоподогревателе, расходуя дополнительно топливо. При большей температуре воздушного дутья (450-550°С) достигается более высокая температура жидкого металла, что позволяет получать тонкостенные отливки, а при меньшей температуре воздуха (150-200°С) получают толстостенные отливки.
Недостатками этого способа являются расходование дополнительного топлива в отдельно стоящем воздухораспределителе, ваграночные газы не дожигают, теплоту отходящих из вагранки газов не используют, термический кпд вагранки невысокий, нельзя использовать большое количество стали в шихте, наблюдаются значительные потери металла при плавке в связи с окислением, трудно регулировать производительность вагранки и металлургический процесс плавки металла.
Технический результат предлагаемого способа заключается в экономии топлива на процесс плавки, повышение производительности и термического кпд вагранки, возможность нагрева воздушного дутья и шихты путем использования теплоты дожигаемых ваграночных газов, в уменьшении потерь металла в связи с окислением, увеличением количества стали в шихте, температуры и жидкотекучести металла, снижении брака получаемых отливок.
Указанный технический результат достигается тем, что предложенный способ плавки чугуна в газовой вагранке, включающий загрузку шихты в шахту, сжигание топлива, разогрев и плавление шихты продуктами сгорания топлива, отличается от известного тем, что сжигание топлива производят при коэффициенте расхода воздуха 0,7-0,9, заполняют шахту шихтой 0,5-0,8 объема шахты и в незаполненную шихтой шахту подают воздух периферийными и радиальными струями при скорости в выходных сечениях сопел 1,5-7 скорости движения газов в шахте и частоте смены подачи воздуха периферийными струями на подачу радиальными струями 15-60 периодов в минуту, создают вихревое перемешивание горячих газов с воздухом, повышают коэффициент расхода воздуха в незаполненной шихтой шахте до 1,01-1,5, дожигают горючие компоненты, повышают температуру газов до 700-1200°С и подают горячие газы в теплообменное устройство для нагрева воздуха или пропускают через шихту; способ отличается и тем, что горячие газы подают в рекуператор и нагревают воздух, который вводят в горелки вагранки для сжигания топлива; способ отличается и тем, что горячие газы пропускают через шихту до ее загрузки в шахту, нагревают шихту, а затем нагретую шихту загружают в шахту и плавят; способ отличается и тем, что горячие газы пропускают через шихту до ее загрузки в шахту, нагревают шихту, после чего горячие газы подают в рекуператор для нагрева воздуха.
1
Предложенный способ плавки чугуна рационально осуществлять в газовой вагранке с огнеупорной и углеродсодержащей холостой колошей. При переводе коксовой вагранки на газообразное топливо в шахту вагранки не загружают рабочие коксовые колоши, а загружают только металлические рабочие колоши и куски флюса (известняка). Высота рабочей части шахты коксовой вагранки равна от 5 до 6 диаметров шахты в свету. В этом случае в вагранку помещается 5-6 металлических и 5-6 коксовых рабочих колош. При переводе коксовой вагранки на газовое отопление и загрузке только рабочих металлических колош верхняя часть шахты остается незагруженной шихтой. Выявлено, что заполняется шихтой V 0,5-0,8 объема шахты V, остается верхняя часть шахты, незаполненная шихтой, огнеупорная футеровка этой части шахты при работе газовой вагранки разогревается до температуры выше 600°С.
1
Для плавки в газовой вагранке шихты, содержащей более 20% стали, применения углеродсодержащей холостой колоши и подачи в газовые горелки воздуха с температурой выше 650°С можно выдерживать коэффициент расхода воздуха α 0,7-0,9, в связи с чем окислительные свойства ваграночных газов резко снижаются, уменьшается угар и повышается жидкотекучесть металла. Но для достижения экономичности и экологической чистоты процесса надо дожигать ваграночные газы в незаполненной шихтой части шахты вагранки. И поскольку температура футеровки в этой части шахты достаточная (свыше 600°С) для воспламенения горючих составляющих ваграночных газов, то можно вводить только необходимое количество воздуха для дожигания газов без ввода дополнительного топлива.
1
2
Так как высота незаполненной шихтой шахты небольшая, то в незаполненную шихтой шахту надо подавать периферийными и радиальными струями воздух при скорости в выходных сечениях сопел W 1,5-7 скорости движения газов в шихте W и частоте смены периферийной подачи воздуха радиальными струями N 15-60 периодов в минуту, создавать вихревое перемешивание горячих газов с воздухом, повышать коэффициент расхода воздуха в незаполненной шихтой шахте до α 1,01-1,5, дожигать горючие компоненты, повышать температуру газов Т до 700-1200°С и подавать горячие газы в теплообменное устройство.
Горячие газы рационально подавать в рекуператор и нагревать воздух, который затем надо вводить в горелки вагранки для сжигания топлива. Горячие газы можно пропускать через шихту до ее загрузки в шахту, нагревать шихту, а затем нагретую шихту загружать в шахту и плавить. Можно горячие газы пропускать через шихту до ее загрузки в шахту, нагревать шихту, после чего горячие газы подавать в рекуператор для нагрева воздуха. Шихту надо подвешивать в перфорированных бадьях в зоне загрузочного окна вагранки, закрывать загрузочное окно дверью, нагревать шихту обтекающими и проходящими через отверстия бадьи горячими газами 5-15 минут, а затем после нагрева загружать шихту в шахту. После этого надо менять пустую бадью на заполненную шихтой и процесс нагрева шихты возобновлять. Рекуператор для нагрева воздуха рационально размещать над загрузочным окном вагранки (в трубе или вместо трубы вагранки).
Техническим результатом предлагаемого способа являются экономия топлива на процесс плавки, повышение производительности и термического кпд вагранки, возможность нагрева воздушного дутья и шихты путем использования теплоты дожигаемых ваграночных газов, уменьшение потерь металла в связи с окислением, увеличение количества стали в шихте, повышение температуры и жидкотекучести металла, снижение брака получаемых отливок.
1
1
1
1
1
2
Технический результат способа достигается при 0,5·V≤V≤0,8·V; 0,7≤α≤0,9; l,5·W≤W≤7·W; 15≤N≤60; 1,01≤α≤1,5; 700≤Т≤1200°С.
1
1
При V<0,5·V и при V>0,8·V нарушается температурный режим дожигания ваграночных газов.
1
1
1
1
2
2
Если α<0,7, то резко снижается температура ваграночных газов и не происходит дожигание горючих компонентов, а если α>0,9, то недостаточно содержание горючих компонентов для дожигания и повышения температуры газов свыше 700°С. При W<1,5·W струи воздуха создают недостаточную турбулентность газов, а при W>7·W воздушные потоки проскакивают через отходящие ваграночные газы, в связи с чем нарушается процесс горения. При N<15 и N>60 происходят нарушения требуемой турбулентности для поджигания и горения газов. При α<1,01 наблюдается недожог газов, а при α>1,5 резко снижается температура газов. Если Т<700°С, то эффективность полезного использования теплоты газов невысокая, а если Т>1200°С, то резко повышаются окислительные свойства газов. Наилучшие результаты достигаются при указанных выше пределах.
Пример
1
Плавили чугунную и стальную шихту в газовой вагранке производительностью 6 тонн жидкого металла в час. Производили розжиг газовых горелок, нагрев футеровки, загрузку материалов холостой огнеупорной колоши (20% боя шамотных кирпичей, 20% боя высокоглиноземистых огнеупоров, 60% боя графитовых электродов). После разогрева холостой огнеупорной колоши до 1600-1650°С регулировали расход природного газа и воздуха так, чтобы достигался коэффициент расхода воздуха 0,7≤α≤0,9. Затем загружали металлическую шихту (20% стального лома и 80% чугунного лома) и куски известняка (0,5-1% от веса металлозавалки). Заполняли шихтой 0,5-0,8 объема шахты и начинали плавку. В незаполненную шихтой шахту подавали периферийными и радиальными струями воздух при скорости в выходных сечениях сопел 1,5-7 скорости движения газов в шахте и частоте смены периферийной подачи воздуха радиальными струями 15-60 периодов в минуту, создавали вихревое перемешивание горячих газов с воздухом, повышали коэффициент расхода воздуха в незаполненной шихтой шахте до 1,01-1,5, дожигали горючие компоненты, повышали температуру газов до 700-1200°С и подавали горячие газы в теплообменное устройство. Теплотой горячих газов нагревали в рекуператоре воздух до температуры 650°С и выше (до 750°С). Горячий газ вводили в горелки для сжигания топлива. Горячие газы после дожигания пропускали через шихту до ее загрузки в шахту, нагревали шихту, а затем нагретую шихту загружали в шахту и плавили. Шихту нагревали в перфорированных бадьях, которые подвешивали в зоне загрузочного окна вагранки. Шихту нагревали 5-15 минут до температуры 500-600°С. В газовой вагранке плавили чугун, который использовали для производства сложных и ответственных компрессорных отливок. Качество получаемых отливок было высокое.
Установлено, что при использовании предложенного способа по сравнению с известными достигается экономия топлива на 5-15% (на процесс плавки), увеличение производительности на 10-20% и термического кпд вагранки в 1,1-1,4 раза, нагрев воздушного дутья до 650°С и выше, экологическая чистота конечного процесса, уменьшение потерь металла в связи с окислением в 1,5-2 раза, увеличение количества дешевой стали в шихте свыше 20%, повышение температуры металла на 30-50 градусов и жидкотекучести в 1,3-2 раза, снижение брака получаемых отливок на 2-4%.
Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Варианты осуществления предлагаемого способа обеспечивают достижение разнообразных требований к изделиям, предназначенным для машиностроения, строительства. Этот способ можно использовать для получения полупродукта - жидкого материала для передела в сталь. Его можно применять для нагрева и плавки минеральных материалов для получения каменного литья, шлаковаты.