ГАЗОВАЯ ВАГРАНКА С ХОЛОСТОЙ ОГНЕУПОРНОЙ КОЛОШЕЙ Российский патент 1997 года по МПК F27B1/08 

Изобретение относится к области черной металлургии, точнее к конструкциям газовых вагранок для плавки чугуна в литейном производстве.

Известная конструкция газовой вагранки с холостой огнеупорной колошей, содержащая шахту с подиной, газовые горелки с выходными соплами, расположенные по периметру шахты в нижней ее части и горелочные туннели [1]
Данная конструкция вагранки позволяет производить выплавку чугуна. Однако неопределенность соотношения размеров выходного сопла горелки по отношению к шахте вагранки и горелочных туннелей по отношению к гидравлическому диаметру сопла горелок не позволила стабилизировать процесс горения природного газа в холостой огнеупорной колоше, т.е. стабилизировать технологический процесс плавки чугуна, что приводило к повышенному удельному расходу футеровочных материалов для ремонта зоны туннелей, снижению КПД печи, повышению себестоимости чугуна, а также к снижению длительности беспрерывной работы вагранки.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является газовая вагранка с холостой огнеупорной колошей, содержащая шахту с подиной, газовые горелки с выходными соплами, расположенные по периметру шахты в нижней ее части и горелочные туннели [2]
Данная вагранка позволяет производить выплавку расплава. Однако неопределенность соотношений суммарной площади поперечного сечения отверстий выходных сопел горелок к площади поперечного сечения отверстий выходных сопел горелок к площади поперечного сечения шахты, и гидравлического диаметра сопла к гидравлическому диаметру туннеля при изменении температуры воздуха для сжигания газа приводит к дестабилизации технологического процесса выплавки чугуна, так как неопределенность данных соотношений при различных температурах подогрева воздуха для сжигания газа может привести к быстрому разгару туннелей. Разгар туннелей ведет к дестабилизации горения газа в вагранке, что приводит к дестабилизации процесса плавки.

Целью настоящего изобретения является стабилизация технологического процесса плавки в газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей, особенно при длительной беспрерывной компании плавки.

Указанная цель достигается тем, что в газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей, содержащей шахту с подиной, газовые горелки с выходными соплами, расположенные по периметру шахты в нижней ее части и горелочные туннели, суммарная площадь поперечного сечения отверстий выходных сопел горелок (ΣF_c) равна 0,03-0,15 площади поперечного сечения шахты вагранки (F_м) при изменении температуры воздуха для сжигания газа от 20 до 500^oC, а горелочный туннель выполнен с гидравлическим диаметром, равным 1,15-1,45 гидравлического диаметра выходного сопла горелки.

Причем при различных температурах воздуха при сжигании газа должны соблюдаться следующие соотношения суммарной площади поперечного сечения отверстий выходных сопел горелок и площади поперечного сечения шахты вагранки:
при температуре воздуха 20^oC ΣF_c=(0,03-0,05)F_ш,
при температуре воздуха 100^oC ΣF_c=(0,04-0,07)F_ш.
при температуре воздуха 200^oC ΣF_c=(0,05-0,09)F_ш.
при температуре воздуха 300^oC ΣF_c=(0,05-0,11)F_ш.
при температуре воздуха 400^oC ΣF_c=(0,07-0,13)F_ш.
при температуре воздуха 500^oC ΣF_c=(0,08-0,15)F_ш.
А при длительной беспрерывной работе газовой вагранки, т.е. при работе ее на гарнисаже, горелочные туннели выполняются металлическими водоохлаждаемыми, например, из меди или медных сплавов.

Выполнение отверстий выходных сопел горелок, суммарная площадь которых равна:
0,03-0,05 площади сечения шахты вагранки при t_в= 20^oC;
0,04-0,07 площади сечения шахты вагранки при t_в=100^oC;
0,05-0,09 площади сечения шахты вагранки при t_в=200^oC
0,06-0,11 площади сечения шахты вагранки при t_в=300^oC
0,07-0,13 площади сечения шахты вагранки при t_в=400^oC
0,08-0,15 площади сечения шахты вагранки при t_в=500^oC,
обеспечивает наиболее эффективные скорости потоков газовоздушной смеси, выходящих из отверстий сопел газовых горелок в горелочные туннели, а затем в холостую огнеупорную колошу газовой вагранки.

Значение скорости потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла газовой горелки в холостую огнеупорную колошу оказывает большое влияние, как на эффективное сжигание газовоздушной смеси в вагранке с холостой огнеупорной колошей, так и на оптимальный технологический процесс выплавки чугуна в данной конструкции газовой вагранки.

Уменьшение скорости потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки (т.е. увеличенная площадь отверстия сопла) приводит к нестабильному сжиганию газовоздушной смеси в холостой огнеупорной колоше вагранки, так как газовоздушный поток, имея небольшую скорость, не проникает вглубь холостой колоши. Горение газовоздушной смеси происходит только в периферийных слоях холостой огнеупорной колоши. До центра холостой огнеупорной колоши газовоздушной струи не проникают из-за небольшой их скорости, поэтому там образуется холодная зона, что в конечном итоге приводит к охлаждению жидкого чугуна, к уменьшению производительности вагранки и, в конечном итоге, к дестабилизации технологического процесса плавки.

Слишком большие скорости потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки (т.е. уменьшенная площадь отверстия сопла), обеспечивают проникновение газовоздушных струй до центра холостой огнеупорной колоши, но при этом происходит явление неполного сжигания газовоздушной смеси в холостой огнеупорной колоше (т.е. газовоздушные потоки, обладая большой скоростью, пролетают зону холостой огнеупорной колоши вагранки, не успевая полностью сгореть в ней). Газовоздушная смесь догорает за пределами холостой огнеупорной колоши, что недопустимо по технологическому процессу плавки чугуна. По технологическому процессу плавки для перегрева жидкого расплава и проведения необходимых металлургических процессов зона холостой огнеупорной колоши должна быть самой высокотемпературной зоной вагранки, а этого можно достичь, сжигая газовоздушную смесь полностью только в зоне холостой огнеупорной колоши.

В то же время слишком большая скорость потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки, создает большое гидравлическое сопротивление, что приводит к неоправданному повышению энергозатрат на преодоление слишком большого сопротивления сопла горелки.

Выполнение отверстий выходных сопел горелок, суммарная площадь которых будет более:
0,05 площади сечения шахты вагранки при t_в20^oC;
0,07 площади сечения шахты при t_в100^oC;
0,09 площади сечения шахты вагранки при t_в 200^oC;
0,11 площади сечения шахты вагранки при t_в200^oC;
0,13 площади сечения шахты вагранки при t_в 400^oC;
0,15 площади сечения шахты вагранки при t_в 500^oC;
настолько уменьшает скорость потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки, что горение газовоздушной смеси в центре холостой огнеупорной колоши прекращается из-за непроникновения газовоздушных струй вглубь колоши. Процесс плавки чугуна в конечном итоге дестабилизируется.

Выполнение отверстий выходных сопел горелок, суммарная площадь которых будет менее:
0,03 площади сечения шахты вагранки при t_в 20^oC
0,04 площади сечения шахты вагранки при t_в 100^oC;
0,05 площади сечения шахты вагранки при t_в 200^oC;
0,06 площади сечения шахты вагранки при t_в 300^oC;
0,07 площади сечения шахты вагранки при t_в 400^oC;
0,08 площади сечения шахты вагранки при t_в 500^oC,
настолько увеличивает скорость потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки, что газовоздушная смесь не успевает полностью сгореть в зоне холостой огнеупорной колоши, что приводит к снижению температуры в зоне колоши, а значит, в конечном итоге, к дестабилизации технологического процесса плавки.

Таким образом, пределы отверстий выходных сопел горелок к площади сечения шахты вагранки при соответствующем значении температуры подогрева воздушного дутья, указанные выше, позволяют создать оптимальные скорости потока газовоздушной смеси, выходящей из отверстия сопла горелки, для ее полного и эффективного сжигания в зоне холостой огнеупорной колоши по всему ее объему, что ведет к стабилизации технологического процесса плавки чугуна, в газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей.

В газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей большое значение имеет скорость газовоздушного потока в горелочном туннеле вагранки.

При малых скоростях потока газовоздушной смеси в горелочном туннеле (т. е. при увеличенной площади поперечного сечения туннеля) горение газовоздушной смеси происходит полностью в горелочном туннеле. Для камерных и ванных печей это необходимое условие для наиболее полного и эффективного сжигания газа. В газовой же вагранке с холостой огнеупорной колошей, из-за большой концентрации тепла и очень резкого повышения температуры в туннеле, происходит интенсивный разгар туннеля.

Размеры туннеля со временем меняется, что приводит к дестабилизации сжигания газа, а значит, и к дестабилизации технологического процесса плавки чугуна в вагранке.

При больших скоростях потока газовоздушной смеси в горелочном туннеле (т. е. при уменьшенной площади поперечного сечения туннеля) резко возрастает гидравлическое сопротивление туннеля, что приводит к применению дополнительных затрат энергии для преодоления слишком большого сопротивления туннеля вагранки.

Площадь поперечного сечения туннеля вагранки должна быть такой, чтобы обеспечивать скорость потока газовоздушной смеси при оптимальном ее расходе (т. е. необходимом для обеспечения технологического процесса плавки чугуна), исключающую горение газовоздушной смеси в туннеле. То есть необходимо добиться полного горения газовоздушной смеси в процессе плавки чугуна в объеме холостой огнеупорной колоши.

В то же время площадь поперечного сечения туннеля вагранки должна быть такой, чтобы обеспечивать в режиме розжига и разогрева вагранки с холостой колошей (т.е. при уменьшенных расходах газовоздушной смеси) горение газовоздушной смеси непосредственно в туннелях вагранки. В другом случае просто не будет розжига горелок. Они из-за отрыва пламени будут затухать.

Гидравлический диаметр горелочного туннеля, равный 1,15-1,45 гидравлического диаметра выходного сопла горелки, позволяет создать оптимальные скоростные потоки газовоздушной смеси, при которых в режиме технологического процесса плавки чугуна газовоздушная смесь полностью сжигается в холостой огнеупорной колоше, а не в туннеле, а в режиме розжига и разогрева вагранки с холостой огнеупорной колошей сжигание газа происходит в туннеле вагранки.

Это обеспечивает стабилизацию технологического процесса плавки чугуна в газовой вагранке, особенно при длительной беспрерывной кампании выплавки чугуна.

При уменьшении гидравлического диаметра горелочного туннеля менее 1,15 гидравлического диаметра выходного сопла горелки происходит резкое возрастание гидравлического сопротивления туннеля, что требует дополнительных неоправданных затрат для преодоления слишком большого сопротивления туннеля. В то же время, при таком соотношении диаметров горелочного туннеля и отверстия выходного сопла горелки не обеспечивается горение газовоздушной смеси в туннеле в режиме розжига, т. е. происходит беспрерывный отрыв пламени и розжиг произвести невозможно.

При увеличении гидравлического диаметра туннеля более 1,45 гидравлического диаметра выходного сопла горелки происходит горение газовоздушной смеси в режиме технологического процесса плавки чугуна непосредственно в туннеле, что приводит к быстрому его разгару, потере размеров, а значит, и дестабилизации горения газа в вагранке.

При длительной непpерывной кампании плавки чугуна в газовой вагранке футеровка ее полностью выгорает и вагранка продолжает работу на гарнисаже, образованном при обильном охлаждении кожуха вагранки.

В процессе выгорания футеровки, выгорают и горелочные туннели, выполненные в футеровке вагранки. Поэтому при длительной работе вагранки происходит изменение размеров туннелей, что ведет к дестабилизации сжигания газа, а значит, и к дестабилизации технологического процесса плавки чугуна в вагранке.

Обеспечить заданные размеры туннеля, которые не должны изменяться в процессе работы, может выполнение его металлическим водоохлаждаемым, например, из меди.

Такое выполнение туннеля долговечно. Из-за обильного охлаждения водой на корпусе туннеля, так же как и на кожухе вагранки образуется слой гарнисажа, который предохраняет его от воздействия жидкого металла и шлака.

Размеры туннеля в связи с этим не изменяется в процессе длительной работы вагранки, что ведет к стабилизации процесса плавки чугуна в вагранке с холостой огнеупорной колошей.

Предлагаемая конструкция газовой вагранки изображена на фиг.1, где дан продольный разрез; на фиг.2 дано изображение горелки с туннелем; на фиг.3 - изображение горелки с водоохлаждаемым металлическим туннелем.

Газовая вагранка с холостой огнеупорной колошей содержит шахту 1 с подиной 2, газовые горелки 3, выходные сопла горелок 4 и горелочные туннели 5. Горелочный туннель может быть выполнен в огнеупорной футеровке вагранки (фиг. 1, 2), а при длительном процессе работы вагранки, при ее работе на гарнисаже 7 (фиг. 3), туннель 5 выполнен водоохлаждаемым по конструкции 8 из металла (например, меди).

Работа газовой вагранки заключается в следующем. Сначала с помощью запальников производят розжиг газовых горелок вагранки при расходе газа не более 30% от номинального режима процесса плавки. При этом размеры туннелей обеспечивают сжигание газа непосредственно в туннелях, что не дает затухнуть горелкам вагранки. Затем в шахту 1 вагранки на подину 2 загружается холостая огнеупорная колоша. Она прогревается за счет продуктов сгорания до температур 1450-1500^oC. Затем увеличивают расход газ-воздух, т.е. выводят работу вагранки на рабочий режим для обеспечения стабильного технологического процесса плавки чугуна.

Скорость потока газовоздушной смеси увеличивается и постепенно при оптимальном расходе газовоздушной смеси горение в туннелях прекращается. Газовоздушная смесь полностью сгорает в объеме холостой огнеупорной колоши. Раскаленные куски холостой огнеупорной колоши в данном случае являются хорошим стабилизатором горения газовоздушной смеси.

Затем на холостую огнеупорную колошу непрерывно в зависимости от производительности заваливается шихта. Жидкий металл, протекая по раскаленным кускам колоши, прогревается, там же происходят металлургические процессы между кусками колоши, жидким металлом, шлаком и высокотемпературными продуктами сгорания газа, а приведенные выше размеры и соотношения отверстий сопла горелки, туннелей и площади сечения шахты позволяют стабильно вести процесс плавки чугуна в газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей при длительной и непрерывной кампании плавки чугуна.

Использование: область черной металлургии, точнее плавка чугуна в литейном производстве, для стабилизации технологического процесса плавки чугуна в газовой вагранке с холостой огнеупорной колошей, особенно при длительной беспрерывной кампании плавки. Сущность изобретения: газовая вагранка с холостой огнеупорной колошей содержит выходные сопла горелок, суммарная площадь которых ΣF_c равна 0,03-0,15 площади поперечного сечения шахты вагранки (F_ш) при изменении температуры воздуха для сжигания газа от 20 до 500^oC. Горелочный туннель выполнен с гидравлическим диаметром, равным 1,15-1,45 гидравлического диаметра выходного сопла горелки. Отношение суммарной площади отверстий выходных сопел горелок к площади поперечного сечения шахты в зависимости от температуры воздуха для сжигания газа находится в следующих пределах: при температуре воздуха 20^oC ΣF_c=(0,03-0,05)F_ш,; при температуре воздуха 100^oC ΣF_c=(0,04-0,07)F_ш.; при температуре воздуха 200^oC ΣF_c=(0,05-0,09)F_ш.; при температуре воздуха 300^oC ΣF_c=(0,05-0,11)F_ш.; при температуре воздуха 400^oC ΣF_c=(0,07-0,13)F_ш.; при температуре воздуха 500^oC ΣF_c=(0,08-0,15)F_ш. Горелочные туннели выполнены водоохлажденными, металлическими, например из меди или медных сплавов. 7 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Газовая вагранка с холостой огнеупорной колошей, содержащая шахту с подиной, газовые горелки с выходными соплами, расположенные по периметру шахты в нижней ее части, и горелочные туннели, отличающаяся тем, что суммарная площадь поперечного сечения отверстий выходных сопел горелок ΣF_c равна 0,03 0,15 площади поперечного сечения шахты вагранки F_ш при изменении температуры воздуха для сжигания газа от 20 до 500^oС, а горелочный туннель выполнен с гидравлическим диаметром, равным 1,15 1,45 гидравлического диаметра выходного сопла горелки. 2. Вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 20^oС ΣF_c=(0,03-0,05)F_ш.
3. Газовая вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 100^oС ΣF_c=(0,04-0,07)F_ш.
4. Вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 200^oС ΣF_c=(0,05-0,09)F_ш.
5. Вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 300^oС ΣF_c=(0,05-0,11)F_ш.
6. Вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 400^oС ΣF_c=(0,07-0,13)F_ш.
7. Вагранка по п.1, отличающаяся тем, что при температуре воздуха 500^oС ΣF_c=(0,08-0,15)F_ш.
8. Вагранка по любому из пп.1 7, отличающаяся тем, что горелочные туннели выполнены металлическими, водоохлаждаемыми, например, из меди или медных сплавов.