Расчет кокса при полном горении

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..3

Задание ……………………………………………………………………………7

1 Расчет кокса при полном горении…………………. 8

2 Расчет кокса при неполном горении 11

3 Расчет природного газа 13

4 Материальный баланс вагранки ……………………………………………...15

5 Тепловой баланс плавки ……………………………………………………...21

6 Расчет размеров вагранки …………………………………………………….24 Список используемых источников…………………………………………......25

 

 

Введение

Вагранки предназначены для переплава доменного литейного чушкового чугуна и чугунного лома в чугунолитейных цехах. При плавке в качестве шихтовых материалов в незначительных количествах также применяют стальной лом и ферросплавы. Топливом чаще всего служит кокс. Флюсы (известняк, плавиковый шпат, доломит) вводят в виде добавок к шихте для образования легкоплавкого шлака.

Вагранка представляет собой цилиндрическую шахту, состоящую из стального кожуха, футерованного внутри огнеупорочным кирпичом толщиной 0,15 – 0,3 м и засыпкой. И верхней части вагранки имеется загрузочное окно, через которое подаются внутрь печи шихтовые материалы. В нижней части вагранки расположены воздушная коробка и фурмы, через которые воздух подается в шахту вагранки от воздуходувной машины. Внизу шахта закрывается откидным днищем, на которое набивается из огнеупорного порошка подина. Часть шахты между фурмами и подиной называется горном.

Жидкий металл собирается в горне или через соединительный желоб перетекает в копильник, откуда периодически или непрерывно выпускается через отверстие (летку). Для удаления шлака в горне или копильнике делают специальную шлаковую летку. Шахта в верхней своей части (выше колошникового отверстии) переходит в футерованную трубу, снабженную искрогасителем устройством для гашения и улавливания мелких твердых частиц, содержащихся в потоке газов. Фурмы по высоте располагают в один, два или три ряда по окружности шахты в шахматном порядке. Кожух и футеровка вагранки опирается на подовую плиту и четыре колонны, которые, с помощью фундаментных плит устанавливаются на фундамент.

В последнее время получают распространение вагранки более сложного профиля, в которых шахту выполняют конусной. Наклон стен шахты обеспечивает более равномерное распределение шихты и газов по сечению вагранки.

В современных вагранках для увеличения срока службы футеровки применяют наружное водяное охлаждение. При этом вагранку оборудуют дополнительным кожухом (рубашкой), захватывающим область фурм и распространяющимся вверх на высоту 2 – 2,5 м. Охлаждение осуществляется либо водяной рубашкой с подводом воды в нижнюю часть и отводом сверху, либо струйные разбрызгиванием воды по поверхности кожуха. Применение водяного охлаждения позволяет увеличить длительность работы вагранки без ремонта футеровки до 5 – 6 суток.

Плавке в вагранке предшествуют розжиг и загрузка шихты в вагранку. Целью розжига является создание в нижней зоне печи, между подиной и плавильным поясом, очага горения в виде слоя горящего кокса, который называется холостой колошей. Над холостой колошей располагается в виде отдельных чередующихся слоев металлическая шихта и рабочая порция – кокса – топливная колоша. Флюс загружается вместе с коксом.

Плавка начинается с момента начала подачи воздуха. Воздух давлением 5 – 10 кПа, вдуваемый в вагранку через фурму, вызывает интенсивное горение топлива в пространстве, расположенном над фурмами. В результате этого образовавшиеся продукты сгорания поднимаются вверх и, встречаясь с металлической шихтой, расплавляют ее. Для более полного использования тепла поток газов должен как можно равномернее проникать через слой шихты и возможно полнее отдавать свое тепло. Поэтому слой материалов должен иметь хорошую проницаемость для газов. Для этого требуется равномерная послойная завалка металлической шихты и вполне определенное давление дутья.

В зависимости от температуры и состава газов вагранку условно разделяют на три зоны.

Верхняя зона – зона подогрева материалов. В этой области все материалы находятся в твердом состоянии. Постепенно опускаясь вниз, они нагреваются до температуры 1100 – 1200 °С. Известняк при температуре 800 – 900 °С подвергается разложению, кокс теряет влагу и оставшиеся летучие вещества. Ваграночные газы в этой зоне. пройдя столб шихтовых материалов и отдав им тепло, охлаждаются до температуры 350 – 450 °С и на выходе из слоя шихты содержат 8 – 10 % СО, 14 – 16 % СО₂ и пыли

8 – 10 кг/т.

Средняя зона–зона горения. В верхней области этой зоны происходит плавление металлической шихты и образование шлака, в твердом состоянии находится только кокс. Капли жидкого металла и шлака, стекая вниз по кускам горящего кокса, нагреваются до температуры 1500 °С. Одновременно, проходя через окислительную зону, капли чугуна подвергаются воздействию газов, причем происходит частичное окисление элементов чугуна (10 – 25 %), что связано с дополнительным выделением тепла. Максимальная температура газов в этой зоне 1600 °С.

Нижняя зона – горновая, расположена ниже воздушных фурм. В этой зоне металл несколько охлаждается и удаляется из печи.

Для интенсификации процесса плавки в современные вагранки подается подогретый до 500 °С воздух. При горячем дутье значительно улучшаются показатели работы вагранки: увеличивается производительность, снижается расход кокса, повышается температура чугуна. Воздух подогревается в отдельно расположенном радиационно-конвективном рекуператоре с самостоятельным отоплением.

Процесс плавки в вагранке характеризуется следующими показателями: производительность 6 – 7 т/ч в 1 м² площади поперечного сечения вагранки, расход кокса 7 – 10 % от массы чугуна и относительно высоким тепловым к. п. д. (40 – 45 %).

Вагранка является самым распространенным чугуноплавильным агрегатом, но получить чугун для отливок высокого качества в вагранке не представляется возможным из-за колебания по ходу плавки состава и температуры чугуна. В чугунолитейном производстве в настоящее время необходимо получение чугуна с высокой плотностью, прочностью и пластичностью. Для этого требуется подогрев чугуна до 1500 – 1550 °С в целях возможности его легирования и модифицирования. Поэтому в чугунолитейных цехах, производящих ответственное литье, постепенно вагранки заменяются индукционными электропечами.

 

 

Задание:

Расчет полного теплового и аэродинамического расчета печи. Коксогазовая вагранка.

Вариант № 8

Состав металлошихты, %:

C = 3 % Mn = 3 % S = 0,01 % Ni = 6 %

Si = 2 % P = 0,007 % Cr = 4% CaO = 17

Fe - остальное до 100%.

 

Температура чугуна: 1470 ⁰С;

Температура подогрева воздуха:150 ⁰С;

Рекуператор: Трубчатый щелевой;

Производительность, т/ч: 15;

 

Состав природного газа, %

СН₄=96,8% С₄Н₁₀=0,1%

С₂Н₆=0,5% С₅Н₁₂=0,1%

С₃Н₈=0,3% СО₂=0 %

N₂ – остальное до 100%

 

Элементарный состав кокса в рабочей массе, %:

C^p = 93 % О^р₂ = 0,2 % S^p = 0,5 % W^p = 2 %

H^p = 2 % N ^p = 0,3 % A^p = 2 %

Влагосодержание воздуха г/м³: 10;

Влагосодержание газа г/м³: 20;

Коэффициент расхода воздуха n = 1,09;

 

Тепловой баланс плавки

Статьи прихода:

Теплота сгорания кокса. Определяем по формуле Д. И. Менделеева, учитывая, что часть углерода и серы кокса в процессе горения не участвует:

При расходе кокса 7 кг

Теплота, выделяемая при окислении кремния,

Теплота, выделяемая при окислении марганца,

Теплота, выделяемая при окислении железа,

Итого приход:

Статьи расхода:

Расход теплоты на расплавление и перегрев металла

Теплота, поглощаемая при шлакообразовании:

Расход теплоты на испарение влаги

Физическая теплота ваграночных газов. Определим объемный состав газов. Плотность СО₂ = 1,96 , CO = 1,25 , Н₂О = 0,8 , SO₂ = 2,86 , N₂ = 1,25 .

В ваграночных газах содержится

Общий объем газов равен:

Удельная теплоемкость ваграночного газа при температуре 500⁰С

тогда

Расход теплоты с охлаждающей водой. Примем общий расход воды для охлаждения вагранки 50 или 250 кг воды на 100 кг шихты. Температуру воды до вагранки 10⁰С, после вагранки 30⁰С.

Расход теплоты за счет содержания в ваграночных газах окиси углерода

После дожигания ваграночных газов часть теплоты используется для подогрева воздуха.

Сумма перечисленных статей теплового баланса составляет

Коэффициент полезного действия вагранки

Коэффициент использования топлива

Процент кокса составляет 70 % от всего топлива, процент природного газа –30 %. Следовательно: на плавление 100 кг шихты необходимо 30 м³ природного газа и 7 кг кокса.

 

 

5 Расчет размеров вагранки

Диаметр вагранки в свету при удельной производительности 8 т/(м² )

Полезная высота вагранки

Общая высота вагранки без трубы при Н₁=0,5 м и Н₂=2 м

Н_общ=Н₀+Н₁+Н₂=5,216+0,5+2=7,716 м

Диаметр металлической летки при скорости металла 1 м/с

Диаметр шлаковой летки принимаем 60 мм

Сечение вагранки в свету

Суммарное сечение фурм

 

Содержание

Введение …………………………………………………………………………..3

Задание ……………………………………………………………………………7

1 Расчет кокса при полном горении…………………. 8

2 Расчет кокса при неполном горении 11

3 Расчет природного газа 13

4 Материальный баланс вагранки ……………………………………………...15

5 Тепловой баланс плавки ……………………………………………………...21

6 Расчет размеров вагранки …………………………………………………….24 Список используемых источников…………………………………………......25

 

 

Введение

Вагранки предназначены для переплава доменного литейного чушкового чугуна и чугунного лома в чугунолитейных цехах. При плавке в качестве шихтовых материалов в незначительных количествах также применяют стальной лом и ферросплавы. Топливом чаще всего служит кокс. Флюсы (известняк, плавиковый шпат, доломит) вводят в виде добавок к шихте для образования легкоплавкого шлака.

Вагранка представляет собой цилиндрическую шахту, состоящую из стального кожуха, футерованного внутри огнеупорочным кирпичом толщиной 0,15 – 0,3 м и засыпкой. И верхней части вагранки имеется загрузочное окно, через которое подаются внутрь печи шихтовые материалы. В нижней части вагранки расположены воздушная коробка и фурмы, через которые воздух подается в шахту вагранки от воздуходувной машины. Внизу шахта закрывается откидным днищем, на которое набивается из огнеупорного порошка подина. Часть шахты между фурмами и подиной называется горном.

Жидкий металл собирается в горне или через соединительный желоб перетекает в копильник, откуда периодически или непрерывно выпускается через отверстие (летку). Для удаления шлака в горне или копильнике делают специальную шлаковую летку. Шахта в верхней своей части (выше колошникового отверстии) переходит в футерованную трубу, снабженную искрогасителем устройством для гашения и улавливания мелких твердых частиц, содержащихся в потоке газов. Фурмы по высоте располагают в один, два или три ряда по окружности шахты в шахматном порядке. Кожух и футеровка вагранки опирается на подовую плиту и четыре колонны, которые, с помощью фундаментных плит устанавливаются на фундамент.

В последнее время получают распространение вагранки более сложного профиля, в которых шахту выполняют конусной. Наклон стен шахты обеспечивает более равномерное распределение шихты и газов по сечению вагранки.

В современных вагранках для увеличения срока службы футеровки применяют наружное водяное охлаждение. При этом вагранку оборудуют дополнительным кожухом (рубашкой), захватывающим область фурм и распространяющимся вверх на высоту 2 – 2,5 м. Охлаждение осуществляется либо водяной рубашкой с подводом воды в нижнюю часть и отводом сверху, либо струйные разбрызгиванием воды по поверхности кожуха. Применение водяного охлаждения позволяет увеличить длительность работы вагранки без ремонта футеровки до 5 – 6 суток.

Плавке в вагранке предшествуют розжиг и загрузка шихты в вагранку. Целью розжига является создание в нижней зоне печи, между подиной и плавильным поясом, очага горения в виде слоя горящего кокса, который называется холостой колошей. Над холостой колошей располагается в виде отдельных чередующихся слоев металлическая шихта и рабочая порция – кокса – топливная колоша. Флюс загружается вместе с коксом.

Плавка начинается с момента начала подачи воздуха. Воздух давлением 5 – 10 кПа, вдуваемый в вагранку через фурму, вызывает интенсивное горение топлива в пространстве, расположенном над фурмами. В результате этого образовавшиеся продукты сгорания поднимаются вверх и, встречаясь с металлической шихтой, расплавляют ее. Для более полного использования тепла поток газов должен как можно равномернее проникать через слой шихты и возможно полнее отдавать свое тепло. Поэтому слой материалов должен иметь хорошую проницаемость для газов. Для этого требуется равномерная послойная завалка металлической шихты и вполне определенное давление дутья.

В зависимости от температуры и состава газов вагранку условно разделяют на три зоны.

Верхняя зона – зона подогрева материалов. В этой области все материалы находятся в твердом состоянии. Постепенно опускаясь вниз, они нагреваются до температуры 1100 – 1200 °С. Известняк при температуре 800 – 900 °С подвергается разложению, кокс теряет влагу и оставшиеся летучие вещества. Ваграночные газы в этой зоне. пройдя столб шихтовых материалов и отдав им тепло, охлаждаются до температуры 350 – 450 °С и на выходе из слоя шихты содержат 8 – 10 % СО, 14 – 16 % СО₂ и пыли

8 – 10 кг/т.

Средняя зона–зона горения. В верхней области этой зоны происходит плавление металлической шихты и образование шлака, в твердом состоянии находится только кокс. Капли жидкого металла и шлака, стекая вниз по кускам горящего кокса, нагреваются до температуры 1500 °С. Одновременно, проходя через окислительную зону, капли чугуна подвергаются воздействию газов, причем происходит частичное окисление элементов чугуна (10 – 25 %), что связано с дополнительным выделением тепла. Максимальная температура газов в этой зоне 1600 °С.

Нижняя зона – горновая, расположена ниже воздушных фурм. В этой зоне металл несколько охлаждается и удаляется из печи.

Для интенсификации процесса плавки в современные вагранки подается подогретый до 500 °С воздух. При горячем дутье значительно улучшаются показатели работы вагранки: увеличивается производительность, снижается расход кокса, повышается температура чугуна. Воздух подогревается в отдельно расположенном радиационно-конвективном рекуператоре с самостоятельным отоплением.

Процесс плавки в вагранке характеризуется следующими показателями: производительность 6 – 7 т/ч в 1 м² площади поперечного сечения вагранки, расход кокса 7 – 10 % от массы чугуна и относительно высоким тепловым к. п. д. (40 – 45 %).

Вагранка является самым распространенным чугуноплавильным агрегатом, но получить чугун для отливок высокого качества в вагранке не представляется возможным из-за колебания по ходу плавки состава и температуры чугуна. В чугунолитейном производстве в настоящее время необходимо получение чугуна с высокой плотностью, прочностью и пластичностью. Для этого требуется подогрев чугуна до 1500 – 1550 °С в целях возможности его легирования и модифицирования. Поэтому в чугунолитейных цехах, производящих ответственное литье, постепенно вагранки заменяются индукционными электропечами.

 

 

Задание:

Расчет полного теплового и аэродинамического расчета печи. Коксогазовая вагранка.

Вариант № 8

Состав металлошихты, %:

C = 3 % Mn = 3 % S = 0,01 % Ni = 6 %

Si = 2 % P = 0,007 % Cr = 4% CaO = 17

Fe - остальное до 100%.

 

Температура чугуна: 1470 ⁰С;

Температура подогрева воздуха:150 ⁰С;

Рекуператор: Трубчатый щелевой;

Производительность, т/ч: 15;

 

Состав природного газа, %

СН₄=96,8% С₄Н₁₀=0,1%

С₂Н₆=0,5% С₅Н₁₂=0,1%

С₃Н₈=0,3% СО₂=0 %

N₂ – остальное до 100%

 

Элементарный состав кокса в рабочей массе, %:

C^p = 93 % О^р₂ = 0,2 % S^p = 0,5 % W^p = 2 %

H^p = 2 % N ^p = 0,3 % A^p = 2 %

Влагосодержание воздуха г/м³: 10;

Влагосодержание газа г/м³: 20;

Коэффициент расхода воздуха n = 1,09;

 

Расчет кокса при полном горении

Состав кокса в рабочей массе

= 93 % = 0,5 %

= 2 % = 2 %

= 0,2 % = 2 %

= 0,3 %

Количество энергии при сгорании топлива:

Необходимый для горения объем кислорода:

Теоретически необходимый расход воздуха:

Фактический расход воздуха:

Расчет выхода продуктов горения:

Объем продуктов горения:

Состав продуктов горения:

Содержание воздуха в продуктах сгорания:

Плотность продуктов сгорания:

Химическая энтальпия продуктов сгорания:

а) без учета химического недожога:

При температуре подогрева воздуха , энтальпия 1 воздуха составляет:

б) с учетом химического недожога: