Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем

1. Основы конструирования и расчета вагранок со вторичным дутьем
1. Расчет размеров фурменных поясов

 

Фурменный пояс должен обеспечить равномерное  распределение дутья по фурмам.

Из  табл. 2, строка 5 принимаем удельный расход воздуха q_уд равным 145 м³/(м²´мин) (диапазон от 120 до 150 м³/(м²´мин). Тогда необходимое количество воздуха составит

Q_возд=q_уд´F_в´60=145´0,38´60=3306 м³/ч.

 

Из  табл. 2, строка 6 принимаем скорость воздуха в фурменном поясе  V₂=4 м/с. Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит

.

 

Из  табл. 2, строка 8 принимаем отношение  площадей сечения нижнего и верхнего рядов фурм равным 60¸40, тогда

F_ф.п.н=åF_ф.п´0,6=0,23´0,6=0,138 м²,

F_ф.п.в=åF_ф.п´0,4=0,23´0,4=0,092 м².

 

Из  табл. 2, строка 7 принимаем Н_ф.п=600 мм=0,6 м. Тогда ширина фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит

.

А для верхнего ряда фурм составит

.

 

Размеры фурменных поясов определим, исходя из следующих конструктивных решений. Из табл. 2, строка 4 принимаем расстояние между рядами фурм (по осям) равным 700 мм=0,7 м. Толщина стенок корпусов фурм и размеры крепежных фланцев  выбираются конструктивно, обычно толщина  стенки фурмы равна 6-8 мм, выступ фланца равен 12-15 мм, материал сталь Ст.3.

Примем  толщину огнеупорной футеровки  равной 295 мм (по размерам шамотного  кирпича 65´113´230 мм). Примем толщину корпуса вагранки равной 12 мм (толщина листовой стали), а зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм примем равным d_заз=150 мм (для удобства монтажа), толщину стенок фурменных поясов принимаем равной d_ст=4 мм (листовая сталь).

Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит

D_к=D_в+2d_фут+2d_ст.к =700+2´295+2´12=1314 мм=1,314 м.

 

Внутренний  диаметр фурменного пояса для  фурм верхнего ряда составит

D₁= D_к+2d_заз=1314+2´150=1614мм=1,614 м.

 

Диаметр перегородки, разделяющей фурменные  пояса для фурм верхнего и нижнего  рядов, или внутренний диаметр фурменного пояса для верхнего ряда фурм, составит

D₂=D₁+2d_ст+2В_ф.п.в=1614+2´4+2´137=1896 мм=1,896 м.

 

Наружный  диаметр фурменного пояса для  нижнего ряда составит

D₃=D₂+4d_ст+2В_ф.п.н=1896+4´4+2´207=2326 мм=2,326 м.

Учитывая  тип фурменных поясов (прямоугольного сечения кольцевого коллектора) и  конструктивные особенности, примем следующие  размеры радиусов R₁ и R₂, образующие внутренние и наружные поверхности фурменных поясов для фурм нижнего и верхнего рядов (в свету):

.

R_{нар.ф.в.}=R_вн.ф.в.+В_ф.п.в.=811+137=948 мм=0,948 м.

R_вн.ф.н.=R_{нар.ф.в.}+ d_ст=948+4=952 мм=0,952 м.

R_{нар.ф.н.}=R_вн.ф.н.+В_ф.п.н.=952+207=1159 мм=1,159 м.

 

Определим объемы W фурменных поясов для фурм верхнего и нижнего рядов, что необходимо для расчета предохранительных клапанов безопасности.

W_ф.п.в.=p(R²_{нар.ф.в.}-R²_вн.ф.в.)´Н_ф.п.=3,14(0,948²-0,811²)´0,6=0,454 м³.

W_ф.п.н.=p(R²_{нар.ф.н.}-R²_вн.ф.н.)´Н_ф.п.=3,14(1,159²-0,952²)´0,6=0,823 м³.

 

1.2 Расчет предохранительных клапанов

 

Исходя  из правил безопасности в газоходах, площадь предохранительных клапанов должна составлять 0,05 м² на 1 м³ объема камеры. Тогда общая площадь клапанов фурменного пояса для нижнего ряда фурм составит

åF_кл.н.ф=0,05´W_ф.п.н=0,05´0,823=0,04115 м²=0,041 м²,

а общая площадь  клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм

åF_кл.в.ф=0,05´W_ф.п.в=0,05´0,454=0,0227 м²=0,023 м².

 

Принимаем минимальное число клапанов на каждом фурменном поясе равным 4. Тогда площадь одного клапана для фурменных поясов нижних и верхних фурм составит соответственно:

 

_{Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных  отверстий клапанов, составят}

 

_{В общем виде клапан должен вписываться  в ширину фурменного пояса с монтажным  зазором не менее 30 мм с каждой стороны. Сопоставим диаметры клапанов с шириной  соответствующих  фурменных поясов: для вагранки производительностью 3 т/ч Вф.п.н.=207мм, а Вф.п.в.=137мм. Следовательно, диаметры клапанов как для нижнего, так и для верхнего фурменного пояса почти в 2 раза меньше ширины соответствующих фурменных поясов, и установка клапанов не вызовет затруднений. Исходя из необходимого количества воздуха, поступающего в вагранку, по данному расчету Qвозд=3306 м³/ч, с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В8/800, обеспечивающую производительность 8000 м³/ч и давление 8000 Па или 800 мм. Вод. Ст., или 0,08 кгс/см².}

_{Определим массу груза, включая  массу колпаковклапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой:}

 

_{Gкл.н.ф.=fкл.н.ф.´Рвозд.max´10⁴=0,01025´0,08´10⁴=8,2 кг,}

_{Gкл.в.ф.=fкл.в.ф.´Рвозд.max´10⁴=0,00575´0,08´10⁴=4,6 кг.}

 

 

_{1.3 Расчет воздухоподводящей  системы (воздуходувов)}

 

_{Определим площадь общего воздуховода (от воздуходувки до «развилки» на воздуховоды для  нижнего и верхнего фурменных поясов). Для расчета принимаем расход воздуха, поступающего в вагранку, равным 3306м³/ч. Исходя из требований табл.2, строка 6, принимаем скорость воздуха в общем воздуховоде равной 10 м/с (V1). Из выражения Qвозд=V1´Fобщ.возд´3600 находим площадь сечения общего воздуховода:}

 

_{Тогда внутренний диаметр  общего воздуховода  составит dобщ.возд=0,342 м=342 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 10704-76, ГОСТ 8731-78 или ГОСТ 8732-78 выбираем ближайшую по размерам трубу, в данном случае трубу с наружным диаметром 355,6 мм и толщиной стенки 5 мм, у которой внутренний диаметр равен 355,6-2´5=345,6 мм.}

_{Исходя  из принятого соотношения  расхода воздуха  между нижним и  верхним рядом  фурм (60¸40), определяем расход воздуха через все фурмы нижнего и верхнего рядов соответственно:}

_{Qвозд.н.ф.=0,6´Qвозд=0,6´3306=1983,6 м³/ч.}

_{Qвозд.в.ф.=0,4´Qвозд=0,4´3306=1322,4 м³/ч.}

 

_{Из  табл. 2, строка 6 выбираем максимально допустимую скорость воздуха  в воздуховодах для  нижнего и верхнего фурменных поясов V1 равной 15 м/с, т.е. для участков воздуховодов от «развилки» до соответствующих фурменных поясов. Тогда аналогично расчету размеров общего воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:}

 

 

Тогда внутренний диаметр воздуховода  для нижнего и верхнего рядов  фурм составит соответственно 214 мм и 175 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТам находим ближайшие по размерам трубы: для воздуховода нижнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 219 мм и толщиной стенки 6 мм, ее внутренний диаметр равен 219-2´6=207 мм, аналогично для воздуховода верхнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 177,8 мм и толщиной стенки 6 мм, ее внутренний диаметр составит 165,8 мм. Для обеспечения равномерного распределения дутья рекомендуется воздуховоды подводить к фурменным поясам тангенциально.

Из  табл. 2, строка 3 принимаем количество фурм равным 4 (для вагранки производительностью 3 т/ч). Количество фурм в каждом ряду должно обеспечить равномерное распределение дутья по периметру вагранки. Фурмы верхнего ряда размещаются в горизонтальном сечении посредине между фурмами нижнего ряда в шахматном порядке. Расстояние между рядами фурм по их осям принимается от 700 до 900 мм.

Определим размеры воздуховодов, или патрубков, для каждой фурмы нижнего и  верхнего рядов на участках от соответствующего фурменного пояса до фурм. Площади поперечного сечения этих патрубков и их диаметры в свету определим по расходу дутья через каждую фурму, а именно:

 

Скорость  воздуха при входе в вагранку должна быть не менее 15 м/с с целью обеспечения проникновения струи по всему сечению вагранки.

При применении фурм круглого сечения площади  и диаметры их определяются аналогично расчету диаметров воздуховодов, а именно:

 

_{Соответственно  диаметры фурм составят dн.р.=107 мм и dв.р.=88 мм.}

_{Из  сортамента стандартных  труб по ГОСТам выбираем ближайшие по размеру  трубы, а именно для  данного расчета  для фурм нижнего  ряда выбираем трубу  с наружным диаметром 108 мм и толщиной стенки 3,5 мм, т.е. с внутренним диаметром 101 мм, а  для фурм верхнего ряда трубу с наружным диаметром 89 мм и  толщиной стенки 3 мм, т.е. с внутренним диаметром 83 мм.}

_{При применении фурм прямоугольного сечения чаще всего  высоту фурм принимают  равной высоте огнеупорного кирпича, а именно hф=65 мм, тогда ширина фурм нижнего и верхнего ряда соответственно составит:}

 

_{1.4 Расчет горна}

 

_{Площадь шахты вагранки составляет}

_{Исходя  из требований заказчика, принимаем максимальную массу отливки  mmax=0,5 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью Qв=3 т/ч составит:}

 

Определим высоту горна по формуле:

_{где Wг – объем горна на 1 т жидкого чугуна с учетом нахождения в нем кокса, обычно принимается Wг=0,33 м³/т;}

_{0,12 – расстояние между верхним уровнем металла в горне и осью нижнего ряда фурм, м.}

 

_{При применении двойного (вторичного) дутья производительность вагранок выше, чем  у обычных, поэтому  принимаем hг=0,7 м=700 мм. При этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины. Определим фактический объем горна:}

 

_{Принимаем расстояние между  шлаковой леткой и  нижней кромкой фурменного отверстия hл.ф.=75 мм, диаметр шлаковой летки 40 мм, а наклон нижних фурм к горизонту 10°.}

 

 

_{1.5 Расчет холостой  коксовой колоши}

 

_{Исходя  из опыта эксплуатиции вагранок с двухрядным фурменным поясом и вторичным дутьем, принимаем расстояние между рядами фурм по их осям hф=0,7 м=700 мм, а высоту кокса холостой колоши над верхним рядом фурм hв=0,4 м=400 мм.}

_{Общая высота холостой коксовой колоши составит}

_{hх.к.=hг+hф+hв=0,4+0,7+0,4=1,5 м=1500 мм.}

 

_{Объем холостой коксовой колоши составит}

_{Wх.к.=Fв´hх.к.=0,38´1,5=0,57 м³.}

 

_{Определим массу кокса в  холостой колоше}

_{mх.к.= Wх.к.´gк=0,57´450=256,5 кг»260 кг,}

_{где gк – объемная плотность кокса, кг/м³ (gк=450 кг/м³).}

 

_{1.6 Расчет рабочей  коксовой колоши}

 

_{Исходя  из опыта работы вагранок, обычно принимают  высоту рабочей колоши кокса hр.к.=0,15-0,2 м. Для расчета принимаем максимальную высоту, равную 0,2 м. Тогда объем рабочей колоши составит}

_{Wр.к.=Fв´hр.к.=0,38´0,2=0,076 м³,}

_{а масса кокса в  рабочей колоше равна}

  _{mр.к.= Wр.к.´gк=0,076´450=34,2 кг.}

 

 

 

_{1.7 Расчет металлической  колоши}

 

_{Из  практики известно, что масса металлической  колоши обычно составляет 8-10 % от часовой производительности вагранки, т.е. для  вагранки производительностью 3 т/ч (3000 кг/ч)}

_{mм.к=(0,08…0,10)´Qв=(0,08…0,10)´3000=240-300 кг.}

 

_{Для расчета принимаем  максимальную массу  mм.к.=700 кг. Тогда объем металлической колоши составит}

_{где gм – объемная плотность металлической шихты, равная 2500 кг/м³.}

 

_{1.8 Расчет полезной  высоты вагранки  и количества металлических  и топливных колош}

 

_{Определим полезную высоту вагранки по формуле:}

_{Обычно  полезная высота вагранок находится в рекомендуемых  пределах. Полезную высоту 3-тонных вагранок принимают равной hпол=3000-4500 мм. Однако условия каждого конкретного цеха при модернизации вагранок, т.е. в условиях существующих строительных конструкций здания цеха, могут внести свои коррективы. Примем в нашем случае hпол=3500 мм, помня, что полезная высота вагранки определяется как расстояние от оси нижнего ряда фурм до нижнего среза завалочного окна. Тогда общая высота шахты вагранки (без учета высоты опорной части, узла загрузки и трубы с искрогасителем или пылеосадителем) составит}

_{Hв=hг+hпол=0,4+3,5=3,9 м.}

 

_{Общий объем шахты вагранки составит (для Qв=3 т/ч)}

_{Wв=Fв´Hв=0,38´3,9=1,48 м³»1,5 м³.}

 

_{Определим количество металлических  и топливных колош, вмещающихся в  шахту вагранки, исходя из соотношения}

_{где Wр.к., Wм.к., Wф.л. – объемы рабочих колош кокса, металлической шихты и флюса (известняка).}

_{Обычно  mф.л. составляет от 3 до 5% от массы рабочей колоши кокса, или mф.л.=(0,03…0,05)´ Wм.к.´ gм.к.=(0,03…0,05)´280=8,4-14 кг,}

_{где gф.л. – объемная масса известняка (gф.л.=1600-2000 кг/м³).}

_{Принимаем n=3.}

 

_{1.9 Расчет массы  загружаемых материалов}

 

_{Масса рабочих колош  кокса, вмещающихся  в шахту, составит}

_{åmр.к.=n´mр.к.=3´34,2=102,6 кг»103 кг.}

 

_{Масса металлической шихты  составит}

_{åmм.к.=n´mм.к.=3´300=900 кг.}

 

 

_{Масса флюса(известняка) составит}

_{åmф.л.=n´9¸15)=3´12(средн.)=36 кг.}

 

_{Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей  массой}

_{åm=åmр.к.+ åmм.к.+ åmф.л.=103+900+36=1039 кг.}

 

_{1.10 Расчет необходимого  давления воздуходувок}

 

_{Необходимое давление в фурмах определяется по формуле}

_{где Vвозд – средняя скорость воздуха в вагранке, равная по величине удельному расходу воздуха на 1 м² поперечного сечения в минуту qуд, м/мин;}

_{hпол – полезная высота вагранки по расчету, м;}

_{А – эмпирический коэффициент, равный 100 при нормальной шихте по размерам кусков; при мелком коксе, например, этот коэффициент уменьшается.}

_{Для вагранки производительностью 3 т/ч имеем (при принятой    hпол=3,5 м)}

_{Обычно  давление воздуха  в вагранках производительностью 3 т/ч колеблются в  пределах 600-800 мм.вод.ст. Выбранная по требуемому расходу воздуха воздуходувка В8/800 развивает давление 8000 Па (800 мм.вод.ст).}

_{Расчитанное давление DР учитывает только сопротивление столба шихты в самой вагранке. Для более точного выбора типа воздуходувки необходимо добавить к DР сопротивление в системе воздуховодов: от воздуходувки до фурм (порядка 150-200 мм.вод.ст. в зависимости от поворотов, расширений, сужений системы подвода дутья), а также сопротивление мокрого пылеосадителя ~ 200 мм.вод.ст.}

_{Таким образом, суммарное  сопротивление составит:}

_{åР=DР+Рвоздухов.+Рмокр.пылеос.=621+150+200=971 мм.вод.ст.}

_{Такое давление обеспечивается воздуходувкой типа В2М 10/1250.}

_{Выбор воздуходувки производится по необходимому количеству дутья Qвозд. (производительность воздуходувки регулируется установлением на ней шибером на входе воздуха из окружающей среды) и суммарному сопротивлению åР (давление, развиваемое воздуходувкой не регулируется, и должно быть не менее åР).}

 

_{1.11 Размеры огнеупорной  кладки}

 

_{Размеры огнеупорной кладки шахты вагранки и  подины определяются в основном размерами  огнеупорных кирпичей, порядком их расположения при кладке и количеством  рядов. Для приближенных расчетов принимается  толщина подины над  подовой плитой в  пределах 250-400 мм (в  зависимости от производительности вагранки) , а футеровку шахты производят в 2 слоя кирпичей с общей толщиной, равной двойной ширине огнеупорных изделий по ГОСТ 3272-71 или на одну ширину и ребро (стандартный размер огнеупорного кирпича 65´113´230 мм).}