Введение к работе
Актуальность работы. Одно из основных направлений развития литейного производства — реконструкция литейных цехов и заводов на базе новых технологических процессов, материалов и перспективного оборудования. Плавка литейных сплавов является первичным и ответственным технологическим переделом, обеспечивающим литейные, прочностные и эксплуатационные характеристики сплава. 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 ограниченного количества марок чугуна и возможности ее использования в получении оксидных расплавов с дальнейшей их переработкой в теплоизоляционные изделия, при обжиге серных колчеданов и других целей. В современной структуре металлургического и машиностроительного комплекса России на долю производства чугунных отливок приходится до 60 % ваграночного чугуна. Уровень развития литейного производства предъявляет к вагранке постоянно повышающиеся требования к количественным и качественным характеристикам показателей эксплуатации, ресурсосбережению, интенсификации процесса, решению вопросов экологии, поиска новых видов топлива, направленных на повышение эффективности работы ваграночных комплексов. Предприятия мировых лидеров - компаний литейной отрасли в последние три десятилетия сохранили вагранки как важнейшие плавильные агрегаты в чугунолитейном производстве, при этом они подверглись существенным изменениям в техническом отношении и в направлении увеличения производительности.
Основными направлениями развития ваграночного процесса являются разработка ресурсосберегающих технологий плавки с применением заменителей кокса и их теоретическое обоснование, интенсификация ваграночного процесса, основанная на разработке комплекса мероприятий по определению влияния подогрева и увлажнения дутья на температуру получаемого расплава, обогащению дутья кислородом. Практика вдувания кислорода свидетельствует о снижении затрат на плавку, при этом стандартное обогащение дутья, нашедшее широкое применение, требует обоснования в части количества добавляемого кислорода и механизма его подвода.
Сформировавшиеся тенденции интенсификации процесса ваграночной плавки свидетельствуют о возможности использовать подогрев дутья как наиболее эффективный и экономически обоснованный способ. В вагранках с горячим дутьем часто используются рекуператоры из жаропрочной стали. При этом в зависимости от конструкции рекуператора, от состава и крупности шихтовых материалов температура горячего дутья находится в пределах от 400 до 620 С. Однако такие рекуператоры в производственных условиях ненадежны. Требу -
ются новые решения по разработке рекуператоров, способных осуществлять подогрев дутья свыше 400 С и работать в условиях длительной кампании.
Работа выполнена в рамках Государственного задания Министерства образования и науки, регистрационный номер 7.3909.2011., в соответствии с планами НИР и ОКР отраслевых организаций.
Цель и задачи диссертации. Совершенствование ресурсосберегающих технологий и способов интенсификации ваграночного процесса для получения отливок из серого чугуна и оксидных материалов с применением различных видов топлива на основе расчетных и экспериментальных исследований.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
-
На основе расчета основных конструктивных параметров вагранок, характеристик шихты, топлива, воздуходувных средств и рекуператора спроектировать и ввести в эксплуатацию лабораторно-ваграночный комплекс (ЛВК) для исследования ваграночного процесса.
-
На основе теории подобия по критериям конвективного теплообмена между теплоносителем и материалами шихты обосновать подходы для определения геометрических параметров вагранок, выходящими за пределы нормального ряда.
-
Изучить основные технологические параметры ваграночного процесса на ЛВК при использовании антрацита в качестве топлива и исследовать его влияние на комплекс механических и литейных свойств серых чугунов.
-
Спроектировать установку для исследования прочности твердого топлива, определяемой под нагрузкой в процессе горения, позволяющей воспроизвести технологические условия в период плавки в шахтной печи.
-
Провести теоретическое обоснование основных методов интенсификации ваграночного процесса: нагрев дутья, нагрев дутья с одновременным его увлажнением, обогащение дутья кислородом на основе математического анализа полученных экспериментальных данных. Разработать рекомендации по оптимальному содержанию кислорода в дутье.
-
Предложить способ расчета основных конструкционных и технологических параметров рекуператоров, работающих на принципах прямо- и противотока.
-
Провести опытно-промышленные испытания и разработать технологию выплавки серых чугунов и оксидных материалов в вагранке при замене кокса на антрацит.
-
Расширить спектр конструкторско-технологических решений по использованию антрацита в качестве топлива. Обосновать уровень загрузки материалов в вагранку и определить оптимальные расходы дутья при его двухрядной подаче. Разработать технологический прием подогрева дутья с одновременным его увлажнением.
9. Определить условия для расчета расхода воздуха в ваграночном процессе по количеству сгоревшего топлива в единицу времени и для расчета оптимального содержания кислорода и природного газа в комбинированном дутье.
Научная новизна. 1. Определены основные направления совершенствования ресурсосберегающих технологий и способов интенсификации ваграночной плавки, реализуемые на современных ваграночных комплексах с обоснованием вида топлива.
-
Предложены модель процесса подогрева дутья в рекуператоре вагранки конструкции «труба в трубе» и его математическое описание, позволяющие рассчитывать температуру дутья, состав и температуру газов на выходе из рекуператоров, работающих по принципу прямо- и противотока с учетом дожигания СО.
-
Впервые обоснована высота кислородной зоны для слоевого горения твердого топлива в шахтных печах с учетом коэффициента формы куска топлива и выведено уравнение для определения температуры поверхности твердого топлива, обоснован способ определения высоты топливной насадки.
-
Теоретически обосновано и экспериментально доказано влияние подогрева и увлажнения дутья на протекание основных технологических процессов ваграночной плавки; разработаны научные основы использования антрацита в процессах ваграночной плавки. Обосновано применение установки для исследования прочности твердого топлива, определяемой в процессе горения под нагрузкой.
-
Разработаны теоретические основы обогащения дутья кислородом, заключающиеся в получении, по результатам математического моделирования и промышленного эксперимента, уточненных характеристик основных технологических параметров: температуры металла на выходе из печи; температуры и содержания С02 и СО в отходящих газах.
-
На основе анализа и обобщения экспериментальных данных плавочных кампаний создана обобщенная математическая модель, позволяющая строить номограммы ваграночного процесса, для определения производительности вагранки, температуры металла на выпуске при расходе топлива от 10 до 20 % и концентрациях кислорода в дутье более 21 % и подогреве дутья более 27 С.
-
Определено влияние порозности шихты на аэродинамические и теплотехнические параметры ваграночной плавки. Обоснован уровень загрузки материалов в вагранку при оптимальном расходе дутья в условиях двухрядной подачи; разработаны новые способы: одновременного подогрева и увлажнения дутья; расчета расхода воздуха, основанного на сгорании топлива в единицу времени; определения оптимальных соотношений содержаний кислорода и природного газа в комбинированном дутье вагранок.
Практическая значимость работы. Спроектированный и находящийся в эксплуатации ЛВК является моделирующей установкой для исследования осо-
бенностей технологического процесса в вагранках, позволяет в лабораторных условиях быстро отработать новые ресурсосберегающие технологии по замене кокса на антрацит, опробовать способы интенсификации процесса с минимальными издержками на технологические режимы основных литейных производств. Разработанные на ЛВК технологии прошли серийную апробацию в промышленных условиях; технологический процесс плавки позволил получать расплавы с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами, снизив при этом затраты на топливо. На основании комплексных исследований разработаны технологические регламенты ведения ваграночной плавки в печах с различной производительностью.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы: при выборе количественного соотношения кокса и антрацита в топливных колошах промышленных вагранок с различной производительностью и конструкцией фурменного пояса; для определения оптимальных концентраций кислорода при обогащении дутья с необходимостью учета расхода топлива, температуры металла на выпуске, производительности печи; для обучения студентов и повышения квалификации специалистов в области литейного производства.
Реализация результатов. Внедрение результатов исследований проводили на ЗАО «Изолит» (г. Новокузнецк); ЗАО «ЗАВОД УНИВЕРСАЛ» (г. Новокузнецк); ЗАО «ГМЗ» (г. Гурьевск), ОАО «ЕВРАЗ - Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (г. Новокузнецк).
Предмет защиты. На защиту выносятся:
-
Методы расчета проектно-технологических характеристик ЛВК, включая конструкцию и расчет рекуператора «труба в трубе».
-
Результаты теоретического обоснования экспериментальных исследований режимов ваграночной плавки с использованием разных видов топлива, включающие выявленные закономерности по определению технологических зон плавильного агрегата, температуры поверхности кусков топлива.
-
Методика аттестации различных видов ваграночного топлива, их количественных соотношений и сравнения с эталонными значениями.
-
Результаты математического моделирования ваграночного процесса, в частности, математический анализ состава газа при обогащении дутья кислородом, определения теплопотерь через стенки вагранки.
-
Модели для построения номограмм ваграночного процесса для определения температуры металла на выпуске, производительности вагранки при подогреве дутья и обогащении его кислородом.
-
Ресурсосберегающие технологии и способы интенсификации ваграночного процесса, внедренные в условиях промышленных предприятий, включая конструкторско-технологические решения, применяемые для подогрева и увлажнения дутья.
Методы исследований. Работа выполнена с привлечением современных методов исследования: численного моделирования ваграночного процесса; основ теории подобия и размерностей; постулатов формальной кинетики; теплообмена в шахтной печи; газового анализа; измерения литейных и механических свойств сплава.
Достоверность и обоснованность. Адекватность полученных результатов, выводов и рекомендаций основывается на совместном использовании современных методов теоретического анализа и экспериментального исследования процессов теплообмена, горения, газообразования, механики движения материалов, протекающих в вагранках; на сочетании воспроизводимых по точности методов физического и математического моделирования, качества измерений и статистической обработки результатов; на высокой эффективности предложенных технологических решений, подтвержденных результатами промышленных испытаний и внедрением в производство.
Личный вклад автора заключается в постановке задач теоретических и экспериментальных исследований; проведении теоретических и экспериментальных исследований на ЛВК; разработке и компьютерной реализации обобщенной математической модели ваграночного процесса и математической модели для расчета температуры дутья, состава колошниковых и дымовых газов на выходе из рекуператора; проведении организационно-технических мероприятий по промышленному освоению разработанных технологических процессов; обработке полученных результатов, анализе, обобщении, научном обосновании, формулировании выводов и рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
доложены и обсуждены на следующих научных конференциях и научных
совещаниях: Всероссийском научно-техническом совещании «Перспективные
промышленные технологии и материалы» (Новокузнецк - Новосибирск,
2004 г); II Международной научно-практической конференции
«Организационно-экономические проблемы повышения эффективности
металлургического производства» (Новокузнецк, 2005 г.); Международной
научно-практической конференции «Актуальные проблемы
электрометаллургии, сварки, качества» (Новокузнецк, 2006 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Металлургия: новые технологии, управление, инновации и качество» (Новокузнецк, 2006, 2008 гг.); VIII Всероссийской научно-практической конференции «Техника и технология производства теплоизоляционных материалов из минерального сырья» (Белокуриха -Бийск, 2008 г.); V Международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2009 г.); VI Международной научно-практическая конференции «Прогрессивные литейные технологии» (Москва, 2011г.); IX Международной научно-практической конференции «Литейное производство сегодня и завтра» (Санкт-Петербург, 2012 г.); Всероссийской научно-
практической конференции «Теория и практика литейных процессов» (Новокузнецк, 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 18 в изданиях, рекомендованных ВАК, две монографии, 13 патентов на изобретение и патентов на полезную модель, четыре свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и базы данных.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, библиографического списка и состоит из 325 страниц, включая таблицы и рисунки.
