Конструирование вагранки

Министерство образования и науки РФ

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого президента России Б.Н. Ельцина»

Кафедра литейного производства и упрочняющих технологии

Курсовая работа

Конструирование вагранки

Руководитель Брусницын С.В.

канд. техн. наук, доцент

Студент Шитов Д.С.

группы Мт-330601

Екатеринбург 2016

Задание на курсовую работу

По заданным исходным данным сконструировать вагранку со вторичным дутьем, описать принцип работы.

Производительность, т/ч - 3;

Внутренний диаметр вагранки, мм - 700;

Удельный расход воздуха, м3/(м2*мин) - 145;

Расход дутья между нижним и верхним рядом фурм, % - 60/40;

Высота фурменного пояса, мм - 500;

Толщина футеровки, мм - 295;

Толщина стенки корпуса, мм - 12;

Толщина стенки фурменного пояса, мм - 4;

Зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхнего ряда фурм, мм - 150.

Условные обозначения

в - площадь вагранки, м2;

D - диаметр вагранки, м;

qуд - удельный расход воздуха, м3/(м2*мин);

Qвозд - расход воздуха, м3/ч;

V2 - скорость воздуха в фурменном поясе, м/c;

∑Fф.п. - общая площадь сечения фурменного пояса, м2;

Fф.п.н - площадь сечения нижнего фурменного пояса, м2;

Fф.п.в - площадь сечения верхнего фурменного пояса, м2;

Hф.п - высота фурменного пояса, м;

Bф.п.н - ширина фурменного пояса для нижнего ряда фурм, м;

Bф.п.в - ширина фурменного пояса для верхнего ряда фурм, м;

δст. ф.п. - толщина стенок фурменных поясов, м;

Dк - наружный диаметр корпуса вагранки;

δфут - толщина футеровки, м;

δст. к - толщина стенки корпуса вагранки, м;

δзаз - зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фумренного пояса для верхних фурм, мм;

D2 - Диаметр перегородки, разделяющей фурменные пояса для фурм верхнего и нижнего рядов, м;

D3 - наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда, м;

Rвн. ф.в. - радиус, образующий внутреннюю поверхность фурменного пояса для фурм верхнего ряда, м;

Rнар. ф.в. - радиус, образующий наружную поверхность фурменного пояса для фурм верхнего ряда, м;

Rвн. ф.н. - радиус, образующий внутреннюю поверхность фурменного пояса для фурм нижнего ряда, м;

Rнар. ф.н. - радиус, образующий наружную поверхность фурменного пояса для фурм нижнего ряда, м;

Wф.п.в - объем фурменного пояса для фурм верхнего ряда, м3;

Wф.п.н - объем фурменного пояса для фурм нижнего ряда, м3;

V1 - скорость воздуха в общем воздуховоде, м/c;

Fобщ. возд - площадь сечения общего воздуховода, м2;

dобщ. возд. - внутренний диаметр общего воздуховода, м;

Qвозд. н.ф. - расход воздуха через все фурмы нижнего ряда, м3/ч;

Qвозд. в.ф. - расход воздуха через все фурмы нижнего ряда, м3/ч;

Fвозд н.ф. - площадь сечения воздуховода нижнего ряда фурм, м2;

Fвозд в.ф. - площадь сечения воздуховода верхнего ряда фурм, м2;

fвозд. ф.н.р. - площадь поперечного сечения воздуховодов для фурм нижнего ряда на участках от нижнего фурменного пояса до фурм, м2;

N - количество фурм в каждом ряду, штук;

Qв - производительность вагранки, т/ч;

n - число выпусков чугуна, выпусков в час;

mmax - максимальная масса отливки, т;

hг - высота горна, м;

Wг. факт. - фактический объем горна, м3;

hл.ф. - расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия, м;

hф - расстояние между рядами фурм по их осям, м;

hв - высота кокса холостой колоши над верхним рядом фурм, м;

Wх.к. - объем холостой коксовой колоши, м3;

mх.к. - масса кокса в холостой колоше, кг;

γк - объемная плотность кокса, кг/м3 (γк = 450 кг/м3);

hр.к. - высота рабочей колоши кокса, м;

Wр.к. - объем рабочей колоши, м3;

mр.к. - масса кокса в рабочей колоше, кг;

mм.к. - масса металлической колоши, кг;

Wм.к. - объем металлической колоши, м3;

hпол - полезная высота вагранки, м;

Hв - общая высота шахты вагранки, м;

Wв - общий объем шахты вагранки, м3;

nк - количество металлических и топливных колош, вмещающихся в шахту вагранки, штук;

Wфл - объем колоши флюса (известняка), м3;

∑mр.к. - масса рабочих колош кокса, вмещающихся в шахту, кг;

∑mм.к. - масса металлической шихты, кг;

∑mфл - масса флюса (известняка), кг;

∑m - общая масса шихтовых материалов, кг;

ΔP - давление в фурмах, мм вод. ст.;

Vвоз - средняя скорость воздуха в вагранке, м/мин;

А - эмпирический коэффициент, равный 100 при нормальной шихте по размерам кусков;

∑Fкл.н.ф. - общая площадь клапанов фурменного пояса нижнего ряда фурм, м2;

∑Fкл. в.ф. - общая площадь клапанов фурменного пояса верхнего ряда фурм, м2;

fкл.н.ф. - площадь одного клапана для фурменного пояса нижних фурм, м2;

fкл.в.ф. - площадь одного клапана для фурменного пояса верхних фурм, м2;

dкл.н.ф. - диаметр клапанов для фурменного пояса нижних фурм, м;

dкл.в.ф. - диаметр клапанов для фурменного пояса верхних фурм, м;

Pвозд.max - давление воздуходувки, кгс/см2;

Gкл.н.ф. - масса груза, включая массу колпаков клапанов на нижнем фурменном поясе, кг;

Gкл.к.ф. - масса груза, включая массу колпаков клапанов на верхнем фурменном поясе, кг;

1. Расчет размеров фурменных поясов

Определим площадь вагранки

Удельный расход воздуха qуд = 145 м3/(м2*мин). Тогда необходимое количество воздуха составит

Из табл.1, строка 6 принимаем скорость воздуха в фурменном поясе
V2 = 4 м/с. Тогда общая площадь сечения фурменного пояса составит

Из табл.1, строка 8 принимаем распределение дутья между нижним и верхним рядами фурм равным , тогда

Высота фурменного пояса Нф.п. = 500 мм = 0,5 м. Тогда ширина фурменного пояса прямоугольного сечения для нижнего ряда фурм составит Bф.п.н = Fф.п.н/Hф.п. = 0,199/0,5 = 0,276 м = 276 мм, а для верхнего ряда фурм Bф.п.в=Fф.п.в/Hф.п.= 0,092/0, 5 = 0,184 м = 184 мм.

Размеры фурменных поясов определим, исходя из следующих конструктивных решений. Из табл.1, строка 4 принимаем расстояние между рядами фурм (по оси) равным 700 мм = 0,7 м. Толщина стенок корпуса фурм и размеры крепежных фланцев выбираются конструктивно, обычно толщина стенки фурмы равна 6-8 мм, выступ фланца равен 12-15 мм, материал сталь Ст3. Примем толщину огнеупорной футеровки равной 295 мм (по размерам шамотного кирпича 65x113x230 мм). Примем толщину корпуса вагранки равной 12 мм (толщина листовой стали), а зазор между корпусом вагранки и внутренним диаметром фурменного пояса для верхних фурм равен 150 мм, толщина стенок фурменных поясов δст ф.п. = 4 мм.

Тогда наружный диаметр корпуса вагранки составит

к = Dв + 2δфут + 2δст.к = 700 + 2*295 +2*12 = 1314мм = 1,314 м.

Внутренний диаметр фурменного пояса для фурм верхнего ряда составит

1 = Dк + 2δзаз = 1314 + 2*150 = 1614 мм = 1,614 м.

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

2 = D1 + 4δст ф.п. + 2Bф.п.в = 1614 + 4*4 + 2*184 = 1998 мм = 1,998 м.

Наружный диаметр фурменного пояса для нижнего ряда составит

3 = D2 + 2δст ф.п. + 2Bф.п.н = 1998 + 2*4 + 2*276 = 2558 мм = 2,558 м.

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

вн.ф.в = (D1 + 2δст.ф.п.)/2 = (1614 + 2*4)/2 = 811 мм = 0,811 м.

Rнар.ф.в = Rвн. ф.в + Bф.п.в = 811 + 184 = 995 мм = 0,995 м.

Rвн.ф.н = Rнар.ф.в + δст = 995 + 4 = 999мм = 0,999 м.

Rнар.ф.н = Rвн.ф.н + Bф.п.н = 999 + 276 = 1304 мм = 1,275 м.

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

клапан огнеупорный кладка вагранка

2. Расчет воздухоподводящей системы (воздуховодов)

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 4769 м3/ч. Исходя из требований табл.1, строка 6, принимаем скорость воздуха в общем воздуховоде равной 10 м/с (V1). Из выражения Qвоз = V1*Fобщ. возд*3600 находим площадь сечения общего воздуховода

общ.возд = Qвозд/(3600*V1) = 3340/(3600*10) = 0,092 м2.

Тогда внутренний диаметр общего воздуховода составит

.

Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 выбираем ближайшую по размерам трубу, в данном случае трубу с наружным диаметром 377 мм и толщиной стенки 7 мм, у которой внутренний диаметр равен 377 - 2*7 = 363 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:

возд.н.ф = 0,6 * Qвоз = 0,6 * 3340 = 2004 м3/ч,

Qвозд.в.ф = 0,4 * Qвоз = 0,4 * 3340 = 1336 м3/ч.

Из табл.1, строка 6 выбираем максимально допустимую скорость воздуха в воздуховодах для нижнего и верхнего фурменных поясов V1 равной 15 м/с, т.е. для участка воздуховодов от “развилки” до соответствующих фурменных поясов. Тогда аналогично расчету размеров общего воздуховода определим размеры для нижнего и верхнего рядов фурм:

возд.н.ф = Qвозд.н.ф/(3600*V1) = 2004/(3600*15) = 0,037 м2,

Fвозд.в.ф = Qвозд.в.ф/(3600*V1) = 1336/(3600*15) = 0,024 м2.

Тогда внутренний диаметр воздуховодов для нижнего и верхнего рядов фурм составит соответственно 217 мм и 174 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 находим ближайшие по размерам трубы: для воздуховода нижнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 245 мм и толщиной стенки 8 мм, ее внутренний диаметр равен 245 - 2*8 = 229 мм, аналогично для воздуховода верхнего фурменного пояса выбираем трубу с наружным диаметром 194 мм и толщиной стенки 8 мм, ее внутренний диаметр составит 178 мм.

Из табл.1, строка 3 принимаем количество фурм в каждом ряду равным 4. 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 (см. табл.1, строка 4).

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 соответственно составят

возд.ф.н.р = Fвозд.н.р/N = 0,037/4 = 0,0092м2,

fвоздф.в.р = Fвозд.в.р/N = 0,024/4 = 0,006 м2,

а диаметры соответственно равны для нижнего ряда фурм 108 мм и для верхнего ряда фурм 87 мм. Из сортамента стандартных труб по ГОСТ 8732-78 выбираем ближайшие по размеру трубы, а именно для данного расчета для фурм нижнего ряда выбираем трубу с наружным диаметром 121 мм и толщиной стенки 4,5 мм с внутренним диаметром 112 мм, а для фурм верхнего ряда - трубу с наружным диаметром 102 мм и толщиной стенки 4 мм, т.е. с внутренним диаметром 94 мм.

. Расчет горна

Площадь шахты вагранки составляет Fв = 0,384 м2. Исходя из требований заказчика, принимаем максимальную массу отливки mmax = 1 т. Тогда число выпусков чугуна из вагранки производительностью Qв = 3 т/ч составит n = Qв/mmax = 3/1 = 3 выпусков в час.

Определим высоту горна по формуле

Обычно принимается Wг = 0,33 м3/т;

Отсюда hг = 3*0,33 /(3 * 0,384) + 0,12 = 0,97 м  1 м.

При применении двойного (вторичного) дутья производительность вагранок выше, чем у обычных. При этом сохраняется возможность увеличения высоты горна при необходимости за счет уменьшения толщины подины, поэтому принимаем hг = 1,1 м = 1100 мм. Определим фактический объем горна

г.факт = Fв*hг = 0,384*1,1 = 0,42 м3.

Принимаем расстояние между шлаковой леткой и нижней кромкой фурменного отверстия hл.ф = 75 мм, диаметр шлаковой летки 40 мм, а наклон фурм к горизонту 150.

. Расчет холостой коксовой колоши

Исходя из опыта эксплуатации 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

х.к = hг + hф + hв = 1,1 + 0,7 + 0,4 = 2,0 м = 2200 мм.

Объем холостой коксовой колоши составит

Wх.к = Fв*hх.к = 0,384*2,2 = 0,844 м3.

Определим массу кокса в холостой колоше

mх.к = Wх.к*γк = 0,844*450 = 380,1 кг  381 кг.

. 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

р.к = Fв*hр.к = 0,384*0,2 = 0,07 м3,

а масса кокса в рабочей колоше равна

р.к = Wр.к*γк = 0,07*450 = 34,56 кг.

. Расчет металлической колоши

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

м.к = (0,08…0,10)*Qв = (0,08…0,1)*3000 = 240 - 300 кг.

Для расчета принимаем максимальную массу mм.к = 300 кг. Тогда объем металлической колоши составит

м.к = mм.к/γм.к = 300/2500 = 0,12 м3.

7. Расчет полезной высоты вагранки и количества металлических и топливных рабочих колош

Определим полезную высоту вагранки по формуле для вагранок меньшей производительности hпол = 4,25 × Dв 0,5.

Обычно полезная высота вагранок находится в рекомендуемых пределах (табл. 2). 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 = 3600 мм, помня, что полезная высота вагранки определяется как расстояние от оси нижнего ряда фурм до среза завалочного окна. Тогда общая высота шахты вагранки (без учета высоты опорной части, узла загрузки и трубы с искрогасителем или пылеосадителем) составит

в = hг + hпол = 1,1 + 3,6 = 4,7 м.

Общий объем шахты вагранки составит

Wв = Fв*Hв = 0,384*4,7 = 1,8048 м3  1,9 м3.

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

к= (Wв - Wг)/(Wр.к.+Wм.к.+Wфл.)=(1,9 - 0,42)/(0,08+0,12+0,006) = 7,18.

Обычно mф.л. составляет от 3 до 5% от массы металлической колоши или

mф.л. = (0,03…0,05)*Wм.к.*γм.к. = (0,03…0,05)*0,12*2500 = 9  15 кг,

Wф.л. = mф.л./γфл.= (915)/(1600-2000) = 12 (сред.)/1800 (сред.) = 0,006 м3.

Часто из-за незначительной величины объема флюса им пренебрегают, тогда

nк = (Wв - Wг)/(Wр.к.+Wм.к.) = 1,48/0,20 = 7,4

принимаем nк = 8.

. Расчет массы загружаемых материалов

Масса рабочих колош кокса, вмещающихся в шахту, составит

∑mp.к. = nк*mр.к. = 8*34,56 = 276 кг.

Масса металлической шихты составит

∑mм.к. = nк*mм.к. = 8*300 = 2400 кг.

Масса флюса (известняка) составит

∑mфл = nк*mфл = 8*12 (сред.) = 96 кг.

Итого в шахту вагранки загружаются шихтовые материалы с общей массой

∑m = ∑mр.к.+∑mм.к.+∑mфл+∑mх.к. = 276+2400+96+381 = 3153 кг.

9. Расчет необходимого давления воздуходувок

Необходимое давление в фурмах определяется по формуле

.

Для вагранки производительностью 3 т/ч имеем(при принятой hпол=3,6м) ΔP = 1452*(3,6+0,25*0,7)/100 = 793,7 мм вод. ст.

Обычно давление воздуха в вагранках производительностью 3 т/ч колеблется в пределах 700 - 900 мм вод. ст.

При установке мокрого пылеуловителя сопротивление отходящих газов увеличивается на 100-200 мм вод. ст. Поэтому рекомендуется установить воздуходувку типа В 8 /800 с максимально развиваемым давлением 800 мм вод. ст.

. Расчет предохранительных клапанов

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

∑Fкл. н.ф. = 0,05*Wф.п.н. = 0,05*0 = 0,049 0,05 м2,

а общая площадь клапанов фурменного пояса для верхнего ряда фурм

∑ Fкл. в.ф. = 0,05*Wф.п.в. = 0,05* = 0,026 м2.

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

fкл.н.ф. = 0,05/4 = 0,0125 м2 и fкл в.ф. = 0,026/4 = 0,0065 м2.

Соответствующие этим площадям диаметры клапанов в свету, или диаметры проходных отверстий клапанов, составят:

кл.н.ф. = ,

dкл.н.ф. = .

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 Bф.п.н. = 280 мм, а Bф.п.в. = 192 мм. Следовательно, диаметры клапанов как для нижнего, так и для верхнего фурменного пояса примерно 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 =  м3/ч, из табл.3 с учетом необходимого запаса по расходу воздуха выбираем воздуходувку типа В 8 /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 колпаков клапанов на соответствующих фурменных поясах в закрытом состоянии, исходя из максимального давления, развиваемого воздуходувкой:

кл.н.ф. = fкл.н.ф.*Pвозд.max*104 = 0,0125*0,08*104 = 10 кг,

Gкл.в.ф. = fкл.в.ф.*Pвозд.max*104 = 0,0065*0,08*104 = 5,2 кг.

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 м (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 65x113x230 мм).

Литература

1.      Мариенбах Л.М. Металлургические основы ваграночного процесса. - М.: Машгиз, 1260. 327 с.

.        РТМ 24.921.02-85. Плавка чугуна в вагранках. Воздухоподводящие системы с регулируемым дутьевым режимом. Типовые параметры. - М.: Минтяжмаш, 1985. 20 с.

.        Вельцов П.Ф., Горфинкель В.М., Юровский Ю.И. Вагранки с модифицированным фурменным поясом и автономными воздушными коллекторами/Реф.сб. N9-80-12. - М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1980. 3 с.

.        Московенко А.М., Прошин Ю.Е. и др. Разработка и создание ваграночного комплекса на базе унифицированных узлов. //Литейное производство, 1990. N5. С.19-21.

.        Крымский Д.М., Дарий А.Т. и др. Опыт реконструкции и эксплуатации вагранок со вторичным дутьем. //Литейное производство, 1979. N3. С. 27-28.

.        Пронин Б.П., Гладышевский Г.И., Можаева С.Н. Совершенствование технологии ваграночной плавки Литейное производство, 1986. N2. С. 30-31.

Приложения

Таблица 1 - Технические характеристики вагранок со вторичным дутьем

Таблица 2 - Полезная высота вагранок

Таблица 3 - Технические характеристики воздуходувок