Вагранка устройство

 

 Вагранка назначение

Вагранка это  шахтная печь , предназначенная в основном для выплавки чугуна.

Металлический цилиндрический кожух вагранки  установлен на колонны и с внутренней стороны облицован огнеупорным кирпичом рис. 1.  В нижней части кожуха к опорной плите крепятся дверки, на которые  из специального состава набивается лещадь, а в нижней части  самого кожуха делается отверстие для выпуска металла.

 вагранка общий вид

   На лещадь загружаются дрова и кокс. Во время горения дров кокс разгорается. На раскаленный столб кокса, так называемую холостую колошу,  через завалочное окно загружаются  колоши металла и кокса. Через специальные отверстия – фурмы  от вентилятора в холостую калошу кокса вдувается воздух. При горении кокса создается высокая температура, вследствие чего чугун  плавится и стекает в горн вагранки, откуда периодически выпускается в ковши и транспортируется для разливки в литейные формы.  По мере плавления чугуна и его выпуска в вагранку загружают  новые колоши шихты. Таким образом,  вагранка является печью непрерывного действия.

Хорошо работающая вагранка должна обеспечивать не только выплавку чугуна в нужном количестве и надлежащего химического состава, но и выдавать чугун с высокой температурой при минимальном расходе топлива.

 Вагранка, конструкция

конструкцияСуществует много систем вагранок, отличающихся друг от друга отдельными деталями. Различные изменения, вносимые в устройство вагранки, имели целью улучшить показатели ее работы.

Вагранка состоит из пяти основных частей: опорной части, шахты, дымовой трубы с искрогасителем, фурменного устройства и копильника, см. рис. 1. Однако вагранки могут быть и без копильника.

Вагранка, опорная часть 

Опорная часть вагранки принимает на себя вес всей вагранки вместе с загружаемой шихтой.  В состав опорной части, рис.2,  входит подовая плита1, фундаментная плита 2,  четыре колонны 3,  откидное днище 6 с запорным устройством, включающим в себя детали 4,5,7,8,9.

Подовая плита

На подовой плите крепится болтами или при помощи сварки кожух вагранки 10. Плита может быть литая или сваренная. Литые плиты меньше коробятся при нагреве; изготовление их для малых вагранок проще,  чем сварных. В центре подовой плиты 1  имеется отверстие, служащее для выгрузки содержимого вагранки по окончании плавки. Подовая плита опирается на четыре колонны и крепится к ним болтами.

  Вагранка,  фундаментная плита

   Фундаментная плита служит для крепления нижних концов колонн 3 и равномерного распределения  нагрузки на фундамент.  Колонны отливаются из стали или чугуна. Для предохранения от раскаленных остатков плавки, вываливающихся из  вагранки через  откидное днище, плиту углубляют  на 150-200 мм от уровня пола и  засыпают  утрамбованной  сухой  формовочной смесью, рис. 1.

Колонны

Колонны, нижними концами связанные с фундаментной плитой, а верхняя с подовой плитой, воспринимают на себя вес вагранки. Лучшими  колоннами как с точки зрения прочности,  так и с точки зрения сопротивления действию  высоких температур являются литые  чугунные или стальные. Колонны делаются  пустотелыми, с опорными башмаками вверху и внизу и крепится к обеим плитам болтами.

Откидное днище

Откидное днище может быть литым или сварным. Литые днища в целях борьбы с короблением при нагревании, а также для увеличения прочности делаются ребрами жесткости. Для удаления паров воды при просушке  набивной подины  устраивают отверстия диаметром 15-20 мм,  расположенные  по всей поверхности дверец. Дверцы малых вагранок  производительностью до 2 т/ч (2 Мг/ч) закрываются вручную, а для вагранок большей производительностью посредством лебедки или рычагом с противовесом.   Откидное днище служит для того, чтобы,  открыв его, можно было через отверстие  в подовой плите вываливать содержимое  вагранки по окончании плавки. Запорное устройство днища удерживает дверцы в закрытом состоянии. Довольно простой и надежный  способ  крепления дверец с помощью  бруска 5 и скобы 8, показаны на рис. 2.

вагранка опорная часть

    Стальной литой брусок 5 одним концом закреплен в  неподвижном шарнире 4, а другим входит в скобу 8, вращающуюся в шарнире 9. Для плотного прижатия бруска к дверцам откидного  днища в скобе имеется рым 7,  завинчиваемый от руки или  ломиком. При выбивке вагранки необходимо отвернуть рым и немного опустить запорный брус, затем зацепить канатом за рым и отвести в сторону скобу 8,  после чего брус и дверцы днища падают, а остатки плавки вываливаются из вагранки.

Шахта вагранки

Шахта является основной частью вагранки, так как в ней происходит два главных процесса ваграночной плавки – горение топлива и плавление чугуна. Шахта состоит из железного цилиндрического кожуха 1, рис 3, сделанного из листового железа толщиной 6-12 мм ( в зависимости от  диаметра вагранки). Внутри кожуха находится огнеупорная футеровка 2.

шахта вагранки

 Между кожухом и футеровкой остается зазор 25-50 мм, заполняемый  огнеупорным неспекающимся материалом, например тощим песком. Назначение такого слоя – обеспечить  беспрепятственное расширение футеровки при нагревании и ликвидировать  возможность возникновения растягивающих усилий в кожухе вагранки.

Шахта устанавливается на подовую плиту 8 над отверстием, закрываемым откидным днищем 7. На днище набивается под, или лещадь, 6 из тощего формовочного песка слоем толщиной 200-300 мм.   Набивной под имеет небольшой уклон в сторону отверстия 4, называемого чугунной леткой. К ней примыкает  железный футерованный желоб 5.  Если вагранка без копильника, чугунная летка во время плавки заделывается глинистой массой и открывается только  на период выпуска чугуна. В вагранке с копильником чугунная летка служит  каналом, через который чугун из горна непрерывно поступает в копильник.  Против чугунной летки на уровне пода делается рабочее окно 10, которое на время плавки закладывается  огнеупорным кирпичом, забивается  формовочной смесью и закрывается дверкой 9. Рабочее окно служит для набивки пода, закладывания дров и их розжига.

Для выпуска шлака имеется отверстие 3, называемое шлаковой леткой. Обычно шлаковая летка располагается ниже фурм на 75-150 мм. Шахта по высоте делится на две части: нижняя часть, от пода до первого ряда фурм, называется горном, а от первого ряда фурм до порога завалочного окна – собственно шахтой. Горн,  а также часть шахты выше фурм во время работы вагранки заполнены раскаленным коксом. Этот столб кокса называется холостой коксовой колошей.  На холостую колошу загружаются отдельными слоями чугун и кокс, называемые соответственно металлическими и рабочими коксовыми колошами.  Высота горна для вагранок с копильником берется как можно меньше и в зависимости от диаметра вагранки колеблется  в пределах  от 150 до 300 мм.

В вагранках без копильника чугун скапливается в горне. Поэтому высота горна определяется объемом жидкого чугуна,  который необходимо накопить между отдельными  выпусками, и равняется в среднем 600-700 мм.

Расстояние между первым радом фурм и порогом  завалочного окна, как высота непосредственно шихты, составляет полезную высоту вагранки. Высота этой части вагранки имеет  большое значение для процесса теплообмена между раскаленными газами, поднимающимися вверх, и чугуном, опускающимся вниз. Очевидно, чем длиннее путь движения газов по кускам  чугуна,  тем больше продолжительность  соприкосновения их  между собой,  тем полнее газы  отдадут свое тепло чугуну. Однако при слишком большой высоте  вагранки  возникает опасность  зависания шихты  и размельчения кокса как при загрузке металлических колош, так и от давления высокого столба материалов.  При чрезмерной высоте шихты возрастает сопротивление  движению газов в вагранке. Это требует установки  мощных воздуходувных  средств. В очень же низких вагранках  для подогрева шихты и получения горячего чугуна необходимо расходовать  избыточное количество топлива.

Верхняя часть шихты, расположенная ниже завалочного окна,  выкладывается чугунными кирпичами 12, чтобы предохранить  разрушение кладки от ударов загружаемой шихты. Вид чугунных кирпичей показан на рис 4.

вагранка, чугунные пустотелые кирпичи шахты

 Как видно из рисунка,  эти кирпичи для уменьшения веса делаются пустотелыми и при  кладке заполняются песком. Чтобы кирпичи своим весом не давили на нижележащую футеровку из огнеупорного кирпича,  они опираются на опорное кольцо 11, рис 3 из углового железа.

Дымовая труба с искрогасителем

Дымовая труба служит для отвода  продуктов горения топлива из шахты наружу. Она представляет собой продолжение шахты вагранки  и имеет диаметр, по кожуху одинаковый с вагранкой. Труба внутри футеруется огнеупорным кирпичом в один ряд. Заканчивается труба искрогасителем, который предназначен для улавливания раскаленной пыли  и искр, выбрасываемых  из дымовой трубы. Их улавливание производится с целью предупреждения пожаров и загрязнения  окружающей территории.

По принципу действия искрогасители разделяются на два типа: сухие и с водяной завесой – «мокрые». Действие сухих искрогасителей основано на  резком  уменьшении скорости движения газов  на выходе из дымовой трубы с одновременным  изменением  направления их движения. Вследствие этого поток газа уже не в состоянии увлекать за собой искры,  которые представляют собой раскаленные частицы кокса, и они падают вниз, на днище искрогасителя. На рис 5 показано устройство сухого искрогасителя, для нормализованных вагранок.

верхняя часть дымовой трубы с искрогасителем

   Конец трубы 1, входящей в искрогаситель2, перекрыт сверху чугунной футерованной крышкой3. Ниже крышки 3 в кожухе трубы сделаны окна 4. Дымовые газы выходят из трубы через  окна 4 и попадают в коробку искрогасителя2,  представляющую собой цилиндрический железный кожух 5, футерованный внутри  огнеупорным кирпичом 6 в один ряд. Днище искрогасителя сделано в виде двух наклонных плоскостей 7, по которым твердые частицы сползают вниз и опускаются через трубу 8 в приемные  ящики.

Цилиндрическая коробка искрогасителя в верхней части накрыта колпаком 10, который в центре имеет отверстие, перекрываемое  зонтом 12. Попав в коробку искрогасителя, дымовые газы через щели 9 и 11 выходят в атмосферу. Осаждение пыли происходит в момент выхода газов через окна 4 дымовой трубы в коробку искрогасителя, так как здесь газы, во-первых, изменяют  направление  своего движения  под прямым углом и, во-вторых, резко уменьшают  скорость благодаря  выходу из трубы  малого сечения в коробку искрогасителя  большого сечения.

Действие мокрых искрогасителей основано на том, что газы с искрами заставляют пройти сквозь струю или брызги воды. При этом искры тушатся  и вместе с водой  стекают вниз. На рис 6 показан родин из способов пропускания газов  через водяную завесу.

мокрый искрогаситель

 Вода из душа 1 попадает на  поверхность  г8рибовидного зонта 2 и с него  сливается в виде занавески, сквозь которую  вынуждены проходить газы.  Вода с захваченными твердыми частицами собирается в кольцевом желобе 3 и опускается вниз по отводной трубе 4.

Мокрые искрогасители хорошо очищают газ  от твердых частиц, но они не  получили широкого применения из-за опасности  замораживания подводящих и отводящих воду  труб в зимнее время. Правильно рассчитанный сухой искрогаситель  дает результаты не хуже, чем мокрый, но зато он не требует при эксплуатации особого внимания.

Следует сказать, что, несмотря на наличие искрогасителя, степень очистки дымовых газов от пыли и особенно от вредных  газов очень мала. Поэтому вагранки являются серьезным источником  загрязнения атмосферы.

В одном кубическом метре  колошниковых газов содержится до 20 г пыли и более 10%  окиси углерода. Вагранка с описанными выше  искрогасителями  производительностью 5т/ч (5 МГ/ч) выбрасывают  в атмосферу в течение часа  около 4000 м3 газов.  Вес пыли, выбрасываемой в атмосферу такой вагранки в течение одной смены, составляет  до 550 кг, а количество окиси  углерода 3800 кг. Все это отравляет и запыляет воздух в районе,  прилегающем к литейным цехам.

Для улучшения очистки ваграночных газов, разработаны вагранки  с так называемым  закрытым колошником или просто закрытые вагранки.  В закрытых вагранках дымовая труба с искрогасителем убрана и  шахта вагранки сверху герметично  закрывается. Загрузка шихты, топлива и флюсов производится сверху через  специальное загрузочное устройство, не позволяющее газам  вырываться  наружу.  Ваграночные газы отводят с верхнего уровня столба шихты по газоводу и подвергаются сухой  очистке от пыли.  После сухой очистки ваграночные газы сжигаются, а выделенное тепло  идет на подогрев  воздуха для дутья. Сгоревший ваграночный газ  поступает в сырую очистку  от пыли и после охлаждения выбрасывается в атмосферу.  В таких вагранках  степень очистки  газов от пыли равна 95-98%, а окись углерода в дыме совершенно отсутствует.

Таким образом, конструкция закрытых вагранок позволяет  сделать сразу два полезных дела – очистить  ваграночные газы от пыли и использовать  тепло для подогрева дутья.

Фурменное устройство

Фурменное устройство вагранки состоит из  фурменной коробки 1, рис 7,

фурменное устройство

дроссельных клапанов 3 для регулирования количества воздуха, подаваемого  к фурмам первого ряда, фурменных колен 4 и сопел  трех рядов фурм 5, 6 и 8. Воздушная коробка делается из железных листов  толщиной 6-12 мм и приваривается  к кожуху вагранки. Дроссельные клапаны монтируются  в литых  цилиндрических  кожухах 2, которые крепятся к днищу  фурменной коробки болтами. Круглая частьб фурменного колена примыкает к дроссельному клапану, а прямоугольная – к фурменным вырезам в кожухе вагранки.

Сопла фурм всех трех рядов чугунные,  прямоугольного сечения, расширяющиеся внутри вагранки рис 8,9.

форма сопла первого ряда

К кожуху вагранки сопла крепятся болтами. В фурменной коробке и фурменных коленах  против фурм расположены смотровые окна  7,  часто называемые гляделками, рис 7, через которые можно наблюдать за состоянием фурм. Современная вагранка имеет три ряда фурм. Принято первым рядом считать  нижний ряд; вторым – средний; третьим  — верхний ряд фурм. Воздух в фурменную коробку подается  от вентилятора по воздуховоду, который перед  фурменной коробкой  разделяется на два отростка – штуцера. Штуцеры подходят к фурменной коробке сверху.

Копильник

Вагранка без копильника устраивается в цехах, где изготовляются  небольшие отливки, а также в цехах с конвейерной  заливкой и частыми выпусками металла. В тех случаях, когда в таких вагранках требуется получить  большую порцию  чугуна, его скапливают в горне вагранки. Однако при этом увеличивается время соприкосновения чугуна  с коксом холостой колоши.  В результате чугун обогащается  углеродом и серой и качество его ухудшается. В этих случаях лучше  устраивать отдельный  передний горн – копильник.

На рис. 10 показано устройство  вагранки с копильником.

копильник

 

 

Соединительный канал 1 служит для  стекания жидкого  чугуна и шлака из горна в копильник. Отверстие с глазком 2  позволяет вести наблюдение  за состоянием  соединительного канала  и при необходимости  прочищать его.  Для выпуска шлака из  копильника  имеется шлаковая летка 8 с желобом 7, а для чугуна – чугунная летка 4 с желобом 5. Под копильника 6  набивается  формовочной смесью  и футеруется  огнеупорным кирпичом. В передней части копильника, против чугунной летки, устанавливается дверца 3 для ремонта копильника.  Желоб 5 для чугуна крепится к дверце и при открывании  дверцы отходит  вместе с ней.

Для уменьшения охлаждения чугуна  копильник до начала плавки следует  высушивать и прогревать,  а также применять хорошую тепловую изоляцию для стенок, пода и особенно свода.

Установлено, что даже при хорошей  тепловой изоляции и хорошем подогреве  копильника перед  началом плавки температура чугуна  в копильнике  снижается на 20-40ᴼ. Однако устройство копильника  имеет и свои преимущества: чугун выравнивается по  составу и температуре; устраняется попадание шлака в фурмы, что нередко случается в вагранках  без копильника;  содержание углерода и серы в чугуне уменьшается; сокращается расход кокса на холостую калошу, так как фурмы можно приблизить к подине вагранки  на 150 – 300 мм; создается более ровный  сход колош, а значит, и более равномерный их прогрев.

Футеровка вагранки

   Футеровкой называется слой из  огнеупорного материала, расположенный внутри кожуха вагранки по всей ее высоте – от пода до искрогасителя. От срока службы футеровки в значительной степени зависит  стоимость эксплуатации вагранки,  а следовательно, и себестоимость отливок. Стойкость футеровки определяет величину  затрат материалов и труда на ее ремонт. Футеровка вагранки работает в тяжелых условиях.  Она подвергается одновременному действию высоких температур  порядка 1700ᴼС, разъедающему действию шлаков,  истиранию и ударам от  загружаемой шихты. Кроме того, футеровка вагранки  испытывает резкие колебания температуры, например после выбивки вагранки, в результате чего футеровка растрескивается и разрушается.

Исходя из перечисленных условий работы, к футеровке предъявляют специальные требования. Прежде всего футеровка  должна обладать высокой огнеупорностью;  химической стойкостью против разрушения ее шлаками, металлом, газами; термической стойкостью  (не давать трещин при резких колебаниях  температуры); механической прочностью и плотностью. Однако очень трудно найти  такой огнеупорный материал , который бы обладал бы всеми  этими свойствами.

В условиях ваграночной плавки наибольшее распространение получила  футеровка из шамотного кирпича, являющегося практически нейтральным материалом.

Нормальные размеры этих кирпичей даны в таблице 1. По условиям  работы футеровку вагранки можно разделить  на пять частей: горн,  пояс плавления,  шахта, пояс ниже загрузочного окна и труба с искрогасителем.

размеры стандартных кирпичей для вагранки

   Труба и  искрогаситель  испытывают действие  сравнительно невысоких температур  до 800ᴼС  и поэтому футеруются в один ряд  шамотным кирпичом низшего класса.

Пояс высотой примерно в 1 м ниже загрузочного окна  следует футеровать  чугунным кирпичом, предохраняющим  огнеупорную футеровку от механического разрушения в процессе загрузки.  Чугунные кирпичи находятся  в зоне низких температур  порядка  500-600ᴼС и поэтому служат довольно долго.

Шахта  от пояса  чугунных кирпичей до плавильной зоны футеруется  огнеупорным кирпичом  уже более высокого класса. В наихудших условиях находится футеровка в плавильном поясе, где имеет место  одновременное  воздействие высоких температур,  шлаков,  газов, металла и истирающее действие  опускающихся материалов. Поэтому для  плавильного пояса, области фурм и горна  следует  применять  огнеупорный кирпич высшего класса А.

При выборе формы кирпичей и кладке футеровки  следует стремиться  к тому, чтобы толщина  швов была не более 4 мм, та как   выгорание футеровки и ее разрушение идет  главным  по швам,  как это показано на

рис 11.

разрушение футеровки по швам кладки

Во избежание  получения больших  швов применение прямого  кирпича допустимо лишь  для вагранок диаметром не менее 1200 мм, а для вагранок меньшего диаметра – только для наружных рядов.

Для внутренних рядов следует применять ребровой клин, чередуя его с прямым кирпичом.

На рис 12

кладка футеровки радиальным кирпичом

 и 13

кладка футеровки нормальным кирпичом

показано расположение  кирпичей в кладке футеровки.  В случае применения радиальных  кирпичей швы имеют  одинаковую толщину  и могут  быть сделаны как угодно тонкими;  швы же между прямоугольными кирпичами  расширяются от центра к наружной поверхности вагранки.  Ясно, что при  выгорании  внутреннего слоя футеровки швы на футеровке будут непрерывно расширяться.  Это приведет к быстрому разрушению кладки.

Уничтожение швов между кирпичами, при условии сохранения огнеупорности материала, привело бы к значительному увеличению  стойкости футеровки. Поэтому за последнее время все большее распространение получает  так называемая  набивная огнеупорная футеровка, создающая при спекании  прочный монолит. Ее преимущества заключаются не только в повышении стойкости, но и в дешевизне  используемых материалов.

Обычно применяемый состав набивной массы следующий (в %).

Кварцевый песок              80-85

Огнеупорная глина          20—15

Вода (сверх 100%)            5-6

 

Эту смесь в сухом состоянии  хорошо перемешивают в бегунах в течение 5-10 мин., а затем добавляют воду и снова  перемешивают в течение 5-10 мин.  Для увеличения сырой прочности массы в воду добавляют иногда  жидкое стекло в количестве 1 кг на 10 л воды.

Хорошие результаты показал еще один состав (в%):

Кварцевый песок               65-80

Маршалит                           20-10

Огнеупорная масса          15-10

Вода (сверх 100%)            10

 

При приготовлении монолитной футеровки в вагранке на уровне фурм  устанавливают  из отдельных секторов деревянный или металлический цилиндр, диаметр которого равен  внутреннему диаметру вагранки, а высота 300-500 мм. Кольцевое пространство между цилиндром и кожухом вагранки  плотно  набивается ручной или пневматической трамбовкой огнеупорным составом. Когда масса уплотнена на всю высоту цилиндра,  на него ставится новый цилиндр и набивка продолжается. Набивку выше верхнего ряда фурм (в плавильном поясе)  необходимо поднимать на высоту 800-1000 мм. На рис 14,

разборный металлический шаблон для набивной футеровки

 показан вид  разборного металлического цилиндра, а на рис 15 – набивка футеровки по этому цилиндру.

набивная футеровка по разьираемому шаблону

 

На рис.16 показан второй способ набивки, где вместо разборного цилиндра  внутренняя поверхность шахты  выкладывается одним слоем кирпича,

набивка футеровки по цилиндру

 а пространство между кожухом и  кирпичом заполняется огнеупорной массой. В этом случае получается экономия в расходе огнеупорного кирпича.  Иногда для ускорения ремонта делают  наоборот: по кожуху выкладывают один ряд кирпича на плашку, и, установив цилиндр,  заполняют пространство между кирпичной кладкой и цилиндром набивной массой , рис 15. Это является целесообразным, та как в наиболее неблагоприятных  условиях работает именно набивная смесь, а кирпич по кожуху остается несменяемым в  течение многих плавок.

Основная футеровка  в чугунолитейных цехах, несмотря на многие преимущества, не получила достаточного применения.

Основная футеровка позволяет получить  чугун с низким содержанием серы  и фосфора. Материалом для основной  футеровки служат  магнезитовые или хромомагнезитовые кирпичи.

Устанавливать основную  футеровку можно не по  всей высоте печи, а только в ее нижней части – в области горна, фурм и в плавильном поясе на высоту 1200 мм. Вышележащая кладка  выполняется из шамотного кирпича.

В качестве связующего вещества при основной футеровке  применяется размельченный и увлажненный  хромистый железняк. Основная футеровка может быть и набивной. В этом случае ее можно делать из доломита. Так как сырой доломит  легко поглощает влагу и рассыпается в период между плавками, то его подвергают  стабилизации – смешивают с кремнеземистыми  материалами и обжигают. В качестве связующего  при набивке  основными огнеупорами применяется жидкое стекло или горячая смола.