способ плавки в газовой вагранке

Формула изобретения

Способ плавки материала, включающий сжигание в печи газообразного топлива, нагрев, плавление и перегрев материала продуктами сгорания, отличающийся тем, что в качестве топлива используют водород, к которому добавляют углеродсодержащие вещества, например газообразные, жидкие углеводороды или мелкодисперсный углерод в количестве 2÷19% от массы водорода.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве при плавке материалов для производства отливок.

Известен способ плавки в газовой вагранке, содержащей водоохлаждаемую шахту с встроенными газовыми горелками и водоохлаждаемые балки, на которые загружается огнеупорная насадка, состоящая из тугоплавких и термостойких материалов (см. Авторское свидетельство СССР № 1610209, кл. F 27 B 1/08, Б.И. № 44, 1990 г.).

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет проводить плавку тугоплавких шихтовых материалов, так как при повышении температуры в зоне расположения огнеупорной насадки выше 1650°С наблюдается деформация насадочных тел, они начинают подплавляться и слипаются, что приводит к уменьшению проходного сечения шахты, затрудняет процесс горения и ведет к срыву плавки.

Из известных наиболее близким по технической сущности является “Способ плавки металла в газовой вагранке” (см. Авторское свидетельство СССР № 269947, кл. С 21 С; В 22 В, Б.И. № 16, 1970 г.), согласно которому плавку осуществляют в газовой вагранке с уступами в шахте таким образом, что природный газ сжигают над поверхностью расплава с коэффициентом расхода воздуха 0,9-0,98. Выше горелочных туннелей состав газовой фазы в камере перегрева меняют за счет подачи природного газа и 0,6-0,7, а в зоне плавления 0,4-0,5.

Однако этот способ не позволяет создавать высокую температуру в вагранке, приводит к увеличенному расходу энергоносителя, так как значительное количество тепла затрачивается на диссоциацию метана.

Техническим результатом предлагаемого способа являются снижение энергоемкости процесса плавки, повышение температуры в печи и возможность плавки тугоплавких материалов.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что плавку материала, включающую сжигание в печи газообразного топлива, нагрев, плавление и перегрев материала продуктами сгорания, согласно предлагаемому изобретению осуществляют таким образом, что в качестве топлива используют водород, к которому добавляют углеродсодержащие вещества, например газообразные, жидкие углеводороды или мелкодисперсный углерод в виде дробленного графита, древесного угля, термоантрацита в количестве 2-19% от массы водорода.

Такое сочетание новых признаков с известными позволяет снизить энергоемкость процесса плавки, повысить температуру в печи, что обеспечивает проведение плавки тугоплавких материалов, так как водород имеет большую по сравнению с природным газом теплоту сгорания и жаропроизводительность, факел при горении водорода более короткий, а, следовательно, тепловое напряжение выше и не затрачивается энергия на диссоциацию метана. Так как продукты горения водорода обладают малой светимостью, необходимо наличие в печной атмосфере мелких частиц углерода, что делает газовые потоки светящимися и повышает эффективность теплопередачи в зоне перегрева расплава и в зоне плавления шихты.

Предлагаемый способ плавки в газовой вагранке иллюстрируется чертежом, где показана схема его осуществления. На чертеже представлено: 1 - опорная часть, 2 - шахта вагранки, 3 - камера перегрева, 4 – газовые горелки, 5 - верхний уступ, 6 - нижний уступ, 7 - трубы водяного охлаждения, 8 - копильник. Футеровка выполнена из циркониевых изделий, имеющих огнеупорность 2500°С.

Способ осуществляется следующим образом. В газовые горелки 4 подают топливо - водород и воздух в качестве окислителя. Кроме того, для повышения светимости продуктов горения водорода в горящий факел подают углеродсодержащие вещества в количестве 2-19% от массы водорода, что повышает эффективность теплопередачи в камере перегрева 3 и шахте вагранки 2. В течение 20-30 минут прогревают камеру перегрева 3, шахту вагранки 2 и копильник 8. Затем на нижний уступ 6 загружают шихтовые материалы. Поднимаясь вверх, подсвеченные продукты сгорания водорода нагревают и плавят шихту. Расплав в капельно-струйном режиме стекает с нижнего уступа 6 в камеру перегрева 3, где дополнительно перегревается в ванне, образованной на подине камеры перегрева, и затем поступает в копильник. Применение в качестве топлива водорода позволяет повысить температуру в печи и обеспечить плавку тугоплавких шихтовых материалов.

Ввод углеродсодержащего вещества в количестве 2-19% от массы водорода обусловлен необходимостью повышения эффективности теплопередачи за счет увеличения светимости продуктов сгорания водорода. Если количество углеродсодержащего вещества будет меньше 2%, то светимость продуктов сгорания не обеспечит эффективной теплопередачи, снижаются производительность плавильного агрегата и температура расплава. Увеличение количества углеродсодержащего вещества свыше 19% не приводит к дальнейшему увеличению эффективности теплопередачи.

Пример осуществления способа следующий

Плавки проводили в экспериментальной газовой вагранке с водоохлаждаемыми уступами в шахте. В качестве топлива использовали технический водород, который сжигали в воздушной среде. Непосредственно в горящий факел вводили углеродсодержащее вещество в виде мелкодисперсного углерода, количество которого изменяли от 0,5 до 21% от массы водорода.

После прогрева футеровки вагранки и копильника загружали шихту, содержащую чугун и до 65% стального лома. Расход водорода во всех плавках сохранялся постоянным. Доводку расплава по химическому составу производили в индукционном миксере. Результаты плавок представлены в таблице.

Условия плавки	Температура продуктов сгорания в камере перегрева, °С	Температура расплава, °С	Расход углеродсодержащего вещества, % от массы водорода	Производительность печи, т/ч	Удельный расход топлива, кг/т	Примечание
Известный способ. Топливо-природный газ.	1700	1450	0	0,5	143,4	В расплаве образовалось 30% FeO
Предлагаемый способ.	1900	1480	0,5	0,7	42,9
	1900	1490	1,0	0,75	40,0
Топливо-водород.	1900	1535	2,0	0,96	31,25
	1900	1540	7,0	0,98	30,6
	1900	1540	13,0	1,0	30,0
	1900	1540	19,0	0,97	30,9
	1870	1530	20,0	0,95	31,6
	1850	1520	21,0	0,95	31,6

Как видно из таблицы, применение в качестве топлива водорода позволяет вести плавку шихтовых материалов, имеющих высокую температуру плавления, а добавка в продукты горения 2-19% углеродсодержащих веществ снижает энергоемкость процесса плавки. Добавка в высокотемпературную зону горящего факела водорода менее 2% углеродсодержащих веществ не обеспечивает необходимую светимость факела, температура расплава понижается, производительность вагранки падает, а удельный расход топлива увеличивается. При добавке в продукты горения более 19% мелкодисперсного углерода снижается температура расплава, так как большее количество тепла затрачивается на нагрев частичек углерода, а производительность печи и удельный расход топлива не изменяются.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Значительно улучшается экологическая обстановка в связи со снижением содержания оксидов углерода в выбросах из вагранки.

Предлагаемый способ плавки может быть использован при плавке тугоплавких неметаллических материалов, содержащих оксиды кремния, алюминия, магния, хрома, при плавке минерального сырья (тугоплавких природных минералов) для получения минеральной ваты в промышленности строительных материалов, литых огнеупорных изделий, каменного литья, причем конструкция печи может быть с водоохлаждаемыми элементами в шахте, с выносной камерой перегрева, с холостой огнеупорной колошей.