RU2253076C1 - Method of melting in gas cupola - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method comprises burning a gas fuel in the furnace. The gas fuel is made of hydrogen supplemented with carbon-containing agents such as gas hydrocarbons, liquid hydrocarbons or finely divided carbon in amounts of 2-19% of the hydrogen mass.

EFFECT: reduced power consumption and heightened temperature in the furnace.

1 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Предлагаемый способ относится к металлургии и может быть применен в литейном производстве при плавке материалов для производства отливок.The proposed method relates to metallurgy and can be used in foundry for melting materials for the production of castings.

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.).A known method of melting in a gas cupola containing a water-cooled shaft with built-in gas burners and water-cooled beams, which are loaded with a refractory nozzle, consisting of refractory and heat-resistant materials (see USSR Author's Certificate No. 1610209, class F 27 B 1/08, B. I. No. 44, 1990).

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.The disadvantage of this method is that it does not allow melting of refractory charge materials, since when the temperature rises in the area of the refractory nozzle above 1650 ° C, deformation of the nozzle bodies is observed, they begin to melt and stick together, which leads to a decrease in the passage section of the shaft, making it difficult the combustion process and leads to a breakdown of the heat.

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 α≈0,9-0,98. Выше горелочных туннелей состав газовой фазы в камере перегрева меняют за счет подачи природного газа и α≈0,6-0,7, а в зоне плавления α≈0,4-0,5.Of the known closest in technical essence is the "Method of melting metal in a gas cupola" (see USSR Author's Certificate No. 269947, class C 21 C; B 22 V, B.I. No. 16, 1970), according to which melting carried out in a gas cupola with ledges in the mine in such a way that natural gas is burned above the surface of the melt with an air flow coefficient α≈0.9-0.98. Above the burner tunnels, the composition of the gas phase in the overheating chamber is changed due to the supply of natural gas and α≈0.6-0.7, and in the melting zone α≈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.However, this method does not allow creating a high temperature in the cupola, leading to an increased energy consumption, since a significant amount of heat is expended on the dissociation of methane.

Техническим результатом предлагаемого способа являются снижение энергоемкости процесса плавки, повышение температуры в печи и возможность плавки тугоплавких материалов.The technical result of the proposed method is to reduce the energy intensity of the melting process, increasing the temperature in the furnace and the possibility of melting refractory materials.

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.The essence of the proposed method lies in the fact that the melting of the material, including burning gaseous fuel in the furnace, heating, melting and overheating of the material with combustion products, according to the invention is carried out in such a way that hydrogen is used as fuel, to which carbon-containing substances, for example gaseous, are added, liquid hydrocarbons or finely divided carbon in the form of crushed graphite, charcoal, thermoanthracite in an amount of 2-19% by weight of hydrogen.

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.This combination of new features with the known ones allows to reduce the energy consumption of the melting process, to increase the temperature in the furnace, which ensures the melting of refractory materials, since hydrogen has a higher calorific value and heat production compared to natural gas, the torch is shorter when burning hydrogen, and, therefore, the thermal stress is higher and no energy is expended on the dissociation of methane. Since hydrogen combustion products have low luminosity, it is necessary to have small carbon particles in the furnace atmosphere, which makes gas streams luminous and increases the heat transfer efficiency in the melt overheating zone and in the charge melting zone.

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.The proposed method of melting in a gas cupola is illustrated in the drawing, which shows a diagram of its implementation. The drawing shows: 1 - supporting part, 2 - cupola shaft, 3 - overheating chamber, 4 - gas burners, 5 - upper ledge, 6 - lower ledge, 7 - water cooling pipes, 8 - piggy bank. The lining is made of zirconium products having a fire resistance of 2500 ° C.

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.The method is as follows. In the gas burner 4 serves fuel - hydrogen and air as an oxidizing agent. In addition, to increase the luminosity of the products of the combustion of hydrogen, carbon-containing substances are supplied to the burning torch in an amount of 2-19% by weight of hydrogen, which increases the efficiency of heat transfer in the overheating chamber 3 and the cupola shaft 2. Overheating chamber 3, the shaft is heated for 20-30 minutes cupolas 2 and a piggy bank 8. Then, charge materials are loaded onto the lower ledge 6. Rising up, the illuminated products of hydrogen combustion heat and melt the mixture. The melt in the drip-jet mode flows from the lower ledge 6 into the overheating chamber 3, where it is additionally overheated in the bath formed on the bottom of the overheating chamber, and then enters the piggy bank. The use of hydrogen as fuel makes it possible to increase the temperature in the furnace and to ensure the melting of refractory charge materials.

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.The introduction of a carbon-containing substance in an amount of 2-19% by weight of hydrogen is due to the need to increase the efficiency of heat transfer by increasing the luminosity of hydrogen combustion products. If the amount of carbon-containing substance is less than 2%, the luminosity of the combustion products will not provide effective heat transfer, the productivity of the melting unit and the temperature of the melt are reduced. An increase in the amount of carbon-containing substance in excess of 19% does not lead to a further increase in heat transfer efficiency.

Пример осуществления способа следующийAn example implementation of the method is as follows

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.The melts were carried out in an experimental gas cupola with water-cooled ledges in the mine. The fuel used was industrial hydrogen, which was burned in air. A carbon-containing substance in the form of finely dispersed carbon was introduced directly into the burning torch, the amount of which varied from 0.5 to 21% by weight of hydrogen.

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.After heating the lining of the cupola and the piggy bank, a charge containing cast iron and up to 65% of steel scrap was loaded. The consumption of hydrogen in all heats was kept constant. The melt refinement by chemical composition was carried out in an induction mixer. The results of swimming trunks are presented in the table.

Условия плавкиSmelting conditions Температура продуктов сгорания в камере перегрева, °СThe temperature of the combustion products in the overheating chamber, ° C Температура расплава, °СMelt temperature, ° С Расход углеродсодержащего вещества, % от массы водородаThe consumption of carbon-containing substances,% by weight of hydrogen Производительность печи, т/чFurnace productivity, t / h Удельный расход топлива, кг/тSpecific fuel consumption, kg / t ПримечаниеNote Известный способ. Топливо-природный газ.The known method. Fuel-natural gas. 17001700 14501450 00 0,50.5 143,4143.4 В расплаве образовалось 30% FeO30% FeO formed in the melt Предлагаемый способ.The proposed method. 19001900 14801480 0,50.5 0,70.7 42,942.9   19001900 14901490 1,01,0 0,750.75 40,040,0 Топливо-водород.Fuel is hydrogen. 19001900 15351535 2,02.0 0,960.96 31,2531.25 19001900 15401540 7,07.0 0,980.98 30,630.6 19001900 15401540 13,013.0 1,01,0 30,030,0 19001900 15401540 19,019.0 0,970.97 30,930.9 18701870 15301530 20,020,0 0,950.95 31,631.6 18501850 15201520 21,021.0 0,950.95 31,631.6

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.As can be seen from the table, the use of hydrogen as fuel allows melting of charge materials having a high melting point, and the addition of 2-19% of carbon-containing substances to the combustion products reduces the energy intensity of the melting process. The addition of less than 2% of carbon-containing substances to the high-temperature zone of the burning flame of hydrogen does not provide the necessary luminosity of the flame, the melt temperature decreases, the cupola productivity decreases, and the specific fuel consumption increases. When more than 19% of finely dispersed carbon is added to the combustion products, the melt temperature decreases, since a greater amount of heat is spent on heating particles of carbon, and the furnace productivity and specific fuel consumption do not change.

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.The proposed method provides a technical effect and can be carried out using means known in the art. The environmental situation is significantly improved due to a decrease in the content of carbon oxides in emissions from the cupola.

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.The proposed method of melting can be used in the melting of refractory non-metallic materials containing oxides of silicon, aluminum, magnesium, chromium, in the smelting of mineral raw materials (refractory natural minerals) to produce mineral wool in the building materials industry, cast refractory products, stone casting, moreover, the furnace design can be with water-cooled elements in the mine, with an external overheating chamber, with a single refractory ears.

Claims (1)

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.A method of melting a material, including burning gaseous fuel in a furnace, heating, melting and overheating the material with combustion products, characterized in that hydrogen is used as fuel, to which carbon-containing substances are added, for example, gaseous, liquid hydrocarbons or finely divided carbon in an amount of 2 ÷ 19% by mass of hydrogen.