Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6612
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
C 21C 1/00
(54) ТОПЛИВНАЯ РАБОЧАЯ КОЛОША
(21) Номер заявки: u 20100150
(22) 2010.02.16
(71) Заявитель: Закрытое акционерное
общество "Стройизыскания" (BY)
(72) Авторы: Писаренко Леонид Зотович;
Бусел Иван Андреевич; Метельский
Николай Павлович; Приемко Виктор
Михайлович; Подгайский Эдуард
Иосифович (BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционер-
ное общество "Стройизыскания" (BY)
(57)
1. Топливная рабочая колоша для выплавки чугуна в вагранках, состоящая из слоя
кокса и слоя антрацита, общая масса которых определена в расчете на массу металличе-
ской колоши, составляющей 1/8-1/10 часовой производительности вагранки, и имеющая
установленную начальную общую высоту слоев, отличающаяся тем, что имеет началь-
ную общую высоту слоев 150-200 мм и общую массу, составляющую 10-17 мас. % от массы
металлической колоши, при этом слой кокса составляет 50-95 мас. %, а слой антрацита -
5-50 мас. % от общей массы топливной рабочей колоши.
2. Топливная колоша по п. 1, отличающаяся тем, что при массе металлической коло-
ши, составляющей 1/8 часовой производительности вагранки, и при начальной общей вы-
соте слоев, составляющей 150 мм, топливная рабочая колоша имеет общую массу,
составляющую 10-12 мас. % от массы металлической колоши.
3. Топливная колоша по п. 1, отличающаяся тем, что при массе металлической коло-
ши, составляющей 1/10 часовой производительности вагранки, и при начальной общей
высоте слоев, составляющей 200 мм, рабочая колоша имеет общую массу, составляющую
12-17 мас. % от массы металлической колоши, при этом слой кокса имеет высоту 150 мм и
составляет 70-95 мас. % от общей массы топливной рабочей колоши, а слой антрацита
имеет высоту 50 мм и составляет 5-30 мас. % от общей массы топливной рабочей колоши.
BY6612U2010.10.30

2. BY 6612 U 2010.10.30
2
4. Топливная колоша по п. 1, отличающаяся тем, что при массе металлической коло-
ши, составляющей 1/10 часовой производительности вагранки, и при начальной общей
высоте слоев, составляющей 150 мм, рабочая колоша имеет общую массу, составляющую
около 14 мас. % от массы металлической колоши.
5. Топливная колоша по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что слой антрацита
выполнен из антрацита фракций 70-150 мм.
(56)
Источники информации:
1. Носова Е.М., Кугель А.В., Кузнецов Н.А. Справочник литейщика. - Киев, 1955. -
С. 268-269.
2. Журнал "Литейное производство". - № 2. - 1990. - С. 10-11.
3. Бидуля П.Н. Технология литейного производства. - M.: Металлуриздат, 1954. - С. 321.
4. Патент EA 007553 B1, 2006.
Полезная модель относится к литейному производству и предназначена для использо-
вания при выплавке чугуна в вагранках в качестве рабочей топливной колоши, содержа-
щей кокс и антрацит.
В настоящее время основным плавильным агрегатом для выплавки чугуна по-преж-
нему является вагранка - печь шахтного типа, в которую после розжига холостой топлив-
ной колоши кокса и подачи дутья послойно загружаются металл, топливо и флюсы,
происходит процесс плавления и выдача жидкого чугуна через летку.
Известна топливная рабочая колоша в виде слоя заданной высоты каменноугольного
литейного кокса, который получил наибольшее распространение в качестве топлива для
вагранок [1].
Масса рабочей коксовой колоши зависит от выбранной массы металлической колоши,
которая принимается из расчета 1/8-1/10 часовой производительности вагранки.
Если по условиям производства принята металлическая колоша, равная 1/8 часовой
производительности вагранки, то ее масса будет примерно на 25 % больше, чем при 1/10
часовой производительности. В соответствии с этим, в первом случае, масса коксовой ко-
лоши будет больше, чем во втором случае, хотя в обоих случаях количество кокса в % от
массы металлической колоши будет примерно одинаково и составляет 10-12 %. Принятые
соотношения обеспечивают наибольшую полноту сгорания слоя рабочей колоши кокса,
высота которого определена в пределах 150-200 мм.
Недостатком коксовых топливных колош является то, что выпускаемый литейный
кокс часто не удовлетворяет современным требованиям ваграночной плавки. Для него ха-
рактерны высокие пористость, реакционная способность, содержание серы и низкая проч-
ность [2]. При использовании некачественного кокса приходится идти на увеличение его
расхода до 14 % и более, что нарушает принятые пределы по высоте слоя кокса и отрица-
тельно сказывается на ходе плавки.
Более того, в связи с подорожанием и дефицитностью кокса актуальной стала задача
поиска альтернативных, более дешевых источников топлива для выплавки чугуна в ва-
гранках. Таким топливом, в наибольшей степени удовлетворяющим требованиям к топливу
для вагранок, является антрацит [4]. Антрацит относится к самым зрелым углям, отлича-
ется высшей степенью углефикации (С>97 %), с теплотой сгорания 7100-7500 ккал/кг, что
выше, чем у кокса (~6620 ккал/кг). Антрацит в 2 раза тяжелее кокса, имеет меньшую
зольность, а выход летучих - сравнимый с выходом летучих у кокса.

3. BY 6612 U 2010.10.30
3
В настоящее время стал доступен для использования антрацит сорта А, называемый
суперантрацитом, который имеет высокую прочность, не подвергается растрескиванию
при горении и полностью соответствует требованиям, предъявляемым к топливу для ва-
гранок. Антрацит в 2-2,5 раза дешевле кокса, что свидетельствует о большом народнохо-
зяйственном значении использования его в литейном производстве. Прототипом полезной
модели является рабочая топливная колоша, состоящая из слоя кокса и слоя антрацита,
причем масса слоя кокса составляет 100 мас. % от расчетного количества массы коксовой
топливной колоши, а масса слоя антрацита составляет от 25 до 100 мас. % сверх 100 мас. %
кокса [3].
Недостатком таких топливных колош является то, что значительное увеличение массы
коксово-антрацитовых топливных колош сверх 100 мас. % от установленного расхода
кокса сопровождается соответствующим увеличением массы металлической колоши, ко-
торая, во-первых, может превысить возможности конкретной вагранки по производитель-
ности, и, во-вторых, увеличение массы металлической колоши при работе вагранки в
условиях конвейерного производства с установившейся почасовой потребностью в жид-
ком чугуне не является оправданным. Более того, значительное увеличение массы топ-
ливной колоши сверх 100 мас. % от установленного расхода кокса за счет добавок
антрацита может привести к нарушению нормального хода плавки из-за увеличения высо-
ты топливной колоши выше допустимых значений. При этом происходит кратковремен-
ное снижение производительности вагранки и бесполезное сгорание некоторого избытка
топлива, пока металлическая колоша не достигнет зоны плавления.
Задачей полезной модели является разработка коксово-антрацитовой рабочей топлив-
ной колоши, обеспечивающей экономию кокса, повышение температуры чугуна в техно-
логически необходимых пределах при сохранении в процессе плавки установленной
высоты рабочей топливной колоши в пределах 150-200 мм.
Поставленная задача решается предлагаемой топливной рабочей колошей для выплав-
ки чугуна в вагранках, состоящей из слоя кокса и слоя антрацита, общая масса которых
определена в расчете на массу металлической колоши, составляющей 1/8-1/10 часовой
производительности вагранки, и имеющей установленную начальную общую высоту сло-
ев, за счет того, что топливная колоша имеет начальную общую высоту слоев 150-200 мм
и общую массу, составляющую 10-17 мас. % от массы металлической колоши, при этом
слой кокса составляет 50-95 мас. %, а слой антрацита - 5-50 мас. % от общей массы топ-
ливной рабочей колоши.
Указанные характеристики относительной массы и высоты слоев кокса и антрацита, а
также относительной массы топливной рабочей колоши в целом обеспечивают возмож-
ность выбора конкретной формы выполнения топливной рабочей колоши с достижением
заявленных технических результатов при различных вариантах соотношений между мас-
сой металлической колоши и топливной рабочей колоши, между массами слоев кокса и
антрацита и при различной начальной общей высоте слоев.
Так, в одной из предпочтительных форм реализации (максимальная масса металлической
и топливной рабочей колоши и минимальная начальная общая высота слоев топливной
рабочей колоши) при массе металлической колоши, составляющей 1/8 часовой производи-
тельности вагранки, и при начальной общей высоте слоев, составляющей 150 мм, топлив-
ная рабочая колоша имеет общую массу, составляющую 10-12 мас. % от массы металличе-
ской колоши. При этом масса рабочей топливной колоши изначально определена как
10-12 % от массы металлической колоши, обеспечивающей высоту слоя кокса 200 мм, с
последующей заменой слоем антрацита от 5 до 50 мас. % слоя кокса до получения мини-
мально возможной начальной общей высоты слоев 150 мм.
В другой предпочтительной форме реализации (минимальная масса металлической
колоши, максимальная масса топливной рабочей колоши и максимальная начальная об-
щая высота слоев топливной рабочей колоши) при массе металлической колоши, состав-

4. BY 6612 U 2010.10.30
4
ляющей 1/10 часовой производительности вагранки, и при начальной общей высоте слоев,
составляющей 200 мм, рабочая колоша имеет общую массу, составляющую 12-17 мас. %
от массы металлической колоши, при этом слой кокса имеет высоту 150 мм и составля-
ет 70-95 мас. % от общей массы топливной рабочей колоши, а слой антрацита имеет
высоту 50 мм и составляет 5-30 мас. % от общей массы топливной рабочей колоши.
При этом масса слоя кокса топливной колоши изначально определена как 10-12 % от массы
металлической колоши, обеспечивающей высоту слоя кокса 150 мм, с последующим
наложением сверх 100 мас. % кокса слоя антрацита, масса которого составляет от 5 до
35 % от массы кокса, до получения максимально возможной начальной высоты слоев топ-
ливной колоши 200 мм.
В еще одной предпочтительной форме реализации (минимальная масса металличе-
ской, максимальная масса топливной рабочей колоши и минимальная начальная высота
слоев топливной колоши) при массе металлической колоши, составляющей 1/10 часовой
производительности вагранки, и при начальной общей высоте слоев, составляющей 150 мм,
рабочая колоша имеет общую массу, составляющую около 14 мас. % от массы металличе-
ской колоши. При этом масса слоя кокса топливной колоши изначально определена как
примерно 14 мас. % от массы металлической колоши, обеспечивающей высоту слоя кокса
200 мм, с последующей заменой слоем антрацита от 5 до 50 мас. % слоя кокса.
Независимо от формы выполнения топливной рабочей колоши слой антрацита в ее со-
ставе предпочтительно выполнен из антрацита фракций 70-150 мм.
На фигуре для иллюстрации заявляемой полезной модели схематично представлен
фрагмент вагранки в разрезе в зоне топливной колоши. В вагранке 1 находятся металличе-
ская колоша 2 (изображен фрагмент) и топливная колоша, выполненная в соответствии с
заявляемой полезной моделью и состоящая из слоя 3 кокса и слоя 4 антрацита, общая мас-
са которых определена в расчете на массу ММК металлической колоши, составляющей 1/8-
1/10 часовой производительности вагранки. Топливная колоша имеет установленную
начальную общую высоту hТК слоев, равную 150-200 мм, и общую массу МТК, составляю-
щую 10-17 мас. % от массы ММК металлической колоши. Высота hК слоя 4 кокса выбрана
таким образом, что его масса МК составляет 50-95 мас. % от общей массы МТК топливной
рабочей колоши, а высота hА слоя антрацита выбрана таким образом, что его масса МА
составляет 5-50 мас. % от общей массы МТК топливной рабочей колоши. Для упрощения
изображения границы раздела слоев 2 металлической колоши, 3 кокса и 4 антрацита схе-
матично представлены (на разрезе) в виде прямых линий.
Ниже полезная модель будет подробно рассмотрена на ряде примеров плавки чугуна в
вагранке с использованием топливной колоши в соответствии с заявляемой полезной мо-
делью в различных предпочтительных формах ее реализации и, для сравнения, в соответ-
ствии с прототипом.
Пример
Плавку чугуна производили в вагранке 1 диаметром 1000 мм производительностью
5,5-7,0 т/час. Массу ММК металлической колоши установили в пределах 1/8-1/10 часовой
производительности вагранки, которая принята соответственно 450 и 600 кг, а массу МТК
топливной рабочей колоши установили 55 и 70 кг или 10-12 % от массы ММК металличе-
ской колоши.
В соответствии с первой предпочтительной формой реализации при выплавке чу-
гуна в вагранке 1 используем металлическую колошу, имеющую максимальную массу
ММК = 600 кг, и топливную рабочую колошу массой МТК = 70 кг. Тогда начальная общая
высота hТК слоев топливной колоши определяется следующим образом:
,мм200м2,0
450785,0
70
hТК ==
⋅
=
где 0,785 - площадь сечения вагранки, м2
;
450 - насыпной вес кокса, кг/м3
;
70 - масса МТК рабочей топливной колоши, кг.

5. BY 6612 U 2010.10.30
5
Был проведен ряд плавок, в которых часть слоя 3 кокса заменяли слоем 4 антрацита.
Как видно из таблицы (варианты 1-11, правая колонка), введение слоя 4 антрацита вместо
части слоя 3 кокса в составе топливной рабочей колоши целесообразно, если масса МА
слоя 4 антрацита составляет от 5 до 50 % от общей массы МТК рабочей топливной колоши.
В этих случаях снижение начальной общей высоты hТК слоев топливной колоши происхо-
дит в допустимых пределах от 200 до 150 мм. Снижение начальной общей высоты hТК
слоев топливных (коксово-антрацитовых) рабочих колош при увеличении в их составе до-
ли слоя 4 антрацита вместо части слоя 3 кокса связано с тем, что объемный вес антрацита
в 2 раза больше объемного веса кокса, и поэтому антрацит занимает в 2 раза меньший
объем и, соответственно, высоту слоя топлива. Поэтому величины добавок слоя 4 антра-
цита взамен части слоя 3 кокса ограничены из-за невозможности получения необходимой
начальной общей высоты hТК слоев рабочей топливной коксово-антрацитовой, а следова-
тельно, и холостой колоши (на фигуре не изображена).
Во второй предпочтительной форме реализации, при использовании металлической
колоши, имеющей минимальную массу ММК = 450 кг, и топливной рабочей колоши мас-
сой МТК = 55 кг, начальная общая высота hТК слоев топливной колоши определяется сле-
дующим образом:
мм150м15,0
450785,0
55
hТК ==
⋅
= .
Как видно из таблицы (варианты 1-11, левая колонка), увеличение в составе топлив-
ной колоши добавок слоя 4 антрацита вместо части слоя 5 кокса уменьшает начальную
общую высоту hТК слоев топливной колоши ниже допустимого уровня 150 мм, при кото-
ром сечение вагранки 1 будет плохо перекрываться и находящийся на топливной колоше
металл может провалиться вниз, при этом отдельные металлические колоши будут соеди-
няться друг с другом, чем нарушит процесс плавки.
Таким образом, вводить слой 4 антрацита вместо части слоя 3 кокса в состав топлив-
ной колоши при минимальных массе ММК металлической колоши, массе МТК и начальной
общей высоте hТК слоев топливной колоши нецелесообразно.
Наиболее целесообразно (таблица, варианты 12-19, левая колонка) при минимальных
массе ММК металлической колоши (450 кг), массе МТК (55 кг) и начальной общей высоте
hТК слоев топливной колоши (150 мм) вводить слой 4 антрацита сверх 100 мас. % слоя 3
кокса от 5 до 35 мас. % до максимального увеличения высоты при начальной общей высо-
те hТК слоев топливной колоши до 200 мм. При этом общая масса МК + МА слоев топлив-
ной колоши в расчете на массу ММК металлической колоши до 16,5-17 мас. %, но не за
счет увеличения слоя 3 кокса, как это принято на практике, а за счет добавки слоя 4 ан-
трацита сверх 100 мас. % слоя 3 кокса.
При этом достигается существенное повышение температуры чугуна от 1340 до
1440 °С, экономия кокса до 35 %, а начальная общая высота hТК слоев топливной колоши
сохраняется в допустимых пределах 150-200 мм.
Как видно из таблицы (варианты 12-19, правая колонка), при максимальной массе МК
слоя 3 кокса ( = 70 кг) и массе ММК = 600 кг вводить слой 4 антрацита сверх 100 мас. % от
массы МК слоя 3 кокса нецелесообразно, так как начальная общая высота hТК слоев топ-
ливной колоши увеличивается сверх 200 мм. При значительном увеличении начальной
общей высоты hТК слоев топливной колоши происходит кратковременное снижение про-
изводительности вагранки 1 (металл горячий, но его мало) и бесполезное сгорание неко-
торого избытка топлива, пока металлическая колоша не достигнет зоны плавления.
В рамках заявляемой полезной модели возможны также формы выполнения (таблица,
варианты 20-30) коксово-антрацитовых рабочих топливных колош, когда массу МТК топ-
ливной колоши кокса сохраняют на максимальном уровне (например, 70 кг), что соответ-
ствует высоте слоя кокса 200 мм, а металлическую колошу уменьшают, например, до 500
кг. Расход кокса от массы металлической колоши увеличивается поэтому до 14 мас. %:

6. Рабочие топливные колоши по полезной модели и по прототипу для вагранки производительностью 5,5-7,0 т/час
№
вари-
антов
Состав топливных колош Высота
рабочей
колоши,
мм
Метал-
лическая
колоша,
кг
Расход
топлива
в % от
металло-
завалки
Теплота
сгорания,
ккал/кг
Темпе-
ратура
чугуна,
°C
Экономия кокса
ПримечанияКокс Антрацит Всего
% кг % кг % кг % кг
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Заявляемые варианты
1 100 55-70 0 0 100 55-70 150-200 450-600 12,2-11,6 6620 1340 0 0 Ведение плавки целесо-
образно при макси-
мальной металлической
и топливной колоше
2 95 52 5 3,0-3,5 100 55-70 146-195 -//- -//- 6642 1344 5 3,0-3,5
3 90 49,5 10 5,5-7,0 100 55-70 142-190 -//- -//- 6665 1349 10 - -7,0
4 85 47,0 15 8,0-10,5 100 55-70 139-185 -//- -//- 6668 1353 15 - -10,5
5 80 44 20 11,0-14,0 100 55-70 131-180 -//- -//- 6710 1358 20 - -14,0
6 75 41 25 13,0-17,5 100 55-70 124-175 -//- -//- 6733 1362 23 - -17,5
7 70 39 30 16,0-21,0 100 55-70 116-170 -//- -//- 6755 1367 30 - -21
8 65 36 35 19-24,5 100 35-70 112-165 -//- -//- 6778 1371 35 - -24,5
9 60 33 40 22-28,0 100 55-70 108-160 -//- -//- 6800 1376 40 - -28
10 55 30 45 25-31,5 100 55-70 104-155 -//- -//- 6823 1380 45 - -31,5
11 50 27,5 50 27,5-35 100 55-70 100-150 -//- -//- 6846 1385 50 - -37,5
12 100 55-70 0 0 100 55-70 150-200 450-600 12,2-11,6 6620 1340 0 Ведение плавки целесо-
образно при минималь-
ной металлической и
коксовой колоше
13 100 55-70 5 2,75-3,5 105 57,75-73,5 157,5-210 -//- 12,8- - 6714 1354 5 2,75-3,5
14 100 55-70 10 5,5-7,0 110 60,5-77 165-220 -//- 13,4- - 6808 1370 10 5,5- -
15 100 55-70 15 8,25-10,5 115 63,25-80,5 172,5-230 -//- 14,0- - 6902 1384 15 8,25- -
16 100 55-70 20 11,0-14,0 120 66,0-84,0 180-240 -//- 14,6- - 6996 1398 20 11,0- -
17 100 55-70 25 13,75-17,5 125 68,75-87,5 187,5-250 -//- 15,2- - 7090 1413 25 13,75- -
18 100 55-70 30 10,5-21,0 130 71,5-91,0 195-260 -//- 15,8- - 7184 1427 30 16,5- -
19 100 55-70 35 19,25-24,5 135 74,05-94,5 202-270 -//- 16,5- - 7278 1442 35 19,25- -
BY6612U2010.10.30
6

7. Продолжение таблицы
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
20 100 70 0 0 100 70 200 500 14 6620 1400 0 0 Для перегрева чугуна
21 95 66,5 5 3,5 100 70 195 -//- -//- 6642,5 1404 5 3,5
22 90 63 10 7,0 100 70 190 -//- -//- 6665,2 1409 10 7,0
23 85 59,5 15 10,5 100 70 185 -//- -//- 6687,8 1414 15 10,5 Ведение плавки при
максимальной топлив-
ной и заниженной ме-
таллической колоше
24 80 56,0 20 14,0 100 70 180 -//- -//- 6710,4 1419 20 14,0
25 75 52,5 25 17,5 100 70 175 -//- -//- 6733 1424 25 17,5
26 70 49,0 30 21 100 70 170 -//- -//- 6755,6 1429 30 21,0
27 65 45,5 35 24,5 100 70 165 -//- -//- 6778,1 1433 35 24,5
28 60 42 40 28 100 70 160 -//- -//- 6801 1438 40 28,0
29 55 38,5 45 31,5 100 70 155 -//- -//- 6823 1443 45 31,5
30 50 35 50 35 100 70 150 -//- -//- 6846 1448 50 35,0
Прототип
31 100 55-70 0 0 100 55-70 150-200 450-600 12,2-11,6 6620 1340 0 0 Ведение плавки с по-
вышением металли-
ческой и топливной
колоши необоснованно
и нецелесообразно
32 100 55-70 25 13,75-17,5 125 68,7-87,5 187-250 562-750 15,2-14,5 7090 1413 25 13,75
33 100 55-70 50 27,5-35,0 150 82,5-105 225-367 675-900 18,3-17,4 7560 1486 50 27,5-35
34 100 55-70 100 55-70 200 110-140 300-490 900-1200 24,4-23,2 13692 - - -
7
BY6612U2010.10.30

8. BY 6612 U 2010.10.30
%мас.14
500
10070
=
⋅
.
При этом часть слоя 3 кокса заменяется слоем 4 антрацита (от 5 до 50 % по массе) с
сохранением начальной общей высоты hТК слоев топливной колоши в допустимых преде-
лах 200-150 мм.
Эти формы выполнения коксово-антрацитовых рабочих топливных колош наиболее
целесообразны при получении высокой температуры чугуна, например при получении
мелкого тонкостенного литья из белого чугуна в условиях некоторых производств.
В таблице (варианты 31-34), для сравнения, приведены расчетные данные по составам
коксово-антрацитовых топливных колош, принятых в качестве прототипа [3].
В отличие от рассмотренных выше и других возможных форм выполнения заявляемой
(таблица, варианты 1-30) рабочей топливной колоши, увеличение добавок слоя антрацита
от 25 до 100 мас. % сверх 100 мас. % слоя кокса сопровождается увеличением массы ме-
таллической колоши, например, от 450-600 до 900-1200 кг и расхода рабочей топливной
колоши от 12,2-11,6 до 24,4-23,2 % в расчете на массу металлической колоши при измене-
нии начальной общей высоты слоев топливной колоши от 150-200 до 300-490 мм.
Ведение плавок с повышением массы металлической колоши, увеличенным расходом
топливной колоши в расчете на массу металлической колоши и начальной общей высоты
слоев топливной колоши сверх установленных пределов нецелесообразно по приведен-
ным выше причинам.
В рассмотренном выше примере приведенные расчеты слоев топливных колош и топ-
ливных колош в целом и расход топливной колоши в расчете на массу металлической колоши
ориентированы на среднее качество кокса и антрацита и значения массы (соотношение
масс) и высоты слоев топливной колоши могут быть скорректированы при использовании
как высококачественного, так и низкокачественного кокса.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.