СодержаниеЗадание……………………………………………………………………3
1 Шахтные печи цветнойметаллургии .....................................4
1.1 Особенности тепловой работы...................................................4
1.2 Особенности теплообмена в слое ……………………………….…6
2 Конструкция и основные показатели работы ………………………11
2.1 Устройство печи ……………………………………………………12
Списокиспользованных источников …………………………………16
1 Шахтныепечи цветной металлургии
1.1Особенности тепловой работы
Тепловая работа шахтныхпечей цветной металлургии отличается рядом особенностей, обусловленных видом ипараметрами протекающих в них технологических процессов. Шахтные печи широкоприменяют на заводах цветной металлургии для плавки кусковой руды, брикетов,агломерата и различных промежуточных продуктов металлургического производства,имеющих кускообразную форму. Помимо этого шахтные печи используют дляпереплавки вторичных металлов и катодной меди. Конечным продуктом шахтнойплавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн иличерновой металл и шлак. При плавке кусковых материалов в печь сверхузагружается шихта вместе с твердым топливом, роль которого обычно выполняетвысококачественный кокс.
В зависимости от видаперерабатываемого материала топливные шахтные печи могут иметь двапринципиально различных режима работы, основанных на газогенераторном итопочном процессах. Печи, работающие на базе газогенераторного процесса,применяют для плавки окисленных руд и аналогичных им по составу шихтовыхматериалов. В них на участке сжигания топлива, наряду с генерацией тепла,протекают процессы образования газообразной восстановительной среды,содержащей большое количество оксида углерода (СО). Оксид углерода,образующийся в результате газогенераторного процесса, используется при плавкекак реагент для так называемого непрямого восстановления оксидов металлов,содержащихся в шихте. Прямым восстановителем является кокс. Однакоэнергозатраты на восстановление окислов при использовании в качестве реагентакокса, отнесенные к килограмму углерода, в 2,45 раза выше, чем в случаеприменения оксида углерода.
Шахтные печи с режимомработы на базе топочного процесса применяют для переработки сульфидныхматериалов и переплавки вторичных металлов и катодной меди. В печах для плавкисульфидов кислород дутья используется при горении топлива и как реагент для окислениячасти сульфидов железа и элементарной серы, выделившейся при термическомразложении минералов. В печи, таким образом, поддерживается окислительнаяатмосфера. В шахтных печах, применяемых для переплавки вторичных металлов икатодной меди, газовая фаза не является реагентом технологического процесса.Для того чтобы предотвратить угар металла, в рабочем пространстве печи обычноподдерживается восстановительная атмосфера. Однако образование большихколичеств оксида углерода в процессе горения топлива является нежелательнымявлением, так как оно сопровождается значительным потреблением тепла.
Шахтные печи цветнойметаллургии являются агрегатами непрерывного действия с режимом работы,характеризующимся неизменностью во времени основных параметров теплового итемпературного режимов плавки. Конкретные значения параметров находятся внепосредственной зависимости от вида протекающего в печи технологическогопроцесса и состава перерабатываемого сырья. В качестве примера рассмотримпроцессы, осуществляемые в наиболее распространенных шахтных печах, применяемыхна никелевых и свинцовых заводах.
Тепловая работа шахтныхпечей для плавки никельсодержащего сырья отличается крайней сложностью, и ееколичественная оценка базируется на анализе теплового баланса процесса.Примерно 95—97 % тепла, используемого в зоне технологического процесса,поступает в нее при горении твердого топлива и 3—5 % в процессешлакообразования. Эта энергия распределяется среди продуктов плавки следующимобразом: примерно 40—45% расходуется на нагрев и расплавление шихты; 12—14 % —на осуществление эндотермических реакций и 21—22 % отводится с газообразнымипродуктами сгорания топлива и техническими газами. Потери тепла на нагрев водыв кессонах составляют около 22 – 24 %.Температурный режим плавки пока еще неподдается расчету и выбирается опытным путём. При определении его параметровнеобходимо учитывать, что протекающие в печи процессы нагрева и расплавленияшихты сопровождаются многочисленными экзотермическими реакциями. К экзотермическимреакциям относятся, в основном, углерода и шлакообразование.
Эндотермические реакциипротекают в широком диапазоне температур и могут быть условно разделены на тригруппы, к которым относятся: образование газообразного реагента-восстановителя,состоящего из оксида углерода; диссоциация содержащихся в шихте основных флюсови сульфидирующих компонентов; восстановление оксидов и сульфидированиепереходящих в штейн металлов.
Газообразные продуктысгорания топлива, фильтруясь через слой шихтовых материалов, поднимаются вверхпо шахте и постепенно охлаждаются за счет того, что в процессе теплообменапередают тепло шихте и активно участвуют в эндотермических реакциях.Восстановление диоксида углерода (СО2) начинается сразу же после выхода газовиз зоны горения и продолжается до тех пор, пока они не охладятся до 700 °С.Образующийся в этих условиях оксид углерода взаимодействует с оксидамисодержащихся в шихте металлов. Наиболее интенсивно протекает восстановлениеоксида никеля, начинающееся при 250—300 °С. Для восстановления магнетита дооксида железа, имеющего большое значение в процессах формирования шлака,необходимы температуры свыше 900 °С и концентрация оксида углерода в газовойфазе не менее 23 %.
Тепло, полученноематериалом слоя в процессе теплообмена, расходуется на нагрев и плавлениешихты, а также на диссоциацию и сульфидирование. Диссоциация известняка исульфидирующих реагентов типа пирита происходит при температурах свыше 600—650°С. Реакции сульфидирования металлов идут в широком интервале температур от 800до 1300 °С.
В нижней части шахты, гденакапливаются жидкие продукты плавки, температурный режим определяетсяусловиями наиболее полного разделения шлака и штейна. Температура шлака, какправило, поддерживается на уровне 1400 °С, температура штейна во многом зависитот его состава. С уменьшением содержания серы в штейне его температура должнаувеличиваться, чтобы избежать настылеобразования, связанного с выпадениемкристаллов ферроникеля. Например, при концентрации серы в штейне около 15 %выделение кристаллов ферроникеля начинается при 1250 0С, а для штейна,содержащего 21 % серы — при 1100°С.
В шахтных печах свинцовыхзаводов плавят сырьевые материалы (агломерат), содержащие свинец в формелегковосстановимых оксидных соединений. В результате их переработки получаютчерновой металл, в который переходят также медь, олово, висмут, золото, сереброи некоторые другие компоненты шихты. Трудновосстановимые оксиды, например,железа и цинка, соединяясь с диоксидом кремния, переходят в шлак. Помимооксидов металлов в шихте содержится небольшое количество сульфидных соединении,которые при плавке могут образовывать самостоятельную фазу — штейн и шпейзу.
Восстановление оксидасвинца начинается практически сразу после того, как шихта попадает в печь притемпературе 160 — 180 0С. Интенсивность этого процесса нарастает по мерепрогревания шихты, достигая максимального значения при температурax порядка 750—1000 °С. Плавление шихтыначинается задолго завершения процессов восстановления. Эвтектики сплав свинцаи меди плавятся при 550 °С, смесь оксидов свинца и сурьмы при 550 °С, ферритысвинца при 752 °С и т. д.
Легкоплавкая жидкая фазаобразуется уже в верхних частях шахты и движется вниз гораздо быстрее, чем слойтвердого материала. На своем пути она вступает в многочисленные технологическиереакции с твердой шихтой и коксом. В результате в центральной части печи слой восновном состоит из кокса и остатков нерасплавившейся шихты. Между ними идетинтенсивное взаимодействие, протекающее с. потреблением большого количества тепла,и поэтому температура на этом участке зоны технологического процесса невелика исоставляет примерно 1300—1350 0С. То, что значительная часть оксидоввосстанавливается непосредственно углеродом, влечет за собой некоторыйперерасход кокса. В нижних частях шахты, где в зону технологического процессаподается газообразный окислитель (воздух, или дутье, обогащенное кислородом),до 75 % площади поперечного сечения печи занято коксом, свободным от шихты(коксовая постель). Температура здесь достигает 1400—1450 °С. Жидкие продуктыплавки на выходе из печи имеют существенно более низкую температуру: шлакпорядка 1200 °С, штейн 1000—1050 °С.
1.2Особенности теплообмена в слое
Топливные печи широкоприменяются в цветной металлургии. К исследованию теплообмена в условиях слоякусковых материалов, двигающихся навстречу потоку газов, как это имеет место вшахтных печах, многие десятилетия привлечено внимание ученых и инженеров. Внашей стране наиболее значительные работы в этой области выполнены воВсесоюзном научно-исследовательском институте металлургической теплотехники(ВНИИМТ) и Уральском политехническом институте.
Теплообмен в слоепредставляет собой крайне сложный случай теплообмена. Плотный слой образуетсякусками различной формы и размеров, имеющими различные теплофизические свойства.Сложный характер движения кусков значительно затрудняет определение реальнойповерхности теплообмена. Различная величина зазоров между кусками влияет нетолько на особенности омывания их газами, но делает неразделимыми процессы теплопроводности,излучения и конвекции, действующие в слое. Поэтому приходится применять общийкоэффициент, учитывающий все три вида теплообмена. Из-за неопределенностиповерхности теплообмена более удобно использовать объемный коэффициенттеплоотдачи αv [Вт/(м3 ∙К). Связь его с обычным коэффициентом теплоотдачи α [Вт/(м2 ∙ К)выражается следующим образом: αv = αF, где F – поверхность нагрева, заключенная в1 м3 слоя кусковых материалов, м2.
Кроме того, слой кусковыхматериалов характеризуется порозностью f, которая представляет собой отношение объема пустот кполному объему слоя. Для двигающегося слоя, перемещающегося вертикально сверхувниз по высоте какой-то шахты Н, используют понятие объемного напряжениясечения шахты р [м3/(м2∙с)], показывающего, какой объем кусковыхматериалов перемещается через 1 м2 сечения шахты в течение 1 ч, т е. Н = pt, где t— время полного перемещения сверху вниз, с.
Как уже подчеркивалось,шихтовые материалы в слоевых печах обычно имеют самые разнообразные размеры итеплофизические свойства. Мелкие куски, например, железорудного сырья,обладающие относительно высокой теплопроводностью, приближаются по свойствам ктермически тонким телам, а крупным кускам агломерата и особенно известнякаприсущи свойства, характерные массивным в тепловом отношении телам. Врезультате этого необходимо выполнять анализ условий нагрева кусков шихты вочень широком диапазоне значений их теплового сопротивления. Очень часто вшахтных печах нагрев слоя кусков шихты происходит в условиях наличия источников(стоков) тепловой энергии.
В большинстве шахтныхпечей движение шихты и газов происходит по принципу противотока.
Рассмотрим, следуяработам Б. И. Китаева, ряд наиболее важных аспектов теплообмена в плотном слоепри противотоке. Общее уравнение теплового баланса можно написать следующимобразом:
/>, (1)
где Gм и Gг — массовый расход соответственно нагреваемого материала иохлаждающихся газов, кг/ч; см и сr — теплоемкостьматериала и газов, кДж/(кг∙К); dTм и dTг — изменение температуры материала игазов, К.
Применяя водяныеэквиваленты, это выражение можно записать так:
/>, (2)
Очевидно, что изменениетемператур dTм и dTг будет зависеть от соотношения между величинами Wм и Wг. Возможны три случая такого соотношения, изображенные на(рисунке 1).
В первом случае, когда Wг > Wм, конечная температура нагреваемого материала (обозначенияясны из рисунка 1) практически достигает начальной температуры газов. Газы прилюбой высоте слоя не могут отдать всего своего тепла нагреваемому материалу и выходятиз состояния теплообмена с высокой конечной температурой, что является неизбежным.
При Wг = Wм и dТг = dТм охлаждение газов на 1 °Собеспечивает нагрев металла также на 1 0С. Следовательно, на всей высоте слояразность температур между Тг и Тм будет одинаковой, что обеспечиваетпрямолинейный характер изменения этих температур по высоте слоя.
Если Wг
нагреть материал доначальной температуры газов.
Как будет показано ниже,в разных частях шахтной печи возможны случаи, когда Wг > Wм и Wм > Wг, поэтому рассмотрим подробнее теплообмен при Wг > Wм сначала для случая термически тонких кусков. С этой цельювыделим элементарный участок слоя, через который в единицу времени проходитобъем материала Vм с поверхностью F.
Количество тепла,переданное материалу, может быть записано следующим образом:
/>, (3)
где α — коэффициенттеплоотдачи от газов к поверхности кусков, Вт/(м2 ∙ К).
При отсутствии тепловыхпотерь для противотока характерно, что в любом сечении по высоте слоя (рисунок1).
/>, (4)
откуда />/> (5)
Подставив выражение (5) вуравнение (3), можно получить после соответствующих преобразований неходкоедифференциальное уравнение
/> (6)
решением которого будет
/> (7)
Из последнего выражения следует, что при t=∞ (высота слоя ∞) температура кусков материалана выходе из слоя Т''м достигнет температуры газов на входе в слоя Т'г. Еслиучесть, что для этого момента времени Т'г ≈ Т''м, то из выражения (5)можно получить:
/> (8)
Учитывая, что αv=αF, t = H/p и Gм cм /Vм = cм pнас (pнас – плотность насыпного слоя) и, перейдя к безразмернойформе, можно записать следующее выражение для условий завершенного теплообмена(Т'г ≈ Т''м) при Wг> Wм:
/> (9)
Приведенные вышевыражения устанавливают связь между всеми основными величинами, определяющимиизменение температуры материала в слое и температуры газов.
Для случая Wм > Wг, аналогичныерассуждения приводят к выражению:
/>
Уместно напомнить, чтовсе вышеприведенные рассуждения относятся к нагреву кусков, представляющихсобой термически тонкие тела, т. е. без учета внутреннего теплообмена в кусках.В действительности реальные куски могут не быть термически тонкими телами, т.е. не будет иметь место равенство />, где />, /> — время прогрева кусковсоответственно с реальной и с бесконечно большой теплопроводностью. Для реальныхкусков можно говорить о какой-то условной величине отношения />/ />, которое будет зависетьот критерия Bi. Поскольку куски бесформенны, тодля них практически невозможно определить точно величину линейного размера,входящего в критерий Bi.Если с определенной степенью приближения считать, что куски имеют форму шара,то
/>
где Bi = />; R – радиус шара.
После соответствующей подстановкив уравнение (7) можно получить выражение
/>
которое позволяет делатьнеобходимые расчеты нагрева слоя, состоящего реальны кусков.
Bo все приведенные выражения,естественно, входят величины коэффициентов теплоотдачи, которые определяютсяэкспериментальным путем.
Большой практическийинтерес представляет определение гидравлического сопротивления слоя.Хаотическое распределение кусков неопределенность сечений для прохода газов — все это делает возможным, по существу, лишь эмпирический путь исследования этихвопросов. В результате неопределенности формы и размеров пор между кускамиопределения отдельных элементов местных сопротивлений выполнить невозможно, поэтомуони учитываются общим коэффициентом Ксл, входящим в нижеприведенную формулу дляопределения потерь напора в слое, Па:
/>
где Ксл — 4ξ (Н/dэкв); wоб — скорость, отнесенная к общему сечению шахты, м/с; f — порозность слоя; рг — плотностьгазов, кг/м3; Н — высота слоя, м; dэкв — эквивалентный диаметр, м; dэкв = (0,45÷0,47) d; d — средний диаметр кусков слоя, м;ξ – коэффициент сопротивления, зависящий от критерия Re и определяемый при турбулентномрежиме при 250
Турбулентный режим в слоенаступает при низких значениях критерия Re. Это объясняется турбулизацией потока при внезапныхрасширениях и сужениях, резких поворотах при прохождении газа через слойкусковых материалов.
2 Конструкцияи основные показатели работы
2.1Устройство печи
Шахтные печи, применяемыедля переработки одного и тем более разных видов сырья, могут существенноотличаться друг от друга профилем и размерами шахты, числом дутьевых устройств(фурм) и рядом других параметров. Однако для всех печей характерен единыйпринцип работы, что позволяет осуществлять компоновку агрегата из практическиодинаковых конструктивных элементов, к которым относятся горн, шахта, колошники шатер. В ряде случаев к печи может примыкать внешний обогреваемый отстойник(передний горн), используемый для разделения жидких продуктов плавки.
Конструкцию конкретногоагрегата удобнее всего рассмотреть на примере широко распространенной впромышленности шахтной печи свинцовой плавки прямоугольной формы (рисунок 2).
Горн печи, повторяющийформу и размеры шахты на уровне фурм, сооружают из огнеупорного кирпича иустанавливают на массивном бетонном фундаменте. Изнутри горн футеруют хромомагнезитовымкирпичом, стойким по отношению к агрессивному воздействию расплавленной среды, длявнешней кладки используют шамот. Снаружи горн заключен в сварной кож листовойстали. Сверху на стенки горна укладывают и приваривают к кожуху массивныеметаллические плиты, служащие основанием для установки и крепления кессонов.
В условиях непрерывноработающей печи горн всегда заполнен расплавом. Внизу на лещади, выполненной ввиде обратной арки, скапливается свинец, над которым располагаются штейн ишлак. Выпуск свинца организуется непрерывно через один или (для больших печей)два сифона, примыкающих к боковой стенке печи. Они представляют собой небольшуюфутерованную огнеупорным кирпичом камеру-копильник, соединенную с внутреннимпространством горна специальным каналом. Шлак из печи выпускается периодическипо мере накопления через специальные шпуровые отверстия в медныхводоохлаждаемых кессонах, установленных в торцевой стенке горна. Для большихпечей при получении легкоплавких, жидкотекучих шлаков может быть организованнепрерывный сифонный выпуск.
Шахта печи состоит изкессонов, представляющих собой плоские металлические коробки шириной 0,6—0,9 ми высотой 1,5—6,0 м, охлаждаемые проточной водой. В последнее время кессоны восновном оборудуют системой испарительного охлаждения. Обычно устанавливают дваряда кессонов. Нижние или фурменные кессоны крепят друг к другу болтами иустанавливают на основании с небольшим (3—5°) наклоном к вертикальнойплоскости, образуя так называемые заплечики, воспринимающие активное давлениеслоя, находящегося в печи материала. Кессоны торцевых стен устанавливаютвертикально. Верхнюю часть второго ряда кессонов крепят с помощью домкратов,опирающихся на специальную балку, опоясывающую печь по периметру и жесткосоединенную с отсечным каркасом. Для уплотнения зазоров между кессонамииспользуют шнуровой асбест.
На высоте 300 мм отнижней кромки кессонов первого ряда расположены отверстия, в которые вставляютметаллические водоохлаждаемые фурмы, заглубляемые в рабочее пространство печина 200—300 мм. Фурмы имеют в диаметре 100—125 мм и устанавливаются в один режев два ряда. Ширину печи на уровне фурм выбирают таким образом, чтобы воздух,подаваемый в печь под давлением порядка 20 кПа, достигал центра слоя. Обычноона составляет от 1,3 до 1,9 м. Длина печи зависит от ее производительности иколеблется в пределах от 2,5 до 26 м.
Колошником называетсяверхняя часть печи, расположенная над шахтой. Он сооружается из металлическихплит, при необходимости футеруемых огнеупорным кирпичом. Колошник служит дляразмещения устройств загрузки перерабатываемых материалов, которые могут бытьрасположены в центре или вдоль боковых стен печи. Предпочтение отдается, какправило, боковой загрузке, так как в этом случае крупные куски материала располагаютсяв центре слоя, что способствует увеличению его газопроницаемости и улучшениюаэродинамических характеристик печи. При боковой загрузке с одной или двухпродольных стен колошника расположены несколько (3÷4) загрузочных окон,обоснованных двухшиберными устройствами. Сначала открывают, наружный шибер и вприемную камеру загружают порцию (колошу) агломерата или кокса. Затем закрываютнаружный и открывают внутренний водоохлаждаемый шибер, и материал по наклоннойплоскости сползает в шахту.
Шатер накрывает колошник,выполняя функции газоотводящей и сепарационной камеры. В куполе шатра имеютсядва-три отверстия, соединенные с металлическим газоходом. Внутреннююповерхность заключенного в металлический кожух шатра футеруют огнеупорнымкирпичом. На шахтных печах, применяемых для переработки шихт с большимсодержанием цинка, применяют в основном шатры, изготовленные из металлическихкессонов, охлаждаемых водой. Такая конструкция позволяет значительно облегчитьочистку стен от пыли и настылей.
Сложность тепло — имассообменных процессов, протекающих в шахтных печах, и отсутствие надежныхданных о теплофизических характеристиках перерабатываемых в них материалов взначительной степени ограничивают возможность применения расчетных методов приоценке тепловой работы этих агрегатов. В настоящее время эффективность работышахтных печей оценивается в основном на базе статистической обработкипроизводственных данных.
Важнейшими показателямиработы печи являются ее удельная производительность, которую рассчитывают поколичеству проплавляемой в течение суток шихты, отнесенному к 1 м2 площадисечения печи в области фурм, и удельный расход топлива (кокса), определяемый впроцентах от массы перерабатываемой шихты. Широкие пределы изменения этихпоказателей в условиях одного технологического процесса обусловлены, какправило, различиями в химическом и фракционном составе сырья качеством применяемоготоплива и характером дутья. Например, при свинцовой плавке высота слоя взависимости от фракционного состава материала может изменяться от 2,5 до 6,0 м.Удельная производительность и расход топлива в зависимости от его химическогосостава колеблются соответственно в пределах от 35 до 100 т/м2 в сутки и от 8до 13 %. Отходящие газы шахтной печи свинцовой плавки имеют температуру порядка250-400 0С. Они содержат большое количество пыли, являющейся полиметаллическимсырьем, направляемым после очистки газов в металлургическое производство.
Списокиспользованных источников
1 Кривандин В.А.Металлургическая теплотехника – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн.наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 590 с.