Зміст
1.1 Загальні відомості
2. Відбивні печі для плавки мідного концентрату на штейн
2.1 Основні характеристики
2.2 Тепловий і температурний режими роботи
Список використаних джерел
1 Плавильні полум'яні печі
1.1 Загальні відомості
Плавильні полум'яні печі широко застосовують у кольоровій металургії при виробництві міді, нікелю, олова та інших металів. За енергетичним ознакою ці агрегати відносяться до класу печей теплообмінників з радіаційним режимом теплової роботи, завдяки чому вони називаються відбивними печами. За призначенням вони поділяються на дві великі групи: печі для переробки мінеральної сировини, основними представниками яких є відбивні печі для плавки сульфідних мідних концентратів на штейн, і печі, призначені для рафінувальні плавки металів.
Відбивна піч для плавки на штейн є універсальним агрегатом з тривалістю кампанії від 1-2 до 6 років. У ній можна плавити різноманітні за складом і фізичними характеристиками матеріали, основу яких становить сира (підсушена) шихта. Велика ємність печі, в якій одночасно знаходиться близько 900-1000 т розплавленого матеріалу дозволяє підтримувати стабільні теплотехнічні параметри плавки при значних коливаннях в продуктивності попереднього (підготовка шихти) і наступного (конвертація штейнів) за відбивної плавкою переділів. До основних недоліків відбивних печей слід віднести відсутність очищення димових газів від пилу і сірчистого ангідриду і порівняно висока питома витрата палива.
До теперішнього часу відбивні печі залишаються основними агрегатами на мідеплавильних заводах. Однак з підвищенням вимог до комплексного використання сировини та охорони навколишнього середовища, перспективи їх подальшого використання істотно знизилися. Крім того, у відбивних печах практично не використовується тепло, що отримується при окисленні сірки, що виділяється при розкладанні сульфідних мінералів. Тому останнім часом здійснюється поступова заміна відбивних печей більш досконалими агрегатами для автогенного плавки мідних концентратів на штейн.
Відбивні печі, в яких проводиться очищення металів від домішок, носять назви, що відображають сутність протікають у них технологічних процесів. Наприклад, печі, застосовувані для отримання спеціальних виливків - анодів, які використовують в подальшому процесі електролітичного рафінування міді, називають анодними печами. Це малопродуктивні плавильні агрегати періодичної дії, в яких переробляється тверда і рідка чорнова мідь, причому рідку чорнову мідь подають в піч ковшем безпосередньо з конвертера. Так звані вайербарсовие печі відрізняються від анодних тільки тим, що в них переробляються катоди, отримані в процесі електролізу, а також відходи червоною і електролітної міді.
2. Відбивні печі для плавки мідних концентратів на штейн
2.1 Основні характеристики
Конструкції печей для плавки на штейн різняться в залежності від площі поду, складу і виду сировини, що переробляється, способу опалення і застосовуваного палива. У світовій практиці зустрічаються агрегати з площею поду 300-400 м 2, проте найбільшого поширення набули печі, площа поду яких близько 200-240 м 2. Основні характеристики відбивних печей наведені в (таблиці 1).
Технічна характеристика відбивних печей для плавки мідних сульфідних концентратів на штейн.
Відбивні печі працюють в основному на газовому, рідше газомазутних і вкрай рідко на пиловугільного палива. Для інтенсифікації процесів горіння палива на деяких підприємствах використовують дуття, збагачене киснем. Для більшості печей застосовують торцеву подачу палива, на ряді агрегатів торцеву подачу комбінують зі склепінчасті опаленням. При торцевому опаленні зазвичай використовують комбіновані газомазутні пальники, продуктивність яких по природному газу становить 1100-1600 м 3 / год, по мазуту - до 300 кг / ч. Основне призначення мазуту - підвищення ступеня чорноти газового факела. У тих випадках, коли немає необхідності в інтенсифікації зовнішнього теплообміну в робочому просторі відбивної печі, пальники такого типу успішно працюють на одному природному газі.
У залежності від продуктивності агрегату на печі встановлюють від 4 до 6 пальників. Таке ж число пальників встановлюють на печі і при пиловугільним опаленні. Пиловугільні пальники типу «труба в трубі» працюють з коефіцієнтом витрати повітря порядку 1,1-1,2 і забезпечують гарне перемішування паливоповітряної суміші.
При комбінованому опаленні відбивних печей на зводі печі можуть бути встановлені Плоскополум'яні радіаційні пальники типу ГР, що працюють на природному газі з використанням холодного і підігрітого до 400 ° С повітря.
Основними елементами відбивної печі (малюнок 1) є: фундамент, під, стіни і склепіння, які в сукупності утворюють робочий простір печі, пристрої для подачі шихти, випуску продуктів плавки і спалювання палива; система відводу димових і технологічних газів, борів і димова труба. Фундамент печі являє собою масивну бетонну плиту товщиною 2,5-4 м, верхня частина якої виконана з жароміцного бетону. У фундаменті зазвичай є вентиляційні канали та оглядові проходи. Робочий простір є основною частиною печі, тому що в ньому протікає технологічний процес і розвиваються високі температури (1500-1650 ° С). Подина (поду) виконується у вигляді зворотного склепіння, товщиною 1,0-1,5 м. Для кислих шлаків як вогнетривких матеріалів при кладці пода і стін печі використовують Дінас, для основних шлаків - хромомагнезіт. Товщина стін на рівні ванни 1,0-1,5 м, над ванною -0,5-0,6 м. Для теплоізоляції стін зазвичай використовують легковагий шамот. Відстань між бічними стінами (ширина печі) залежно від конструкції агрегату змінюється в межах 7-11 м, між торцевими стінами (довжина печі) 28-40 м.
Рисунок 1 - Загальний вид відбивної печі для плавки на штейн
1 - ванна, 2 - звід; 3 - каркас, 4 - завантажувальний пристрій, 5 - похилий газохід; 6 - вікно для випуску шлаку; 7-шпур для випуску штейну; 8 - фундамент; 9 - Подина; 10 - стіна
Звід печі є найбільш відповідальним елементом її
конструкції, так як про стійкість залежить тривалість кампанії печі. Звід має товщину 380-460 мм і викладається з спеціального магнезітохромітового і періклазошпінелідного цегли. Як правило, використовують распорно-підвісні й підвісні склепіння. У бічних стін звід спирається на сталеві п'яткових балки. Для компенсації розпираючий зусиль створюваних ванної розплаву і склепінням, стіни печі укладені в каркас, що складається із стійок, розташованих через 1,5-2 м уздовж стін, скріплених поздовжніми і поперечними тягами. На кінцях тяги оснащені пружинами і гайками, які дозволяють компенсувати температурні розширення кладки.
Для завантаження шихти використовують спеціальні отвори, які працюють у зведенні через кожні 1,0-1,2 м уздовж бічних стін печі, в яких встановлені воронки з патрубками діаметром 200-250 мм. До завантажувальним воронок шихта подається стрічковими або скребковими транспортерами. У деяких випадках завантаження шихти проводиться за допомогою шнекових живильників або забрасивателей через вікна в бічних стінах печі. Завантажувальні отвори є по всій довжині печі, але шихта подається, як правило, тільки в плавильну зону.
Конвертерний шлак заливається в піч через вікно в торцевій стінці, розташоване над пальниками. Іноді для цього використовують спеціальні отвори в склепінні або вікна в бічних стінах, розташовані поблизу від передньої торцевої стінки печі. Для випуску штейну застосовують сифонні або спеціальні розбірні металеві шпурових пристрої з керамічними або графітовими втулками. Пристрої для випуску штейну розташовані у двох чи трьох місцях уздовж бічної стінки печі. Шлаки випускається періодично по мірі його накопичення через спеціальні вікна, розташовані в кінці печі в бічній або торцевій стінці на висоті 0,8-1,0 м від поверхні поду.
Відведення газів з робочого простору печі здійснюється через спеціальний газохід (аптейк), нахилений до горизонтальної площини під кутом 7-15 °. Нахилений газохід переходить в борів, який служить для відводу продуктів згоряння палива в котел-утилізатор або в димову трубу. Кабан являє собою горизонтально розташований газохід прямокутного перерізу, внутрішня поверхня якого викладена з шамоту, зовнішня - з червоної цегли.
Для утилізації тепла відхідних газів у збірному кабані відбивних печей встановлюють водотрубні котли-утилізатори, які обладнані спеціальними екранами, що дозволяють ефективно боротися з занесенням і ошлакования робочої поверхні котлів, що містяться в газах пилом і краплями розплаву. Для запобігання сернокислотной корозії металевих елементів температура газів на виході з котла повинна бути істотно вище 350 С. Після котла-утилізатора встановлюють металевий петлевий рекуператор, що дозволяє використовувати тепло газів, що виходять з котла, для нагріву дуттєвого повітря.
Основними достоїнствами відбивної плавки є: відносно невеликі вимоги до попередньої підготовки шихти (вологість, підвищений вміст дрібних фракцій і т. п.); висока ступінь вилучення міді в штейн (96-98%); незначний винесення пилу (1-1,5% ); підвищена продуктивність одиничного агрегату, що досягає до 1200-1500 т на добу по проплавляються шихті, а також високий коефіцієнт використання палива в печі, що складає в середньому близько 40-45%.
До недоліків процесу слід віднести низьку ступінь десульфурації (одержання порівняно бідних по міді штейнів) і велика питома витрата палива, що становить приблизно 150-200 кг у. т. на тонну шихти. Значна кількість димових газів на виході з печі обмежує можливість їх очищення та використання у сірчанокислотному виробництві з через низький вміст у них сірчистого ангідриду (2,5 / о).
2.2 Тепловий і температурний режими роботи
Відбивна піч для плавки на штейн є агрегатом безперервної дії з відносно постійними в часі тепловим і температурним режимами роботи. У ній здійснюється технологічний процес, що складається з двох послідовно протікають операцій: розплавлення шихтових матеріалів і поділу отриманого розплаву під дією сили тяжіння на штейн і шлак. Для збереження послідовності цих процесів, вони здійснюються в різних ділянках робочого простору печі. Протягом всієї роботи агрегату в ньому постійно перебувають тверда шихта і продукти плавки.
Схема розташування матеріалів у печі представлена на (малюнку 2). Шихтові матеріали розташовуються уздовж стін з обох сторін печі, утворюючи укоси, які закривають бокові стіни майже до склепіння на 2 / 3 їх довжини. Між укосами і в хвостовій частині печі розміщується ванна розплаву, яку умовно можна розділити на дві частини. Верхній шар займає шлак, нижній - штейн. У міру накопичення вони випускаються з печі. При цьому шлаковий розплав поступово переміщується вздовж агрегату і безпосередньо перед випуском потрапляє в так звану відстійну зону, вільну від укосів.
Технологічний процес в відбивної печі здійснюється за рахунок тепла, що виділяється в полум'я при горінні палива. Теплова енергія надходить на поверхню ванни і шихтових укосів в основному у вигляді потоку тепла випромінюванням від факела, склепіння та інших елементів кладки (~ 90%), а також конвекцією від розпечених продуктів згоряння палива (~ 10%). Теплообмін випромінюванням в плавильній зоні робочого простору печі розраховують за формулами:
У відстойної зоні укосів немає і теплообмін випромінюванням може бути розрахований за формулою
де С пр - приведений коефіцієнт випромінювання в системі газ - кладка - розплав.
Система рівнянь (1) - (2) являє собою опис так званої «зовнішньої» завдання. В якості незалежних змінних величин в рівняннях використовуються середні значення температур продуктів згоряння палива і теплосприймаючої поверхонь зводу укосів і ванни. Температура газів в печі може бути знайдена при розрахунках горіння палива. Температуру кладки визначають за дослідними даними, для чого зазвичай задаються величиною теплових втрат через звід (q до піт), вважаючи, що q до w = q до піт. Середні температури поверхонь укосів і ванни знаходять при вирішенні внутрішньої завдання, до якої належать питання тепло - і масопереносу, що протікає всередині зони технологічного процесу.
Нагрівання і розплавлювання шихти на укосах. До складу шихти в якості основних компонентів входять сульфідні мінерали міді та заліза, а також оксиди, силікати, карбонати та інші породообразующие з'єднання. Під дією високих температур ці матеріали нагріваються. Нагрівання супроводжується випаровуванням вологи, що міститься в шихті, розкладанням мінералів та іншими фізико-хімічними перетвореннями, зумовленими прийнятою технологією. Коли температура на поверхні завантажується шихти досягає приблизно 915 - 950 0 С, починають плавитися сульфідні сполуки, що утворюють штейн. Поряд з плавленням сульфідів триває нагрів інших матеріалів і при температурах порядку 1000 ° С в розплав починають переходити оксиди, що утворюють шлак. Інтервал температур плавлення основних шлаків становить 30-80 0 С. Зі збільшенням ступеня кислотності шлаку цей інтервал росте і може досягати 250-300 0 С. Повного розплавлення шлаку на укосах, як правило, не відбувається, тому що штейн і легкоплавкі з'єднання шлаку стікають з похилої поверхні укосів, тягнучи за собою інший матеріал. У період плавлення укоси покриті тонкою плівкою розплаву, температура якого постійна в часі і залежить в основному від складу шихти.
Процеси, які відбуваються на схилах, можна умовно розділити на два періоди, які включають у себе нагрівання поверхні завантаженої шихти до температури, при якій утворюється розплав починає стікати з укосів. При якій утворюється розплав починає стікати з відкосів, і подальше нагрівання шихти в поєднанні з плавленні матеріалу. Тривалість першого періоду визначається умовами зовнішньої задачі, приблизно однакова для всіх шихт становить близько 1,0-1,5 хв. Тривалість тільність другого періоду визначається умовами внутрішньої завдання. Вона обернено пропорційна величині щільності теплового потоку на поверхні укосів і прямо пропорційна товщині шару завантажується шихти. В умовах конкретної печі тривалість цього періоду залежить від способу завантаження і може становити від декількох хвилин до 1 - 2 ч. Після закінчення періоду плавлення на укоси завантажується нова порція шихти і процес повторюється.
Необхідно відзначити, що зі зменшенням інтервалу часу між завантаженнями знижується середня (у часі) температура поверхні укосів. Відповідно зростають щільність результуючого теплового потоку на цій поверхні і швидкість плавлення шихти. Максимальний ефект досягається тоді, коли цей інтервал можна порівняти за величиною з тривалістю першого періоду, тобто практично при безперервній завантаженні. Тому при конструюванні печі слід враховувати, що системи безперервної завантаження мають безперечну перевагу.
Завдання
1. Плавильні полум'яні печі1.1 Загальні відомості
2. Відбивні печі для плавки мідного концентрату на штейн
2.1 Основні характеристики
2.2 Тепловий і температурний режими роботи
Список використаних джерел
1 Плавильні полум'яні печі
1.1 Загальні відомості
Плавильні полум'яні печі широко застосовують у кольоровій металургії при виробництві міді, нікелю, олова та інших металів. За енергетичним ознакою ці агрегати відносяться до класу печей теплообмінників з радіаційним режимом теплової роботи, завдяки чому вони називаються відбивними печами. За призначенням вони поділяються на дві великі групи: печі для переробки мінеральної сировини, основними представниками яких є відбивні печі для плавки сульфідних мідних концентратів на штейн, і печі, призначені для рафінувальні плавки металів.
Відбивна піч для плавки на штейн є універсальним агрегатом з тривалістю кампанії від 1-2 до 6 років. У ній можна плавити різноманітні за складом і фізичними характеристиками матеріали, основу яких становить сира (підсушена) шихта. Велика ємність печі, в якій одночасно знаходиться близько 900-1000 т розплавленого матеріалу дозволяє підтримувати стабільні теплотехнічні параметри плавки при значних коливаннях в продуктивності попереднього (підготовка шихти) і наступного (конвертація штейнів) за відбивної плавкою переділів. До основних недоліків відбивних печей слід віднести відсутність очищення димових газів від пилу і сірчистого ангідриду і порівняно висока питома витрата палива.
До теперішнього часу відбивні печі залишаються основними агрегатами на мідеплавильних заводах. Однак з підвищенням вимог до комплексного використання сировини та охорони навколишнього середовища, перспективи їх подальшого використання істотно знизилися. Крім того, у відбивних печах практично не використовується тепло, що отримується при окисленні сірки, що виділяється при розкладанні сульфідних мінералів. Тому останнім часом здійснюється поступова заміна відбивних печей більш досконалими агрегатами для автогенного плавки мідних концентратів на штейн.
Відбивні печі, в яких проводиться очищення металів від домішок, носять назви, що відображають сутність протікають у них технологічних процесів. Наприклад, печі, застосовувані для отримання спеціальних виливків - анодів, які використовують в подальшому процесі електролітичного рафінування міді, називають анодними печами. Це малопродуктивні плавильні агрегати періодичної дії, в яких переробляється тверда і рідка чорнова мідь, причому рідку чорнову мідь подають в піч ковшем безпосередньо з конвертера. Так звані вайербарсовие печі відрізняються від анодних тільки тим, що в них переробляються катоди, отримані в процесі електролізу, а також відходи червоною і електролітної міді.
2. Відбивні печі для плавки мідних концентратів на штейн
2.1 Основні характеристики
Конструкції печей для плавки на штейн різняться в залежності від площі поду, складу і виду сировини, що переробляється, способу опалення і застосовуваного палива. У світовій практиці зустрічаються агрегати з площею поду 300-400 м 2, проте найбільшого поширення набули печі, площа поду яких близько 200-240 м 2. Основні характеристики відбивних печей наведені в (таблиці 1).
Технічна характеристика відбивних печей для плавки мідних сульфідних концентратів на штейн.
| Параметри | Характеристика печей з площею поду, м2 | ||||
| 182 * 1 | 190 * 3 | 225 * 1 | 240 * 3 | 240 * 2 | |
| Основні розміри печі, м: довжина по ванні ширина по ванні висота від поду до зводу Глибина ванни, м Конструкція подини Спосіб випуску штейну | 31,8 7,8 2,6 0,8 | 31,8 8,0 2,4 1,1 | 32,8 7,6 2,6 1,0 | 30,6 8,0 3,2 1,0 | 30,0 8,0 3,8 0,9 |
| Набивна Сифонний | Арочна Через шпури | ||||
| * 1 Звід арочний з магнезітохроміта. * 2 Звід арочний з динасів. * 3 Звід распорно-підвісної з магнезітохроміта. | |||||
У залежності від продуктивності агрегату на печі встановлюють від 4 до 6 пальників. Таке ж число пальників встановлюють на печі і при пиловугільним опаленні. Пиловугільні пальники типу «труба в трубі» працюють з коефіцієнтом витрати повітря порядку 1,1-1,2 і забезпечують гарне перемішування паливоповітряної суміші.
При комбінованому опаленні відбивних печей на зводі печі можуть бути встановлені Плоскополум'яні радіаційні пальники типу ГР, що працюють на природному газі з використанням холодного і підігрітого до 400 ° С повітря.
Основними елементами відбивної печі (малюнок 1) є: фундамент, під, стіни і склепіння, які в сукупності утворюють робочий простір печі, пристрої для подачі шихти, випуску продуктів плавки і спалювання палива; система відводу димових і технологічних газів, борів і димова труба. Фундамент печі являє собою масивну бетонну плиту товщиною 2,5-4 м, верхня частина якої виконана з жароміцного бетону. У фундаменті зазвичай є вентиляційні канали та оглядові проходи. Робочий простір є основною частиною печі, тому що в ньому протікає технологічний процес і розвиваються високі температури (1500-1650 ° С). Подина (поду) виконується у вигляді зворотного склепіння, товщиною 1,0-1,5 м. Для кислих шлаків як вогнетривких матеріалів при кладці пода і стін печі використовують Дінас, для основних шлаків - хромомагнезіт. Товщина стін на рівні ванни 1,0-1,5 м, над ванною -0,5-0,6 м. Для теплоізоляції стін зазвичай використовують легковагий шамот. Відстань між бічними стінами (ширина печі) залежно від конструкції агрегату змінюється в межах 7-11 м, між торцевими стінами (довжина печі) 28-40 м.
Рисунок 1 - Загальний вид відбивної печі для плавки на штейн
1 - ванна, 2 - звід; 3 - каркас, 4 - завантажувальний пристрій, 5 - похилий газохід; 6 - вікно для випуску шлаку; 7-шпур для випуску штейну; 8 - фундамент; 9 - Подина; 10 - стіна
Звід печі є найбільш відповідальним елементом її
конструкції, так як про стійкість залежить тривалість кампанії печі. Звід має товщину 380-460 мм і викладається з спеціального магнезітохромітового і періклазошпінелідного цегли. Як правило, використовують распорно-підвісні й підвісні склепіння. У бічних стін звід спирається на сталеві п'яткових балки. Для компенсації розпираючий зусиль створюваних ванної розплаву і склепінням, стіни печі укладені в каркас, що складається із стійок, розташованих через 1,5-2 м уздовж стін, скріплених поздовжніми і поперечними тягами. На кінцях тяги оснащені пружинами і гайками, які дозволяють компенсувати температурні розширення кладки.
Для завантаження шихти використовують спеціальні отвори, які працюють у зведенні через кожні 1,0-1,2 м уздовж бічних стін печі, в яких встановлені воронки з патрубками діаметром 200-250 мм. До завантажувальним воронок шихта подається стрічковими або скребковими транспортерами. У деяких випадках завантаження шихти проводиться за допомогою шнекових живильників або забрасивателей через вікна в бічних стінах печі. Завантажувальні отвори є по всій довжині печі, але шихта подається, як правило, тільки в плавильну зону.
Конвертерний шлак заливається в піч через вікно в торцевій стінці, розташоване над пальниками. Іноді для цього використовують спеціальні отвори в склепінні або вікна в бічних стінах, розташовані поблизу від передньої торцевої стінки печі. Для випуску штейну застосовують сифонні або спеціальні розбірні металеві шпурових пристрої з керамічними або графітовими втулками. Пристрої для випуску штейну розташовані у двох чи трьох місцях уздовж бічної стінки печі. Шлаки випускається періодично по мірі його накопичення через спеціальні вікна, розташовані в кінці печі в бічній або торцевій стінці на висоті 0,8-1,0 м від поверхні поду.
Відведення газів з робочого простору печі здійснюється через спеціальний газохід (аптейк), нахилений до горизонтальної площини під кутом 7-15 °. Нахилений газохід переходить в борів, який служить для відводу продуктів згоряння палива в котел-утилізатор або в димову трубу. Кабан являє собою горизонтально розташований газохід прямокутного перерізу, внутрішня поверхня якого викладена з шамоту, зовнішня - з червоної цегли.
Для утилізації тепла відхідних газів у збірному кабані відбивних печей встановлюють водотрубні котли-утилізатори, які обладнані спеціальними екранами, що дозволяють ефективно боротися з занесенням і ошлакования робочої поверхні котлів, що містяться в газах пилом і краплями розплаву. Для запобігання сернокислотной корозії металевих елементів температура газів на виході з котла повинна бути істотно вище 350 С. Після котла-утилізатора встановлюють металевий петлевий рекуператор, що дозволяє використовувати тепло газів, що виходять з котла, для нагріву дуттєвого повітря.
Основними достоїнствами відбивної плавки є: відносно невеликі вимоги до попередньої підготовки шихти (вологість, підвищений вміст дрібних фракцій і т. п.); висока ступінь вилучення міді в штейн (96-98%); незначний винесення пилу (1-1,5% ); підвищена продуктивність одиничного агрегату, що досягає до 1200-1500 т на добу по проплавляються шихті, а також високий коефіцієнт використання палива в печі, що складає в середньому близько 40-45%.
До недоліків процесу слід віднести низьку ступінь десульфурації (одержання порівняно бідних по міді штейнів) і велика питома витрата палива, що становить приблизно 150-200 кг у. т. на тонну шихти. Значна кількість димових газів на виході з печі обмежує можливість їх очищення та використання у сірчанокислотному виробництві з через низький вміст у них сірчистого ангідриду (2,5 / о).
2.2 Тепловий і температурний режими роботи
Відбивна піч для плавки на штейн є агрегатом безперервної дії з відносно постійними в часі тепловим і температурним режимами роботи. У ній здійснюється технологічний процес, що складається з двох послідовно протікають операцій: розплавлення шихтових матеріалів і поділу отриманого розплаву під дією сили тяжіння на штейн і шлак. Для збереження послідовності цих процесів, вони здійснюються в різних ділянках робочого простору печі. Протягом всієї роботи агрегату в ньому постійно перебувають тверда шихта і продукти плавки.
Схема розташування матеріалів у печі представлена на (малюнку 2). Шихтові матеріали розташовуються уздовж стін з обох сторін печі, утворюючи укоси, які закривають бокові стіни майже до склепіння на 2 / 3 їх довжини. Між укосами і в хвостовій частині печі розміщується ванна розплаву, яку умовно можна розділити на дві частини. Верхній шар займає шлак, нижній - штейн. У міру накопичення вони випускаються з печі. При цьому шлаковий розплав поступово переміщується вздовж агрегату і безпосередньо перед випуском потрапляє в так звану відстійну зону, вільну від укосів.
Технологічний процес в відбивної печі здійснюється за рахунок тепла, що виділяється в полум'я при горінні палива. Теплова енергія надходить на поверхню ванни і шихтових укосів в основному у вигляді потоку тепла випромінюванням від факела, склепіння та інших елементів кладки (~ 90%), а також конвекцією від розпечених продуктів згоряння палива (~ 10%). Теплообмін випромінюванням в плавильній зоні робочого простору печі розраховують за формулами:
У відстойної зоні укосів немає і теплообмін випромінюванням може бути розрахований за формулою
де С пр - приведений коефіцієнт випромінювання в системі газ - кладка - розплав.
Система рівнянь (1) - (2) являє собою опис так званої «зовнішньої» завдання. В якості незалежних змінних величин в рівняннях використовуються середні значення температур продуктів згоряння палива і теплосприймаючої поверхонь зводу укосів і ванни. Температура газів в печі може бути знайдена при розрахунках горіння палива. Температуру кладки визначають за дослідними даними, для чого зазвичай задаються величиною теплових втрат через звід (q до піт), вважаючи, що q до w = q до піт. Середні температури поверхонь укосів і ванни знаходять при вирішенні внутрішньої завдання, до якої належать питання тепло - і масопереносу, що протікає всередині зони технологічного процесу.
Нагрівання і розплавлювання шихти на укосах. До складу шихти в якості основних компонентів входять сульфідні мінерали міді та заліза, а також оксиди, силікати, карбонати та інші породообразующие з'єднання. Під дією високих температур ці матеріали нагріваються. Нагрівання супроводжується випаровуванням вологи, що міститься в шихті, розкладанням мінералів та іншими фізико-хімічними перетвореннями, зумовленими прийнятою технологією. Коли температура на поверхні завантажується шихти досягає приблизно 915 - 950 0 С, починають плавитися сульфідні сполуки, що утворюють штейн. Поряд з плавленням сульфідів триває нагрів інших матеріалів і при температурах порядку 1000 ° С в розплав починають переходити оксиди, що утворюють шлак. Інтервал температур плавлення основних шлаків становить 30-80 0 С. Зі збільшенням ступеня кислотності шлаку цей інтервал росте і може досягати 250-300 0 С. Повного розплавлення шлаку на укосах, як правило, не відбувається, тому що штейн і легкоплавкі з'єднання шлаку стікають з похилої поверхні укосів, тягнучи за собою інший матеріал. У період плавлення укоси покриті тонкою плівкою розплаву, температура якого постійна в часі і залежить в основному від складу шихти.
Процеси, які відбуваються на схилах, можна умовно розділити на два періоди, які включають у себе нагрівання поверхні завантаженої шихти до температури, при якій утворюється розплав починає стікати з укосів. При якій утворюється розплав починає стікати з відкосів, і подальше нагрівання шихти в поєднанні з плавленні матеріалу. Тривалість першого періоду визначається умовами зовнішньої задачі, приблизно однакова для всіх шихт становить близько 1,0-1,5 хв. Тривалість тільність другого періоду визначається умовами внутрішньої завдання. Вона обернено пропорційна величині щільності теплового потоку на поверхні укосів і прямо пропорційна товщині шару завантажується шихти. В умовах конкретної печі тривалість цього періоду залежить від способу завантаження і може становити від декількох хвилин до 1 - 2 ч. Після закінчення періоду плавлення на укоси завантажується нова порція шихти і процес повторюється.
Необхідно відзначити, що зі зменшенням інтервалу часу між завантаженнями знижується середня (у часі) температура поверхні укосів. Відповідно зростають щільність результуючого теплового потоку на цій поверхні і швидкість плавлення шихти. Максимальний ефект досягається тоді, коли цей інтервал можна порівняти за величиною з тривалістю першого періоду, тобто практично при безперервній завантаженні. Тому при конструюванні печі слід враховувати, що системи безперервної завантаження мають безперечну перевагу.
Середня по масі швидкість плавлення матеріалу (кг / с) може бути визначена за формулою
де
Переробка матеріалів у шлакової ванні. У ванну надходить розплавлений матеріал з укосів і, крім того, зазвичай заливається конвертерний шлак, що містить приблизно 2-3% міді та інших цінних компонентів, які при плавці переходять в штейн. Вступники матеріали прогріваються у ванні до середньої температури міститься в ній розплаву, що супроводжується завершенням процесів формування шлаку, а також ендо - і екзотермічними реакціями, характер яких обумовлений технологією плавки. Витрачається на ці процеси тепло розподіляється наступним чином: нагрівання продуктів, що надходять з відкосів (Q 1) 15 - 20%; завершення процесів плавлення і освіти знову надходження шлаку (Q 2) 40 - 45%; прогрів конвертерного шлаку (Q 3) і ендотермічні реакції (відновлення магнетиту і т. п.) (Q 4) 35 - 40% і втрати тепла теплопровідністю через стіни і під печі 1%. Крім того, у ванні відбуваються екзотермічні процеси, пов'язані із засвоєнням кремнезему розплавом шлаку (Q 5). Сумарний ефект від протікання процесів, що йдуть зі споживанням тепла, віднесений до одиниці маси перероблюваної шихти
Процеси тепло - і масопереносу у ванні відрізняються крайньою складністю внаслідок поєднання конвекції і теплопровідності. Завдання можна істотно спростити, якщо врахувати, що температура крапель штейну, розподілених за обсягом шлаку, дорівнює температурі навколишнього їх розплаву. У цьому випадку можна припустити, що штейн фільтрується через відносно нерухомий шлак, у якому тепло передається теплопровідністю, і що краплі штейну практично приймають температуру в будь-якій точці ванни. З метою створення можливостей для математичного опису вкрай складних тепло - і масообмінних процесів, що протікають в шлакової ванні, були прийняті наступні необхідні припущення:
1. Завершення теплової обробки матеріалу, який надходить з укосів у ванну розплаву відбивної печі, відбувається в умовах, коли температурний режим ванни не змінюється в часі. Швидкість осадження крапель штейну вважається постійною, рівною среднемассовому питомій витраті штейну nG в у, де G в у - швидкість надходження матеріалу в ванну, що дорівнює кількості шихти проплавляються в одиницю часу на укосах і віднесена до одиниці поверхні ванни F B, кг / (м 2 -с); n - частка штейну в 1 кг шихти. Питома теплоємність штейну приймається рівною з шт.
2. Градієнти температур по довжині і ширині ванни (~ 1,0-1,5 ° С / м) незначні в порівнянні з градієнтами температур по її глибині (~ 300-400 ° С / м) і їх значеннями можна знехтувати, вважаючи поле температур в ванні одномірним.
3. Процеси тепло - і масопереносу у ванні супроводжуються
ендо - і екзотермічними реакціями, які можуть розглядатися як стоки і джерела тепла, розподілені по глибині ванни. Сумарний ефект від їх впливу дорівнює теплоспоживання шихти у ванні
де Q i (x) - інтенсивність процесів, що йдуть зі споживанням тепла, віднесена до одиниці маси проплавляються шихти, Дж / кг. Для апроксимації закону розподілу цієї величини по глибині ванни можна скористатися поліномом другого ступеня
де х - координата точок на осі, нормальній до поверхні ванни.
4. Зміст штейну в шлакової ванні невелика і тому
передбачається, що обіймав їм обсяг пренебрежимо малий у порівнянні з об'ємом ванни. Глибина ванни приймається рівною δ, середня температура шлаку, а також температури на верхній (х = 0) і нижньої (х = δ) межах шлакової ванни визначаються параметрами технологічного процесу і відповідно рівні Т СР ш., Т 0, Т δ.
При складанні диференціального рівняння переносу тепла в ванні відбивної печі (з урахуванням прийнятих припущень) її можна розглядати у вигляді плоскої пластини (шлаку) c коефіцієнтом теплопровідності, рівним коефіцієнту теплопровідності шлаку λ ш. Щільність теплового потоку всередині ванни в перетинах х і х + d х визначиться наступними рівняннями:
В умовах, коли температура по глибині ванни не змінюється в часі, зміна теплового потоку на ділянці dx відбувається внаслідок охолодження штейну і протікання ендо - і екзо термічних процесів, інтенсивність яких буде дорівнює:
тобто
або
де
При описі умов на кордонах шлакової ванни були використані рівняння теплового балансу шлакової та штейнових ванн, які мають вигляд:
де q пот - щільність теплового потоку на подині печі (втрати тепла теплопровідністю через під печі), Вт / м, Т СР шт - середня температури штейну, ° С.
Загальне рішення рівняння (4) має вигляд:
При аналізі внутрішньої задачі зручніше використовувати приватні рішення рівняння (4), що дозволяють обчислити середню температуру шлаку і штейну Т ср ш і температуру на межі розділу шлаку і штейну Т δ, вплив яких на параметри технологічного процесу досить добре вивчені.
Середня температура шлаку, обчислена при інтегруванні рівняння (5), визначиться за формулою:
Після знаходження постійних інтегрування С 1, С 2, С 3, С 4 з граничних умов і почленного підсумовування виразів (5) і (6) була отримана формула для розрахунку температури на межі розділу шлаку і штейну:
де до 1 - коефіцієнт, величина якого залежить від характеру розподілу стоків і джерел тепла у ванні. У залежності від виду функції Q t (x) величина k i змінюється в межах від нуля до одиниці.
У процесі експлуатації печі параметри температурного режиму ванни справляють істотний вплив на основні технологічні показники плавки. Наприклад, величина середньої температури шлакової ванни має безпосередній вплив на швидкість поділу продуктів плавки. Чим вона вища, тим менше в'язкість розплавленого шлаку і вище швидкість осадження штейну. Однак величина середньої температури шлаку обмежена значеннями температур на верхній і нижній межах шлакової ванни. Підвищення температури на межі розділу шлаку і штейну сприяє інтенсифікації процесів дифузії штейну (і разом з ним міді та інших цінних компонентів) в шлак і збільшення розчинності штейну в шлаковому розплаві. Зниження цієї температури до значень, при яких починає виділятися тверда фаза, веде до утворення охолодей на подині печі. Поверхня ванни знаходиться в безпосередньому контакті з пічними газами, тобто з окислювальним атмосферою. У цих умовах збільшення температури шлаку тягне за собою зростання хімічних втрат металу.
Таким чином, параметри температурного режиму ванн залежать від складу перероблюваної шихти, індивідуальні для кожної печі і визначаються дослідним шляхом у ході технологічних експериментів. Будь-яке відхилення від заданих параметрів приводить до підвищення вмісту металу в шлаку, що через велику виходу шлаку веде до суттєвих втрат металу. Разом з тим підвищення втрат металу зі шлаками за інших рівних умовах свідчить про порушення температурного та теплового режимів роботи відбивної печі.
Взаємозв'язок між температурним і тепловим режимами ванни може бути отримана з рівняння (7), для чого це рівняння необхідно представити у вигляді:
або
Фізичний сенс отриманих рівнянь полягає в наступному. Перший доданок в лівій частині рівняння (8) - це щільність теплового потоку, або питома теплова потужність, яка потрібна для повної теплової обробки матеріалів, що надходять на одиницю поверхні ванни. Друге і третє складові являють собою щільність сумарного теплового потоку теплопровідності і конвекції, який засвоюється цими матеріалами усередині ванни. Необхідно відзначити, що інтенсивність перенесення тепла конвекцією в ванні шлаку визначається кількістю і ступенем перегріву одержуваного штейну щодо середньої температури штейновой ванни і в умовах відбивної плавки при незмінних параметрах технологічного процесу є постійною величиною.
Кількість тепла, що підводиться до продуктів плавки за рахунок теплопровідності, в основному визначається характером розподілу стоків і джерел тепла (інтенсивності процесів споживання тепла) по глибині ванни. Чим ближче вони розташовані до поверхні ванни, тим більше тепла підводиться до них за рахунок теплопровідності і відповідно тим менше величина коефіцієнта до i. Розрахунковим шляхом значення коефіцієнта до i можуть бути отримані тільки для найбільш простих функцій розподілу Q i (x). Наприклад, при лінійному і параболічним законах розподілу Q i (x), коли максимум споживання тепла знаходитися на поверхні ванни, а на її нижній межі споживання тепла дорівнює нулю, величина до i буде відповідно дорівнює 0,33 і 0,25. Якщо максимум і мінімум теплоспоживання поміняти місцями, то значення коефіцієнта k i будуть відповідно рівні 0,67 і 0,75.
Права частина рівняння (8) представляє собою щільність сумарного теплового потоку теплопровідності і кoнвекціі, який засвоюється надійшли у ванну матеріалом на межі розділу шлаку і штейну.
Рівняння (8 ') визначає оптимальну з позицій технології швидкість надходження матеріалів у ванну, тобто швидкість при якій температурне поле ванни відповідає заданим технологічним режимом плавки. Її величина дорівнює частці від ділення питомої теплової потужності, підводить до нижньої межі шлакової ванни, на ту кількість тепла, яке необхідно для завершення процесу теплової обробки надходять у ванну матеріалів у розрахунку на одиницю маси проплавляються шихти.
Теоретично можуть існувати такі шихтові матеріали, теплова обробка яких повністю завершується усередині ванни шлакового розплаву. У цьому випадку швидкість надходження матеріалу в ванну визначається умовами зовнішньої задачі, так як будь-яку кількість тепла, що підводиться до її поверхні, засвоюється продуктами плавки. На кордоні розділу шлаку і штейну відсутні процеси, що протікають зі споживанням тепла, і формула (8) втрачає свій сенс, тому що її чисельник і знаменник тотожно дорівнюють нулю. У реальній практиці мідеплавильних заводів сировину такого типу зазвичай не зустрічається. Підтвердженням цього може слугувати відоме правило, згідно з яким зростання питомої продуктивності печі завжди супроводжується збільшенням втрат металу з відвальними шлаками. Пояснюється це наступними причинами. Питома продуктивність відбивної печі, що розраховується за кількістю проплавляються шихти, фактично визначається швидкістю процесів плавлення матеріалу на схилах, яка прямо пропорційна щільності теплового потоку на їх поверхні і може досягати 15-20 т / м 2 на добу в розрахунку на одиницю площі поду печі. Швидкість подальшої теплової обробки шихти у ванні, від величини якої залежить вміст металу в шлаку, лімітується умовами внутрішньої завдання, тобто інтенсивністю процесів тепло - і масопереносу в шлаковому розплаві, і становить, як показує практика, приблизно 2-5 т / м 2 на добу при плавці сирої (підсушеної) шихти.
За рахунок інтенсифікації зовнішнього теплообміну при збагаченні дуття киснем, встановлення додаткових сводових пальників, і т. п. може бути збільшена величина результуючого теплового потоку на поверхню зони технологічного процесу. На укосах відповідно зростає швидкість плавлення шихти і разом з нею питома продуктивність печі. Швидкість теплової обробки продуктів плавки у ванні не залежить від умов зовнішньої задачі і тому збільшення щільності результуючого теплового потоку на її поверхні і кількості, що надходять у неї матеріалів призводить до перебудови температурного поля шлакової ванни, тобто до порушення температурного режиму плавки і, як наслідок, сприяє зростанню втрат металу зі шлаком.
Найбільш виразно це проявляється при різкому (стрибкоподібному) підвищенні швидкості надходження матеріалу в ванну, наприклад при локальній «обваленні» укосів. При сповзанні щодо великої маси непроплавленних шихти у ванну зменшується температура верхнього шару шлакового розплаву, його в'язкість зростає, що в поєднанні з рясним виділення технологічних газів призводить до утворення на поверхні ванни в тому місці, де відбулося «обвалення», пористого шару («шумовиння» ), коефіцієнт теплопровідності якого за порядок нижче, ніж у решти розплаву. У результаті цій ділянці відповідно до формули (8 '), різко знижується швидкість теплової обробки матеріалу, в той час як з укосів розплавлена шихта продовжує надходити з колишньою інтенсивністю. Тому зниження температури та освіта пористого шару продовжується і незабаром цей шар «розтікається» по всій поверхні ванни. У підсумку, як показує практика роботи відбивних печей, температурний режим ванни стає некерованим і технологічний процес припиняється, так як метал практично повністю переходить у шлак.
У тих випадках, коли за інших рівних умов швидкість надходження матеріалу в ванну знижується за рахунок зменшення поверхні укосів або будь-яких інших причин і стає менше оптимальної, згідно з формулою (7) відбувається зменшення перепаду температур по глибині шлакової ванни. Це призводить до інтенсифікації процесів дифузії штейну в шлак і збільшення його розчинності у шлаковому розплаві, тобто зростання втрат металу зі шлаком.
Таким чином питома продуктивність печі визначається швидкістю процесів тепло - і масопереносу у ванні і залежить в основному від характеристики сировини (Q в ш, λ ш, з шт, п, k i, Q 0 ш) і температурного режиму плавки (Т 0, Т ср.ш, Т ср.шт., Т δ).
Безпосереднє експериментальне визначення швидкості
теплової обробки матеріалу у ванні з-за складності протікають в ній процесів поки не представляється можливим. Це створює певні труднощі при адаптації розрахункової моделі та підборі так званих настроювальних коефіцієнтів, використання яких у формулах (8) і (8 ') дозволило замінити їх для розрахунку конкретних параметрів відбивних печей. Аналіз цих рівнянь може бути використаний тільки для інтерпретації існуючих інженерних рішень і обгрунтування вибору напрямку подальшого вдосконалення роботи агрегату. Необхідно також враховувати, що для більшості сучасних відбивних печей характерні максимальна для кожного агрегату інтенсивність зовнішнього теплообміну і, як наслідок, підвищена питома продуктивність. У цих умовах підвищення швидкості теплової обробки матеріалу у ванні сприяє скороченню втрат металу зі шлаком і створює передумови для подальшого підвищення продуктивності печі.
Проведений аналіз дозволяє отримати необхідні розрахункові вирази і дати енергетичну інтерпретацію відомих технологічних особливостей відбивної плавки і конструктивних рішень окремих елементів печі:
1. Для більшості мідеплавильних заводів відбивна піч є єдиним агрегатом, у якому можуть перероблятися конвертерні шлаки. У цих умовах досить часто конвертерний шлак завантажується в піч у твердому стані на поверхню укосів разом із шихтою. Такий спосіб завантаження веде до додаткових витрат енергії, тому що для повторного розплавлення шлаку потрібна значна кількість тепла. Тим не менш, він отримав широке розповсюдження, так
як завантаження твердого конвертерного шлаку на укоси сприяє поліпшенню температурного режиму плавки. На поверхні укосів присутність в шихті твердого конвертерного шлаку приводить до зниження температури плавлення утворюється шлаку за рахунок зниження ступеня його кислотності. Наслідком цього - є збільшення щільності результуючого теплового потоку на поверхні укосів і відповідно коефіцієнта використання палива в відбивної печі. Далі конвертерний шлак разом з іншими продуктами плавки стікає на поверхню ванни, поблизу якої більш інтенсивно йдуть процеси «споживання тепла» підводиться за рахунок теплопровідності (зменшується значення коефіцієнта ki). У цьому випадку, як показує аналіз рівняння (8 '), збільшується швидкість теплової обробки продуктів плавки і зменшуються втрати металу з відвальними шлаками.
2. З формули (8 ') випливає, що швидкість теплової обробки матеріалу у ванні тим вище, чим менше втрати тепла через кладку на рівні ванни. Тому при будівництві відбивних печей завжди застосовують подини з підвищеною теплоізоляцією, а товщина стін на рівні ванни в 3-3,5 рази більше, ніж над ванною.
3. Глибина шлакової ванни при заданому температурному режимі може бути визначена з рівняння (7) і розраховується за формулою
З отриманої залежності випливає, що глибина шлакової ванни не може бути встановлена довільно, оскільки вона залежить від властивостей перероблюваної шихти та складу продуктів плавки. Її величина тим більше, чим менше теплоспоживання шихти у ванні. У сучасних відбивних печах глибина шлакової ванни коливається в межах 0,6-0 8 м.
4. Зв'язок між параметрами теплового і температурного режимів ванни шлакового розплаву, розташованого між шихтовими укосами, може бути встановлена за допомогою рівняння теплового балансу, яке має вигляд
де F в, - поверхня ванни, м 2; q 'пот - щільність теплового потоку теплопровідністю (втрати тепла) через огорожу печі на рівні ванни, віднесена до одиниці її поверхні; G B - середня по масі швидкість переробки матеріалу у ванні, кг / с.
За відповідності параметрів теплового режиму ванни і укосів швидкості теплової обробки шихтових матеріалів на цих ділянках зони технологічного процесу повинні бути рівні між собою, тобто G ° = G в. Для виконання цієї вимоги необхідно, щоб на всьому протязі зони плавлення шихти щільності результуючих теплових потоків для поверхонь укосів і ванни залишалися незмінними, тобто щоб середня температура продуктів згоряння палива була однакова на відстані приблизно 20-25 м від передньої торцевої стінки печі. При традиційному торцевому опаленні печі виконати цю умову досить важко і тому останнім часом намітилася тенденція до застосування сводового опалення.
Зона відстоювання продуктів плавки. Ця ділянка ванни розташований в хвостовій частині печі і в ньому відбувається завершення процесів розділення продуктів плавки. Середня температура шлаку в ньому на 70-100 ° С нижче, ніж у зоні плавлення, що сприяє підвищенню вилучення міді в штейн за рахунок зниження ступеня розчинності штейну в шлаку. При охолодженні шлаку штейн виділяється з нього у вигляді дрібних крапель, для відстоювання яких потрібен тривалий час. Оскільки час перебування шлаку ввідстойної зоні прямо пропорційно кількості міститься в ній матеріалу, під неї відводиться зазвичай близько однієї третьої частини робочого простору печі.
Список використаних джерел
1 Крівандін В.А. Металургійна теплотехніка - 2 том / В.А. Крівандін; професор, доктор техн. наук. - Москва: Металургія, 1986 р. - 590 с.
де
Переробка матеріалів у шлакової ванні. У ванну надходить розплавлений матеріал з укосів і, крім того, зазвичай заливається конвертерний шлак, що містить приблизно 2-3% міді та інших цінних компонентів, які при плавці переходять в штейн. Вступники матеріали прогріваються у ванні до середньої температури міститься в ній розплаву, що супроводжується завершенням процесів формування шлаку, а також ендо - і екзотермічними реакціями, характер яких обумовлений технологією плавки. Витрачається на ці процеси тепло розподіляється наступним чином: нагрівання продуктів, що надходять з відкосів (Q 1) 15 - 20%; завершення процесів плавлення і освіти знову надходження шлаку (Q 2) 40 - 45%; прогрів конвертерного шлаку (Q 3) і ендотермічні реакції (відновлення магнетиту і т. п.) (Q 4) 35 - 40% і втрати тепла теплопровідністю через стіни і під печі 1%. Крім того, у ванні відбуваються екзотермічні процеси, пов'язані із засвоєнням кремнезему розплавом шлаку (Q 5). Сумарний ефект від протікання процесів, що йдуть зі споживанням тепла, віднесений до одиниці маси перероблюваної шихти
Процеси тепло - і масопереносу у ванні відрізняються крайньою складністю внаслідок поєднання конвекції і теплопровідності. Завдання можна істотно спростити, якщо врахувати, що температура крапель штейну, розподілених за обсягом шлаку, дорівнює температурі навколишнього їх розплаву. У цьому випадку можна припустити, що штейн фільтрується через відносно нерухомий шлак, у якому тепло передається теплопровідністю, і що краплі штейну практично приймають температуру в будь-якій точці ванни. З метою створення можливостей для математичного опису вкрай складних тепло - і масообмінних процесів, що протікають в шлакової ванні, були прийняті наступні необхідні припущення:
1. Завершення теплової обробки матеріалу, який надходить з укосів у ванну розплаву відбивної печі, відбувається в умовах, коли температурний режим ванни не змінюється в часі. Швидкість осадження крапель штейну вважається постійною, рівною среднемассовому питомій витраті штейну nG в у, де G в у - швидкість надходження матеріалу в ванну, що дорівнює кількості шихти проплавляються в одиницю часу на укосах і віднесена до одиниці поверхні ванни F B, кг / (м 2 -с); n - частка штейну в 1 кг шихти. Питома теплоємність штейну приймається рівною з шт.
2. Градієнти температур по довжині і ширині ванни (~ 1,0-1,5 ° С / м) незначні в порівнянні з градієнтами температур по її глибині (~ 300-400 ° С / м) і їх значеннями можна знехтувати, вважаючи поле температур в ванні одномірним.
3. Процеси тепло - і масопереносу у ванні супроводжуються
ендо - і екзотермічними реакціями, які можуть розглядатися як стоки і джерела тепла, розподілені по глибині ванни. Сумарний ефект від їх впливу дорівнює теплоспоживання шихти у ванні
де Q i (x) - інтенсивність процесів, що йдуть зі споживанням тепла, віднесена до одиниці маси проплавляються шихти, Дж / кг. Для апроксимації закону розподілу цієї величини по глибині ванни можна скористатися поліномом другого ступеня
де х - координата точок на осі, нормальній до поверхні ванни.
4. Зміст штейну в шлакової ванні невелика і тому
передбачається, що обіймав їм обсяг пренебрежимо малий у порівнянні з об'ємом ванни. Глибина ванни приймається рівною δ, середня температура шлаку, а також температури на верхній (х = 0) і нижньої (х = δ) межах шлакової ванни визначаються параметрами технологічного процесу і відповідно рівні Т СР ш., Т 0, Т δ.
При складанні диференціального рівняння переносу тепла в ванні відбивної печі (з урахуванням прийнятих припущень) її можна розглядати у вигляді плоскої пластини (шлаку) c коефіцієнтом теплопровідності, рівним коефіцієнту теплопровідності шлаку λ ш. Щільність теплового потоку всередині ванни в перетинах х і х + d х визначиться наступними рівняннями:
В умовах, коли температура по глибині ванни не змінюється в часі, зміна теплового потоку на ділянці dx відбувається внаслідок охолодження штейну і протікання ендо - і екзо термічних процесів, інтенсивність яких буде дорівнює:
тобто
або
де
При описі умов на кордонах шлакової ванни були використані рівняння теплового балансу шлакової та штейнових ванн, які мають вигляд:
де q пот - щільність теплового потоку на подині печі (втрати тепла теплопровідністю через під печі), Вт / м, Т СР шт - середня температури штейну, ° С.
Загальне рішення рівняння (4) має вигляд:
При аналізі внутрішньої задачі зручніше використовувати приватні рішення рівняння (4), що дозволяють обчислити середню температуру шлаку і штейну Т ср ш і температуру на межі розділу шлаку і штейну Т δ, вплив яких на параметри технологічного процесу досить добре вивчені.
Середня температура шлаку, обчислена при інтегруванні рівняння (5), визначиться за формулою:
Після знаходження постійних інтегрування С 1, С 2, С 3, С 4 з граничних умов і почленного підсумовування виразів (5) і (6) була отримана формула для розрахунку температури на межі розділу шлаку і штейну:
де до 1 - коефіцієнт, величина якого залежить від характеру розподілу стоків і джерел тепла у ванні. У залежності від виду функції Q t (x) величина k i змінюється в межах від нуля до одиниці.
У процесі експлуатації печі параметри температурного режиму ванни справляють істотний вплив на основні технологічні показники плавки. Наприклад, величина середньої температури шлакової ванни має безпосередній вплив на швидкість поділу продуктів плавки. Чим вона вища, тим менше в'язкість розплавленого шлаку і вище швидкість осадження штейну. Однак величина середньої температури шлаку обмежена значеннями температур на верхній і нижній межах шлакової ванни. Підвищення температури на межі розділу шлаку і штейну сприяє інтенсифікації процесів дифузії штейну (і разом з ним міді та інших цінних компонентів) в шлак і збільшення розчинності штейну в шлаковому розплаві. Зниження цієї температури до значень, при яких починає виділятися тверда фаза, веде до утворення охолодей на подині печі. Поверхня ванни знаходиться в безпосередньому контакті з пічними газами, тобто з окислювальним атмосферою. У цих умовах збільшення температури шлаку тягне за собою зростання хімічних втрат металу.
Таким чином, параметри температурного режиму ванн залежать від складу перероблюваної шихти, індивідуальні для кожної печі і визначаються дослідним шляхом у ході технологічних експериментів. Будь-яке відхилення від заданих параметрів приводить до підвищення вмісту металу в шлаку, що через велику виходу шлаку веде до суттєвих втрат металу. Разом з тим підвищення втрат металу зі шлаками за інших рівних умовах свідчить про порушення температурного та теплового режимів роботи відбивної печі.
Взаємозв'язок між температурним і тепловим режимами ванни може бути отримана з рівняння (7), для чого це рівняння необхідно представити у вигляді:
або
Фізичний сенс отриманих рівнянь полягає в наступному. Перший доданок в лівій частині рівняння (8) - це щільність теплового потоку, або питома теплова потужність, яка потрібна для повної теплової обробки матеріалів, що надходять на одиницю поверхні ванни. Друге і третє складові являють собою щільність сумарного теплового потоку теплопровідності і конвекції, який засвоюється цими матеріалами усередині ванни. Необхідно відзначити, що інтенсивність перенесення тепла конвекцією в ванні шлаку визначається кількістю і ступенем перегріву одержуваного штейну щодо середньої температури штейновой ванни і в умовах відбивної плавки при незмінних параметрах технологічного процесу є постійною величиною.
Кількість тепла, що підводиться до продуктів плавки за рахунок теплопровідності, в основному визначається характером розподілу стоків і джерел тепла (інтенсивності процесів споживання тепла) по глибині ванни. Чим ближче вони розташовані до поверхні ванни, тим більше тепла підводиться до них за рахунок теплопровідності і відповідно тим менше величина коефіцієнта до i. Розрахунковим шляхом значення коефіцієнта до i можуть бути отримані тільки для найбільш простих функцій розподілу Q i (x). Наприклад, при лінійному і параболічним законах розподілу Q i (x), коли максимум споживання тепла знаходитися на поверхні ванни, а на її нижній межі споживання тепла дорівнює нулю, величина до i буде відповідно дорівнює 0,33 і 0,25. Якщо максимум і мінімум теплоспоживання поміняти місцями, то значення коефіцієнта k i будуть відповідно рівні 0,67 і 0,75.
Права частина рівняння (8) представляє собою щільність сумарного теплового потоку теплопровідності і кoнвекціі, який засвоюється надійшли у ванну матеріалом на межі розділу шлаку і штейну.
Рівняння (8 ') визначає оптимальну з позицій технології швидкість надходження матеріалів у ванну, тобто швидкість при якій температурне поле ванни відповідає заданим технологічним режимом плавки. Її величина дорівнює частці від ділення питомої теплової потужності, підводить до нижньої межі шлакової ванни, на ту кількість тепла, яке необхідно для завершення процесу теплової обробки надходять у ванну матеріалів у розрахунку на одиницю маси проплавляються шихти.
Теоретично можуть існувати такі шихтові матеріали, теплова обробка яких повністю завершується усередині ванни шлакового розплаву. У цьому випадку швидкість надходження матеріалу в ванну визначається умовами зовнішньої задачі, так як будь-яку кількість тепла, що підводиться до її поверхні, засвоюється продуктами плавки. На кордоні розділу шлаку і штейну відсутні процеси, що протікають зі споживанням тепла, і формула (8) втрачає свій сенс, тому що її чисельник і знаменник тотожно дорівнюють нулю. У реальній практиці мідеплавильних заводів сировину такого типу зазвичай не зустрічається. Підтвердженням цього може слугувати відоме правило, згідно з яким зростання питомої продуктивності печі завжди супроводжується збільшенням втрат металу з відвальними шлаками. Пояснюється це наступними причинами. Питома продуктивність відбивної печі, що розраховується за кількістю проплавляються шихти, фактично визначається швидкістю процесів плавлення матеріалу на схилах, яка прямо пропорційна щільності теплового потоку на їх поверхні і може досягати 15-20 т / м 2 на добу в розрахунку на одиницю площі поду печі. Швидкість подальшої теплової обробки шихти у ванні, від величини якої залежить вміст металу в шлаку, лімітується умовами внутрішньої завдання, тобто інтенсивністю процесів тепло - і масопереносу в шлаковому розплаві, і становить, як показує практика, приблизно 2-5 т / м 2 на добу при плавці сирої (підсушеної) шихти.
За рахунок інтенсифікації зовнішнього теплообміну при збагаченні дуття киснем, встановлення додаткових сводових пальників, і т. п. може бути збільшена величина результуючого теплового потоку на поверхню зони технологічного процесу. На укосах відповідно зростає швидкість плавлення шихти і разом з нею питома продуктивність печі. Швидкість теплової обробки продуктів плавки у ванні не залежить від умов зовнішньої задачі і тому збільшення щільності результуючого теплового потоку на її поверхні і кількості, що надходять у неї матеріалів призводить до перебудови температурного поля шлакової ванни, тобто до порушення температурного режиму плавки і, як наслідок, сприяє зростанню втрат металу зі шлаком.
Найбільш виразно це проявляється при різкому (стрибкоподібному) підвищенні швидкості надходження матеріалу в ванну, наприклад при локальній «обваленні» укосів. При сповзанні щодо великої маси непроплавленних шихти у ванну зменшується температура верхнього шару шлакового розплаву, його в'язкість зростає, що в поєднанні з рясним виділення технологічних газів призводить до утворення на поверхні ванни в тому місці, де відбулося «обвалення», пористого шару («шумовиння» ), коефіцієнт теплопровідності якого за порядок нижче, ніж у решти розплаву. У результаті цій ділянці відповідно до формули (8 '), різко знижується швидкість теплової обробки матеріалу, в той час як з укосів розплавлена шихта продовжує надходити з колишньою інтенсивністю. Тому зниження температури та освіта пористого шару продовжується і незабаром цей шар «розтікається» по всій поверхні ванни. У підсумку, як показує практика роботи відбивних печей, температурний режим ванни стає некерованим і технологічний процес припиняється, так як метал практично повністю переходить у шлак.
У тих випадках, коли за інших рівних умов швидкість надходження матеріалу в ванну знижується за рахунок зменшення поверхні укосів або будь-яких інших причин і стає менше оптимальної, згідно з формулою (7) відбувається зменшення перепаду температур по глибині шлакової ванни. Це призводить до інтенсифікації процесів дифузії штейну в шлак і збільшення його розчинності у шлаковому розплаві, тобто зростання втрат металу зі шлаком.
Таким чином питома продуктивність печі визначається швидкістю процесів тепло - і масопереносу у ванні і залежить в основному від характеристики сировини (Q в ш, λ ш, з шт, п, k i, Q 0 ш) і температурного режиму плавки (Т 0, Т ср.ш, Т ср.шт., Т δ).
Безпосереднє експериментальне визначення швидкості
теплової обробки матеріалу у ванні з-за складності протікають в ній процесів поки не представляється можливим. Це створює певні труднощі при адаптації розрахункової моделі та підборі так званих настроювальних коефіцієнтів, використання яких у формулах (8) і (8 ') дозволило замінити їх для розрахунку конкретних параметрів відбивних печей. Аналіз цих рівнянь може бути використаний тільки для інтерпретації існуючих інженерних рішень і обгрунтування вибору напрямку подальшого вдосконалення роботи агрегату. Необхідно також враховувати, що для більшості сучасних відбивних печей характерні максимальна для кожного агрегату інтенсивність зовнішнього теплообміну і, як наслідок, підвищена питома продуктивність. У цих умовах підвищення швидкості теплової обробки матеріалу у ванні сприяє скороченню втрат металу зі шлаком і створює передумови для подальшого підвищення продуктивності печі.
Проведений аналіз дозволяє отримати необхідні розрахункові вирази і дати енергетичну інтерпретацію відомих технологічних особливостей відбивної плавки і конструктивних рішень окремих елементів печі:
1. Для більшості мідеплавильних заводів відбивна піч є єдиним агрегатом, у якому можуть перероблятися конвертерні шлаки. У цих умовах досить часто конвертерний шлак завантажується в піч у твердому стані на поверхню укосів разом із шихтою. Такий спосіб завантаження веде до додаткових витрат енергії, тому що для повторного розплавлення шлаку потрібна значна кількість тепла. Тим не менш, він отримав широке розповсюдження, так
як завантаження твердого конвертерного шлаку на укоси сприяє поліпшенню температурного режиму плавки. На поверхні укосів присутність в шихті твердого конвертерного шлаку приводить до зниження температури плавлення утворюється шлаку за рахунок зниження ступеня його кислотності. Наслідком цього - є збільшення щільності результуючого теплового потоку на поверхні укосів і відповідно коефіцієнта використання палива в відбивної печі. Далі конвертерний шлак разом з іншими продуктами плавки стікає на поверхню ванни, поблизу якої більш інтенсивно йдуть процеси «споживання тепла» підводиться за рахунок теплопровідності (зменшується значення коефіцієнта ki). У цьому випадку, як показує аналіз рівняння (8 '), збільшується швидкість теплової обробки продуктів плавки і зменшуються втрати металу з відвальними шлаками.
2. З формули (8 ') випливає, що швидкість теплової обробки матеріалу у ванні тим вище, чим менше втрати тепла через кладку на рівні ванни. Тому при будівництві відбивних печей завжди застосовують подини з підвищеною теплоізоляцією, а товщина стін на рівні ванни в 3-3,5 рази більше, ніж над ванною.
3. Глибина шлакової ванни при заданому температурному режимі може бути визначена з рівняння (7) і розраховується за формулою
З отриманої залежності випливає, що глибина шлакової ванни не може бути встановлена довільно, оскільки вона залежить від властивостей перероблюваної шихти та складу продуктів плавки. Її величина тим більше, чим менше теплоспоживання шихти у ванні. У сучасних відбивних печах глибина шлакової ванни коливається в межах 0,6-0 8 м.
4. Зв'язок між параметрами теплового і температурного режимів ванни шлакового розплаву, розташованого між шихтовими укосами, може бути встановлена за допомогою рівняння теплового балансу, яке має вигляд
де F в, - поверхня ванни, м 2; q 'пот - щільність теплового потоку теплопровідністю (втрати тепла) через огорожу печі на рівні ванни, віднесена до одиниці її поверхні; G B - середня по масі швидкість переробки матеріалу у ванні, кг / с.
За відповідності параметрів теплового режиму ванни і укосів швидкості теплової обробки шихтових матеріалів на цих ділянках зони технологічного процесу повинні бути рівні між собою, тобто G ° = G в. Для виконання цієї вимоги необхідно, щоб на всьому протязі зони плавлення шихти щільності результуючих теплових потоків для поверхонь укосів і ванни залишалися незмінними, тобто щоб середня температура продуктів згоряння палива була однакова на відстані приблизно 20-25 м від передньої торцевої стінки печі. При традиційному торцевому опаленні печі виконати цю умову досить важко і тому останнім часом намітилася тенденція до застосування сводового опалення.
Зона відстоювання продуктів плавки. Ця ділянка ванни розташований в хвостовій частині печі і в ньому відбувається завершення процесів розділення продуктів плавки. Середня температура шлаку в ньому на 70-100 ° С нижче, ніж у зоні плавлення, що сприяє підвищенню вилучення міді в штейн за рахунок зниження ступеня розчинності штейну в шлаку. При охолодженні шлаку штейн виділяється з нього у вигляді дрібних крапель, для відстоювання яких потрібен тривалий час. Оскільки час перебування шлаку ввідстойної зоні прямо пропорційно кількості міститься в ній матеріалу, під неї відводиться зазвичай близько однієї третьої частини робочого простору печі.
Список використаних джерел
1 Крівандін В.А. Металургійна теплотехніка - 2 том / В.А. Крівандін; професор, доктор техн. наук. - Москва: Металургія, 1986 р. - 590 с.