Конструкція і методика розрахунку шахтних печей кольорової металургії

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Зміст

Завдання ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 3

  1. Шахтні печі кольорової металургії ..................................... 4

1.1 Особливості теплової роботи .............................................. ..... 4

1.2 Особливості теплообміну в шарі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... ... 6

2 Конструкція і основні показники роботи ... ... ... ... ... ... ... ... ... 11

2.1 Пристрій печі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 12

Список використаних джерел ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 16

1 Шахтні печі кольорової металургії

1.1 Особливості теплової роботи

Теплова робота шахтних печей кольорової металургії відрізняється рядом особливостей, зумовлених видом і параметрами протікають у них технологічних процесів. Шахтні печі широко застосовують на заводах кольорової металургії для плавки кусковий руди, брикетів, агломерату і різних проміжних продуктів металургійного виробництва, що мають кускообразную форму. Крім цього шахтні печі використовують для переплавлення вторинних металів і катодного міді. Кінцевим продуктом шахтної плавки в залежності від виду технологічного процесу можуть бути штейн або чорновий метал і шлак. При плавці кускових матеріалів у піч зверху завантажується шихта разом з твердим паливом, роль якого зазвичай виконує високоякісний кокс.

Залежно від виду матеріалу, що переробляється паливні шахтні печі можуть мати два принципово різних режиму роботи, заснованих на газогенераторних і топковому процесах. Печі, що працюють на базі газогенераторного процесу, застосовують для плавки окислених руд і аналогічних їм за складом шихтових матеріалів. У них на дільниці спалювання палива, поряд з генерацією тепла, протікають процеси утворення газоподібної відновлювальної середовища, містить велику кількість оксиду вуглецю (СО). Оксид вуглецю, що утворюється в результаті газогенераторного процесу, використовується при плавці як реагент для так званого непрямого відновлення оксидів металів, які містяться в шихті. Прямим відновником є кокс. Однак енерговитрати на відновлення окислів при використанні в якості реагенту коксу, віднесені до кілограма вуглецю, в 2,45 рази вище, ніж у випадку застосування оксиду вуглецю.

Шахтні печі з режимом роботи на базі топкового процесу застосовують для переробки сульфідних матеріалів і переплавлення вторинних металів і катодного міді. У печах для плавки сульфідів кисень дуття використовується при горінні палива і як реагент для окислення частини сульфідів заліза і елементарної сірки, що виділилася при термічному розкладанні мінералів. У печі, таким чином, підтримується окислювальна атмосфера. У шахтних печах, застосовуваних для переплавлення вторинних металів і катодного міді, газова фаза не є реагентом технологічного процесу. Для того щоб запобігти чад металу, в робочому просторі печі зазвичай підтримується відновна атмосфера. Однак утворення великих кількостей оксиду вуглецю в процесі горіння палива є небажаним явищем, оскільки воно супроводжується значним споживанням тепла.

Шахтні печі кольорової металургії є агрегатами безперервної дії з режимом роботи, що характеризується незмінністю у часі основних параметрів теплового і температурного режимів плавки. Конкретні значення параметрів знаходяться в безпосередній залежності від виду протікає в печі технологічного процесу і складу сировини, що переробляється. В якості прикладу розглянемо процеси, здійснювані в найбільш поширених шахтних печах, що застосовуються на нікелевих і свинцевих заводах.

Теплова робота шахтних печей для плавки нікель сировини відрізняється крайньою складністю, і її кількісна оцінка базується на аналізі теплового балансу процесу. Приблизно 95-97% тепла, використовуваного в зоні технологічного процесу, надходить в неї при горінні твердого палива і 3-5% у процесі шлакоутворення. Ця енергія розподіляється серед продуктів плавки наступним чином: приблизно 40-45% витрачається на нагрівання і розплавлення шихти; 12-14% - на здійснення ендотермічних реакцій і 21-22% відводиться з газоподібними продуктами згоряння палива та технічними газами. Втрати тепла на нагрів води в кесонах становлять близько 22 - 24%. Температурний режим плавки поки ще не піддається розрахунку і вибирається досвідченим шляхом. При визначенні його параметрів необхідно враховувати, що протікають в печі процеси нагріву і розплавлення шихти супроводжуються численними екзотермічними реакціями. До екзотермічним реакцій відносяться, в основному, вуглецю і шлакоутворення.

Ендотермічні реакції протікають в широкому діапазоні температур і можуть бути умовно розділені на три групи, до яких відносяться: освіта газоподібного реагенту-відновника, що складається з оксиду вуглецю; дисоціація містяться в шихті основних флюсів і сульфідірующіх компонентів; відновлення оксидів і сульфідування переходять у штейн металів.

Газоподібні продукти згорання палива, фильтруясь через шар шихтових матеріалів, піднімаються вгору по шахті і поступово охолоджуються за рахунок того, що в процесі теплообміну передають тепло шихті і активно беруть участь у ендотермічних реакціях. Відновлення діоксиду вуглецю (СО2) починається відразу ж після виходу газів з зони горіння і триває до тих пір, поки вони не охолодяться до 700 ° С. Утворений в цих умовах оксид вуглецю на оксиди містяться в шихті металів. Найбільш інтенсивно протікає відновлення оксиду нікелю, що починається при 250-300 ° С. Для відновлення магнетиту до оксиду заліза, що має велике значення у процесах формування шлаку, необхідні температури понад 900 ° С і концентрація оксиду вуглецю в газовій фазі не менше 23%.

Тепло, отримане матеріалом шару в процесі теплообміну, витрачається на нагрівання і плавлення шихти, а також на дисоціацію і сульфідування. Дисоціація вапняку і сульфідірующіх реагентів типу піриту відбувається при температурах понад 600-650 ° С. Реакції сульфідування металів йдуть в широкому інтервалі температур від 800 до 1300 ° С.

У нижній частині шахти, де накопичуються рідкі продукти плавки, температурний режим визначається умовами найбільш повного поділу шлаку і штейну. Температура шлаку, як правило, підтримується на рівні 1400 ° С, температура штейну багато в чому залежить від його складу. Зі зменшенням вмісту сірки в штейні його температура повинна збільшуватися, щоб уникнути настилеобразованія, пов'язаного з випаданням кристалів феронікелю. Наприклад, при концентрації сірки в штейні близько 15% виділення кристалів феронікелю починається при 1250 0С, а для штейну, що містить 21% сірки - при 1100 ° С.

У шахтних печах свинцевих заводів плавлять сировинні матеріали (агломерат), що містять свинець у формі легковосстановімих оксидних сполук. У результаті їх переробки одержують чорновий метал, в який переходять також мідь, олово, вісмут, золото, срібло і деякі інші компоненти шихти. Важковідновні оксиди, наприклад, заліза і цинку, з'єднуючись з діоксидом кремнію, переходять в шлак. Крім оксидів металів у шихті міститься невелика кількість сульфідних з'єднанні, які при плавці можуть утворювати самостійну фазу - штейн і шпейзу.

Відновлення оксиду свинцю починається практично відразу після того, як шихта потрапляє в піч при температурі 160 - 180 0С. Інтенсивність цього процесу наростає в міру прогрівання шихти, досягаючи максимального значення при температур ax порядку 750-1000 ° С. Плавлення шихти починається задовго завершення процесів відновлення. Евтектики сплав свинцю і міді плавляться при 550 ° С, суміш оксидів свинцю і сурми при 550 ° С, ферити свинцю при 752 ° С і т. д.

Легкоплавка рідка фаза утворюється вже у верхніх частинах шахти і рухається вниз набагато швидше, ніж шар твердого матеріалу. На своєму шляху вона вступає у численні технологічні реакції з твердою шихтою і коксом. У результаті в центральній частині печі шар в основному складається з коксу і залишків нерасплавівшейся шихти. Між ними йде інтенсивна взаємодія, що протікає з. споживанням великої кількості тепла, і тому температура на цій ділянці зони технологічного процесу невелика і складає приблизно 1300-1350 0С. Те, що значна частина оксидів відновлюється безпосередньо вуглецем, тягне за собою певний перевитрата коксу. У нижніх частинах шахти, де в зону технологічного процесу подається газоподібний окислювач (повітря, або дуття, збагачене киснем), до 75% площі поперечного перерізу печі зайнято коксом, вільним від шихти (коксова постіль). Температура тут досягає 1400-1450 ° С. Рідкі продукти плавки на виході з печі мають істотно більш низьку температуру: шлак близько 1200 ° С, штейн 1000-1050 ° С.

1.2 Особливості теплообміну в шарі

Паливні печі широко застосовуються в кольоровій металургії. До дослідження теплообміну в умовах шару кускових матеріалів, що рухаються назустріч потоку газів, як це має місце в шахтних печах, багато десятиліть привернуто увагу вчених та інженерів. У нашій країні найбільш значні роботи в цій області виконані у Всесоюзному науково-дослідному інституті металургійної теплотехніки (ВНІІМТ) і Уральському політехнічному інституті.

Теплообмін в шарі представляє собою вкрай складний випадок теплообміну. Щільний шар утворюється шматками різної форми і розмірів, що мають різні теплофізичні властивості. Складний характер руху шматків значно ускладнює визначення реальної поверхні теплообміну. Різна величина зазорів між шматками впливає не тільки на особливості омивання їх газами, але робить нероздільними процеси теплопровідності, випромінювання і конвекції, що діють в шарі. Тому доводиться застосовувати загальний коефіцієнт, що враховує всі три види теплообміну. Через невизначеність поверхні теплообміну більш зручно використовувати об'ємний коефіцієнт тепловіддачі α v [Вт / (м3 ∙ К). Зв'язок його з звичайним коефіцієнтом тепловіддачі α [Вт / (м2 ∙ К) виражається наступним чином: α v = α F, де F - поверхня нагріву, укладена в 1 м3 шару кускових матеріалів, м2.

Крім того, шар кускових матеріалів характеризується порозность f, яка представляє собою відношення об'єму порожнин до повного об'єму шару. Для рухається шару, що переміщається вертикально зверху вниз по висоті якийсь шахти Н, використовують поняття об'ємного напруги перетину шахти р [м3 / (м2 ∙ с)], що показує, який обсяг кускових матеріалів переміщується через 1 м2 перетину шахти протягом 1 год, т е. Н = pt, де t - час повного переміщення зверху вниз, с.

Як уже підкреслювалося, шихтові матеріали в шарових печах зазвичай мають найрізноманітніші розміри і теплофізичні властивості. Дрібні шматки, наприклад, залізорудної сировини, які мають відносно високу теплопровідність, наближаються за властивостями до термічно тонким тіл, а великим шматках агломерату і особливо вапняку, має властивості, характерні масивним в тепловому відношенні тілах. У результаті цього необхідно виконувати аналіз умов нагрівання шматків шихти в дуже широкому діапазоні значень їх теплового опору. Дуже часто в шахтних печах нагрів шару шматків шихти відбувається в умовах наявності джерел (стоків) теплової енергії.

У більшості шахтних печей рух шихти і газів відбувається за принципом протитечії.

Розглянемо, слідуючи робіт Б. І. Китаєва, ряд найбільш важливих аспектів теплообміну в щільному шарі при противотоке. Загальне рівняння теплового балансу можна написати таким чином:

, (1)

де G м і G г - масова витрата відповідно нагрівається матеріалу і охолоджуються газів, кг / год; см і з r - теплоємність матеріалу і газів, кДж / (кг ∙ К); dT м і dT г - зміна температури матеріалу і газів, К.

Застосовуючи водяні еквіваленти, цей вираз можна записати так:

, (2)

Очевидно, що зміна температур dT м і dT г буде залежати від співвідношення між величинами W м і W р. Можливі три випадки такого співвідношення, зображені на (малюнку 1).

У першому випадку, коли W р> W м, кінцева температура нагрівається матеріалу (позначення ясні з малюнка 1) практично досягає початкової температури газів. Гази при будь-якій висоті шару не можуть віддати всього свого тепла нагрівається матеріалу і виходять зі стану теплообміну з високою кінцевою температурою, що є неминучим.

При W ​​г = W м і d Тг = d Тм охолодження газів на 1 ° С забезпечує нагрів металу також на 1 0С. Отже, на всій висоті шару різниця температур між Тг і Тм буде однаковою, що забезпечує прямолінійний характер зміни цих температур по висоті шару.

Якщо W р <W м, то при достатній поверхні нагрівання гази віддадуть усе своє тепло матеріалу (Т''г і Т'м), однак цього тепла не вистачить, щоб

нагріти матеріал до початкової температури газів.

Як буде показано нижче, в різних частинах шахтної печі можливі випадки, коли W р> W м і W м> W г, тому розглянемо докладніше теплообмін при W р> W м спочатку для випадку термічно тонких шматків. З цією метою виділимо елементарний ділянку шару, через який в одиницю часу проходить обсяг матеріалу V м з поверхнею F.

Кількість тепла, передане матеріалу, може бути записано таким чином:

, (3)

де α - коефіцієнт тепловіддачі від газів до поверхні шматків, Вт / (м2 ∙ К).

При відсутності теплових втрат для протитоку характерно, що в будь-якому перетині по висоті шару (рисунок 1).

, (4)

звідки (5)

Підставивши вираз (5) в рівняння (3), можна отримати після відповідних перетворень неходкое диференціальне рівняння

(6)

рішенням якого буде

(7)

З останнього виразу випливає, що при t = ∞ (висота шару ∞) температура шматків матеріалу на виході з шару Т''м досягне температури газів на вході в шару Т'г. Якщо врахувати, що для цього моменту часу Т'г ≈ Т''м, то з виразу (5) можна отримати:

(8)

Враховуючи, що α v = αF, t = H / p і G м c м / V м = c м p нас (p нас - щільність насипного шару) і, перейшовши до безрозмірної формі, можна записати наступний вираз для умов завершеного теплообміну ( Т'г ≈ Т''м) при W р> W м:

(9)

Наведені вище висловлювання встановлюють зв'язок між усіма основними величинами, що визначають зміна температури матеріалу в шарі і температури газів.

Для випадку W м> W р, аналогічні міркування приводять до виразу:

Доречно нагадати, що всі вищенаведені міркування відносяться до нагрівання шматків, що представляють собою термічно тонкі тіла, тобто без врахування внутрішнього теплообміну в шматках. Насправді реальні шматки можуть не бути термічно тонкими тілами, тобто не буде мати місце рівність , Де , - Час прогріву шматків відповідно з реальною і з нескінченно великою теплопровідністю. Для реальних шматків можна говорити про якусь умовної величині відношення / , Що буде залежати від критерію Bi. Оскільки шматки безформні, то для них практично неможливо визначити точно величину лінійного розміру, що входить в критерій Bi. Якщо з певним ступенем наближення вважати, що шматки мають форму кулі, то

де Bi = ; R - радіус кулі.

Після відповідної підстановки в рівняння (7) можна отримати вираз

яке дозволяє робити необхідні розрахунки нагріву шару, що складається реальні шматків.

Bo всі наведені вирази, природно, входять величини коефіцієнтів тепловіддачі, які визначаються експериментальним шляхом.

Великий практичний інтерес представляє визначення гідравлічного опору шару. Хаотичний розподіл шматків невизначеність перерізів для проходу газів - все це робить можливим, по суті, лише емпіричний шлях дослідження цих питань. У результаті невизначеності форми і розмірів пор між шматками визначення окремих елементів місцевих опорів виконати неможливо, тому вони враховуються загальним коефіцієнтом Ксл, що входять до нижченаведену формулу для визначення втрат напору в шарі, Па:

де Ксл - 4 ξ (Н / d екв); w про - швидкість, віднесена до загального перерізу шахти, м / с; f - порозность шару; рг - щільність газів, кг/м3; Н - висота шару, м; d екв - еквівалентний діаметр, м; d екв = (0,45 ÷ 0,47) d; d - середній діаметр шматків шару, м; ξ - коефіцієнт опору, що залежить від критерію Re та визначається при турбулентному режимі при 250 <Re <5000 по формулою ξ = 1,56 / Re 0,15.

Турбулентний режим в шарі настає при низьких значеннях критерію Re. Це пояснюється турбулізацією потоку при раптових розширеннях і звуженнях, різких поворотах при проходженні газу через шар кускових матеріалів.

2 Конструкція і основні показники роботи

2.1 Пристрій печі

Шахтні печі, застосовувані для переробки одного і тим більше різних видів сировини, можуть істотно відрізнятися один від одного профілем та розмірами шахти, числом дуттьових пристроїв (фурм) і рядом інших параметрів. Однак для всіх печей характерний єдиний принцип роботи, що дозволяє здійснювати компоновку агрегату з практично однакових конструктивних елементів, до яких відносяться горн, шахта, ведучий та шатро. У ряді випадків до печі може примикати зовнішній обігрівається відстійник (передній горн), використовуваний для розділення рідких продуктів плавки.

Конструкцію конкретного агрегату зручніше за все розглянути на прикладі широко поширеною в промисловості шахтної печі свинцевої плавки прямокутної форми (рисунок 2).

Горн печі, що повторює форму і розміри шахти на рівні фурм, споруджують з вогнетривкої цегли і встановлюють на масивному бетонному фундаменті. Зсередини горн футерують хромомагнезитових цеглою, стійким по відношенню до агресивного впливу розплавленої середовища, для зовнішньої кладки використовують шамот. Зовні горн укладений у звареній шкір листової сталі. Зверху на стінки горна укладають і приварюють до кожуха масивні металеві плити, службовці підставою для встановлення та кріплення кесонів.

В умовах безперервно працюючій печі горн завжди заповнений розплавом. Внизу на поду, виконаної у вигляді зворотного арки, накопичується свинець, над яким розташовуються штейн і шлак. Випуск свинцю організується безперервно через один або (для великих печей) два сифона, що примикають до бічної стінки печі. Вони являють собою невелику футерованную вогнетривкою цеглою камеру-копильника, з'єднану з внутрішнім простором горна спеціальним каналом. Шлаки з печі випускається періодично по мірі накопичення через спеціальні шпурових отвори в мідних водоохолоджуваних кесонах, встановлених в торцевій стінці горна. Для великих печей при отриманні легкоплавких, рідкотекучий шлаків може бути організований безперервний сифоновий випуск.

Шахта печі складається з кесонів, що представляють собою плоскі металеві коробки шириною 0,6-0,9 м і висотою 1,5-6,0 м, охолоджувані проточною водою. Останнім часом кесоні в основному обладнають системою випарного охолодження. Зазвичай встановлюють два ряди кесонів. Нижні або фурменої кесоні кріплять один до одного болтами і встановлюють на підставі з невеликим (3-5 °) нахилом до вертикальної площини, утворюючи так звані заплечики, що сприймають активний тиск шару, що знаходиться в печі матеріалу. Кесоні торцевих стін встановлюють вертикально. Верхню частину другого ряду кесонів кріплять за допомогою домкратів, що спираються на спеціальну балку, що оперізує піч по периметру і жорстко з'єднану з відсічним каркасом. Для ущільнення зазорів між кесонами використовують шнурової азбест.

На висоті 300 мм від нижньої кромки кесонів першого ряду розташовані отвори, в які вставляють металеві водоохолоджувальні фурми, заглиблюється в робочий простір печі на 200-300 мм. Фурми мають у діаметрі 100-125 мм і встановлюються в один рідше у два ряди. Ширину печі на рівні фурм вибирають таким чином, щоб повітря, що подається в піч під тиском близько 20 кПа, досягав центру шару. Зазвичай вона становить від 1,3 до 1,9 м. Довжина печі залежить від її продуктивності і коливається в межах від 2,5 до 26 м.

Колошником називається верхня частина печі, розташована над шахтою. Він споруджується з металевих плит, при необхідності футеруемих вогнетривкою цеглою. Ведучий служить для розміщення пристроїв завантаження матеріалів, що переробляються, які можуть бути розташовані в центрі або уздовж бічних стін печі. Перевага віддається, як правило, боковий завантаженні, так як в цьому випадку великі шматки матеріалу розташовуються в центрі шару, що сприяє збільшенню його газопроникності і поліпшенню аеродинамічних характеристик печі. При бічній завантаженні з одного або двох поздовжніх стін колошника розташовані кілька (3 ÷ 4) завантажувальних вікон, обгрунтованих двухшібернимі пристроями. Спочатку відкривають, зовнішній шибер і в приймальну камеру завантажують порцію (колонію) агломерату або коксу. Потім закривають зовнішній і відкривають внутрішній водоохолоджуваний шибер, і матеріал по похилій площині сповзає в шахту.

Намет накриває ведучий, виконуючи функції газовідвідного і сепараційної камери. У куполі намету є два-три отвори, з'єднані з металевим газоходом. Внутрішню поверхню укладеного в металевий кожух намету футерують вогнетривкою цеглою. На шахтних печах, застосовуваних для переробки шихт з великим вмістом цинку, застосовують в основному намети, виготовлені з металевих кесонів, охолоджуються водою. Така конструкція дозволяє значно полегшити очищення стін від пилу і охолодей.

Складність тепло - і масообмінних процесів, що протікають в шахтних печах, і відсутність надійних даних про теплофізичних характеристиках переробляються в них матеріалів в значній мірі обмежують можливість застосування розрахункових методів при оцінці теплової роботи цих агрегатів. В даний час ефективність роботи шахтних печей оцінюється в основному на базі статистичної обробки виробничих даних.

Найважливішими показниками роботи печі є її питома продуктивність, яку розраховують за кількістю проплавляються протягом доби шихти, віднесеному до 1 м2 площі перетину печі в області фурм, і питома витрата палива (коксу), що визначається у відсотках від маси перероблюваної шихти. Широкі межі зміни цих показників в умовах одного технологічного процесу обумовлені, як правило, відмінностями в хімічному і фракційному складі сировини якістю вживаного палива і характером дуття. Наприклад, при свинцевій плавці висота шару в залежності від фракційного складу матеріалу може змінюватися від 2,5 до 6,0 м. Питома продуктивність і витрата палива в залежності від його хімічного складу коливаються відповідно в межах від 35 до 100 т/м2 на добу і від 8 до 13%. Відходять гази шахтної печі свинцевої плавки мають температуру порядку 250-400 0С. Вони містять велику кількість пилу, що є поліметалічних сировиною, які направляються після очищення газів в металургійне виробництво.

Список використаних джерел

1 Крівандін В.А. Металургійна теплотехніка - 2 том / В.А. Крівандін; професор, доктор техн. наук. - Москва: Металургія, 1986 р. - 590 с.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
56.8кб. | скачати


Схожі роботи:
Конструкція і методика розр та шахтних печей кольорової металургії
Конструкція методика розрахунку мартенівських печей чорної металургії
Конструкція методика розр та конверторів кольорової металургії
Конструкція методика розр та мартенівських печей чорної металургії
Конструкція методика розр та випалювальних печей год рной металургії
Конструкція і методика розрахунку індукційних вакуумних печей
Конструкція методика розрахунку нагрівальних та термічних печей для сортового прокату
Конструкція методика розр та штовхальних методичних печей
Конструкція і методика розр та індукційних вакуумних печей
© Усі права захищені
написати до нас