Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Рис 9.1. Отражательная печь
- сульфидов: CuFeS2, (NiFe)S, CuS, Cu2S, NiS, FeS2, Fe7S , FeS, ZnS, PbS, FeAsS и др.; - сульфатов: CuS04, NiS04, ZnS04, CaS04, BaS04 и др.; - окислов и ферритов: Fe203, Fe304, CuO, NiO, ZnO, MeО • Fe203, Si02, A1203, CaO, MgO, Mn02, H20 и др.; - карбонатов: CaC03, Mg C03, Ва C03 и др.; - силикатов: m МеО • п Si02. В зависимости от особенностей рудного сырья и характера подготовительных операций, проводимых с материалами перед отражательной плавкой, в исходной шихте могут встречаться весьма разнообразные соотношения количеств указанных выше соединений. Чаще всего встречаются шихтовые смеси с преобладанием в них сульфидов и окислов. При нагревании в отражательной печи в пределах температуры до 1000° шихта претерпевает ряд физико-химических превращений. В первую очередь в ней протекают процессы разложения сложных химических соединений и образования более простых и устойчивых соединений. К этим процессам относятся диссоциация сложных сульфидов и некоторых окислов, диссоциация сульфатов, карбонатов и гидратов. В результате первой стадии нагрева шихты до 1000° С состав ее существенно упрощается и представляется следующими соединениями: - сульфиды: Cu2S, Ni3S2, FeS, ZnS, PbS; - окислы и ферриты: Fe203, Fe304, Cu20, NiO, ZnO, MeО • Fe203, Si02, A1203, CaO, MgO, MnO; - силикаты: rnMeО • n Si02. С некоторым отставанием во времени по сравнению с процессами диссоциации в шихте развиваются процессы взаимодействия между различными химическими соединениями, наиболее важные из которых — реакции между сульфидами и окислами. Эти процессы возникают еще при нагреве шихты до 1000°C, но особо активное развитие они обычно получают при последующем повышении температуры шихты до 1100—1300°C. Для более ясного понимания закономерностей физико-химических превращений, происходящих в шихте при нагреве выше 1000°C, представим ее химический состав в виде некоторых условных систем. Сопоставляя значения логарифмов упругостей диссоциации для сульфидов и окислов меди, никеля и железа, можно сделать вывод, что в первой системе сера будет преимущественно соединяться с медью и никелем, а кислород с железом. Пока в этой системе будет иметься FeS, медь и никель всегда будут в виде сульфидов, так как соединение меди и никеля с кислородом возможно лишь после полного окисления железа. Таким образом, сернистое железо является своеобразным «защитником» меди и никеля от кислорода. Такое направление химических превращений первой системы с последующим сплавлением и смешением сульфидов меди, никеля и железа в конечном итоге приводит к образованию основного продукта отражательной плавки —- штейна. Поведение второй системы при нагревании определяется весьма большой взаимной химической активностью к соединению окислов, противоположных по химическим свойствам,— основных металлических окислов и кислых окислов. Поэтому все окисленное железо и другие основные окислы — CaO, MgO, МпО и т. д. с Si02 дают при нагревании выше 1000°C соединения типа m МеО · п Si02, которые, смешиваясь, в расплавленном состоянии образуют другой основной продукт отражательной плавки — шлак. 3.Химизм отражательной плавки. Основные реакции, происходящие при отражательной плавке, могут быть изображены следующими химическими уравнениями: Реакции штейнообразования: Cu20 + FeS = Cu2S x FeO; (9.1) NiO + FeS = NiS + FeO; (9.2) 2Cu0 +Cu2S = 6Cu + S02; (9.3) 2Cu + FeS = Cu2S + Fe; (9.4) CuO • Fe203 + (Cu2S x FeS) = Cu + Fe304 + S02. (9.5) Итог реакций штейнообразования: m Cu2S + nNi3S2 + k FeS + ZnS + PbS + Fe304+благородные = штейн. (9.6) Реакции шлакообразования: 10 Fe2O3 + FeS = 7 Fe304 + S02; (9.7) Fe304 + (FeS + Fe) = FeO + S02; (9.8) 2Fe304 + 3Si02 = 3 (2FeO • Si02) + 202 (9.9) 2FeO + Si02 = 2FeO * Si02; (9.10) 6Fe203 + 2FeS + 7Si02 = 7(2FeO • Si02) + 2Si02; (9.11) CaO(MgO) + Si02 = CaO(MgO)Si02. (9.12) Итог реакций шлакообразования: 2FeO • Si02 + CaO • Si02 + MgO • Si02 + Fe3O4 + Al203 + ZnS = шлак. (9.13) Реакции образования пыли и газов: ZnS + (Fe, Си, ZnO) = Zn + (FeS, Cu2S, S02); (9.14) 2Znnap + 02 = 2ZnO (9.15) 3As205 + 11FeS = 3As2S3 +11FeO + 2S02; (9.16) (PbS, PbO, As203, As2S3) + нагрев = возгон + пыль; (9.17) S + 02 = S02; (9.18) С + O2 = CO2. (9.19) Итог образования газовой фазы и пыли: ZnO+PbO+PbS+As2S3+As20 +пыль+S02+С02+N2+O2 = газы+пыль (9.20) Существо работы, общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в отражательных печах могут быть описаны следующим образом. Исходная шихта, состоящая из руды, концентратов, оборотов и флюсов, обычно располагается в виде откосов у боковых стенок печи (рис.36). Эти откосы погружены в ванну печи и опираются на внутреннюю поверхность стенок и лещадь. Углеродистое топливо, являющееся основным источником тепла в отражательной плавке, сгорает в свободном пламенном пространстве печи, окруженном поверхностями свода, стенок, откосов шихты и зеркала ванны. В результате горения топлива в печи образуется большое количество сильно нагретых газов, являющихся основным теплоносителем, от которого и питаются теплом все перечисленные внутренние рабочие поверхности. Так как процесс горения топлива протекает непрерывно, то образующиеся от горения газы непрерывным потоком двигаются от топочной к хвостовой части печи. При движении тазового потока в печи происходит процесс теплообмена между газами, кладкой, шихтой и ванной. Процесс теплообмена осуществляется здесь излучением и конвекцией; при этом главную роль играет излучение. Поверхности шихты и ванны получают тепло как непосредственно от газового потока, так и от поверхности свода и верхней части стенок. Тепло, попадающее на поверхность шихты, вследствие малой ее теплопроводности распространяется в глубину слоя шихты замедленно. Поэтому поверхностный слой шихты быстро нагревается до температуры плавления, расплавляется и стекает по откосу в ванну, обнажая последующие слои, которые в свою очередь, получая необходимое количество тепла от газового потока и кладки, переходят в жидкое состояние и последовательно стекают в ванну. Таким образом, процесс плавления шихты в отражательных печах происходит в сравнительно тонком поверхностном слое откосов и представляется как непрерывное последовательное расплавление и стекание в ванну тонких пленок материала. INCLUDEPICTURE "https://metallurgy.zp.ua/wp-content/uploads/2015/12/238.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://metallurgy.zp.ua/wp-content/uploads/2015/12/238.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://metallurgy.zp.ua/wp-content/uploads/2015/12/238.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://metallurgy.zp.ua/wp-content/uploads/2015/12/238.png" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "https://metallurgy.zp.ua/wp-content/uploads/2015/12/238.png" \* MERGEFORMATINET Рис. 9.2. Схема плавки шихты в отражательной печи В поверхностном слое шихты происходят также физико-химические преобразования материалов, определяемые повышением их температуры до уровня плавления: дегидратация, диссоциация, штейнообразование, шлакообразование и др. Образовавшиеся в итоге этих процессов основные продукты плавки — штейн и шлак — стекают с поверхности откосов в ванну печи, где и разделяются, отстаиваясь. При работе отражательных печей твердые и жидкие материалы и продукты непрерывно движутся как на откосах шихты, так и в расплавленной ванне. На откосах шихты наблюдается движение струек расплавленных смесей штейна и шлака, которые при стекании вниз по откосу увлекают и частички твердых материалов. В ванне печи наблюдается движение шлака от центра печи к откосам и около откосов вглубь ванны, вызываемое перегревом шлака в центре ванны и охлаждением его у откосов. Результат этого движения шлака — оплавление откосов шихты снизу. Кроме того, в ванне движется шлак по направлению к выпускным отверстиям, капельки штейна через слой шлака и т. д. Физико-химические превращения шихтовых материалов в отражательных печах характеризуются следующими наиболее важными особенностями. Шихта, загруженная в печь, обычно состоит из смеси сульфидных руд и концентратов, оборотных материалов и флюсов. Вследствие нагрева шихтовых материалов, происходящего преимущественно в открытом поверхностном слое откосов, а также в слое, соприкасающемся с расплавленной ванной, протекают процессы превращения шихты и образования продуктов плавки. В первой стадии нагрева (до 1000°) материалы сушатся, разлагаются гидраты, сложные сульфиды и высшие окислы, сульфаты и карбонаты. Образовавшиеся в результате этих процессов устойчивые сульфиды и окислы при дальнейшем нагреве вступают во взаимодействие друг с другом, в результате чего в конечном итоге образуются два основных продукта плавки — штейн и шлак. Образующиеся на откосах смеси штейна и шлака при дальнейшем нагреве переходят в полужидкое и жидкое состояние и стекают с поверхности откоса в ванну печи. Вследствие неоднородности шихты по химическому составу и крупности продукты плавки плавятся и стекают с откосов неравномерно. Наиболее легкоплавкие компоненты шихты и их смеси расплавляются и стекают с откосов с значительным опережением по сравнению с более тугоплавкими компонентами. В результате этого на откосах постепенно накапливаются неплавкие составляющие шихты: кварц, сульфид цинка и др., из которых со временем могут образоваться крупные настыли в виде неплавких кварцевых или другого состава откосов В процессе образования штейна в отражательной плавке решающее значение имеет соотношение количества основного металла и серы. Сера из шихтовых материалов при отражательной плавке удаляется в основном при диссоциации сложных сульфидов и окислении кислородом высших окислов железа. Окисление серы кислородом газовой фазы печи имеет очень малое значение из-за низкой концентрации кислорода. Сернистый газ, парообразная сера и другие газообразные продукты, образовавшиеся в результате окисления и диссоциации сульфидов на откосах, смешиваются с газовой фазой печи и непрерывно удаляются в газоходную систему. Смесь штейна и шлака, стекающая с откосов в ванну, механически увлекает с собой некоторое количество твердых и полурасплавленных кусочков шихты, которые дорабатываются уже в жидкой ванне. Весьма большое значение для протекания плавки имеют химический состав и физические свойства образующихся шлака и штейна. На откосах шихты образуется первичный шлак, который по составу и свойствам может значительно отличаться от окончательного шлака, выходящего из ванны печи. Состав и свойства первичного шлака имеют решающее значение для производительности печи, так как они определяют скорость стекания расплава с откосов. Поэтому характеристика первичного шлака должна подбираться в строгом соответствии с химическим составом сырья и тепловым режимом печи. После перемещения первичного шлака с откоса в ванну и взаимодействия его с шлаковой частью ванны образуется окончательный шлак, который также должен обладать вполне определенными свойствами, обеспечивающими хорошие показатели работы печи. Основным продуктом плавки является штейн, который должен содержать достаточное количество основного металла, иметь небольшую вязкость, умеренную температуру плавления и удельный вес, превышающий удельный вес шлака по меньшей мере на единицу. Смесь штейна и первичного шлака после поступления ее в ванну печи претерпевает ряд химических и физических превращений. К главнейшим из них относятся взаимодействие первичного шлака с шлаковым слоем и образование окончательного шлака, до- плавление и усвоение шлаком и штейном твердых и полурасплавленных материалов, сносимых в ванну, разделение отстаиванием слоя штейна и шлака по удельным весам. В ванну отражательных печей в значительном количестве сливается жидкий конвертерный шлак, который также активно участвует в процессе доработки первичного шлака и штейна, стекающих с откосов. Физико-химические превращения шихты, представленные процессами нагрева и плавления материалов и процессами шлако- и штейнообразования, являются в конечном итоге основной целью, отражательной плавки. Производительность современных отражательных печей может определяться в прямой зависимости от процесса теплообмена, т. е. от количества тепла, переданного шихте. В свою очередь процесс теплообмена находится в некоторой зависимости от свойств шихты. Горение углеродистого топлива в отражательных печах осуществляется в большом свободном пламенном пространстве и происходит по законам факельного процесса. Процесс горения и его показатели в основном определяются здесь свойствами топлива и условиями его сжигания. Свойства топлива, наиболее- влияющие на показатели горения — химический состав, а для пылевидного топлива и степень измельчения. К наиболее важным условиям сжигания топлива относятся: соотношение количества топливо — воздух; состав воздуха, его давление и температура; конструкция топливосжигающих устройств. В результате непрерывного протекания процесса горения углеродистого топлива в печи образуется непрерывный поток раскаленных газов, являющийся основным теплоносителем, от которого и питаются теплом все элементы рабочего пространства печи. Существенное значение для тепловой работы печи имеет характеристика газового потока, определяемая в первую очередь рабочей, температурой газов и степенью черноты потока. Оба эти параметра газового потока непосредственно связаны со свойствами топлива и условиями его сжигания, т. е. в конечном итоге они определяются условиями протекания процесса горения. Следовательно, рациональная организация процесса горения углеродистого топлива является одной из главных задач в работе отражательных печей, предопределяющей успешное протекание других рабочих: процессов в печи: теплообмена и превращений шихты. Вследствие высокой температуры отходящих газов (1100—1300°) полезное использование тепла в отражательных печах мало и обычно составляет всего лишь 20—30%. Теплообмен между газами, шихтой, ванной и кладкой отражательной печи является важнейшим рабочим процессом, определяющим основные технико-экономические показатели отражательной плавки. Основная задача правильно организованного теплообмена отражательной печи — подача к шихте максимального количества тепла в единицу времени. Без особого искажения истины можно считать, что теплообмен в отражательных печах происходит в условиях почти изотермического состояния поверхности шихты и поверхности ванны, объясняющегося регулирующим температуру действием процесса плавления. Поверхность ванны имеет тенденцию несколько перегреваться теплом от газов и свода. Ванна печи, нагретая до более высокой температуры, чем нижние погруженные в шлак слои шихты, отдает им часть своего запаса тепла, постепенно подплавляя их. Основное значение процесса теплообмена между ванной и погруженной в нее шихтой заключается в регулировании температуры ванны и поддержании ее на уровне, близком к температуре плавления шлака. Погруженная в шлак на большом протяжении ванны печи более холодная шихта является своеобразным терморегулятором температуры ванны подобно тому, как куски льда, опущенные в сосуд с водой, не дают заметно нагреваться воде. Таким образом, ванна отражательной печи не является простым отстойником для шлака и штейна, а активно участвует в процессе плавления и доработки полурасплавленной шихты, используя для этого тепло, получаемое открытым зеркалом ванны. Штейновый слой ванны получает весьма ограниченное количество тепла от прогрева ванны сверху. Поэтому приходится принимать меры к сохранению запаса тепла, полученного штейном во время его образования и плавления на откосах, устраивая в печах надежно теплоизолированную подину (теплый под). Движение твердых и расплавленных материалов и продуктов в отражательных печах, как показывает опыт заводов и эксперименты на моделях, является процессом, существенно влияющим на работу печей. Как уже указывалось выше, основными причинами движения материалов и продуктов являются здесь процессы нагрева и плавления. Процесс плавления шихты на откосе порождает движение расплавленных и полурасплавленных смесей по поверхности откосов в ванну. Чем энергичнее происходит это движение, тем быстрее обнажаются последующие поверхности откосов и наступает их плавление. Движение расплавов на откосах прямо зависит от процесса теплообмена и в первую очередь от количества тепла, поступающего на поверхность шихты. Кроме того, существенное влияние на движение расплава на откосе оказывает вязкость первичного шлака и штейна, температура их плавления, крупность материалов и угол поверхности откосов шихты по отношению к горизонту. Чем меньше вязкость, температура плавления первичного шлака и штейна и крупность материалов и чем больше угол откосов, тем энергичнее и быстрее движутся расплавы на откосах и тем быстрее перерабатывается в печи загружаемая шихта. Расплавы движутся преимущественно по поверхности откосов в виде струек и ручейков. Стекающие струйки расплавов в отдельных участках откосов могут несколько углубляться в толщу шихты вследствие химического и механического воздействия на наиболее податливые участки откосов. При движении струек и ручейков расплавов в ванну печи механически увлекаются и уносятся нерасплавившиеся кусочки шихты, слабо связанные с массой откосов. Обычно это более крупные фракции шихтовых материалов, легко вымываемые из шихты, и особенно материалы с малым удельным весом. В результате сноса в ванну кусочков нерасплавившихся материалов в ванне протекают процессы доплавления и химического усвоения этих кусочков. При сливе жидкого конвертерного шлака в печи происходит дополнительное затухающее движение шлаковой части ванны,приводящее в первые моменты после слива к обогащению шлака металлом. Для улучшения состава отвального шлака требуется время после слива для успокоения ванны и обеднения верхних слоев шлака. Весьма важный вид движения расплавов в ванне — процесс разделения по удельному весу шлака и штейна, определяющий степень извлечения металла из исходного сырья. Процесс разделения штейна и шлака наиболее правильно можно представить в виде движения капелек штейна (штейнового дождя) через шлаковый слой ванны. Особенно насыщенное (плотное) это движение в участках ванны, прилежащих к шихтовым откосам. Успешное протекание процесса разделения штейна от шлака зависит от разности удельных весов и вязкости. Особенно большое значение имеет вязкость шлакового слоя ванны. Наоборот, при понижении вязкости шлака в ванне всегда улучшается отстаивание штейна от шлака. Изложенная выше общая картина работы отражательных печей дает возможность выявить основные преимущества и недостатки этого типа печей. Основные преимущества отражательных печей: относительная простота протекающих в них процессов и доступность для наблюдения за ними; относительно пониженные требования к загружаемой шихте и ее подготовке перед плавкой (повышенная влажность, большое количество мелких фракций и др.); ограниченная величина пылеуноса при весьма мелкой шихте, не превышающая 1—1,5%; возможность переработки конвертерного шлака в жидком виде и т. д. Основные недостатки отражательных печей: низкий термический к. п. д., не превышающий 20—30%; ограниченные окислительные возможности и малая степень сокращения; ограниченные возможности нагрева и перегрева шлака и штейна, препятствующие успешной переработке сырья с повышенным содержанием тугоплавких составляющих (окись магния, сульфид цинка и др.); большая тепловая инерция печей. Контрольные вопросы: 1.Предназначение отражательных печей 2.Конструкции отражательных печей 3.Какие конечные продукты получаются в результате плавки? 4.Запишите основные реакции образования штейна 5.Запишите основные реакции образования шлака 6.Что является основным топливом плавки 7. Какова степень обессеривания сульфидной шихты? жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|