Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| 2.Конструкции шахтных печей
Общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в шахтных печах могут быть представлены следующим образом. Шихту, состоящую из руды, флюсов, оборотов и кокса, периодически загружают в шахтную печь отдельными порциями-колошами, состоящими из определенного весового набора всех материалов. Шихту обычно загружают слоями в следующем порядке: сначала кокс, затем обороты, флюсы и руда. Шихта располагается в печи в виде вертикального столба, опирающегося на ванну расплавленных продуктов и частично на боковые стенки печи (рис 40.). Значительная доля веса шихтового столба уравновешивается встречным потоком газов, оказывающим на шихту динамическое давление. Столб шихты постепенно оседает, так как в нижних слоях шихты из-за выгорания топлива и выплавления, металла, штейна и шлака образуются пустоты. Воздух, поступающий в шахтную печь через фурменные отверстия, встречается в фурменной зоне печи с шихтовой смесью, состоящей в основном из кусков кокса и кварца. Остальные составляющие шихты — такие, как агломерат и обороты, обычно до фурменной зоны в твердом состоянии не доходят. В результате пробивания воздушными струями, истекающими из фурм, слоя раскаленного кокса и кварца в фурменной зоне шахтной печи развивается активный процесс горения кускового топлива и восстановление металла, а также окисление сульфидов в расплавленном состоянии. Вследствие значительных тепловыделений, происходящих в ограниченном объеме фурменной зоны, температура здесь достигает максимального значения для шахтной печи (1400— 1500°). Фурменная зона шахтных печей, обладающая максимальной температурой, носит поэтому название фокуса печи. Температура фокуса находится в определенной зависимости от условий горения кокса и сульфидов и от температуры плавления шлака и обычно превышает последнюю не более чем на 100—200°. INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\Desktop\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image54.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис. 10.1. Схема плавки в шахтной печи Газы, образующиеся в фурменной зоне нормально работающей шахтной печи, имеют температуру 1300—1500° и представлены смесью азота, двуокиси углерода, сернистого ангидрида, а также значительного количества свободного кислорода. Эта газовая смесь непрерывным потоком движется вверх навстречу опускающейся шихте, пронизывая и омывая ее. Между составляющими шихты и газами непрерывно происходят процессы химического взаимодействия и теплообмена, в результате которых температура шихты по мере ее опускания постепенно повышается, а температура встречного потока газов понижается. По мере опускания шихты в ней последовательно протекают процессы физико-химических превращений: сушка; дегидратация, диссоциация, окисление, восстановление, штейнообразование, шлакообразование и др. По мере приближения к фокусу печи в шихте начинаются процессы размягчения и плавления, и жидкие продукты плавки, фильтруясь через кварцево-коксовый слой, стекают во внутренний горн печи. Состав кварцево-коксового слоя, заполняющего фурменную зону печи, может быть различным в зависимости от разновидности шахтной плавки. Если агломерат, поступающий в плавку, имеет пониженное содержание сульфидов и плавка ведется с повышенным расходом кокса, достигающим 8—12% от веса шихты, то в кварцево-коксовом слое преобладает кокс. Наоборот, если руда содержит в себе много сульфидных минералов и плавка ведется с пониженным расходом кокса, не превышающим 3—5%. от веса шихты, то в слое у фурм преобладает кварц. Чем больше кокса содержится в слое в области фурм, тем менее окислительный характер имеет шахтная плавка, вследствие того что кислород дутья преимущественно расходуется на горение кокса и газы, выходящие из фокуса печи, имеют пониженное содержание кислорода. При малом содержании кокса в слое кислород дутья в основном расходуется на восстановление металла и окисление сульфидов в жидком и твердом состоянии. Сульфиды в твердом состоянии окисляются в верхних горизонтах печи газами, выходящими из фокуса, вследствие значительного содержания в них свободного кислорода. В соответствии с этим степень десульфуризации при шахтной плавке колеблется в широких пределах (от 40 до 80%), а степень сокращения от 3 до 8. Приход тепла в шахтной печи осуществляется в результате горения углеродистого топлива и сульфидных минералов, содержащихся в агломерате. В зависимости от содержания сульфидов в агломерате соответственно изменяется приход тепла за счет углеродистого топлива, который обычно колеблется от 20 до 80% от общего прихода тепла. Приход тепла от экзотермических реакций окисления сульфидов соответственно колеблется от 80 до 20% от общего прихода тепла. Чем большее количество тепла выделяется в рабочем пространстве шахтной печи в единицу времени, тем большее количество шихты будет расплавлено и удалено из нижних горизонтов печи в виде металла, штейна и шлака и тем быстрее будет опускаться вниз столб шихты и возрастать производительность печи. Количество тепла, выделяющееся в шахтной печи в единицу времени, определяется количеством углеродистого топлива и сульфидов, окисляемых (сжигаемых) в единицу времени, т. е. интенсивностью горения кокса и сульфидов. Интенсивность горения кокса и сульфидов в свою очередь является прямой функцией от количества воздуха, поступающего в печь в единицу времени, т. е. от количества дутья. Материалы, поступающие на плавку в шахтную печь, имеют весьма сложный состав: Pb; PbO; PbS; PbSO4; xPbO x ySiO2; x PbO x yFeO; FeCO3; ZnO; ZnS; ZnSO4; Cu2O; CuO; CuSO4; FeO; Fe2O3; Fe34; FeS; FeSO4; FeCO3; CaO; CaCO3; MgO; MnO2; Al2O3; BaSO4; SiO2; SnO;,кроме того, содержаться сурьма, мышьяк в виде арсенатов и антимонатов, а также золото, серебро, висмут и т.д. Восстановительная плавка слагается из ряда отдельных химических превращений, которые происходят с составляющими шихты по мере прохождения их через печь. В плавильной печи протекают три основных процесса: восстановление, шлакообразование и сульфидирование. Восстановитель и тепло в шахтной печи получают за счет загружаемого кокса по реакции: C + O2 = CO2 (10.1) CO2 + C = 2CO (10.2) Условно путь прохождения шихты в печи можно разделить на 3 зоны 1. Зона нагрева и сушки шихты - 150 - 4000С 2. Зона восстановления - 400 – 9000С 3. Зона плавления и шлакообразования - 900 – 12000С В первой зоне происходит разложение неустойчивых соединений: CuFeS2; PbSO4; PbCO3; CaCO3; CuSO4; CuCO3; ZnSO4; Кремнезем также способствует разложению сульфатов: PbSO4 + SiO2 = PbOхSiO2 + SO2 + 1\2O2 (10.3) В этой зоне, также происходит восстановление окиси свинца: PbO + CO = Pb + CO2 (10.4) Окись углерода, образующая от сжигания загружаемого в печь кокса, омывает частицы, содержащие окись свинца, восстанавливает их до металла и окисляется при этом до двуокиси, которая реагирует с коксом и вновь превращается в окись углерода. Во второй зоне происходит восстановление и других , присутствующих в шихте металлов. В третьей зоне происходит сплавление элементов пустой породы: окислов кварца, известняка, закиси железа, глинозема, окиси цинка и других элементов, т.е. происходит шлакообразование. Здесь же происходит процесс сульфидирования, т.е. перевод меди в сернистое соединение и отделение ее от свинца и шлака в виде сплава с другими сульфидами, называемого штейном. Необходимо также отметить, что если в шихте будут присутствовать достаточно большие значения мышьяка и сурьмы то, будут образовываться так называемые «шпейза», что крайне нежелательно, ввиду больших потерь с ней значительного количества благородных металлов. Печь состоит из фундамента, лещади, внутреннего горна, шахты, надколошникового устройства, крепления, воздухопроводной и водопроводной системы, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов, переднего горна. Фундамент печи представляет сплошную массивную бетонную плиту, значительно выступающую над уровнем заводского пола. На плите в два ряда установлены металлические колонны, поддерживающие лещадные плиты. Лещадь печи состоит из стальных или чугунных плит, отфутерованных изнутри магнезитовым или хромомагнезитовым кирпичом. Внутренний горн располагается в нижней части шахты печи и обычно состоит из магнезитовой или хромомагнезитовой кладки, облицованной с наружной стороны кессонами или металлическими плитами. Шахта печи собирается из отдельных водоохлаждаемых кессонов, скрепленных между собой болтами и удерживаемых на месте специальным креплением. Иногда верхняя часть шахты состоит не из кессонов, а выложена шамотом. В нижней части кессонов располагаются фурменные отверстия для подачи в печь воздуха. INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\Desktop\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image42.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис 10.2 Продольный разрез шахтной печи INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\Desktop\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image44.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис 10.3 Продольный разрез шахтной печи для плавки окисленных руд Надколошниковое устройство состоит из металлического каркаса, выложенного шамотным кирпичом, опирающегося на специальные колонны и балки, не связанные с шахтной печи. К верхней части колошникового шатра примыкают газоотводящие трубы. Крепление кессонов шахтной печи состоит из распорных балок, опирающихся на продольные балки, окружающие печь в виде пояса, или на кольцевой воздухопровод. Водопроводная система представлена кольцевым подводящим водопроводом, имеющим ответвления к каждому из кессонов, а также открытыми желобами, собирающими горячую воду из сливных патрубков кессонов. Воздухопроводная система представлена кольцевым воздухопроводом с большим числом фурменных труб, подводящих воздух к каждой фурме. Шихту обычно загружают через окна в продольных стенках колошникового шатра, и только в печах для медно-серной плавки для загрузки применяются воронки с конусами позволяющими герметизировать колошниковое устройство. Продукты плавки выпускаются через шпуровые отверстия, располагающиеся в стенках внутреннего горна. Передний горн, служащий для разделения штейна и шлака, представляет собой ванну овальной формы, отфутерованную магнезитовым и шамотным кирпичом и скрепленную с наружной стороны железным кожухом и балками. INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\Desktop\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\Василий\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "F:\\media\\image46.jpeg" \* MERGEFORMATINET Рис10.4 Шахтная печь с герметическим колошником для плавки Черновой свинец выпускают из горна через отверстие, расположенное по длинной стороне печи. Обычно свинец выпускают по сифону, представляющему собой канал небольшого сечения, соединяющий внутренний горн печи с маленьким наружным приемником (рис. 10.6). При непрерывном выпуске свинца через сифон на дне горна (лещади) можно держать значительный слой свинца. В этом большое преимущество непрерывного выпуска свинца перед периодическим через шпур. При шпуровом выпуске горячий шлак может опуститься до более холодной лещади, вследствие чего на ней остается пристывший шлак, причем это явление может повторяться и быть причиной уменьшения объема горна. Несмотря на указанные преимущества сифонного выпуска свинца, им не всегда можно успешно пользоваться. Если шихта шахтной плавки слишком бедна свинцом (менее 15% Pb), то из-за медленного замещения свинца в горне канал сифона может замерзнуть. При плавке медистой шихты на богатый штейн, содержащий более 15—20% Cu, получается медистый свинец. Рис. 10.6 Устройство сифона для выпуска чернового металла Когда медистый свинец проходит по каналу сифона, он охлаждается; при этом из него выделяются кристаллы меди, постепенно закрывающие проход для свинца. В таких случаях затруднительно применять сифон, и свинец выпускают периодически через шпур. Некоторые заводы выпускают свинец вместе со шлаком и штейном во внешний отстойник. Такая практика нежелательна, так как получаются более богатые шлаки; при выпуске более горячего свинца увеличиваются его потери из-за улетучивания и возрастает опасность свинцовых отравлений. Рис. 10.7 Современная шахтная печь прямоуольного сечения Производительность шахтной печи определяется площадью ее горизонтального сечения в области фурм. Это сечение называется эффективным сечением печи. Производительность круглой печи зависит от ее диаметра. Печи строят диаметром 1,0—1,5 м, редко до 2 м. На большую производительность рассчитаны печи прямоугольного сечения (рис.10.7). Раньше такие печи строили шириной 1,0—1,2 м, но в последние годы нередко ширина печи достигает 1,5 м, а в отдельных случаях даже 1,68 м. Длина печи определяется потребной производительностью. Современные печи часто имеют длину 4,5—5,5 м и площадь эффективного сечения около 6—7 м2. В шахтной печи нужно различать две высоты: общую и эффективную. Общей высотой называется расстояние от фундамента печи до колошниковой площадки. Эффективной высотой называется расстояние от уровня фурм до колошниковой площадки. He нужно смешивать эти определения с высотой сыпи — высотой загруженной в печь шихты от уровня фурм до верха. Эффективная высота печи колеблется от 4 до 5 м, а общая высота является производной от нее. Длинные боковые стороны печи имеют книзу наклон, образуя заплечики, которые должны способствовать концентрации тепла в фурменном поясе. Кроме того, печные газы, идущие снизу, в расширенном сечении шахты теряют свою скорость, вследствие чего реагируют с шихтой в течение более продолжительного времени, лучше отдают ей тепло и меньше увлекают с собой пыли. Наклон заплечиков колеблется от 150 до 300 мм на 1 м высоты печи. Для переплавки более крупной шихты наклон заплечиков должен быть меньше. На большинстве заводов печи имеют заплечики, на некоторых заводах (Бункер Хилл) печи имеют вертикальные стенки и, кроме того, встречаются печи с «обратными» заплечиками, т. е. сужающиеся кверху (Чиуауа, Танду). В печах с обратными заплечиками мал объем для хорошей термической подготовки шихты к восстановлению и плавке, большая скорость газов в верхней суженной части шахты, а следовательно, и повышенный пылевынос. В то же время не установлено никаких существенных преимуществ у печей с обратными заплечиками. Поэтому такие печи больше не строят. Профиль разных шахтных печей представлен на рис. 10. 8. Рис. 10.8 Профили шахтных печей Торцовые стенки печи вертикальны. Шахта печи от горна по высоте на 1,0—3,0 м всегда кессонирована, а лежащая выше часть шахты и до настоящего времени иногда бывает выложена кирпичом, так как при низкой температуре в этом месте огнеупорный кирпич служит достаточно долго. Железные кессоны делают сварными из котельного железа. Толщина внутренней стенки кессана 10—14 мм (рис. 10.9), наружной 6—8 мм. Расстояние между стенками кессона (водяное пространство) составляет обычно 10—14 см. Холодная вода, питающая кессон, подается под напором по водопроводной трубе примерно в середину (по высоте) кессона и специальным козырьком или загнутой трубой направляется вниз. Около внутренней стенки подогретая вода постепенно поднимается кверху и в самой верхней части кессона выводится из него. Горячую воду (40° С) из кессона нужно отводить так, чтобы она заполняла все его пространство до самого верха, иначе не охлажденная водой верхняя часть кессона быстро прогорит. Кессоны разделяют на торцовые и боковые (кессоны длинных боковых сторон). Торцовые кессоны делают без фурм. Некоторые заводы изготовляют и торцовые кессоны с фурмами, чтобы сократить настылеобразование в этом участке печи.
Рис. 10.9 Кессоны с фурменными отверстиями В каждом из боковых кессонов (в зависимости от его ширины) устанавливают одну, две или три фурмы. На рис. 10. 9 показан кессон, имеющий 4 фурмы, расположенные в два ряда. Низкие кессоны широкие, а высокие — узкие для сохранения определенного веса кессона. Фурмы устроены на высоте 300—350 мм от низа кессона. Обычный диаметр фурм 100—125 мм. На некоторых заводах уменьшили диаметр фурм до 63 мм, но увеличили их число примерно вдвое. Печи с такими фурмами работают лучше, так как дутье в них распределяется более равномерно. Фурмы обычно располагают в один ряд. Фурмы и трубы для соединения фурм с воздухопроводом обычно отливают из чугуна. Устройство фурмы с задвижкой для регулирования подачи воздуха, с автоматическим клапаном и с присоединением фурмы к кессону и воздухопроводу показано на рис. 10.10. Автоматический клапан преграждает доступ печных газов в воздухопровод при внезапной остановке дутья. Это необходимо, так как печные газы свинцовой плавки содержат окись углерода, взрывающуюся в смеси с воздухом. За последние годы на наших свинцовых заводах при шахтной плавке постепенно переходят на дутье, обогашенное кислородом. Большие потери такого дорогого дутья через неплотности фурм совершенно недопустимы, а тем не менее они достигают 40%, а иногда и более от общего потребления печью воздуха. На рис. 10.11 представлена спроектированная Гипроцветметом герметичная фурма для шахтных печей.
Рис. 10. 10 Кессон с автоматическим клапаном
Рис. 11.11 Устройство герметичной фурмы Общее сечение всех фурм по отношению к поперечному сечению печи в области фурм колеблется в больших пределах — от 1,5 до 4%, и часто принимается в расчетах в пределах 2—3%. Задавшись этим процентом, определяют общее сечение всех фурм и, выбрав их диаметр, подсчитывают число фурм. Уменьшение отношения фурменного сечения к эффективному сечению печи сопровождается увеличением скорости истечения воздуха из фурм, что до известного предела (40 м/сек) улучшает качественные показатели шахтной плавки; повышает температуру в фокусе печи, увеличивает проплав шихты и снижает расход кокса на плавку. При малых скоростях воздуха на выходе из фурм значительное его количество (особенно при малой высоте сыпи) устремляется вдоль холодных стенок кессонов и бесполезно теряется для процесса. Результаты этой исследовательской работы хорошо согласуются с практикой свинцовой плавки на Шеньянском заводе. Кирпичная шахта выше кессонов обычно выложена шамотным кирпичом и заключена в кожух из котельного железа. Кладку верхней части печи выкладывают на металлической раме, которая опирается на специальные колонны, это позволяет на ходу печи заменять прогоревшие кессоны новыми. То место печи, где загружают шихту, называется колошником. Плошадка, с которой загружают шихту, называется колошниковой площадкой. Шахтные печи для свинцовой плавки обычно имеют закрытый колошник (герметизированный), и через него шихта загружается механически. Шихту можно загружать в печь центрально, т. е. через особую воронку в середине печи, а газы отводить сбоку. При таком способе загрузки мелочь падает на середину, а крупные куски скатываются к краям. Так как газам и без того облегчен проход около стенок печи, то такое распределение материалов по крупности делает шихту неравномерно проницаемой для газов. Боковой отвод газов нецелесообразен также и потому, что шихта неравномерно прогревается, за сходом колош наблюдать затруднительно, а при сбивании настылей необходимо снимать воронку. Общеупотребительна боковая загрузка шихты — через загрузочные окна, расположенные по длинным боковым сторонам печи, а отвод печных газов — кверху. Надколошниковое устройство печи предназначено для отвода печных газов. Раньше его нередко делали в виде простого шатра из котельного железа (без футеровки), но оно при получении горячих печных газов быстро коробилось и прогорало. Применение ребристых чугунных плит вместо листов железа удлиняет срок службы надколошникового устройства. Однако и в этом случае отходящие из печи газы не должны быть слишком горячими (100—200°С). Надколошниковое устройство, выложенное из огнеупорного кирпича в каркасе из металлических балок, охлаждаемых водой, долго служит и при высокой температуре отходящих газов. Загрузочные окна печи раньше закрывали дверцами из котельного железа в виде подвешенных листов. При загрузке шихты дверцы отклонялись внутрь печи, а после загрузки вновь принимали вертикальное положение. Такие дверцы изготовить просто и дешево. Ho они неплотно закрывают окна печи, через которые могут выбиваться на колошниковую площадку печные газы. На современных заводах хорошо себя зарекомендовали в работе дверцы, сделанные в виде кессонов и поднимающиеся кверху в момент загрузки шихты с помощью пневматического или электрического привода. За последние годы все большее распространение получает колошниковый шатер с двойным затвором загрузочных устройств (рис. 10.12). Газы отводятся через газоход 1. Загрузка осуществляется через специальные окна 2 с заслонками. Шихта поступает в печь по наклонной чугунной плите 3. Загрузочная воронка оборудована горизонтальной крышкой 5 и вертикальной заслонкой 4, выполняемыми в виде плоских кессонов. При загрузке сначала с помощью пневматического подъемника поднимается крышка 5, затем она закрывается и поднимается заслонка 4. Таким путем достигается герметизация. Газы из надколошникового устройства отводят по особым газоотводам в пылеуловители, после которых их выбрасывают в атмосферу.
Рис 10.12. Надколошниковое устройство с загрузкой жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|