Шахтные печи цветной металлургии

      В большинстве шахтных печей движение шихты и газов происходит по принципу противотока.

      Рассмотрим, следуя работам Б. И. Китаева, ряд  наиболее важных аспектов теплообмена  в плотном слое при противотоке. Общее уравнение теплового баланса  можно написать следующим образом:

       ,  (1)

      где Gм и Gг — массовый расход соответственно нагреваемого материала и охлаждающихся газов, кг/ч; см и сr — теплоемкость материала и газов, кДж/(кг∙К); dTм и dTг — изменение температуры материала и газов, К.

      Применяя  водяные эквиваленты, это выражение  можно записать так:

       ,  (2)

      Очевидно, что изменение температур dTм и dTг будет зависеть от соотношения между величинами Wм и Wг. Возможны три случая такого соотношения, изображенные на (рисунке 1).

      В первом случае, когда Wг > Wм, конечная температура нагреваемого материала (обозначения ясны из рисунка 1) практически достигает начальной температуры газов. Газы при любой высоте слоя не могут отдать всего своего тепла нагреваемому материалу и выходят из состояния теплообмена с высокой конечной температурой, что является неизбежным.

      При Wг = Wм и dТг = dТм охлаждение газов на 1°С обеспечивает нагрев металла также на 10°С. Следовательно, на всей высоте слоя разность температур между Тг и Тм будет одинаковой, что обеспечивает прямолинейный характер изменения этих температур по высоте слоя.

      Если  Wг < Wм, то при достаточной поверхности нагрева газы отдадут все свое тепло материалу (Т''г и Т'м), однако этого тепла не хватит, чтобы

      нагреть материал до начальной температуры  газов.

      Как будет показано ниже, в разных частях шахтной печи возможны случаи, когда  Wг > Wм и Wм > Wг, поэтому рассмотрим подробнее теплообмен при Wг > Wм сначала для случая термически тонких кусков. С этой целью выделим элементарный участок слоя, через который в единицу времени проходит объем материала Vм с поверхностью F.

      Количество  тепла, переданное материалу, может  быть записано следующим образом:

       ,  (3)

      где α — коэффициент теплоотдачи  от газов к поверхности кусков, Вт/(м₂ ∙ К).

      При отсутствии тепловых потерь для противотока  характерно, что в любом сечении  по высоте слоя (рисунок 1).

       , (4)

      откуда    (5)

      Подставив выражение (5) в уравнение (3), можно  получить после соответствующих  преобразований неходкое дифференциальное уравнение

       (6)

      решением которого будет

       (7)

      Из  последнего выражения следует, что при t=∞ (высота слоя ∞) температура кусков материала на выходе из слоя Т''м достигнет температуры газов на входе в слоя Т'г. Если учесть, что для этого момента времени Т'г ≈ Т''м, то из выражения (5) можно получить:

       (8)

      Учитывая, что αv=αF, t = H/p и Gм cм /Vм = cм pнас (pнас – плотность насыпного слоя) и, перейдя к безразмерной форме, можно записать следующее выражение для условий завершенного теплообмена (Т'г ≈ Т''м) при Wг > Wм:

       (9)

      Приведенные выше выражения устанавливают связь  между всеми основными величинами, определяющими изменение температуры  материала в слое и температуры  газов.

      Для случая Wм > Wг, аналогичные рассуждения приводят к выражению:

      

      Уместно напомнить, что все вышеприведенные  рассуждения относятся к нагреву  кусков, представляющих собой термически тонкие тела, т. е. без учета внутреннего  теплообмена в кусках. В действительности реальные куски могут не быть термически тонкими телами, т. е. не будет иметь  место равенство  , где , — время прогрева кусков соответственно с реальной и с бесконечно большой теплопроводностью. Для реальных кусков можно говорить о какой-то условной величине отношения / , которое будет зависеть от критерия Bi . Поскольку куски бесформенны, то для них практически невозможно определить точно величину линейного размера, входящего в критерий Bi. Если с определенной степенью приближения считать, что куски имеют форму шара, то

      

      где Bi = ; R – радиус шара.

      После соответствующей подстановки в  уравнение (7) можно получить выражение

        

      которое позволяет делать необходимые расчеты нагрева слоя, состоящего реальны кусков.

      Bo все приведенные выражения, естественно, входят величины коэффициентов теплоотдачи, которые определяются экспериментальным путем.

      Большой практический интерес представляет определение гидравлического сопротивления  слоя. Хаотическое распределение  кусков неопределенность сечений для  прохода газов - все это делает возможным, по существу, лишь эмпирический путь исследования этих вопросов. В  результате неопределенности формы  и размеров пор между кусками  определения отдельных элементов  местных сопротивлений выполнить  невозможно, поэтому они учитываются  общим коэффициентом Ксл, входящим в нижеприведенную формулу для определения потерь напора в слое, Па:

      

      где Ксл - 4ξ (Н/dэкв); wоб — скорость, отнесенная к общему сечению шахты, м/с; f — порозность слоя; рг — плотность газов, кг/м₃; Н — высота слоя, м; d_экв — эквивалентный диаметр, м; d_экв = (0,45÷0,47) d; d — средний диаметр кусков слоя, м; ξ – коэффициент сопротивления, зависящий от критерия Re и определяемый при турбулентном режиме при 250 < Re < 5000 по формуле ξ = 1,56/Re0,15.

      Турбулентный  режим в слое наступает при  низких значениях критерия Re. Это объясняется турбулизацией потока при внезапных расширениях и сужениях, резких поворотах при прохождении газа через слой кусковых материалов.

 

       2 Конструкция и  основные показатели  работы 

      2.1 Устройство печи 

      Шахтные печи, применяемые для переработки  одного и тем более разных видов  сырья, могут существенно отличаться друг от друга профилем и размерами  шахты, числом дутьевых устройств (фурм) и рядом других параметров. Однако для всех печей характерен единый принцип работы, что позволяет  осуществлять компоновку агрегата из практически одинаковых конструктивных элементов, к которым относятся  горн, шахта, колошник и шатер. В ряде случаев к печи может примыкать  внешний обогреваемый отстойник (передний горн), используемый для разделения жидких продуктов плавки.

      Конструкцию конкретного агрегата удобнее всего  рассмотреть на примере широко распространенной в промышленности шахтной печи свинцовой  плавки прямоугольной формы (рисунок 2).

      Горн  печи, повторяющий форму и размеры  шахты на уровне фурм, сооружают  из огнеупорного кирпича и устанавливают  на массивном бетонном фундаменте. Изнутри горн футеруют хромомагнезитовым  кирпичом, стойким по отношению к  агрессивному воздействию расплавленной  среды, для внешней кладки используют шамот. Снаружи горн заключен в сварной  кож листовой стали. Сверху на стенки горна укладывают и приваривают  к кожуху массивные металлические  плиты, служащие основанием для установки и крепления кессонов.

      В условиях непрерывно работающей печи горн всегда заполнен расплавом. Внизу  на лещади, выполненной в виде обратной арки, скапливается свинец, над которым  располагаются штейн и шлак. Выпуск свинца организуется непрерывно через  один или (для больших печей) два  сифона, примыкающих к боковой  стенке печи. Они представляют собой  небольшую футерованную огнеупорным кирпичом камеру-копильник, соединенную с внутренним пространством горна специальным каналом. Шлак из печи выпускается периодически по мере накопления через специальные шпуровые отверстия в медных водоохлаждаемых кессонах, установленных в торцевой стенке горна. Для больших печей при получении легкоплавких, жидкотекучих шлаков может быть организован непрерывный сифонный выпуск.

      Шахта печи состоит из кессонов, представляющих собой плоские металлические  коробки шириной 0,6—0,9 м и высотой 1,5—6,0 м, охлаждаемые проточной водой. В последнее время кессоны  в основном оборудуют системой испарительного охлаждения. Обычно устанавливают два  ряда кессонов. Нижние или фурменные  кессоны крепят друг к другу болтами  и устанавливают на основании  с небольшим (3—5°) наклоном к вертикальной плоскости, образуя так называемые заплечики, воспринимающие активное давление слоя, находящегося в печи материала. Кессоны торцевых стен устанавливают  вертикально. Верхнюю часть второго  ряда кессонов крепят с помощью домкратов, опирающихся на специальную балку, опоясывающую печь по периметру и  жестко соединенную с отсечным каркасом. Для уплотнения зазоров между  кессонами используют шнуровой асбест.

      На  высоте 300 мм от нижней кромки кессонов первого ряда расположены отверстия, в которые вставляют металлические  водоохлаждаемые фурмы, заглубляемые в рабочее пространство печи на 200—300 мм. Фурмы имеют в диаметре 100—125 мм и устанавливаются в один реже в два ряда. Ширину печи на уровне фурм выбирают таким образом, чтобы воздух, подаваемый в печь под давлением порядка 20 кПа, достигал центра слоя. Обычно она составляет от 1,3 до 1,9 м. Длина печи зависит от ее производительности и колеблется в пределах от 2,5 до 26 м.

      Колошником  называется верхняя часть печи, расположенная  над шахтой. Он сооружается из металлических  плит, при необходимости футеруемых огнеупорным кирпичом. Колошник служит для размещения устройств загрузки перерабатываемых материалов, которые могут быть расположены в центре или вдоль боковых стен печи. Предпочтение отдается, как правило, боковой загрузке, так как в этом случае крупные куски материала располагаются в центре слоя, что способствует увеличению его газопроницаемости и улучшению аэродинамических характеристик печи. При боковой загрузке с одной или двух продольных стен колошника расположены несколько (3÷4) загрузочных окон, обоснованных двухшиберными устройствами. Сначала открывают, наружный шибер и в приемную камеру загружают порцию (колошу) агломерата или кокса. Затем закрывают наружный и открывают внутренний водоохлаждаемый шибер, и материал по наклонной плоскости сползает в шахту.

      Шатер накрывает колошник, выполняя функции  газоотводящей и сепарационной  камеры. В куполе шатра имеются  два-три отверстия, соединенные с  металлическим газоходом. Внутреннюю поверхность заключенного в металлический  кожух шатра футеруют огнеупорным  кирпичом. На шахтных печах, применяемых  для переработки шихт с большим  содержанием цинка, применяют в  основном шатры, изготовленные из металлических кессонов, охлаждаемых водой. Такая конструкция позволяет значительно облегчить очистку стен от пыли и настылей.

      Сложность тепло - и массообменных процессов, протекающих в шахтных печах, и отсутствие надежных данных о теплофизических  характеристиках перерабатываемых в них материалов в значительной степени ограничивают возможность применения расчетных методов при оценке тепловой работы этих агрегатов. В настоящее время эффективность работы шахтных печей оценивается в основном на базе статистической обработки производственных данных.

      Важнейшими  показателями работы печи являются ее удельная производительность, которую  рассчитывают по количеству проплавляемой  в течение суток шихты, отнесенному  к 1 м₂ площади сечения печи в области фурм, и удельный расход топлива (кокса), определяемый в процентах от массы перерабатываемой шихты. Широкие пределы изменения этих показателей в условиях одного технологического процесса обусловлены, как правило, различиями в химическом и фракционном составе сырья качеством применяемого топлива и характером дутья. Например, при свинцовой плавке высота слоя в зависимости от фракционного состава материала может изменяться от 2,5 до 6,0 м. Удельная производительность и расход топлива в зависимости от его химического состава колеблются соответственно в пределах от 35 до 100 т/м₂ в сутки и от 8 до 13 %. Отходящие газы шахтной печи свинцовой плавки имеют температуру порядка 250-400 0С. Они содержат большое количество пыли, являющейся полиметаллическим сырьем, направляемым после очистки газов в металлургическое производство.

 

      

      Вывод

  Несмотря  на весьма большой исторический возраст  шахтных печей, измеряемый столетиями, большой опыт их заводской эксплуатации и серьезные исследования, не все  процессы, происходящие в шахтных  печах, одинаково хорошо изучены. Большинство  ранее выполненных работ по шахтной  плавке было посвящено изучению физико-химических превращений шихты и; процесса горения  топлива. Небольшое число исследований было проведено в области механики газов и шихты и тепловой работы шахтных печей.