Отражательные плавильные печи

Отражательные печи используются для плавки мелкоизмельченных материалов (концентратов), а также метал­лов при производстве меди, олова, цинка, алюминия, вторичных металлов и сплавов.

По принципу нагрева отражательные печи относятся к типу пламенных печей, где тепло нагреваемому метал­лу передается от пламени при сжигании топлива. Поэто­му отражательные печи подобны нагревательным печам различных конструкций (методические, камерные и др.).

Конструкции отражательных печей

На рис. 111 даны разрезы отражательной печи для плавки медных кон­центратов на штейн. Отражательные печи такого типа имеют площадь пода 240—280 м2, длину 31—35 м, ширину 7—10 м, высоту от пода до свода 3,0—4,0 м.

Печи отапливаются угольной пылью, мазутом или га­зом. В настоящее время большинство отечественных пе­чей переведено на отопление природным газом — наи­более дешевым, легко транспортируемым и эффектив­ным видом топлива. Горелки 1, или форсунки, вводятся в печь через отверстия в торцовой стене (см. разрез А—А на рис. 111). В противоположном конце печи газы по борову отводятся в дымовую трубу. Начальный уча­сток борова 4, называемый аптейком, наклонен в сторо­ну печи. Уносимые отходящими газами частицы шихты в жидком состоянии оседают в аптейке и стекают снова в печь. Поскольку отходящие газы имеют высокую тем­пературу (1100—1300°С), целесообразно за печью уста­навливать паровые котлы, где тепло отходящих газов используется для производства пара. В некоторых случаях за паровыми котлами устанавливают рекуператор для подогрева воздуха, поступающего в печь на сжига­ние топлива.

Печь располагается на фундаменте 5, изготавливае­мом из бутового камня, бетона, красного кирпича или расплавленного шлака. Под (лещадь) печи делается обычно набивной из кварцевого песка с добавкой 5—10% глины, спекаемого на месте перед пуском печи. Между лещадью и фундаментом проложены слои дина­сового, шамотного и теплоизоляционного кирпича. С успехом используется лещадь из кирпича, при этом верхний слой в виде обратной арки толщиной 0,46 м де­лается из магнезитохромитового кирпича. Стены до уровня ванны выкладываются магнезитохромитовым кирпичом толщиной 0,75—1,0 м, а выше уровня ванны динасовым кирпичом. Магнезитохромитовым кирпичом футеруются выпускные отверстия для штейна и шлака.

Печь имеет распорно-подвесной свод из магнезито­ хромитовых кирпичей, набираемых в виде блоков. Иног­да делается арочный свод из динасового кирпича толщи­ной 0,35—0,5 м. Применение подвесного свода упрощает его частичный ремонт, позволяет увеличить ширину пе­чи, но при этом возрастает расход металла на устрой­ство подвесок. В продольном направлении свод может быть прямой и наклонный к концу печи. Устройство на­клонного свода сложнее, но при этом улучшается нагрев ванны в конце печи. При прямом своде увеличивается сечение для прохода газа. Стойкость динасового свода меньше, чем магнезитохромитового, поскольку динас быстрее разъедается пылью шихты, содержащей окислы железа, кальция, цинка, меди и других металлов.

Арочный и распорно-подвесной своды удерживаются металлическим креплением, состоящим из подпятовых балок 9 и стоек 8, расположенных на расстоянии 1,2—2,2 м друг от друга вдоль стенок печи. Стойки внизу и вверху стягиваются связями 6.

Мелкую шихту в печь загружают через свод, для че­го в нем у продольных стен делают отверстия 7 на рас­стоянии 0,9—1,1 м друг от друга. Над ними устанавли­вают чугунные или стальные трубы диаметром 200—300 мм. Верхняя часть трубы соединяется с бункером или желобом, из которых шихта поступает в печь. В пе­чи шихта располагается по откосу у стенки, что ускоря­ет ее проплавление и стекание штейна и шлака в ванну. Для уменьшения пылевыноса шихты при загрузке, осо­бенно при работе с обожженными концентратами, в по­следнее время стали применять загрузку непосредствен­но на поверхность ванны через отверстия в боковой стенке. Отсутствие отверстий в своде делает его более стойким. Штейн выпускают через одно из шпуровых от­верстий 2 в конце печи, расположенных на уровне ле­щади, или через аварийное отверстие, расположенное выше уровня лещади, если на лещади образовалась на­стыль. Шлак выпускается через окно 3 в боковой стене в конце печи.

Значительные преимущества имеет практически не­прерывный сифонный выпуск штейна из печи (рис. 112). Высота порога рассчитывается с учетом плотности и вы­соты слоев штейна и шлака в ванне. Сифон размером от 100×100 до 200×200 мм футеруется магнезитохромито­вым кирпичом.

На рис. 113 показана отражательная печь, исполь­зуемая для плавления и рафинирования меди. При рафинировании медь расплавляют в печи при температуре 1500° С и выше, а затем окисляют присутствующие примеси в окислительной атмосфере с одновременным сни­жением температуры печи до 1200—1400° С. Разлив производят в восстановительной среде при температуре металла около 1150° С.

Фундамент печи выполняется из бутового камня или бетона. Верхняя его часть 5 делается в виде бетонных столбиков и стенок высотой 0,5—1,0 м. На фундаменте помещаются металлический кожух или чугунные плиты 4; такие же плиты ставят вертикально по периметру на высоту ванны металла.

Металлический кожух необходим для того, чтобы препятствовать протеканию жидкого металла в фунда­мент. Проникший через кладку подины жидкий металл встречается с металлическим охлаждаемым кожухом и застывает. Охлаждение осуществляется воздухом, цир­кулирующим по каналам фундамента и снаружи печи. На дно металлического кожуха или на чугунные плиты кладутся слои жаростойкого бетона. Верхняя часть пода в виде обратной арки выкладывается из магнезитохро­митового кирпича. Между отдельными арками делается прослойка из кварцевого песка для компенсации тепло­вого расширения.

Под печи наклонен в сторону выпускного отверстия 1. Глубина ванны металла составляет около 900 мм. При малой глубине увеличивается относительная по­верхность металла, соприкасающаяся с атмосферой печи, что приводит к большему его окислению. Размеры пода в плане выбираются такими, чтобы можно было обслу­живать печь через окна (2—5 м). Соотношение длины пода к ширине принимается от 1,5 до 3,5.

Распорно-подвесной свод печи выполняется из магне­зитохромитовых блоков. Стрела свода составляет 1/6—1/12 пролета. Стены выкладываются магнезитохромито­вым и шамотным кирпичом толщиной 0,5 м. Стены име­ют температурные швы 2 для компенсации теплового расширения кладки. Металл выпускают через летку 1 прямоугольной формы шириной 115 мм и высотой, не­много превышающей глубину ванны. Снаружи летка имеет чугунную плиту, укрепленную между стойками металлического каркаса печи. В подине к летке делает­ся желоб, позволяющий выпускать весь металл из печи.

Отражательные печи отапливаются мазутом или га­зом. Для получения в печном пространстве высокой температуры горелки 3 устанавливаются в форкамере. Вы­сокая температура отходящих газов используется или в паровых котлах-утилизаторах, или для подогрева возду­ха и газа, поступающих в печь.

Теплообмен в пламенных печах

Сжигание топлива в свободном объеме печи приводит к заполнению его про­дуктами горения с высокой температурой. Тепло нагре­тых газов излучением и конвекцией передается материа­лу, нагреваемому в печи, и кладке. Поэтому поверхность кладки также излучает тепло на нагреваемый материал. Большая роль отраженного тепла кладки при нагреве материала послужила основанием для наименования таких печей отражательными.

Таким образом, нагреваемый материал в пламенной печи получает тепло за счет излучения продуктов горе­ния топлива, за счет конвекции при их движении и за счет излучения кладки. В зависимости от степени черно­ты материала часть этого тепла поглощается, часть отражается и вновь поглощается кладкой и дымовыми газами. Соотношение указанных потоков и результиру­ющее значение потока тепла к материалу зависят от соотношения степени черноты дымовых газов, кладки и нагреваемого материала, а также от степени развития кладки ω. Последнее представляет собой отношение суммарной внутренней поверхности стен и свода печи F_к к эффективной поверхности нагреваемого материала F_м, т. е. ω=F_к/F_м.

За эффективную поверхность нагреваемого матери­ала принимается полная поверхность, участвующая в теплообмене излучением.

При непрерывной плавке металла такой поверхно­стью является поверхность расплавленного металла (площадь пода печи). В печах рудной плавки нужно учитывать также поверхность откосов шихты.

Из предположений, что продукты горения топлива полностью заполняют свободное пространство печи, что доля тепла, отдаваемая кладкой в окружающее прост­ранство, полностью компенсируется теплом, получаемым кладкой от продуктов горения топлива за счет конвек­ции (адиабатичные условия работы кладки), и что тем­пературы и степени черноты газа, кладки и материала не изменяются по длине печи (или зоне печи при расчетах по зонам), В. Н. Тимофеев вывел зависимость, позволя­ющую рассчитывать передачу тепла излучением нагре­ваемому материалу:

Приведенный коэффициент излучения газа и кладки на металл С_г-к-м. Вт/(м²•К⁴), находится из уравнения:

где ε_м — степень черноты нагреваемого металла;
ε_г— степень черноты продуктов горения топлива.

Температуры газа Т_г и нагреваемого материала Т_м в пределах длины печи (зоны) не остаются постоянными. При небольшом их изменении можно определить Т_г как среднеарифметическое значение начальной и конеч­ной температур. При достаточно большом изменении температуры, что часто наблюдается, используют гео­метрическое усреднение:

Начальная температура горения топлива рассчиты­вается путем умножения теоретической температуры го­рения на коэффициент 0,8. Конечная температура газов берется на 50—100° С выше температуры нагреваемого материала (ванны печи). В печах для плавки металла и концентратов конечная температура металла превы­шает температуру его плавления на 50—100° и остается постоянной по длине печи.

Анализ уравнений (9.1) и (9.2) показывает, что ин­тенсификация нагрева в пламенных печах в первую оче­редь может быть достигнута за счет повышения средней температуры продуктов горения топлива, за счет подо­грева воздуха и использования дутья, обогащенного кис­лородом. Нагрев воздуха до 400°С при нагреве печей для плавки на штейн природным газом увеличивает их производительность примерно на 40% и уменьшает на 25% удельный расход топлива. Использование дутья, обогащенного кислородом (40% O₂), увеличивает про­изводительность в 1,75 раза при сокращении расхода топлива на 25%.

На рис. 114 показана зависимость приведенного ко­эффициента излучения С_г-к-м от степени черноты газа ε_г и степени развития кладки ω при нагреве алюминия (ε_м = 0,15) и меди (ε_м = 0,72). Из графика видно, что при нагреве алюминия величина лучистого потока к металлу мала (С_{г-к- м}

При нагреве меди и шихты с большой степенью черноты (0,72), существен­ное влияние имеет степень черноты продуктов горения топлива. Повышение ε_г засчет увеличения светимости пламени является средст­вом интенсификации нагрева. Эффективное значение сте­пени черноты факела при пылеугольном отоплении 0,48, при отоплении мазутом 0,57. Повышение степени черноты пламени природного газа достигают неполным сжигани­ем его (α г и меньшее при ε_г>0,6. Вместе с тем значительное увеличение сво­бодного объема в печи может привести к неполному его заполнению пламенем, увеличению теплопотерь кладкой, удорожанию стоимости печи. Практически исполь­зуют степень развития кладки в пределах 2—3,5.

При расчете совместной теплопередачи в печи излу­чением и конвекцией целесообразно воспользоваться уравнением Ньютона:

Усредненная разность температур может быть при­нята как среднеарифметическое значение разностей температур газа и материала в начале и конце нагрева:

Если температуры в начале и конце печи значительно различаются, то по правилам геометрического усред­нения

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется из уравнения (9.1):

При высоких температурах в печи ( > 1200 °С) и большом ε_м передачу тепла конвекцией иногда оценивают в долях лучистого теплообмена, при­нимая α_∑ = (1,05— 1,10) α_изл.

При расчете печей для плавки металла и концентра­тов необходимая площадь пода печи или эффективная поверхность нагрева материала может быть найдена по уравнению F_м = Q_техн/q, где Q_техн — затраты тепла на технологические нужды, Вт. При этом учитываются теп­ло на нагрев, плавление и перегрев материала, а также тепловые эффекты образования продуктов плавки (шла­ка, штейна).

При известной площади пода печи выбирают ширину и, находят длину печи. Следует иметь в виду, что при плавке концентратов печь загружают лишь на 2/3 ее длины. Полная длина может быть найдена путем увели­чения расчетной длины на 1/3.

При выборе высоты над расплавом в печах для плавки концентрата, а тем самым значения степени раз­вития кладки учитывают действительную скорость дви­жения газов в свободном пространстве печи, которая не должна превышать 8 м/с. При этой скорости унос пыли менее 1,5%. Увеличение скорости до 15 м/с приводит к выносу 10% шихты от загружаемой в печь. Количество газов при температуре печи находится из расчетов горе­ния топлива и теплового баланса печи. Практически средний проплав шихты в печах для плавки сырых суль­фидных концентратов составляет 3,3—4,8 т/м 2 в сутки, при плавке огарка 6,5—7,8 т/м 2 в сутки. Хорошая орга­низация сжигания топлива и загрузки сырья способству­ет увеличению удельного проплава. Следует учесть, что в печах такого типа за поверхность проплава принимает­ся площадь сечения печи на уровне верхней поверхности шлака.

Средний расход условного топлива в зависимости от исходного сырья колеблется в пределах от 12 до 25% от массы проплавляемой шихты.

Примерный тепловой баланс печи для плавки мед­ных концентратов с площадью пода 240 м² при отопле­нии газом (по данным Ю. П. Купрякова) следующий:

В печах для плавки меди удельная производитель­ность составляет 4,5—6 т/м² в сутки при плавке твердого металла и 10—12 т/м² в сутки при переработке жидкого металла.

Ниже приводится (по данным В. И. Смирнова) теп­ловой баланс плавки катодной меди в печи емкостью 220 т при расходе условного топлива 13,6% от массы металла:

Из приведенных тепловых балансов отражательных печей видна необходимость использования тепла отхо­дящих газов, которые в печах этого типа всегда имеют высокую температуру.