Шахтные печи

Шахтные печи в цветной металлургии применяются при производстве меди, никеля, свинца, а в последнее время и цинка. Используются они для плавки кусковых мате­риалов (руда, агломерат, брикеты), обладающих достаточной прочностью. Шихта, включающая также расчет­ное количество шлакообразующих компонентов (флю­сов) и кусковое топливо (кокс), загружается сверху в вертикальную шахту печи (рис. 122). В нижнюю часть печи через фурмы подают воздух для горения кокса. Горячие газы поднимаются вверх навстречу загружаемой шихте. Двигаясь противотоком, газы отдают свое тепло шихте и охлажденные уходят из печи в верхней ее части. Загружаемый материал, двигаясь сверху вниз, проходит различные температурные зоны, где протекают физико-химические процессы. Наиболее характерными процессами являются (см. рис. 122): нагрев и сушка материала в верхней части печи; разложение неустойчивых при нагреве соединений; восстановление или окисление материала и плавление с образованием шлака, штейна, металла. Жидкие продукты плавки собираются в нижней части печи — ванне, откуда периодически или непрерыв­но прозводится их выпуск.

Шахтная печь — высокоэффективный агрегат, имею­щий большую производительность, высокий коэффици­ент использования топлива благодаря противоточному движению материала и газов в печи, легко поддающий­ся механизации при обслуживании. Ограничивают при­менение шахтных печей особые требования к шихте, которая должна состоять из сырья в виде кускового мате­риала и дорогостоящего и дефицитного кокса. В последнее время для экономии кокса практикуется замена его антрацитом и частичное использование природного газа, подаваемого в печь вместе с воздухом. Применение воз­духа, обогащенного кислородом, позволяет повысить производительность печей и снизить удельный расход топ­лива. При плавке окисленных никелевых руд и содер­жании кислорода в дутье 25,7% производительность возросла на 30%, расход топлива снизился на 20%; при плавке свинцово-цинкового агломерата применение ду­тья, содержащего 28—39% кислорода, 4—5% природно­го газа, подогретого до 400° С, позволило увеличить производительность печи на 67—78% и снизить расход кокса до 9—10% от загружаемой шихты.

Конструкция шахтной печи для плавки медной руды на штейн приведена на рис. 123. Печь имеет прямоуголь­ную форму в плане. Ширина печи выбирается такой, чтобы воздух, подаваемый в печь под давлением, мог достичь центра печи. При использовании дутья избыточ­ным давлением до 20 кПа ширина печи составляет обыч­но 1,2—1,4 м. Длина печи выбирается в зависимости от требуемой производительности и колеблется в широких пределах от 2,5 до 26,5 м.

Шихту загружают через окна 1 в верхней части печи, называемой колошником. Над колошником расположен шатер или напыльник 2 для отвода газов из печи в ме­таллический дымоход 3. Высота шатра около 3 м. Стены шатра делаются из шамотного кирпича и опираются на металлические балки, проложенные под колошниковой площадкой. Перекрывается шатер сводом. В больших печах устанавливают 2—3 газохода для равномерного отвода газов по длине печи.

Особенностью шахтных печей является использова­ние водоохлаждаемых металлических стенок — кессонов 4. Вызвано это тем, что продукты плавки руд цветных металлов весьма агрессивны и трудно подобрать огнеупорный материал, обеспечивающий длительный срок службы печи. При использовании водоохлаждаемых стенок их поверхность покрывается слоем застывших продуктов плавки, хорошо защищающих кессоны от разъедания расплавом.

Кессоны продольных стен (фурменные) делаются шириной 0,6—1,2 м и высотой 2,5—6 м (рис. 124, а). Их устанавливают на лещади или ванне печи с наклоном 5—7°. Кессоны между собой соединяются болтами. Для герметичности между кессонами ставится асбестовая прокладка. Торцовые кессоны устанавливаются вертикально. Все кессоны поддерживаются с помощью метал­лических балок, окружающих печь, роль которых иногда выполняют воздуховоды печи. Кессоны изготавливаются из листов толщиной 12—16 мм с огневой стороны (внутри печи) и 10—12 мм с наружной. С помощью отбортовки они соединяются между собой с зазором для прохода воды в 100—140 мм. Воду подают в среднюю или нижнюю часть кессона и отводят в самом верху с таким расчетом, чтобы не могло образоваться пространство, заполненное паром. Вследствие плохого охлаждения это место может быстро прогореть. В каждом кессоне, об­разующем продольные стенки печи, имеется по 2—3 отверстия, в которые вставляются трубы диаметром 80—120 мм для подачи воздуха в печь.

Подвод воздуха осуществляется с помощью фурм (рис. 125). В фурме предусмотрен горизонтальный пат­рубок для чистки и наклонный для аварийного слива расплава. Аварийное отверстие закрыто картонной за­глушкой, которая сгорает, когда расплав из переполнив­шейся ванны течет через фурму.

В самой нижней части кессона имеется небольшой люк, позволяющий очищать кессон от осевшей в нем грязи. Осадков выпадает меньше при подводе воды в нижнюю часть кессона. Выпуск расплава из печи производится через отверстие в кессоне. Для этого часто уста­навливается специальный выпускной кессон (см. рис. 124, б). Выпускной кессон отливается из меди и имеет меньшую высоту по сравнению с высотой основ­ных кессонов. В тело кессона залит стальной змеевик, внутри которого циркулирует холодная вода. К выпускному кессону крепится желоб 7 (см. рис. 123), соединя­ющий печь с передним горном 8, где производится раз­деление продуктов плавки (шлака, штейна, шпейзы) по плотности. Желоб отлит из черновой меди и охлаждает­ся змеевиком. Внутри желоб футеруется магнезитовым или хромистым кирпичом. Для образования гидравлического затвора, препятствующего выбиванию печных газов через выпускное отверстие при непрерывном вы­пуске расплава, в конце желоба делается порог 9, отли­тый из меди или выложенный кирпичом.

Ряд шахтных печей оборудован кессонами с испари­тельным охлаждением (рис. 126). Кессоны такого типа выполняются в виде панелей из толстостенных труб 1, располагаемых на некотором расстоянии друг от друга. Со стороны, обращенной внутрь печи, промежутки между трубами перекрыты стальными пластинами. С внешней стороны кессоны имеют тепловую изоляцию 4 из пеношамота. Сверху и снизу трубы вварены в круглые коллекторы 3. В нижний подается вода, из верхнего па­ро-водяная смесь отводится в сепаратор, где происходит разделение пара и воды. Пар под давлением до 1,40 МПа используется для нужд предприятия, вода возвращается в кессоны. В нижней части кессона имеется окно 2 для установки фурм.

Основанием печи (см. рис. 123) служит бетонный фундамент 6, на котором установлены невысокие колонны или домкраты 5. На колонны или домкраты кладут горновые или лещадные чугунные плиты, которые иногда имеют железные трубки для охлаждения воздухом. Сама лещадь и стенки горна (ванны) делаются из шамо­та или кварца, при бедных и разъедающих штейнах — из магнезита и хромита.

В некоторых случаях необходимо обеспечить герме­тичность шахтной печи (медно-серная плавка, плавка свинцово-цинкового сырья). В этом случае делается герметичный колошник с загрузочным устройством колокольного типа. На рис. 127 показана печь для медно­серной плавки. В этом случае из отходящих газов улавливают серу конденсацией ее паров. Шихту сначала загружают на верхний колокольный затвор. Затем этот затвор опускается, а материал попадает в пространство между двумя затворами. При закрытом верхнем затворе открывается нижний, и шихта попадает в печь. При этом газы наружу не проникают. Газы из печи отводят через дымоход, расположенный сбоку печи.

Теплообмен в шахтной печи

Из описания работы шахтной печи следует, что теплообмен в ней происходит между газообразными продуктами горения топлива и кусковым материалом. При этом в общем случае участвуют все виды теплопередачи. Горячие газы двигаются через пустоты в шихте, передавая тепло конвекцией, а при температуре более 300° С и излучением. Малая толщина слоя газа уменьшает интенсивность передачи тепла излучением, поэтому конвекция играет существенную роль не только при низких температурах, но и при тем­пературах до 1000° С. Интенсивность передачи тепла зависит от скорости движения газа и величины поверхности контакта газа с кусками шихты. Тепло с поверхности шихты должно передаваться внутрь шихты теплопровод­ностью. Количество передаваемого тепла при этом прямо зависит от коэффициента теплопроводности и обратно пропорционально от радиуса куска. Очевидно, что при этом механизме теплопередачи роль стенок печи сводится к нулю, что позволяет их делать водоохлаждае­мыми.

Весьма существенно равномерное распределение газа в слое кускового материала. Этого можно добиться, лишь применяя куски одинакового размера. При наличии кусков разного размера малые куски попадают между большими, значительно увеличивая плотность засып­ки и уменьшая объем пустот для прохода газа. Это выдвигает существенное требование к подготовке шихты и ее сортировке по крупности. При наличии шихты разной крупности рекомендуется перерабатывать ее, засыпая отдельными слоями крупные и мелкие куски. Чем мель­че размер шихты, тем больше сопротивление движению газов. Поэтому размер перерабатываемой шихты реко­мендуется брать более 50 мм.

При расчете теплопередачи в шахтной печи значи­тельные трудности возникают при определении действительной поверхности теплообмена между горячими газа­ми и нагреваемым материалом. Невозможно также оценить вклад каждого из видов теплопередачи. Все это привело к необходимости пользоваться суммарным коэффициентом внешней теплоотдачи, отнесенным к единице объема слоя α_v Ф. Ф. Фурнас и Б. И. Китаев предлагают для расчета суммарного коэффициента теплопередачи Вт/(м³-К), использовать зависимость

Связь между поверхностным и объемным коэффици­ентами теплоотдачи можно найти, если известна удель­ная поверхность шихты, по зависимости α = α_v/F_м где F_м — поверхность нагрева кусков в 1 м³ слоя, м²/м³; F_м=7,5(1 — f)/d, где f — порозность материала, т. е. до­ля объема пустот в общем объеме.

Суммарный коэффициент теплопередачи as, учиты­вающий и внутреннее тепловое сопротивление кусков шихты, можно найти по формуле

где λ — теплопроводность кус­ков шихты, Вт/(м·К). Среднюю температуру кус­ков шихты, по предложению Б. И. Китаева, принято рас­считывать, рассматривая печь как противоточный теплооб­менный аппарат: потоки газа и материала характеризуют­ся водяными числами W_г и W_м. «Водяным числом» назы­вается произведение расхода газа или материала в единицу времени на его теплоемкость, Вт/К. Распределение темпера­туры кусков шихты и газов по высоте печи зависит от соотношения W_г и W_м.

При W_г > W_м распределение температур материала и газа имеет вид, показанный на рис. 128. В этом случае вся основная тепловая работа газов завершается в вер­хней части печи на высоте H₁. Остальная часть высоты слоя H₂ (если она имеется) практически не участвует в теплообмене, так как куски материала на высоте H₁ нагреваются почти до начальной температуры газов t_г, по­ступающих в печь. В этом случае средние температуры материала и газа могут быть найдены по формулам:

При W_г  W_м изменение температуры материала и газов по высоте печи показано на рис. 129. В этом случае теплообмен происходит в нижней части печи на высоте Н₁. В верхней части печи на высоте Н₂ теплообмена не происходит (Н₂ — холостая высота печи). Поскольку во­дяное число шихты превышает водяное число газов, продукты плавки выходят внизу с температурой, меньшей начальной температуры газов (t_мг). В этом случае уходящие газы на колошнике имеют низкую температу­ру (холодный колошник). Средняя температура материала и температура газа в любом сечении участка высо­ты печи H₁ определяются по уравнениям:

Водяное число шихты в зависимости от интервала температур нагрева может значительно изменяться из-за протекающих физико-химических процессов при нагреве. К ним относятся такие процессы, как испарение влаги шихты, диссоциация неустойчивых соединений, окисление и восстановление материала, плавление и др.

Это приводит к тому, что на отдельных участках высо­ты печи могут иметь место случаи, когда W_г > W_м и W_г  W_м. Часто наблюдаются случаи, когда в верхней части печи W_г > W_м, а в нижней W_г  W_м. Распределе­ние температур шихты и газа по высоте печи имеет вид, показанный на рис. 130. В этом случае холостая (резерв­ная) зона печи H₂ лежит между рабочими зонами H₁ и H₃.

Рассмотренные закономерности теплообмена находят подтверждение в ряде практически осуществляемых процессов в шахтной печи. Так, при медной пиритной плавке на штейн водяное число газов по всей высоте печи выше водяного числа шихты, причем кажущаяся теп­лоемкость шихты в нижней части печи еще снижается вследствие экзотермической реакции окисления железа с одновременным ошлакованием закиси железа:

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = (FeO)₂•SiO₂ + 2SO₂ + 1042•10³ кДж.

Все это определяет распределение температуры по высоте печи аналогично указанному на рис. 128. Подо­грев дутья в данном случае не дает эффекта, так как приводит лишь к повышению температуры отходящих газов на колошнике.

Увеличение содержания кислорода в дутье приводит к уменьшению количества газов в печи, а следователь­но, и водяного числа газов. При этом температура отхо­дящих газов на колошнике понижается.

При пониженном расходе водуха на дутье в печи может происходить увеличение кажущейся теплоемкости шихты за счет реакции восстановления двуокиси угле­рода:

С + CO₂ = 2CO — 172,6•10³ кДж.

Это приводит к понижению температуры газов на ко­лошнике. Распределение температуры при этом будет такое, какое показано на рис. 129. Во всех случаях уве­личение расхода топлива и соответственно дутья приво­дит к увеличению температуры отходящих газов на ко­лошнике.

Тепловые расчеты позволяют определить производи­тельность печи, выбрать ее размеры. Вместе с тем при расчете часто встречаются большие трудности из-за от­сутствия данных, об эффективной теплоемкости шихты, ее сопротивлении для проходящих через слой шихты продуктов горения и других необходимых параметрах. Это привело к необходимости статистической оценки ра­боты действующих печей.

Важнейшим показателем работы печи является удельная производительность, характеризующаяся ко­личеством шихты (без кокса), проплавляемой за сутки на 1 м² площади сечения печей в области фурм. Удель­ная производительность разная для печей различного назначения. Так, при восстановительной плавке на сви­нец она составляет 60—70 т/м² в сутки, при полупиритной плавке медной руды — от 60—80 до 110 т/м² в сут­ки, при плавке на штейн с получением элементарной се­ры— 40—50 т/м² в сутки. По принятой средней удельной
производительности может быть найдена необходимая площадь сечения печи для проплава заданного количества шихты. Приняв ширину печи в ранее указанных пределах, можно найти требуемую длину печи или оп­ределить необходимое число печей определенной длины. Высота печи может быть принята на основе опыта ана­логичной плавки.

Расход топлива находится из теплового баланса плавки. По расчету горения топлива и физико-химичес­ких процессов в печи находится необходимое количество воздушного дутья, состав и количество отходящих газов. Опытные данные показывают, что наибольшее количест­во кокса расходуется при восстановительной свинцовой плавке (12—15%) и восстановительно-сульфидирующей плавке окисленных никелевых руд (20—25%); меньший расход при медно-серном процессе (8—10%); при полупиритной плавке медных и медно-никелевых руд (6—10%), при пиритной медной плавке (2—3%). Ниже приводятся тепловые балансы сульфидирую­щей плавки окисленной никелевой руды и пиритной плавки медной руды:

Повышение теплового к. п. д. шахтных печей возможно за счет сокращения потерь с отходящими газами, на долю которых приходится около 1/3 расходуемого тепла. Наиболее эффективным средством снижения этих по­терь является применение дутья, обогащенного кислородом. Выше указывалось, что это дает возможность не только снизить расход кокса, но и увеличить удельную производительность печей. Полезной является утилиза­ция тепла охлаждающей воды и горячего шлака. Снижение выхода шлака при плавке более богатой шихты с чи­стыми флюсами также позволяет уменьшить расход кокса.

Воздух подают через фурмы. Допустимая скорость воздуха в фурмах до 25 м/с, в подводящем воздуховоде 10—18 м/с. Общая площадь сечения фурм, отнесенная к площади сечения печи в области фурм, носит название фурменного отношения. Фурменное отношение при пиритной плавке достигает 0,1. При восстановительной плавке расход воздуха меньше и фурменное отношение равно 0,03. Необходимое избыточное давление дутья рассчитать трудно из-за недостаточной характеристики сопротивления слоя шихты. Практически при восстановительной плавке используют избыточное давление 16—24 кПа, при сульфидирующей плавке окисленных никеле­вых руд 8—11 кПа, при полупиритной плавке кусковой руды 15—18 кПа, при пиритной плавке 28 кПа. При от­воде газообразных продуктов плавки скорость их в га­зоходе принимается 3—7 м/с.