Плавильные пламенные печи

1 Плавильные пламенные печи

1.1 Общие сведения

Плавильные пламенные печи широко применяют в цветной металлургии при производстве меди, никеля, олова и других металлов. По энергетическому признаку эти агрегаты относятся к классу печей теплообменников с радиационным режимом тепловой работы, благодаря чему они называются отражательными печами. По назначению они делятся на две большие группы: печи для переработки минерального сырья, основными представителями которых являются отражательные печи для плавки сульфидных медных концентратов на штейн, и печи, предназначенные для рафинировочной плавки металлов.

Отражательная печь для плавки на штейн является универсальным агрегатом с продолжительностью кампании от 1–2 до 6 лет. В ней можно плавить разнообразные по составу и физическим характеристикам материалы, основу которых составляет сырая (подсушенная) шихта. Большая емкость печи, в которой одновременно находится около 900–1000 т расплавленного материала позволяет поддерживать стабильные теплотехнические параметры плавки при значительных колебаниях в производительности предшествующего (подготовка шихты) и последующего (конвертирование штейнов) за отражательной плавкой переделов. К основным недостаткам отражательных печей следует отнести отсутствие очистки дымовых газов от пыли и сернистого ангидрида и сравнительно высокий удельный расход топлива.

До настоящего времени отражательные печи остаются основными агрегатами на медеплавильных заводах. Однако с повышением требований к комплексному использованию сырья и охране окружающей среды, перспективы их дальнейшего использования существенно снизились. Кроме того, в отражательных печах практически не используется тепло, получаемое при окислении серы, выделяющееся при разложении сульфидных минералов. Поэтому в последнее время осуществляется постепенная замена отражательных печей более совершенными агрегатами для автогенной плавки медных концентратов на штейн.

Отражательные печи, в которых производится очистка металлов от примесей, носят названия, отражающие сущность протекающих в них технологических процессов. Например, печи, применяемые для получения специальных отливок – анодов, которые используют в последующем процессе электролитического рафинирования меди, называют анодными печами. Это малопроизводительные плавильные агрегаты периодического действия, в которых перерабатывается твердая и жидкая черновая медь, причём жидкую черновую медь подают в печь ковшом непосредственно из конвертера. Так называемые вайербарсовые печи отличаются от анодных только тем, что в них перерабатываются катоды, полученные в процессе электролиза, а также отходы красной и электролитной меди.

2. Отражательные печи для плавки  медных концентратов на штейн

2.1 Основные характеристики

Конструкции печей для плавки на штейн различаются в зависимости от площади пода, состава и вида перерабатываемого сырья, способа отопления и применяемого топлива. В мировой практике встречаются агрегаты с площадью пода 300–400 м2 , однако наибольшее распространение получили печи, площадь пода которых порядка 200–240 м2 .Основные характеристики отражательных печей приведены в (таблице 1).

Техническая характеристика отражательных печей для плавки медных сульфидных концентратов на штейн.

Отражательные печи работают в основном на газовом, реже газомазутном и крайне редко на пылеугольном топливе. Для интенсификации процессов горения топлива на некоторых предприятиях используют дутье, обогащенное кислородом. Для большинства печей применяют торцевую подачу топлива, на ряде агрегатов торцевую подачу комбинируют со сводовым отоплением. При торцевом отоплении обычно используют комбинированные газомазутные горелки, производительность которых по природному газу составляет 1100–1600 м3 /ч, по мазуту – до 300 кг/ч. Основное назначение мазута – повышение степени черноты газового факела. В тех случаях, когда нет необходимости в интенсификации внешнего теплообмена в рабочем пространстве отражательной печи, горелки такого типа успешно работают на одном природном газе.

В зависимости от производительности агрегата на печи устанавливают от 4 до 6 горелок. Такое же число горелок устанавливают на печи и при пылеугольном отоплении. Пылеугольные горелки типа «труба в трубе» работают с коэффициентом расхода воздуха порядка 1,1-1,2и обеспечивают хорошее перемешивание топливовоздушной смеси.

При комбинированном отоплении отражательных печей на своде печи могут быть установлены плоскопламенные радиационные горелки типа ГР, работающие на природном газе с использованием холодного и подогретого до 400 °С воздуха.

Основными элементами отражательной печи (рисунок 1) являются: фундамент, под, стены и свод, которые в совокупности образуют рабочее пространство печи; устройства для подачи шихты, выпуска продуктов плавки и сжигания топлива; система отвода дымовых и технологических газов, боров и дымовая труба. Фундамент печи представляет собой массивную бетонную плиту толщиной 2,5–4 м, верхняя часть которой выполнена из жаропрочного бетона. В фундаменте обычно имеются вентиляционные каналы и смотровые проходы. Рабочее пространство является основной частью печи, так как в нем протекает технологический процесс и развиваются высокие температуры (1500–1650 °С). Подина (лещадь) выполняется в виде обратного свода, толщиной 1,0–1,5 м. Для кислых шлаков в качестве огнеупорных материалов при кладке пода и стен печи используют динас, для основных шлаков – хромомагнезит. Толщина стен на уровне ванны 1,0–1,5 м, над ванной –0,5–0,6 м. Для теплоизоляции стен обычно используют легковесный шамот. Расстояние между боковыми стенами (ширина печи) в зависимости от конструкции агрегата изменяется в пределах 7–11 м, между торцевыми стенами (длина печи) 28–40 м.

Рисунок 1 – Общий вид отражательной печи для плавки на штейн

1 –  ванна; 2 – свод; 3 – каркас; 4 – загрузочное устройство; 5 – наклонный газоход; 6– окно для выпуска шлака; 7–шпур для выпуска штейна; 8 – фундамент; 9 – подина; 10 – стена

Свод печи является наиболее ответственным элементом ее 
конструкции, так как о стойкости зависит продолжительность кампании печи. Свод имеет толщину 380–460 мм и выкладывается из специального магнезитохромитового и периклазошпинелидного кирпича. Как правило, используют распорно-подвесные и подвесные своды. У боковых стен свод опирается на стальные пятовые балки. Для компенсации распирающих усилий создаваемых ванной расплава и сводом, стены печи заключены в каркас, состоящий из стоек, расположенных через 1,5–2 м вдоль стен, скрепленных продольными и поперечными тягами. На концах тяги оснащены пружинами и гайками, которые позволяют компенсировать температурные расширения кладки.

Для загрузки шихты используют специальные отверстия, расположенные в своде через каждые 1,0–1,2 м вдоль боковых стен печи, в которых установлены воронки с патрубками диаметром 200–250 мм. К загрузочным воронкам шихта подается ленточными или скребковыми транспортерами. В некоторых случаях загрузка шихты производится с помощью шнековых питателей или забрасывателей через окна в боковых стенах печи. Загрузочные отверстия имеются по всей длине печи, но шихта подается, как правило, только в плавильную зону.

Конвертерный шлак заливается в печь через окно в торцевой стенке, расположенное над горелками. Иногда для этого используют специальные отверстия в своде или окна в боковых стенах, расположенные вблизи от передней торцевой стенки печи. Для выпуска штейна применяют сифонные или специальные разборные металлические шпуровые устройства с керамическими или графитовыми втулками. Устройства для выпуска штейна расположены в двух или трех местах вдоль боковой стенки печи. Шлак выпускается периодически по мере его накопления через специальные окна, расположенные в конце печи в боковой или торцевой стенке на высоте 0,8–1,0 м от поверхности пода.

Отвод газов из рабочего пространства печи осуществляется через специальный газоход (аптейк), наклоненный к горизонтальной плоскости под углом 7–15°. Наклоненный газоход переходит в боров, который служит для отвода продуктов сгорания топлива в котел-утилизатор или в дымовую трубу. Боров представляет собой горизонтально расположенный газоход прямоугольного сечения, внутренняя поверхность которого выложена из шамота, наружная – из красного кирпича.

Для утилизации тепла отходящих газов в сборном борове отражательных печей устанавливают водотрубные котлы-утилизаторы, которые оборудованы специальными экранами, позволяющими эффективно бороться с заносом и ошлакованием рабочей поверхности котлов, содержащимися в газах пылью и каплями расплава. Для предотвращения сернокислотной коррозии металлических элементов температура газов на выходе из котла должна быть существенно выше 350 С. После котла-утилизатора устанавливают металлический петлевой рекуператор, позволяющий использовать тепло газов, выходящих из котла, для нагрева дутьевого воздуха.

Основными достоинствами отражательной плавки являются: относительно небольшие требования к предварительной подготовке шихты (влажность, повышенное содержание мелких фракций и т. п.); высокая степень извлечения меди в штейн (96–98 %); незначительный унос пыли (1–1,5 %); повышенная производительность единичного агрегата, достигающая до 1200–1500 т в сутки по проплавляемой шихте, а также высокий коэффициент использования топлива в печи, который составляет в среднем около 40–45 %.

К недостаткам процесса следует отнести низкую степень десульфурации (получение сравнительно бедных по меди штейнов) и большой удельный расход топлива, который составляет примерно 150-200 кг у. т. на тонну шихты. Значительное количество дымовых газов на выходе из печи ограничивает возможность их очистки и использования в сернокислотном производстве из за низкого содержания в них сернистого ангидрида (2,5 /о).

2.2 Тепловой и температурный режимы работы

Отражательная печь для плавки на штейн является агрегатом непрерывного действия с относительно постоянными во времени тепловым и температурным режимами работы. В ней осуществляется технологический процесс, состоящий из двух последовательно протекающих операций: расплавления шихтовых материалов и разделения полученного расплава под действием силы тяжести на штейн и шлак. Для сохранения последовательности этих процессов они осуществляются в различных участках рабочего пространства печи. На протяжении всей работы агрегата в нем постоянно находятся твёрдая шихта и продукты плавки.

Схема расположения материалов в печи представлена на (рисунке 2) . Шихтовые материалы располагаются вдоль стен с обеих сторон печи, образуя откосы, которые закрывают боковые стены почти до свода на 2 /3 их длины. Между откосами и в хвостовой части печи размещается ванна расплава, которую условно можно разделить на две части. Верхний слой занимает шлак, нижний – штейн. По мере накопления они выпускаются из печи. При этом шлаковый расплав постепенно перемещается вдоль агрегата и непосредственно перед выпуском попадает в так называемую отстойную зону, свободную от откосов.

Технологический процесс в отражательной печи осуществляется за счет тепла, выделяемого в пламени при горении топлива. Тепловая энергия поступает на поверхность ванны и шихтовых откосов в основном в виде потока тепла излучением от факела, свода и других элементов кладки (~90 %), а также конвекцией от раскаленных продуктов сгорания топлива (~10 %). Теплообмен излучением в плавильной зоне рабочего пространства печи рассчитывают по формулам:

где q0 w , qв w, qк w –соответственно плотность результирующих тепловых потоков для тепловоспринимающих поверхностей откосов, ванны и свода (кладки), Вт/м2 ; Тг , Тк , То , Тв – соответственно средние температуры продуктов сгорания топлива и поверхностей свода, откосов и ванны, К; εr – степень черноты газа; C0 = 5,67 Вт/(м2 -К4 ) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; Ао , Во , Do , Ав , Вв , Dв , Ак , Вк Dк - коэффициенты, с помощью которых учитывают оптические характеристики поверхностей откосов, ванны и свода и их взаимное расположение в рабочем пространстве печи. Для современных отражательных печей значения этих коэффициентов равны: Ао = 0,718; Во = 0,697; Do = 0,012; Ав = 0,650; Вв = 0,593; DB = 0,040; Ак = 1,000; Вк = 0,144; Dк = 0,559.