Отражательная печь для плавки медных концентратов на штейн (стр. 2 из 4)
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 q0w , qвw, qкw–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, ВкDк - 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.В отстойной зоне откосов нет и теплообмен излучением может быть рассчитан по формуле
, (2)где Спр – приведенный коэффициент излучения в системе газ – кладка – расплав.
Система уравнений (1)–(2) представляет собой описание так называемой «внешней» задачи. В качестве независимых переменных величин в уравнениях используются средние значения температур продуктов сгорания топлива и тепловоспринимающих поверхностей свода откосов и ванны. Температура газов в печи может быть найдена при расчетах горения топлива. Температуру кладки определяют по опытным данным, для чего обычно задаются величиной тепловых потерь через свод (qк пот), считая, что qкw = qк пот. Средние температуры поверхностей откосов и ванны находят при решении внутренней задачи, к которой относятся вопросы тепло - и массопереноса, протекающего внутри зоны технологического процесса.
Нагрев и расплавление шихты на откосах. В состав шихты в качестве основных компонентов входят сульфидные минералы меди и железа, а также оксиды, силикаты, карбонаты и другие породообразующие соединения. Под действием высоких температур эти материалы нагреваются. Нагрев сопровождается испарением влаги, содержащейся в шихте, разложением минералов и другими физико-химическими превращениями, обусловленными принятой технологией. Когда температура на поверхности загружаемой шихты достигает примерно 915 – 950 0С, начинают плавиться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материалов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают переходить оксиды, образующие шлак. Интервал температур плавления основных шлаков составляет 30-80 0С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 0С. Полного расплавления шлака на откосах, как правило, не происходит, так как штейн и легкоплавкие соединения шлака стекают с наклонной поверхности откосов, увлекая за собой остальной материал. В период плавления откосы покрыты тонкой пленкой расплава, температура которого постоянна во времени и зависит в основном от состава шихты.
Процессы, протекающие на откосах, можно условно разделить на два периода, включающие в себя нагрев поверхности загруженной шихты до температуры, при которой образующийся расплав начинает стекать с откосов. При которой образующийся расплав начинает стекать с откосов, и дальнейший нагрев шихты в сочетании с плавлении материала. Длительность первого периода определяется условиями внешней задачи, примерно одинакова для всех шихт составляет около 1,0-1,5 мин. Продолжительность стельность второго периода определяется условиями внутренней задачи. Она обратно пропорциональна величине плотности теплового потока на поверхности откосов и прямо пропорциональна толщине слоя загружаемой шихты. В условиях конкретной печи длительность этого периода зависит от способа загрузки и может составлять от нескольких минут до 1 – 2 ч. После окончания периода плавления на откосы загружается новая порция шихты и процесс повторяется.
Необходимо отметить, что с уменьшением интервала времени между загрузками снижается средняя (во времени) температура поверхности откосов. Соответственно растут плотность результирующего теплового потока на этой поверхности и скорость плавления шихты. Максимальный эффект достигается тогда, когда этот интервал сопоставим по величине с продолжительностью первого периода, т. е. практически при непрерывной загрузке. Поэтому при конструировании печи следует учитывать, что системы непрерывной загрузки имеют несомненное преимущество.
Средняя по массе скорость плавления материала (кг/с) может быть определена по формуле
, (3)где
– теплопотребление шихты на откосах, Дж/кг; k– коэффициент, учитывающий конвективную составляющую суммарного теплового потока на поверхности шихтовых откосов, k = 1,1ч – 1,15; Fo– поверхность откосов, м2.Переработка материалов в шлаковой ванне. В ванну поступает расплавленный материал с откосов и, кроме того, обычно заливается конвертерный шлак, содержащий примерно 2–3 % меди и других ценных компонентов, которые при плавке переходят в штейн. Поступающие материалы прогреваются в ванне до средней температуры содержащегося в ней расплава, что сопровождается завершением процессов формирования шлака, а также эндо - и экзотермическими реакциями, характер которых обусловлен технологией плавки. Расходуемое на эти процессы тепло распределяется следующим образом: нагрев продуктов, поступающих с откосов (Q1) 15 – 20 %; завершение процессов плавления и образования вновь поступившего шлака (Q2) 40 – 45 %; прогрев конвертерного шлака (Q3) и эндотермические реакции (восстановление магнетита и т. п.) (Q4) 35 – 40 % и потери тепла теплопроводностью через стены и под печи 1 %. Кроме того, в ванне происходят экзотермические процессы, связанные с усвоением кремнезема расплавом шлака (Q5). Суммарный эффект от протекания процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенный к единице массы перерабатываемой шихты
носит название употребления шихт в ванне и обозначается 
.Процессы тепло - и массопереноса в ванне отличаются крайней сложностью вследствие сочетания конвекции и теплопроводности. Задачу можно существенно упростить, если учесть, что температура капель штейна, распределенных по объему шлака, равна температуре окружающего их расплава. В этом случае можно предположить, что штейн фильтруется через относительно неподвижный шлак, в котором тепло передается теплопроводностью, и что капли штейна практически принимают температуру в любой точке ванны. С целью создания возможностей для математического описания крайне сложных тепло - и массообменных процессов, протекающих в шлаковой ванне, были приняты следующие необходимые допущения: