Конструкция и методика расчёта шахтных печей цветной металлургии (стр. 2 из 3)
Кроме того, слой кусковых материалов характеризуется порозностью f, которая представляет собой отношение объема пустот к полному объему слоя. Для двигающегося слоя, перемещающегося вертикально сверху вниз по высоте какой-то шахты Н, используют понятие объемного напряжения сечения шахты р [м3/(м2∙с)], показывающего, какой объем кусковых материалов перемещается через 1 м2 сечения шахты в течение 1 ч, т е. Н = pt, где t— время полного перемещения сверху вниз, с.
Как уже подчеркивалось, шихтовые материалы в слоевых печах обычно имеют самые разнообразные размеры и теплофизические свойства. Мелкие куски, например, железорудного сырья, обладающие относительно высокой теплопроводностью, приближаются по свойствам к термически тонким телам, а крупным кускам агломерата и особенно известняка присущи свойства, характерные массивным в тепловом отношении телам. В результате этого необходимо выполнять анализ условий нагрева кусков шихты в очень широком диапазоне значений их теплового сопротивления. Очень часто в шахтных печах нагрев слоя кусков шихты происходит в условиях наличия источников (стоков) тепловой энергии.
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 1 0С. 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 последнеговыражения 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; dэкв — эквивалентный диаметр, м; dэкв = (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.