Курсовая работа: Отражательная печь для плавки медных концентратов на штейн

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 , q^в _w , q^к _w –соответственно плотность результирующих тепловых потоков для тепловоспринимающих поверхностей от­косов, ванны и свода (кладки), Вт/м² ; Т_г , Т_к , Т_о , Т_в – соответ­ственно средние температуры продуктов сгорания топлива и по­верхностей свода, откосов и ванны, К; ε_r – степень черноты газа; C₀ = 5,67 Вт/(м² -К⁴ ) – коэффициент излучения абсолютно чер­ного тела; А_о , В_о , D_o , А_в , В_в , D_в , А_к , В_к D_к - 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: А_о = 0,718; В_о = 0,697; D_o = 0,012; А_в = 0,650; В_в = 0,593; D_B = 0,040; А_к = 1,000; В_к = 0,144; D_к = 0,559.

В отстойной зоне откосов нет и теплообмен излучением может быть рассчитан по формуле

, (2)

где С_пр – 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 (q^к _пот ), считая, что q^к _w = q^к _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 ⁰ С, 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 ⁰ С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 ⁰ С. 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; F_o – 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:

1. Завершение тепловой обработки материала, поступающего с откосов в ванну расплава отражательной печи, происходит в условиях, когда температурный режим ванны не изменяется во времени. Скорость осаждения капель штейна считается постоянной, равной среднемассовому удельному расходу штейна nG^в _у , где G^в _у – скорость поступления материала в ванну, равная количеству шихты проплавляемой в единицу времени на откосах и отнесенная к единице поверхности ванны F_B , кг/(м² -с); n– доля штейна в 1 кг шихты. Удельная теплоемкость штейна принимается равной с_шт .

2. Градиенты температур по длине и ширине ванны (~1,0–1,5°С/м) незначительны по сравнению с градиентами температур по ее глубине (~300–400°С/м) и их значениями можно пренебречь, считая поле температур в ванне одномерным.

3. Процессы тепло - и массопереноса в ванне сопровождаются
эндо - и экзотермическими реакциями, которые могут рассматри­ваться как стоки и источники тепла, распределенные по глубине ванны. Суммарный эффект от их воздействия равен теплопотреблению шихты в ванне

,

где Q_i (x) – интенсивность процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенная к еди­нице массы проплавляемой шихты, Дж/кг. Для аппроксимации закона распределения этой величины по глубине ванны можно воспользоваться полиномом второй степени

,

где х – координата точек на оси, нормальной к поверхности ванны.

4. Содержание штейна в шлаковой ванне невелико и поэтому
предполагается, что занимаемый им объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом ванны. Глубина ванны принимается равной δ, средняя температура шлака, а также температуры на верхней (х=0) и нижней (х=δ) границах шлаковой ванны определяются параметрами технологического процесса и соответственно равны Т_{ср. ш.} , Т₀ , Т_δ .

При составлении дифференциального уравнения переноса тепла в ванне отражательной печи (с учетом принятых допущений) ее можно рассматривать в виде плоской пластины (шлака) c ко­эффициентом теплопроводности, равным коэффициенту теплопроводности шлака λ_ш . Плотность теплового потока внутри ванны в сечениях х и х + dх определится следующими уравнениями:

и .

В условиях, когда температура по глубине ванны не меняется во времени, изменение теплового потока на участке dx происхо­дит вследствие охлаждения штейна и протекания эндо - и экзо термических процессов, интенсивность которых будет равна:

,

т. е