Общая характеристика шахтной плавки. Шахтные печи

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШАХТНОЙ ПЛАВКИ

По химизму  происходящих процессов различают  три основные разновидности шахтной плавки: восстановительную, окислительную и окислительно-восстановительную. Восстановительная плавка в свою очередь имеет в цветной металлургии две разновидности: восстановительную плавку без сульфидирования и восстановительно-сульфидирующую плавку. Окислительная плавка представлена в цветной металлургии пиритной и полупиритной плавками. Окислительно-восстановительной плавкой является медносерная плавка.

По характеру  подготовки материалов к плавке различают: плавку руды, плавку агломерата и плавку брикетов.

Все разновидности  шахтной плавки в цветной металлургии  осуществляются в шахтных печах  с водоохлаждаемыми стенками из кессонов, вследствие чего в литературе эти печи иногда называются ватер-жакетными печами. Шахтные печи являются одним из главных металлургических агрегатов для переработки, руд и концентратов в металлургии свинца, никеля и меди.

Работа  шахтных печей представлена рядом  сложных химических и физических процессов, протекающих в шихте, пронизываемой встречным потоком газов и недоступных для непосредственного их наблюдения.

Общая картина  развития и взаимосвязь основных процессов в шахтных печах  могут быть представлены следующим  образом. Шихту, состоящую из руды, флюсов, оборотов и кокса, периодически загружают в шахтную печь отдельными порциями — колошами, состоящими из определенного весового набора всех материалов. Шихту обычно загружают слоями в следующем порядке: сначала кокс, а затем обороты, флюсы и руда. Шихта располагается в печи в виде вертикального столба, опирающегося на ванну расплавленных продуктов и частично на боковые стенки печи (см. рис. 5 на стр. 21). Значительная доля веса шихтового столба уравновешивается встречным потоком газов, оказывающим на шихту динамическое давление.

Столб шихты  движется, постепенно оседая вследствие образования в нижних слоях шихты пустот из-за выгорания топлива и выплавления штейна и шлака.

Воздух, поступающий в шахтную печь через  фурменные отверстия, встречается в фурменной зоне шахтной печи с шихтовой смесью, состоящей из кусков кокса и наиболее тугоплавких компонентов шихты. В результате пробивания воздушными струями, истекающими из фурм, слоя раскаленного кокса и шихты в фурменной зоне шахтной печи развивается активный процесс горения кускового топлива, а также окисление сульфидов в расплавленном состоянии. Вследствие значительных тепловыделе ний, происходящих в ограниченном объеме фурменной зоны, температура здесь достигает максимального значения для шахтной печи (1400—1600°). Фурменная зона шахтных печей, обладающая максимальной температурой, носит название фокуса печи. Температура фокуса находится в определенной зависимости от температуры плавления шлака и обычно превышает ее не более чем на 100—250°.

Газы, образующиеся в фурменной зоне нормально  работающей печи, имеют температуру 1300—1500° и непрерывным потоком движутся вверх навстречу опускающейся шихте, пронизывая и омывая ее.

Между составляющими шихты и газами непрерывно происходят процессы химического взаимодействия и теплообмена, в результате которых температура шихты по мере ее опускания постепенно повышается, а температура встречного потока газов понижается.

По  мере опускания шихты в ней  последовательно протекают процессы физико-химических превращений: сушка, дегидратация, диссоциация, окисление или восстановление, штейнообра-зование, шлакообразование и др. По мере приближения к фокусу печи в шихте начинаются процессы размягчения и плавления и жидкие продукты плавки, фильтруясь через коксовый слой, стекают во внутрений горн печи.

Состав  коксового слоя, заполняющего фурменную  зону печи, может быть различным  в зависимости от разновидности  плавки, Если в шихте, поступающей  в плавку, содержится мало сульфидов и плавка ведется с повышенным расходом кокса, достигающим 8—12% от веса шихты, то в коксовом слое преобладает кокс. Наоборот, если шихта содержит много сульфидных минералов и плавка ведется с пониженным расходом кокса, не превышающим 3—5% от веса шихты, то в слое у фурм преобладает кварц, и тугоплавкая порода. Чем больше кокса содержится в слое в области фурм, тем менее окислительный характер имеет плавка вследствие того, что кислород дутья преимущественно расходуется на горение кокса и газы, выходящие из фокуса печи, имеют пониженное содержание кислорода.

При малом содержании кокса в фурменном  слое кислород дутья в основном расходуется  на окисление сульфидов в жидком и твердом состоянии. Сульфиды в  твердом состоянии окисляются в верхних горизонтах печи газами, выходящими из фокуса вследствие значительного содержания в них свободного кислорода.

В соответствии с этим, степень десульфуризании пои шахтной плавке колеблется в широких пределах — от 30 до 80%, а степень сокращения — от 2 до 8.

Приход  тепла в шахтной печи осуществляется за счет угле

родистого и минерального топлива, представленного сульфидными минералами, содержащимися в руде. В зависимости от содержания сульфидов в руде соответственно изменяется приход тепла за счет углеродистого топлива, который обычно колеблется от 20 до 90% от общего прихода тепла. Приход тепла от экзотермических реакций окисления сульфидов соответственно колеблется от 80 до 10% от общего прихода тепла.

Чем большее количество тепла выделяется в рабочем пространстве шахтной печи в единицу времени, тем большее количество шихты будет расплавлено и удалено из нижних горизонтов печи в виде штейна, веркблея и шлака и тем быстрее будет опускаться вняз столб шихты и возрастать производительность печи.

Количество  тепла, выделяющееся в шахтной печи в единицу времени, определяется количеством углеродистого топлива  и сульфидов, окисляемых (сжигаемых) в единицу времени, т. е. интенсивностью горения кокса и сульфидов.

Интенсивность горения  кокса и сульфидов в свою очередь  является прямой функцией от количества воздуха, поступающего в печь в единицу  времени, т. е. от количества дутья.

Следовательно, производительность шахтной печи в  первую очередь зависит от количества дутья и возрастает в прямой зависимости от него.

Нельзя  при этом забывать, что к моменту  поступления в зону плавления  шихта должна быть соответствующим  образом подготовлена и в ней  должны быть закончены необходимые  химические реакции, обеспечивающие надлежащий состав продуктов плавки.

Для этого шихта должна минимально необходимое  время находиться в верхних горизонтах печи под тепловым и химическим воздействием восходящего газового потока. В отличие от пламенных печей передача тепла между газами и кусковой шихтой в шахтных печах протекает в условиях весьма хорошего контакта и развитой поверхности соприкосновения. Поэтому теплообменные процессы в шахтной печи обычно не лимитируют ход плавки, хотя и существенно влияют на ее тепловые показатели.

Изложенное показывает, что основным средством повышения производительности шахтных печей является увеличение количества дутья, подаваемого в печь. Естественно, возникает вопрос, до каких же пределов целесообразно увеличивать количество дутья? Исследования показывают, что количество дутья пока еще не лимитируется скоростями процессов горения кокса, окисления сульфидов или восстановления окислов, а в основном зависит от механики движения шихтового столба и газового потока. Для нормальной работы шахтных печей важнейшим условием является правильное и равномерное встречное   движение шихты и газов, т. е. механика шихты и газов. Основным в движении шихты вниз является равномерное ее опускание по всему поперечному сечению печи без остановок и рывков. Основным в движении газов вверх является более или менее равномерное распределение газовых потоков в поперечном сечении печи, без местных продувов или непродуваемых участков Оказывается, что при увеличении количества воздуха, подаваемого в шахтную печь, может наступить такой момент, когда динамическое давление газового потока уравновесит вес шихтового столба. В результате этого равномерное движение шихты сверху вниз прекратится, шихта начнет подвисать, в ней будут возникать продувы и каналы. Нарушение нормального схода шихты и нормального распределения в ней газовых струй вызывает расстройство теплового и технологического процесса плавки, чрезмерный вынос пыли и т. п.

Количество  дутья, вызывающее эти явления, называется предельным количеством дутья. Предельное количество дутья является функцией от состава и свойств шихтовых материалов и характеристики газового потока. Соответствующими изменениями состава и свойств материалов шихты, например увеличением крупности кусков, можно значительно повысить предельное количество дутья. Повышать предельное количество дутья можно также, изменяя характеристику газового потока, например при помощи повышенного давления на колошнике.

Основные  преимущества шахтных печей: высокая  удельная производительность печей, достигающая 40—120 т/м² • сутки; высокая степень десульфуризации и сокращения, составляющая соответственно 30—80 и 2—8%; улучшенное использование тепла в печи, выражающееся в повышенном значении термического к. п. д., равном 40—60%, и пониженном расходе топлива, равном 3—12% от веса шихты.

Основные  недостатки шахтных печей: повышенные требования к крупности шихты, регламентирующие поступление в плавку материалов размером кусков не менее 10—20 мм; повышенный пылеунос, достигающий при мелкой шихте до 4—12% от веса шихты; значительное потребление кокса.

6. ШАХТНЫЕ ПЕЧИ

Конструкции современных шахтных печей для  плавки медных, никелевых и свинцовых  руд и концентратов показаны на рис. 261—265.

Печь  состоит из фундамента, лещади, внутреннего  горна, шахты, надколошникового устройства, крепления, воздухо- и водопроводной системы, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов, переднего горна.

Фундамент печи представляет сплошную массивную  бетонную плиту, значительно выступающую над уровнем заводского пола. На плите устанавливают в два ряда металлические колонны, поддерживающие лещадные плиты. В свинцовоплавильных печах внутренний горн и лещадь располагаются непосредственно на фундаменте.

Лещадь печи состоит из стальных или чугунных плит, отфу-терованных изнутри магнезитовым или хромомагнезитовым кирпичом.

Внутренний  горн располагается в нижней части  шахты печи и обычно состоит из магнезитовой или хромомагнезитовой  кладки, окруженной с наружной стороны кессонами или металлическими плитами.

Шахта печи собирается из отдельных водоохлаждаемых кессонов, скрепленных один с другим болтами и удерживаемых на месте специальным креплением. В нижней части кессонов располагаются фурменные отверстия для подачи в печь воздуха. Иногда верхняя часть шихты состоит не из кессонов, а из шамотной кладки.

Надколошниковое устройство состоит из выложенного шамотным кирпичом металлического каркаса, опирающегося на специальные колонны и балки, не связанные с шахтой печи. К верхней части колошникового шатра примыкают газоотводящие трубы. Иногда надколошниковое устройство бывает металлическое с водяным охлаждением без всякой футеровки.

Крепление кессонов шахтной печи состоит из распорных  балок, опирающихся на продольные балки, окружающие печь в виде пояса, или на кольцевой воздухопровод.

Водопроводная система представлена подводящим водопроводом, имеющим ответвления к каждому из кессонов, а также открытыми желобами, собирающими горячую воду из сливных патрубков кессонов.

Воздухопроводная  система представлена кольцевым  воздухопроводом с большим числом фурменных труб, подводящих воздух к каждой фурме. Фурмы располагаются в один или два горизонтальных ряда по высоте шахты.

Шихту загружают  обычно через окна в продольных стенках  колошникового шатра и только в печах для медно-серной плавки для загрузки применяются воронки с конусами, позволяющими герметизировать колошниковое устройство. Герметизация колошника намечается также и в шахтных печах, перерабатывающих окисленные никелевые руды.

Продукты  плавки выпускаются через шпуровые отверстия, располагающиеся в стенках  внутоеннего горна; веркблей в свинцовоплавильных печах выпускается из внутреннего горна через сифон.

Передний  горн, служащий для разделения штейна и шлака, представляет собой ванну  овальной формы, отфутерованную магнезитовым и шамотным кирпичом и скрепленную с наружной стороны железным кожухом и балками.