Плавка на штейн в отражательных и электрических печах

           1. Описательная часть

                 Плавка на штейн  в отражательных

                 и электрических печах 

2. Расчетная часть

Расчёт  горения газообразного топлива

Расчёт  дымовой трубы

Расчёт  теплоотдачи через свод печи

Заключение

Список  использованной литературы

Приложение А

Плавку  медных концентратов на штейн в отражательных  печах начали применять в конце XIX столетия в связи с привлечением в металлургическую переработку все более бедных руд и развитием методов их предварительного обогащения. Отражательные печи пригодны для переработки лишь мелких материалов и являлись в свое время наиболее подходящими плавильными аппаратами для плавки на штейн тонкодисперсных флотационных концентратов.

Основной  целью плавки в отражательных  печах, как и любого другого вида плавки медных концентратов на штейн, является расплавление шихты < с получением двух жидких продуктов -штейна и шлака. При этом ставятся задачи как можно полнее перевести в штейн медь и ряд других ценных элементов, например благородных металлов, а пустую породу ошлаковать.

Сущность  отражательной плавки заключается  в том, что загруженная шихта плавится за счет теплоты от сжигания углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве печи. Факел, образующийся при горении топлива, располагается над поверхностью расплава.

При плавке влажных и подсушенных концентратов загруженная шихта

Шихта и  поверхность расплава в отражательных  печах нагреваются за счет непосредственного лучеиспускания факела горячих топочных газов и тепловых лучей, отраженных от внутренней поверхности свода. Участие свода в передаче теплоты отражением теплового излучения послужило причиной названия печей отражательными.

Передача  теплоты внутри слоя шихты может  осуществляться только за счет теплопроводности. Отсутствие в отражательных печах массообмена внутри расплава также предопределяет перенос теплоты в нижние слои расплава только за счет теплопроводности. При этом следует иметь в виду, что теплопроводность шихты и шлакового расплава низкая. Схема плавки в отражательной печи сырых (необожженных) концентратов показана на рис. _

     Механизм  плавки в отражательной печи можно  представить следующим образом. Нагрев шихты, лежащей на поверхности  откосов, за счет теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и термической диссоциацией высших сульфидов и других неустойчивых соединений. По мере нагрева в поверхностных слоях шихтовых откосов начинают плавиться легкоплавкие составляющие шихты - сульфидные и оксидные эвтектики.

Продуктами  отражательной плавки являются штейн, шлак, пыль и газы. Выпуск и удаление их осуществляются через специальные устройства.

Заводские медные штейны отражательной плавки в зависимости от состава перерабатываемого  сырья и метода плавки (без обжига или с обжигом) содержат, %: Си 15... 60; 2п до 6; № до 0,5; РЬ до 1; Ре 30... 40; 5 23... 26. Кроме того, они содержат благородные металлы, селен, теллур и ряд других ценных и вредных примесей. Выпуск штейна проводится со дна ванны над лещадью печи через шпуры периодического действия или через сифонные устройства, работающие по принципу сообщающихся сосудов . Штейновый сифон может работать в непрерывном режиме. Расположение выпускных отверстий для штейна показано на рисунке Закрывают шпур глиняной пробкой, а сифон — с помощью глиняной плотники.

Сифон для  выпуска штейна: 1- переточный канал, 2 - стена печи, 3 - емкость сифона; 4 - желоб

Конструкция шпура для выпуска штейна: 1 - кладка; 2 - чугунная рама; 3 - клин; - чугунная шпуровая плита; 5 -палец,   6   -   накладка 
 

Распорно-подвесной  свод отражательной печи:

1         - балка арочной формы;

2      — колонна каркаса печи;

3       — подвеска; 4 — упорный стакан;    5 - хромомагнезитовый кирпич; 6,  8 — стальные прокладка и уголок  соответственно;   7 — палец; 9- шайба; 10 –клин

Распорно-подвесные  своды, так же как и подвесные, собирают из отдельных блоков, подвешенных на арках дугообразной формы

На большинстве  заводов шихту загружают через  свод печи с помощью загрузочных  устройств, расположенных вдоль  боковых стен печи . Такой способ загрузки шихты сопровождается большим ее пылевыносом и быстрым разъеданием свода печи, особенно вблизи загрузочных отверстий. Наибольшая химическая коррозия свода при таком методе загрузки наблюдается при плавке обожженной шихты. Более рациональным признано считать подачу шихты непосредственно на поверхность шлакового расплава через боковые стены печи с помощью течек или специальных загрузочных устройств.

2. Расчет  горения газообразного  топлива.

    Исходные данные по составу  топлива представлены в виде  таблицы 1. 

Таб. 1

Состав  газообразного топлива

2.1. Пересчет состава сухого газа на рабочий газ 

CH₄^p= CH₄^c *100/(100+0,1244*W),            %  

C₂H₆^р= C₂H₆^c*100/(100+0,1244*W),          % 

C₃H₈^р= C₃H₈^c*100/(100+0,1244*W),          %

        (1)

CO₂^р= CO₂^c*100/(100+0,1244*W),            % 

N₂^р= N₂^c*100/(100+0,1244*W),                  % 

Н₂О^р = 0,1244*W,                                        % 

CH₄^p= 86*100/(100+0,1244*10)=84,94 % 

C₂H₄^р= 8*100/(100+0,1244*10)=7,90 %

C₃H₈^р= 3*100/(100+0,1244*10)=2,96  %    

CO₂^р= 2*100/(100+0,1244*10)=1,97    %

N₂^р= 1*100/(100+0,1244*10)=0,99      %

Н₂О^р = 0,1244*10=1,24  %

____________________________________

= 100%

Таблица 2

Состав  рабочего газа

Сумма чисел, полученных по формулам (1) должна составлять 100%   
 

2.2. Расчёт дутья 

Реакции горения  газообразующего топлива:

СH₄+2O₂=CO₂+2H₂O,

C₂H₆+3,5O₂=2CO₂+3H2O,

C₃H₈+6,5O₂=3CO₂+4H₂O 

2.2.1. Теоретический объем О₂ необходимый для горения 1 см³газа

 Vо₂ ^теор = 0,01*(2*СН₄^р+3,5*С₂Н₆^р+6,5*С₃Н₈^р), м³/м³.          (2)

Vо₂ ^теор = 0,01*(2*84,94+3,5*7,90+6,5*2,96)= 3,87м³/м³. 

2.2.2. Теоретический объем  воздуха для горения  1 м³ газа 

V_возд ^теор = (1+79/21)* Vо₂ ^теор = 4,76* Vо₂ ^теор, м³/м³.              (3) 

где, 79/21=3,76 – соотношение объемов  N₂ и O₂  в воздухе. 
 

V_возд ^теор = (1+79/21)* Vо₂ ^теор = 4,76* 3,87 = 18,42м³/м³.               

2.2.3. Практический объем  воздуха для горения  1 см³ газа 

V_возд ^пр =α * V_возд ^теор = 1,08 * V_возд ^теор , м³/м³.                        (4) 
 

V_возд ^пр =α * V_возд ^теор = 1,08 * 18,42 = 19,89 м³/м³.                       

Vco₂ = 0,01 (СН₄^р +2С₂Н₆^р +3С₃Н₈^р + CO₂), м³/м³.     =         (5)

= 0,01*(84,94+2*7,90+3*2,96+1,97)=1,12 м³/м³. 

Vн₂o = 0,01 (2СН₄^р +3С₂Н₆^р +4С₃Н₈^р + Н₂O), м³/м³.    =     (6)

= 0,01*(2*84,94+3*7,90+4*2,96+1,24)= 2,07м³/м³ 

Vо₂ = (α-1)* Vо₂ ^теор = 1,08* Vо₂ ^теор, м³/м³.              (7)

Vо₂ = (α-1)* Vо₂ ^теор = (1,08-1)* 3,87 =0,31м³/м³ 

VN₂ = 0,01 * N₂^p + 0,79* V_возд ^пр , м³/м³.                                 (8)

VN₂ = 0,01 * 0,99 + 0,79* 19,89 = 15,72м³/м³ 

V n.г. = Vco₂ + Vн₂o + Vо₂ + VN₂, м³/м³.    =                             (9)

=1,12+2,07+0,31+15,72= 19,22 м³/м³ 

2.4. Низшая теплопроводность  газа 

 Q_н^р = 358* СН₄^р + 636*С₂Н₆^р + 913*С₃Н₈^р , КДж/м³   =      (10)

= 358*84,94+636*7,90+913*2,96 =38135,4 КДж/м³

2.5. Расчёт калориметрической  температуры горения  газа 

Физическое  тепло воздушного дутья: 

Q_возд^ф = С_возд* t_g * V _пр ^возд = 1,29*25* V_возд ^пр = 32,25* V_возд ^пр, КДж/м³    =    (11)

=1,29*25*19,89= 641,45 КДж/м³

Физическое тепло  газообразного топлива: 

Q _m^ф = С_m* t_m * V _m = 1 ,56*25*1=39 (КДж/м³)=                                  (12) 

= 1,56*25*1= 37,44 КДж/м³

∑ Q= Q_н^р + Q _возд ^ф + Q_m ^ф , КДж/м³     =                                                 (13)

38135,4+641,45+37,44 = 38814,29 КДж/м³ 

Калориметрическая температура горения газа: 

                           Q_н^р + Q _возд ^ф + Q_m ^ф                                                 ∑ Q

t_k =                                                                                     =                        ,  = (14)

           Vco₂ * Cco₂ +Vн₂o * Cн₂o + Vо₂ * Cо₂ +VN₂* CN₂                  ∑ ( V*C)  
 

1. Заведомо заниженное  значение t = t' =0

                           38135,4+641,45+37,44                                        38814,29

t_k =                                                                                 =                          = 1517,9

           1,12 * 1,62 +2,07 * 1,49 + 0,31 * 1,30 +15,72 * 1,29             25,57 

2. Заведомо большее  значение t '' принятое 2 500

                           38135,4+641,45+37,44                                  38814,29

t_k =                                                                              =                          = 1243,1

           1,12 * 2,52 +2,07 * 2,03 + 0,31 * 1,60 +15,75 * 1,51           31,25 
 

где Cco₂ , Cн₂o , Cо_{2 ,}CN₂ – теплоемкости соответствующих газов, являющихся функциями температуры  t_k , КДж/ (м³*град). Т.к. зависимость с = f (t_k) носит линейный характер, то величину t_k  можно найти графоаналитическим методом.

Последовательность  расчёта:

1. задаемся заведомо заниженным значением t_k = t'_k принятое;
2. выбираем по справочной литературе (см. приложение А) значения C'co₂, C'н₂o , C'о_{2 ,}C'N₂ при t_k принятое;
3. вычисляем Vco₂ * C'co₂ *Vн₂o * C'н₂o * Vо₂ * C'о₂ *VN₂* C'N₂ и ∑ ( V*C');

4. вычисляем расчетное значение температуры  t'_{k принятое} = ∑ Q/∑ ( V*C');
5. сравниваем t'_{k принятое} и t'_{k расчетное}; t'_{k принятое} < t'_{k расчетное}
6. выбираем заведомо большее новое значение t''_{k принятое}  так, чтобы t''_{к принятое}  было больше t'_{k расчетное} и повторяем расчёт;
7. сравниваем значения выбранной и расчётной температур;

t''_{k принятое} > t''_{k расчетное}  ;

8. результаты расчета заносим в таблицу 3;

по полученным парам значений температур (t'_{k принятое} и t'_{k расчетное} , t''_{k принятое} и t''_{k расчетное}) строим график и определяем искомое значение температуры t_{k .} 

Таб.3

Определение калориметрической  температуры горения  топлива 

           2500

     t_{k принятое}                                                                                          t_{k расчетное}

              ⁰ С          t''_{k принятое}                                   ⁰ С

                              (2)

                         t'_k 1243,1

                    t_{k искомое}

                                          t''_k 1517,9

                   (1) 

      t'_{k принятое}

Рис. 2. Графическое определение  t_k

    Исходными данными для расчета  являются параметры газохода (см. рис.3) 

– А, В, С, Д, Е; м; секундный расход дымовых  газов при карманных условиях

Vо n.г., м³/с; плотность дымовых газов при нормальных условиях ρ о n.г.,кг/м³. 

     Рис.3. Схема  газохода 

     Для расчета принимаем: площади сечений газохода на различных участках – F₁=8,0*1,5=12(м₂); F₂=3,5*1,7=5,95(м₂); F₃=1,7*1,7=2,89(м₂); пирометрический коэффициент для печи η_пир =0,7; при температуре дымовых газов 1200÷400⁰С- 2⁰С/п.м; при  t< 200⁰С - 1⁰С/п.м; конечная температура газов после КУ составляет 300⁰С; потери давления на КУ - 200πα; коэффициент внешнего трения для участка с сечением F₃(А+В) μ _(А+В) = 0,045 ; коэффициент внешнего трения для участка с сечением F₃(C+Д+Е)  μ _(С+Д+Е) = 0,035 ;

       t_n.г. = η_пир *t_k = 0,7* t_k ,⁰С    = 0,7*2000= 1400⁰С                             (15) 

     3.1. Проведенные диаметры  каналов в разных  сечениях газохода   

     Д₁ = 4,5* F₁/P₁ = 4,5*12,00/19,0=2,84 (м);

     Д₂ = 4,5* F₂/P₂ = 4,5*5,95/10,4 =2,57 (м);

     Д₃ = 4,5* F₃/P₃ = 4,5*2,89/6,8 = 1,91(м),

где P_{1 ,} P₂ , P₃ – периметры сечений газохода. 

3.2.  Скорости движения  продуктов горения  в разных сечениях  газохода 

W₀₁ = Vo_n.г./  F₁ , м/с = 20/12,00 =1,6 м/с

W₀₂ = Vo_n.г./  F₂  , м/с = 20/5,95 =3,36м/с                           (16)

W₀₃ = Vo_n.г./  F₃  , м/с = 20/2,89 =6,92 м/с

3.3. Температуры в  разных точках  газохода (см. рис. 3)

t₁ = t _n.г.   =1400 ⁰C

t₂ = t ₁ -10*A  = 1400-10*8,0= 1320 ⁰C

t'₃ = t ₂- 10*B  = 1320-10*3,5 =1285 ⁰C                                  (17)

t''₃ = 300 ⁰C

t₄ = t''₃- 2*C  =300-2*4,0= 292 ⁰C

t₅ = t ₄ -2* Д  =292-2*6,0 = 280 ⁰C

t₆ = t₅ -2*Е   =280-2*11,0= 258  ⁰C

3.4. Определения потерь  давления на трении  для однородных (по  площади сечений)  участков газохода при средних температурах этих участков.

Средние температуры однородных участков газохода:

_

t _A+B = (t₁+t'₃)/2 =(1400+1285)/2= 1342,5 ⁰C

                                     (18)

_

t _C+D+E = (t''₃+t₆)/2 =(300+258)/2=279 ⁰C

                                                                          _

  h_{тр. (A+B)} = μ_(A+B)* ηо _n.г (А+В)*W²o₂  * (1+ t _A+B/ 273), πα =

                                           2*Д₂ (19)

    =0,045*1,22*11,5*11,29  * (1+ 1342,5/ 273) =10,07 πα

                           2*2,29 

                                                                                _

  h_{тр. (С+Д+Е)} = μ_(С+Д+Е)* ηо _n.г (С+Д+Е)*W²o₃  * (1+ t _С+Д+Е/ 273), πα =

                                                 2*Д₃ 

0,035* 1,22* 21*47,89* (1+ 279/ 273) =23,90 πα;

                          2*1,7 
 

Суммарные потери давления на трение:

∑ h_тр. = h_{тр. (A+B)} + h_{тр. (С+Д+Е)}, = 10,07+23,90 = 33,97 πα                        (20) 
 
 

      3.5. Определение потерь  давления на местных  сопротивлениях

     Для  расчета потерь давления на  местных сопротивлениях необходимо  выбрать подходящие коэффициенты  местных сопротивлений в соответствии  с рис 3 [2,3,4,5,6]. Результаты выбора коэффициентов представлены в виде таблицы 4.

     Коэффициенты  местных сопротивлений

  h_м.с.1 = 1,227 ηо _n.г W²o₂  * (1+ t / 273), πα;

                                  2 

  h_м.с.1 = 1,227* 1,22*11,29 * (1+ 1400 / 273)= 51,95 πα;

                                  2 
 

h_м.с.2 = 1,5 ηо _n.г W²o₂  * (1+ t₂ / 273), πα;

                              2 

h_м.с.2 = 1,5 *1,22* 11,29  * (1+ 1320 / 273)= 60,27 πα;

                              2 

h_м.с.3 = h_ку =200 πα;     (21)

h_м.с.4 = 1,25 ηо _n.г W²o₃  * (1+ t₄ / 273), πα;

                               2 

h_м.с.4 = 1,25 *1,22* 47,89* (1+ 292 / 273)=75,84 πα;

                                   2 

h_м.с.5 = 1,15 ηо _n.г W²o₃  * (1+ t₅ / 273), πα;

                               2 

h_м.с.5 = 1,15 *1,22* 47,89* (1+ 280 / 273)= 67,92 πα;

                                   2 

h_м.с.6 = 1,1 ηо _n.г W²o₃  * (1+ t₆ / 273), πα;

                               2 

h_м.с.6 = 1,1 *1,22* 47,89* (1+ 258 / 273)= 62,58 πα;

                               2

     Суммарные потери давления на местных сопротивлениях:

∑ h_м.с =  h_м.с.1+ h_м.с.2 + h_м.с.3 + h_м.с.4 + h_м.с.5 + h_м.с.6 , πα                        (22)

∑ h_м.с = 51,95+60,27+200+75,84+67,92+62,58 = 518,56 πα