Проектирование агрегатов для обжига окатышей

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования

«Магнитогорский Государственный Технический Университет им. Г.И. Носова»

Кафедра «Прикладная механика и графика»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: «Проектирование оборудования аглодоменного производства»

На тему: «Проектирование агрегатов для обжига окатышей»

Выполнил:             

Проверил:  преподаватель кафедры ПМиГ

Аксенова М. В.

Магнитогорск,

2012

Содержание

Введение

1. Конвейерная обжиговая машина

1.1 Основные характеристики и конструкция обжиговой машины.

2. Вращающиеся печи.

2.1 Основные характеристики и конструкция вращающихся печей

2.2. Тепловой и температурный режимы работы вращающихся печей.

3. Расчетная часть.

3.1.  Расчет мощности привода тележечного конвейера обжиговой машины.

3.2 Расчет параметров вращающейся трубчатой печи.

4. ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Заключение

Введение

Обжиг окатышей осуществляют в трубчатых печах или на конвейерных машинах.

Обжиг окатышей является сложным процессом, в ходе которого окатыши претерпевают химические, физико-химические, кристаллохимические и другие превращения. Эти превращения протекают при различных температурах, проходят с различными скоростями и неоднозначно влияют на процесс спекания.

Обжиг окатышей с вводом в шихту - 1 % твердого топлива осуществим без значительных капитальных затрат. Усложняется лишь организация складирования, транспортировки и дозирования топлива к известняку для совместного помола.

Целью обжига окатышей является упрочнение их до такого состояния, при котором они могут выдерживать без значительных разрушений транспортировку, перегрузки и процесс доменной плавки. При этом, в отличие от агломерации, при обжиге окатышей не происходит спекания материалов шихты.

Процесс обжига окатышей в обжиговых машинах сопровождается выделением большого количества пыли, уносимой газами. С 1 м2 полезной площади машины выделяется 63‑97 м3/мин газов, в зависимости от типа обжиговой машины и технологического процесса обжига окатышей.

В процессе обжига окатышей с целью экономии тепла часть газа, выделяющегося из зоны рекуперации и охлаждения, подвергают грубой очистке от пыли и вентилятором подают в зоны сушки и обжига, расположенные в головной части машины.

Применяют также метод обжига окатышей в шахтных печах, но доля производства их в этих печах непрерывно уменьшается вследствие сравнительно низкой производительности, трудности регулирования температуры и неравномерности обжига.

Процесс окомкования фосфоритов с последующим обжигом окатышей наиболее целесообразен для тонкодисперсных руд, для которых другие способы окускования (гранулирования) менее эффективны. Для окомкования фосфатной мелочи обычно используют барабанный или тарельчатый грануляторы. При окомковании апатитового концентрата или его смеси с флоридским фосфоритом в качестве связующих веществ используют смесь глиняной суспензии, котрельного молока и жидкого стекла. Связующее подают непосредственно в гранулятор в процессе окомкования шихты. Обжиг окатышей проводят во вращающемся барабане или на решетке Леполя, имеющей три зоны: сушки, обжига, выдержки. Температура обжига находится в пределах 900 - 1000 С. Обожженные окатыши перегружают на другую, холодильную решетку обжиговой машины. После охлаждения и контрольного грохочения товарную фракцию (3 - 60 мм) направляют в производство желтого фосфора, мелочь возвращают в процесс.

Основные процессы, протекающие при обжиге окатышей, - разложение карбонатов, окисление, твердофазные реакции, спекание - могут лимитироваться либо скоростью химической реакции, либо скоростью транспорта реагентов (в газовой или твердой фазе), либо скоростью теплообмена. Многочисленные теоретические и экспериментальные работы показывают, что кинетика обжига окатышей во многом определяется свойствами железорудных концентратов, качеством сырых окатышей, но главным образом она зависит от температурно-временных условий обжига.

Производительность печи резко повышается при обжиге окатышей и применении дутья, обогащенного кислородом.

Для разработки и внедрения такого способа обжига окатышей С. Г. Братчиковым и В. И. Лобановым с коллегами были исследованы основные особенности процесса горении газа в плотном слое. С использованием теории размерностей определены такие общие характеристики процесса, как скорость движения зоны горения, ее толщина, скорость стабилизации зоны горения в слое окатышей.

Ко второй группе относятся температурно-временные характеристики обжига окатышей: уровень необходимой температуры, время сушки, подогрева и обжига, время выдержки для завершения процесса обжига и удаления серы, т.е. характеристики, обеспечивающие получение окатышей необходимого качества.

Как показали лабораторные исследования, при обжиге окатышей содержащих твердое топливо с увеличением скорости нагрева и соответствующем уменьшении окислительного потенциала газовой среды, повышается доля углерода, расходуемая на процесс восстановления, в результате чего содержание FeO в готовых окатышах повышается. При интенсивном режиме нагрева топливо в большей степени работает как восстановитель, а при плавном - как источник тепла.

1. Конвейерная обжиговая машина.

1.1 Основные характеристики и конструкция обжиговой машины.

Конвейерная обжиговая машина предназначена для сушки, подогрева, упрочняющего окислительного обжига и охлаждения железорудных окатышей.

Процесс тепловой обработки окатышей на конвейерной машине заключается в постепенном их нагреве до заданной температуры и последующем охлаждении. Для этого окатыши 10 ( рис 1.), а также постель 9 равномерно укладывают на колосниковые тележки 7, образующие ленту конвейера, непрерывно движущегося по замкнутым направляющим 6. Над рабочей ветвью ленты обжиговых тележек с окатышами расположено печное пространство, образованное горнами и колпаками, а под рабочей ветвью конвейера - газовоздушные камеры 8, служащие для прососа и продува газов и воздуха через слой окатышей.

Тележки с окатышами последовательно проходят все технологические зоны обжиговой машины.

Обычно машина по дине разбита на пять технологических зон: сушки, подогрева, обжига, рекуперации и охлаждения. В зоне сушки сырые окатыши подсушиваются нагретыми (250-400ºС) газами, поступающими из высоко температурных зон машины. В горнах зон подогрева и обжига установлены топливосжиающие устройства 5. Температура в рабочем пространстве этих зон постепенно увеличивается по направлению по направлению движения тележки от 500 до 1350ºС. Зоны предназначены для предварительного нагрева и окончательного упрочняющего обжига окатышей. В зоне рекуперации происходит высокотемпературный обжиг в нижних слоях окатышей путем рекуперативного переноса тепла из верхних слоев. В зоне охлаждения окатыши охлаждаются атмосферным воздухом.

2

Рис 1. Обжиговая конвейерная машина

2

Опыт эксплуатации первых зарубежных обжиговых конвейерных машин рабочей площадью 93-120 м2, а также отечественных машин ОК-108(рабочей площадью 108 м2) подтвердил эффективность теплотехнических схем с рециркуляцией технологических газов. Было установлено, что начальную сушку следует вести с продувом нагретых газов через слой снизу вверх. Это препятствует переувлажнению сырых окатышей в нижних горизонтах слоя, предотвращает их деформацию и разрушение. Для охлаждения окатышей холодный воздух следует подавать также путем продува через слой снизу вверх. Это предохраняет корпуса и колосники обжиговых тележек от перегрева, а раскаленные окатыши - от растрескивания, так как холодный воздух, проходя снизу через нагретые части обжиговых тележек, прогревается и вступает в контакт с раскисленными окатышами будучи не холодным, а подогретым. Было определено, что относительная площадь охлаждения обжиговой машины (18,5-22% от всей рабочей площади) должна быть увеличена примерно вдвое. Технические характеристики отечественных обжиговых машин приведены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики отечественных обжиговых машин.

Как и все тепловые агрегаты конвейерного типа, прямолинейная обжиговая машина состоит из двух основных частей: подвижной и стационарной. К последней относятся каркас 1 (см. рис 1), направляющие 6 движения тележек, горны 3, газовоздушные камеры 8, переточный коллектор 16, уплотнения, площадки 17, ограждения 18, кожухи, системы трубопроводов смазки, водяного и воздушного охлаждения.

Подвижная часть машины включает конвейер, состоящий из отдельных обжиговых колосниковых тележек 7, привод 32 конвейера с приводными звездочками, загрузочное устройство 19. обжиговая тележка состоит из корпуса, бортов, штучных колосников, уплотнений, ходовых и грузовых роликов. Кроме того, в обжиговых тележках современных машин имеются пластины бортовых уплотнений.

Обжиговые тележки работают круглосуточно в тяжелом термическом режиме, при котором нагрев их до высоких температур (700-1000ºС на колосниках и до 450-680ºС на подколосниковых полках корпусов) циклически чередуется с охлаждением до 50-150ºС. Отрицательное воздействие на элементы обжиговой тележки оказывает резкая теплосмена при переходе из зоны рекупации (с прососом высокотемпературных газов сверху вниз) в зону охлаждения (с продувом холодного воздуха снизу вверх). На тележку воздействуют также газовые потоки, содержащие абразивную пыль, влагу и в ряде случаев - оксиды серы. Число температурных циклов в среднем составляет 500-550 в месяц.

Изображенная на рис. 2, а  обжиговая тележка отечественных машин ОК-108 имеет составной корпус и расчлененные борта. В корпусе разделенном на две части по высоте, нижняя несущая часть 1 защищена от воздействия от воздействия высоких температур подколосниковым надставками 2. Рабочая температура металла несущей части корпуса при нормальном технологическом режиме обжига не превышает 200-250ºС.

Обжиговая тележка в целом и входящие в нее отдельные элементы являются сменными частями конвейерной машины. Применение составных и расчлененных конструкций позволило значительно повысить межремонтную стойкость и срок службы тележки в целом.

Рис 2. Обжиговые тележки с корпусом: а) разделенные по высоте;  б) составным из трех частей.

Другая конструкция обжиговой тележки получившая широкое распространение представлена на рис 2, б. Корпус тележки состоит из трех частей: двух боковин 6 и средней поворотной рамы 7, соединенных между собой болтами. Для предотвращения смещения боковин и рамы друг относительно друга в стыковых поверхностях между ними предусматривают шпоночное соединение, а также фиксирующие болты, втулки. Несущие балки средней рамы 7, на полках которых установлены колосники 5, имеют сечение двутавровой формы.

Из всех деталей обжиговой тележки колосники (рис. 3) испытывают воздействие наиболее высоких температур. Их изготавливают из высоколегированных материалов литьем или штамповкой.

Рис. 3. Колосник обжиговой машины.

В обжиговых конвейерных машинах применяют штучные колосники конструктивных разновидностей, отличающихся формой поперечного сечения: трапециевидные, ромбические и прямоугольные. Последние будучи более широкими и массивными лучше сопротивляются короблению и разгару. Колосники ромбического сечения лучше других самоочищаются от застрявших между ними кусочков шихты при движении тележек в перевернутом положении по нижней ветви направляющих.

Щели в колосниковой решетке тележки, образованные благодаря наличию местных выступов на боковых поверхностях колосников, расположены по направлению движения конвейера. Оптимальная ширина щелей установлена в результате многолетней практики эксплуатации обжиговых машин и равна 6 мм. В зависимости от размера тележки на ней расположено 3-4 ряда колосников. По два крайних колосника, расположенных в каждом ряду у бортов, выполняют "глухими" т. е. без выступов образующих щели. Отсутствие щелей в решетке у бортов, как и волнистая внутренняя поверхность последних, предназначены для уменьшения интенсивности прохода газов у бортов.

Привод 32 (см. рис 1) обжиговых тележек предназначен для их подъема с нижнего холостого пути на верхний рабочий, а также для передвижения тележек по верхнему пути.

Загрузочное устройство 19 (см. рис 1) обжиговой конвейерной машины по расположению, назначению, конструкции и принципу работы аналогично загрузочному устройству агломерационной машины.

Обжиговые конвейерные машины снабжают устройствами для очистки колосникового поля тележек и замера прогиба их корпусов.

Устройство для очистки колосникового поля устанавливают под холостой ветвью конвейера вблизи от разгрузочной части. Устройство роторного типа состоит из трех основных частей: стержневого ротора с балами (кольцами), опор ротора на подшипниках качения и привода установленных на раме. Шарнирное закрепление одной стороны рамы и наличие винтов на другой ее стороне позволяют осуществлять регулировку положения ротора относительно поверхности колосников.

Устройство рычажно-грузового типа состоит из нескольких секций, перекрывающих всю ширину колосникового поля. каждая секция включает трехзубое колесо, вращающееся от электропривода. Один конец рычага, на котором закреплен груз, взаимодействует с зубьями колеса, другой - непосредственно с колосниками тележек.

Устройство для замера прогиба устанавливают под холостой ветвью конвейера. устройство представляет собой расположенную поперек ленты тележек балку, на которой закреплены два электрода. При прохождении под электродом тележки с прогибом корпуса больше допустимого подается сигнал в операторский пункт обжиговой машины.

Горн обжиговой машины перекрывает сверху всю ее рабочую площадь (прососа и продува). Разбивка горна по длине на отдельные зоны выполнена при помощи поперечных разделительных стенок, которые выкладывают из огнеупорного высокоглиноземистого кирпича.

Колпаки 27 и 28 (см. рис 1) зоны сушки представляют собой сварные пространственные металлоконструкции. Отсос технологических газов из колпака производится через верхние патрубки 30, присоединяемые как газопроводам через компенсаторы. В колпаке имеется патрубок для подвода горячего газа, который смешиваясь с технологическими газами, предотвращает их охлаждение ниже очки росы и выпадение конденсата.

Газовоздушные камеры 8 (см. рис 1) охватывают рабочую поверхность колосниковой решетки снизу и служат для прососа и продува технологических газов и воздуха через слой окатышей, транспортируемых обжиговыми колосниковыми тележками. Камеры, работающие при высоких температурах, изнутри футерованы огнеупорными материалами. Ряд камер покрыт снаружи слоем термоизоляции.

2. Вращающиеся печи.

2.1 Основные характеристики и конструкция вращающихся печей

Трубчатыми вращающимися печами принято называть технологические агрегаты непрерывного действия с рабочим пространством в виде полого цилиндра, котором вследствие небольшого наклона (~3°) печи и вращения перерабатываемые сыпучие ма­териалы перемещаются вдоль печи, нагреваясь за счет тепла, выделившегося при сжигании топлива. В конструктивном отношении они отличаются друг от друга только размерами корпуса и устройством систем загрузки и выгрузки материала. В названии печи обычно отражено ее назначение. Так, например, различают вельц-печи, применяемые для вельцевания кеков цинкового производства, печи для спекания бокситов, кальцинации глинозема, обжига ртутьсодержащих материалов, а также печи для сушки различных промежуточных продуктов металлургического производства.

По энергетическому признаку трубчатые вращающиеся печи относятся к печам-теплообменникам с переменным по длине режимом тепловой работы. На участке печи, где происходит горение топлива и температура продуктов сгорания достигает 1550— 1650 СС, осуществляется радиационный режим работы печи. По мере продвижения продуктов сгорания топлива по длине печи они охлаждаются до нескольких сот градусов и режим тепловой работы печи постепенно становится конвективным. Конкретное распределение по печи зон с конвективным и радиационным режимом работы зависит от вида и параметров технологического процесса.

За исключением получивших небольшое распространение печей для сушки сульфидного сырья, трубчатые печи работают в режиме противотока. Загружаемая в печь шихта может иметь различную степень влажности, вплоть до пульпы, содержащей до 40 % воды. Она подается в верхнюю (хвостовую) часть печи и медленно движется навстречу газам, образующимся в результате сгорания топлива в головной части агрегата. Из барабана перерабатываемые продукты в виде спека или раскаленного порошкообразного материала поступают в специальный холодильник, а газообразные продукты сгорания топлива вместе с технологическими газами направляются в систему пылегазоочистки. В зависимости от вида технологического процесса для отопления трубчатых вращающихся печей могут быть использованы: природный газ, мазут и твердое топливо и в виде коксовой мелочи или угольной ныли. В качестве сжигающих устройств и трубчатых печах обычно применяют газовые горелки типа «труба в трубе», форсунки для сжигания малосернистого мазута или специальные пылеугольные горелки.

Основными элементами вращающихся печей (рис. 5) являются корпус (барабан), приводной механизм, опорные бандажи с роликами, а также загрузочная и разгрузочная камеры.

Корпус мечи представляет собой сварную металлическую трубу диаметром до 5м и длиной до 185м, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом. Он опирается на специальные ролики, ширина пролета между которыми составляет для больших печей 20 - 28 м. Для перемещения материала корпус наклонен к горизонту под углом в 2,5 - 3°. Привод печи, с помощью которого она вращается с частотой около 1 об/мин, состоит из электродвигателя, редуктора и зубчатой передачи.

Опорные бандажи кольцевой формы воспринимают на себя всю нагрузку от веса барабана, достигающую 70—80 т. Для больших печей применяют кованые бандажи прямоугольного сечения, которые надевают на корпус свободно, с небольшим зазором, учитывая последующее тепловое расширение барабана. Каждый бандаж опирается на два ролика, вращающиеся вместе с бандажом во время работы печи.

Верхний торец печи входит в загрузочную камеру. Сухую шихту загружают в печь с помощью шнекового питателя через патрубок, расположенный в загрузочной камере. Пульпа подается в печь через пульповую трубу ковшом-дозатором или с помощью специальной форсунки. Улавливаемая пыль возвращается в барабан печи так же, как сухая шихта.

Нижний торец печи входит в разгрузочную камеру. Между ней и барабаном ставится специальное кольцевое уплотнение. В передней стенке камеры имеются отверстия для установки горелочных устройств. К ней также примыкают устье канала, по которому готовый продукт пересыпается в холодильник.

Рис. 5. Общий вид вращающейся трубчатой печи:

1, 15 – верхняя и нижняя головки печи; 2 – загрузочное устройство; 3 – уплотнение; 4 – цепная завеса; 5 – барабан; 6 – подшипник; 7 – опорный ролик; 8 – упорный ролик; 9 – бандаж; 10, 11 – зубчатая передача; 12 - редуктор; 13 – двигатель; 14 – упорное устройство; 15 – форсунка.

Для предотвращения налипания влажной шихты на стенки барабана и настылеобразования в холодном конце печи устанавливают цепные завесы. Их прикрепляют к барабану одним концом по всему сечению печи, выбирая длину зоны таким образом, чтобы температура газов в ней не превышала 700°. При отсутствии завес может быть использовано отбойное устройство, представляющее собой связки рельсов длиной до 12 м, прикрепленные цепью к торцевой головке печи.

Футеровка вращающихся печей работает в весьма тяжелых условиях, что связано с периодическим колебанием температур на поверхности кладки, обусловленным вращением печи и перемещением находящегося в ней материала. Перепады температур на внутренней поверхности барабана при входе и выходе из-под слоя шихты составляют 150—200 °С. В зоне спекания па футеровку сильное химическое и абразивное воздействие оказывает материал. В зоне сушки кладка подвергается значительному истиранию цепями. Основным материалом для футеровки печей глиноземных заводов служит шамот. Высокотемпературные зоны печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового и нериклазошпинелидного огнеупорного кирпича. Для сохранения футеровки при остановках печи барабан должен вращаться до ее полного охлаждения. Продолжительность работы печи обычно составляет 2—4 года.

Переработка мелкого сыпучего материала без его расплавления с успехом производится также в трубчатых вращающихся печах. В длинной футерованной трубе чаще всего противотоком движутся нагреваемый материал и продукты горения топлива. Движение материала происходит благодаря небольшому наклону трубы в сторону выгрузки и вращению печи. При вращении материал поднимается на некоторую высоту и пересыпается вниз. При этом происходит хороший теплообмен с горячими газами все время обновляющейся поверхности материала. Теплообмену способствует также то, что материал, пересыпаясь, попадает на нагретую поверхность кладки за тот период, когда она свободна от слоя материала.

Все это определило высокую интенсивность теплообмена в рабочем пространстве печи.

Трубчатые вращающиеся печи используются также для сушки различных материалов, удаления химически связанной влаги при высоких температурах обжига и для спекания материала с образованием новых соединений. Это определило их применение при производстве глинозема в алюминиевой промышленности (спекание и кальцинация). Они нашли применение и при переработки материалов, содержащих свинец и цинк. При этом цинк отгоняется и виде окисла и улавливается из отходящих газов. Барабанные печи используются для обжига сульфидных материалов.

2.2. Тепловой и температурный режимы работы вращающихся печей.

При нагреве нейтральных в энергетическом отношении сыпучих материалов тепло в зону технологического процесса трубчатых вращающихся печей поступает за счет одновременного протекания всех трех видов теплообмена: излучением от факела и раскаленной футеровки, конвекцией и теплопроводностью от поверхности кладки, по которой непрерывно перемещается перерабатываемый материал. Помимо этого необходимо учитывать, что в шихту печей для вельцевания кеков вводится в качестве реагента-восстановителя коксовая мелочь. В результате часть используемой на ее нагрев тепловой энергии генерируется непосредственно в зоне технологического процесса во время частичного окисления углерода и образующихся в результате переработки шихты паров металлического цинка.

Поступившее в слой перемещающегося по печи материала тепло распределяется в нем в основном за счет контактной теплопроводности. Однако в процессе энергичного перемешивания шихты, температура по слою быстро выравнивается и его можно принять тонким в тепловом отношении телом, нагрев которого сопровождается многочисленными эндо- и экзотермическими реакциями. Ввиду большой сложности и недостаточной изученности механизма теплообменник процессов в трубчатых печах, анализ их тепловой работы базируется в основном на изучении эмпирических данных и оценке тепловых балансов печей.

Температурный режим, работы вращающихся печей не изменяется во времени, индивидуален для каждого вида технологического процесса и в значительной степени определяется химическим и фракционным составами перерабатываемых материалов. Обычно его выбирают опытным путем и организуют таким образом, чтобы в печи строго соблюдался график нагрева шихты, задаваемый по технологическим данным.

В качестве примера может быть рассмотрен режим, достаточно хорошо изученных печей, применяемых для спекания шихты на глиноземных заводах. В них до температур порядка 550 °С происходят общие для всех вращающихся печей процессы сушки и удаление гидратной влаги и далее в интервале температур 550 - 1200 °С — реакции образования растворимых соединений алюминия, свойства которых во многом зависит от температурного режима спекания. В процессе нагрева шихта проходит в печи четыре условно выделенные температурные зоны, постепенно превращаясь в спек.

В первой зоне, длина которой составляет около 30 м, происходит нагрев материала от 20 до 300 °С, сопровождающийся его сушкой и обезвоживанием. Температура газов на этом участке печи, если его рассматривать по ходу движения шихты, изменяется соответственно от 200 до 700 °С. Длина второй зоны достигает 16—17 м. В ней материалы нагреваются до 100 °С при полном разложении карбоната кальция и изменении температур топочных газов по длине зоны от 700 до 1400 °С. Третья зона расположена в области интенсивного горении топлива (факела). Температура газов здесь максимальна и определяется величиной 1600—1650 °С. Шихта в этой зоне нагревается до 1200—1260 °С и спекается. В четвертой зоне происходит охлаждение спека до 1100 °С при температуре газов 1000 - 1550 °С.

При неизменном во времени температурном режиме работы печи ее производительность определяется толщиной слоя и физико-химическими свойствами находящегося в ней материала. В среднем по отрасли она составляет величину порядка 12 т/ч спека при расходе 6300-—7300 кДж/кг получаемого продукта. В отличие от спекания технологические процессы, протекающие в других трубчатых печах, идут без оплавления шихты.

3. Расчетная часть.

3.1.  Расчет мощности привода тележечного конвейера обжиговой машины.

Схема нагрузок для расчета мощности привода ленты тележек конвейерной обжиговой машины показана на рис. 4.

Расчет мощности приводного двигателя тележечного конвейера приведем для машины с беззазорной лентой тележек и разгрузочной частью подвижного типа. Мощность привода ленты тележек расходуется на преодоление сопротивлений движению конвейера: трения качения в ходовых роликах тележек, трения скольжения в нижних продольных, торцевых и бортовых уплотнениях при движении тележек, трения в зацеплениях и трения при загрузке шихты на машину. Вместе с тем следует учитывать, что окатыши, находящиеся на не разгрузившихся еще тележках разгрузочной части, создают движущий момент, облегчающий работу привода.