Шахтная печь для термической обработки
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский технологический
«Московский институт стали и сплавов»
Новотроицкий филиал
Кафедра МТ
Домашнее задание по теплоэнергетике
на тему: „Шахтная печь для термической обработки”
Содержание
Введение …………………………………………………………………..….…
1 Шахтные печи цветной металлургии ..............................
1.1 Особенности тепловой работы ..............................
1.2 Особенности теплообмена в слое …………………………….…….…...…8
2 Конструкция и основные показатели работы ………… ………………..…10
2.1 Устройство печи ………………………………………….……………..…10
Заключение……………………………………………………
Список использованной литературы ………………..………………….….…22
Введение
В крупносерийном производстве применяются печи периодического и непрерывного действия. Учитывая специфику термической обработки данной детали выбираем печи периодического действия. Среди печей периодического действия наибольшее распространение получили камерные и шахтные электрические печи сопротивления. Для данной детали, имеющей форму полого цилиндра, целесообразно выбрать шахтные печи для всех видов термической обработки.
Печи электрические шахтные предназначены для термической обработки длинномерных металлических изделий в подвешенном состоянии, либо небольших изделий в специальных корзинах. Блочно-модульная конструкция, легковесная теплоизоляция позволяют транспортировать элементы печей в собранном виде на любые расстояния и обеспечивает оперативность монтажа. Печи комплектуются волокнистой теплоизоляцией, современными системами нагрева, тиристорными системами управления.
Шахтные печи имеет ряд преимуществ: относительная простота конструкции; компактность; низкий расход топлива, загрузка и выгрузка деталей механизирована для чего применяются электротельферы, мостовые краны; печи легко герметизируются с помощью песочных затворов. Их недостаток-это низкая производительность. С учётом размеров детали и годовой программы выпуска выбирают следующие марки печей:
- для цементации - шахтную муфельную электропечь сопротивления типа СШЦМ 6.12/9;
- для высокого отпуска - шахтную электропечь сопротивления типа СШЗ 6.12/7;
- для закалки - шахтную электропечь сопротивления типа СШО 6.12/10;
- для низкого отпуска - шахтную электропечь сопротивления типа СШЗ 6.12/7;
- для обработки холодом - холодильная установка КТХ.
Электропечи сопротивления шахтные серий СШО, СШЗ предназначены для нагрева металлических изделий и термообработки при температуре до 1200°C в окислительной (СШО) или в защитной (СШЗ) атмосферах.
Электропечи сопротивления шахтные муфельные типа СШЦМ предназначены для цементации, нитроцементации и термообработки различных видов изделий в атмосфере эндогаза с добавкой углеводородного газа и аммиака при нитроцементации.
Электропечи шахтные для азотирования типа США-4.4./6, США-4.6./6 предназначены для газового азотирования стальных изделий и для других видов термической и химико-термической обработки металлов с использованием атмосферы диссоциированного аммиака.
Данная тема актуальна, так как в шахтные печи обладают наилучшими условиями теплообмена, поэтому они очень экономичны, т.е. низкий расход топлива, что очень важно в процессе качественного производства.
Цель данной работы изучить шахтные печи для термической обработки, рассмотреть некоторые марки печей, изучить работу и конструкции шахтных печей.
1 Шахтные печи цветной металлургии
1.1 Особенности тепловой работы
Тепловая работа шахтных печей цветной металлургии отличается рядом особенностей, обусловленных видом и параметрами протекающих в них технологических процессов. Шахтные печи широко применяют на заводах цветной металлургии для плавки кусковой руды, брикетов, агломерата и различных промежуточных продуктов металлургического производства, имеющих кускообразную форму. Помимо этого шахтные печи используют для переплавки вторичных металлов и катодной меди. Конечным продуктом шахтной плавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн или черновой металл и шлак. При плавке кусковых материалов в печь сверху загружается шихта вместе с твердым топливом, роль которого обычно выполняет высококачественный кокс.
В зависимости от вида перерабатываемого материала топливные шахтные печи могут иметь два принципиально различных режима работы, основанных на газогенераторном и топочном процессах. Печи, работающие на базе газогенераторного процесса, применяют для плавки окисленных руд и аналогичных им по составу шихтовых материалов. В них на участке сжигания топлива, наряду с генерацией тепла, протекают процессы обра-зования газообразной восстановительной среды, содержащей большое количество оксида углерода (СО). Оксид углерода, образующийся в результате газогенераторного процесса, используется при плавке как реагент для так называемого непрямого восстановления оксидов металлов, содержащихся в шихте. Прямым восстановителем является кокс. Однако энергозатраты на восстановление окислов при использовании в качестве реагента кокса, отнесенные к килограмму углерода, в 2,45 раза выше, чем в случае применения оксида углерода.
Шахтные печи с режимом работы на базе топочного процесса применяют для переработки сульфидных материалов и переплавки вторичных металлов и катодной меди. В печах для плавки сульфидов кислород дутья используется при горении топлива и как реагент для окисления части сульфидов железа и элементарной серы, выделившейся при термическом разложении минералов. В печи, таким образом, поддерживается окислительная атмосфера. В шахтных печах, применяемых для переплавки вторичных металлов и катодной меди, газовая фаза не является реагентом технологического процесса. Для того, чтобы предотвратить угар металла, в рабочем пространстве печи обычно поддерживается восстановительная атмосфера. Однако образование больших количеств оксида углерода в процессе горения топлива является нежелательным явлением, так как оно сопровождается значительным потреблением тепла.
Шахтные печи цветной металлургии являются агрегатами непрерывного действия с режимом работы, характеризующимся неизменностью во времени основных параметров теплового и температурного режимов плавки. Конкретные значения параметров находятся в непосредственной зависимости от вида протекающего в печи технологического процесса и состава перерабатываемого сырья. В качестве примера рассмотрим процессы, осуществляемые в наиболее распространенных шахтных печах, применяемых на никелевых и свинцовых заводах.
Тепловая работа шахтных печей для плавки никельсодержащего сырья отличается крайней сложностью, и ее количественная оценка базируется на анализе теплового баланса процесса. Примерно 95-97 % тепла, используемого в зоне технологического процесса, поступает в нее при горении твердого топлива и 3-5 % в процессе шлакообразования. Эта энергия распределяется среди продуктов плавки следующим образом: примерно 40--45% расходуется на нагрев и расплавление шихты; 12-14 % - на осуществление эндотермических реакций и 21-22 % отводится с газообразными продуктами сгорания топлива и техническими газами. Потери тепла на нагрев воды в кессонах составляют около 22 - 24 %.Температурный режим плавки пока еще не поддается расчету и выбирается опытным путём. При определении его параметров необходимо учитывать, что протекающие в печи процессы нагрева и расплавления шихты сопровождаются многочисленными экзотермическими реакциями. К экзотермическим реакциям относятся, в основном, углерода и шлакообразование.
Эндотермические реакции протекают в широком диапазоне температур и могут быть условно разделены на три группы, к которым относятся: образование газообразного реагента-восстановителя, состоящего из оксида углерода; диссоциация содержащихся в шихте основных флюсов и сульфидирующих компонентов; восстановление оксидов и сульфидирование переходящих в штейн металлов.
Газообразные продукты сгорания топлива, фильтруясь через слой шихтовых материалов, поднимаются вверх по шахте и постепенно охлаждаются за счет того, что в процессе теплообмена передают тепло шихте и активно участвуют в эндотермических реакциях. Восстановление диоксида углерода (СО) начинается сразу же после выхода газов из зоны горения и продолжается до тех пор, пока они не охладятся до 700°С. Образующийся в этих условиях оксид углерода взаимодействует с оксидами содержащихся в шихте металлов. Наиболее интенсивно протекает восстановление оксида никеля, начинающееся при 250-300°С. Для восстановления магнетита до оксида железа, имеющего большое значение в процессах формирования шлака, необходимы температуры свыше 900°С и концентрация оксида углерода в газовой фазе не менее 23 %.
Тепло, полученное материалом слоя в процессе теплообмена, расходуется на нагрев и плавление шихты, а также на диссоциацию и сульфидирование. Диссоциация известняка и сульфидирующих реагентов типа пирита происходит при температурах свыше 600-650 °С. Реакции сульфидирования металлов идут в широком интервале температур от 800 до 1300 °С.
В нижней части шахты, где накапливаются жидкие продукты плавки, температурный режим определяется условиями наиболее полного разделения шлака и штейна. Температура шлака, как правило, поддерживается на уровне 1400°С, температура штейна во многом зависит от его состава. С уменьшением содержания серы в штейне его температура должна увеличиваться, чтобы избежать настылеобразования, связанного с выпадением кристаллов ферроникеля. Например, при концентрации серы в штейне около 15 % выделение кристаллов ферроникеля начинается при 1250С, а для штейна, содержащего 21 % серы - при 1100°С.
В шахтных печах свинцовых заводов плавят сырьевые материалы (агломерат), содержащие свинец в форме легковосстановимых оксидных соединений. В результате их переработки получают черновой металл, в который переходят также медь, олово, висмут, золото, серебро и некоторые другие компоненты шихты. Трудновосстановимые оксиды, например, железа и цинка, соединяясь с диоксидом кремния, переходят в шлак. Помимо оксидов металлов в шихте содержится небольшое количество сульфидных соединении, которые при плавке могут образовывать самостоятельную фазу -- штейн и шпейзу.
Восстановление оксида свинца начинается практически сразу после того, как шихта попадает в печь при температуре 160 - 180С. Интенсивность этого процесса нарастает по мере прогревания шихты, достигая максимального значения при температурax порядка 750-1000°С. Плавление шихты начинается задолго завершения процессов восстановления. Эвтектики сплав свинца и меди плавятся при 550 °С, смесь оксидов свинца и сурьмы при 550°С, ферриты свинца при 752 °С и т. д.
Легкоплавкая жидкая фаза образуется уже в верхних частях шахты и движется вниз гораздо быстрее, чем слой твердого материала. На своем пути она вступает в многочисленные технологические реакции с твердой шихтой и коксом. В результате в центральной части печи слой в основном состоит из кокса и остатков нерасплавившейся шихты. Между ними идет интенсивное взаимодействие, протекающее с. потреблением большого количества тепла, и поэтому температура на этом участке зоны технологического процесса невелика и составляет примерно 1300-1350С. То, что значительная часть оксидов восстанавливается непосредственно углеродом, влечет за собой некоторый перерасход кокса. В нижних частях шахты, где в зону технологического процесса подается газообразный окислитель (воздух, или дутье, обогащенное кислородом), до 75 % площади поперечного сечения печи занято коксом, свободным от шихты (коксовая постель). Температура здесь достигает 1400-1450°С. Жидкие продукты плавки на выходе из печи имеют существенно более низкую температуру: шлак порядка 1200°С, штейн 1000-1050°С.
1.2 Особенности теплообмена в слое
Топливные печи широко применяются в цветной металлургии. К исследованию теплообмена в условиях слоя кусковых материалов, двигающихся навстречу потоку газов, как это имеет место в шахтных печах, многие десятилетия привлечено внимание ученых и инженеров. В нашей стране наиболее значительные работы в этой области выполнены во Всесоюзном научно-исследовательском институте металлургической теплотехники (ВНИИМТ) и Уральском политехническом институте.
Теплообмен в слое представляет собой крайне сложный случай теплообмена. Плотный слой образуется кусками различной формы и размеров, имеющими различные теплофизические свойства. Сложный характер движения кусков значительно затрудняет определение реальной поверхности теплообмена. Различная величина зазоров между кусками влияет не только на особенности омывания их газами, но делает неразделимыми процессы теплопроводности, излучения и конвекции, действующие в слое. Поэтому приходится применять общий коэффициент, учитывающий все три вида теплообмена. Из-за неопределенности поверхности теплообмена более удобно использовать объемный коэффициент теплоотдачи бv [Вт/(м • К). Связь его с обычным коэффициентом теплоотдачи б [Вт/(м • К) выражается следующим образом: бv = бF, где F - поверхность нагрева, заключенная в 1м слоя кусковых материалов, м.
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 [м/(м•с)], показывающего, какой объем кусковых материалов перемещается через 1 м 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.
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.
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 (см. рисунок 1)
Рисунок 1.Шахтная печь свинцовой плавки
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 осно-ванием 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.
Шахта печи состоит из кессонов, представляющих собой плоские металлические коробки шириной 0,6-0,9м и высотой 1,5-6,0 м, охлаждаемые проточной водой. В последнее время кессоны в основном оборудуют системой испарительного охлаждения. Обычно устанавливают два ряда кессонов. Нижние или фурменные кессоны крепят друг к другу болтами и устанавливают на основании с небольшим (3-5°) наклоном к вертикальной плоскости, образуя так называемые заплечики, воспринимающие активное давление слоя, находящегося в печи материала. Кессоны торцевых стен устанавливают вертикально. Верхнюю часть второго ряда кессонов крепят с помощью домкратов, опирающихся на специальную балку, опоясывающую печь по периметру и жестко соединенную с отсечным каркасом. Для уплотнения зазоров между кессонами используют шнуровой асбест.
На высоте 300мм от нижней кромки кессонов первого ряда расположены отверстия, в которые вставляют металлические водоохлаждаемые фурмы, заглубляемые в рабочее пространство печи на 200-300 мм. Фурмы имеют в диаметре 100-125 мм и устанавливаются в один реже в два ряда. Ширину печи на уровне фурм выбирают таким образом, чтобы воздух, подаваемый в печь под давлением порядка 20 кПа, достигал центра слоя. Обычно она составляет от 1,3 до 1,9 м. Длина печи зависит от ее производительности и колеблется в пределах от 2,5 до 26 м.
Колошником называется верхняя часть печи, расположенная над шахтой. Он сооружается из металлических плит, при необходимости футеруемых огнеупорным кирпичом. Колошник служит для размещения устройств загрузки перерабатываемых материалов, которые могут быть расположены в центре или вдоль боковых стен печи. Предпочтение отдается, как правило, боковой загрузке, так как в этом случае крупные куски материала располагаются в центре слоя, что способствует увеличению его газопроницаемости и улучшению аэродинамических характеристик печи. При боковой загрузке с одной или двух продольных стен колошника расположены несколько загрузочных окон, обоснованных двухшиберными устройствами. Сначала открывают, наружный шибер и в приемную камеру загружают порцию (колошу) агломерата или кокса. Затем закрывают наружный и открывают внутренний водоохлаждаемый шибер, и материал по наклонной плоскости сползает в шахту.
Шатер накрывает колошник, выполняя функции газоотводящей и сепарационной камеры. В куполе шатра имеются два-три отверстия, соединенные с металлическим газоходом. Внутреннюю поверхность заключенного в металлический кожух шатра футеруют огнеупорным кирпичом. На шахтных печах, применяемых для переработки шихт с большим содержанием цинка, применяют в основном шатры, изготовленные из металлических кессонов, охлаждаемых водой. Такая конструкция позволяет значительно облегчить очистку стен от пыли и настылей.
Сложность тепло- и массообменных процессов, протекающих в шахтных печах, и отсутствие надежных данных о теплофизических характеристиках, перерабатываемых в них материалов в значительной степени ограничивают возможность применения расчетных методов при оценке тепловой работы этих агрегатов. В настоящее время эффективность работы шахтных печей оценивается в основном на базе статистической обработки производственных данных.
Важнейшими показателями работы печи являются ее удельная производительность, которую рассчитывают по количеству проплавляемой в течение суток шихты, отнесенному к 1 м площади сечения печи в области фурм, и удельный расход топлива (кокса), определяемый в процентах от массы перерабатываемой шихты. Широкие пределы изменения этих показателей в условиях одного технологического процесса обусловлены, как правило, различиями в химическом и фракционном составе сырья качеством применяемого топлива и характером дутья. Например, при свинцовой плавке высота слоя в зависимости от фракционного состава материала может изменяться от 2,5 до 6,0 м. Удельная производительность и расход топлива в зависимости от его химического состава колеблются соответственно в пределах от 35 до 100 т/м в сутки и от 8 до 13 %. Отходящие газы шахтной печи свинцовой плавки имеют температуру порядка 250-400С. Они содержат большое количество пыли, являющейся полиметаллическим сырьем, направляемым после очистки газов в металлургическое производство.
Шахтные электрические печи для термической обработки.
Шахтные печи широко применяются для термической обработки отливок из алюминиевых литейных сплавав. Они занимают меньшую площадь, чем камерные печи, и имеют, как правило, более совершенную механизацию и больший удельный съем продукции [100-260 кг/(м•ч)].
Шахтные электрические печи для термической обработки обычно состоят из металлического цилиндрического каркаса, внутри которого выложена шахта из шамотного кирпича (рисунок 2). По боковой поверхности расположены нагревательные элементы, внутри шахты установлена реторта из жароупорной стали, открытая сверху и снизу, в которую помещают корзину с термообрабатываемыми отливками.
Рисунок 2. Схема шахтной электрической печи: 1 - крышка; 2 - вентилятор; 3 - нагревательная камера; 4 - металлический каркас; 5 - нагревательные элементы; 6 - реторта; 7 - корзина; 8 - механизм подъема крышки
Детали нагреваются горячим воздухом. Печи работают с замкнутым циклом циркуляции: нагретый воздух прогоняется посредством вентилятора, установленного в крышке или в дне печи, через корзину с отливками, а затем расходится по радиусам в кольцевое пространство между корзиной и стенками печи и снова подогревается, омывая нагреватели. Чтобы обеспечить равномерный нагрев деталей как со стороны входа горячего воздуха, так и со стороны его выхода, периодически изменяют направление вращения вентилятора, лопатки которого позволяют вытягивать или нагнетать воздух в камеру печи.
На рисунках 3-5 даны эскизы шахтных печей.
Рисунок 3. Схема шахтной электрической печи с принудительной циркуляцией воздуха
Рисунок 4. Схема шахтной электрической печи для закалки: 1-сетка; 2 -теплоизоляция; 3- крышка; 4 - затвор чугунной дробью; 5-масляный затвор; 6-лоток; 7 -муфель- 8-корзина; 9-рама; 10 - нагревательная секция; 11-установка термопар; 12 -каркас; 13- опора; 14 - установка вентилятора; 15 - установка сальника; 16- кожух выводов; 17 - установка вывода
Рисунок 5. Схема шахтной электрической печи: 1 - крыльчатка; 2 - установка для перемещения; 3 - крышка; 4 – верхнее кольцо; 5 - корпус; 6 - кладка
Электропечь сопротивления для цементации.
Шахтные муфельные электропечи предназначены для химико-термической обработки деталей и светлого отжига проволоки и ленты из черного и цветных металлов в бунтах. Муфели и приспособления изготовляют из хромоникелевой стали или сплава. Материалом для нагревателей служит нихром Х20Н80 или безникелевые сплавы типа Х27Ю5Т.
Рисунок 17. Шахтная муфельная электропечь типа СШЦМ
Температура цементации 930 °С. В качестве футеровки применяют шамот и теплоизоляционные материалы. Электрические нагреватели располагают на стенах шахты печи. СШЦМ для газовой цементации мелких деталей. Печь имеет жароупорный муфель, установленный на подставку, опирающуюся на футеровку пода печи. Футеровка выполнена из шамотного огнеупорного и теплоизоляционного материалов. Нагреватели расположены на стенках и поду шахты печи. Специальные приспособления из жаропрочных сталей, устанавливаемые в муфель, имеют съемные днища с отверстиями для прохождения газа-карбюризатора. Печь закрывается крышкой. Крышка имеет механизм подъема и поворота. В крышке имеются отверстия для подачи в муфель газа- карбюризатора и отвода отработанной атмосферы. По центру крышки установлен вентилятор для перемешивания атмосферы в муфеле для получения стабильных результатов по глубине насыщения углеродом обрабатываемых деталей.
Вентилятор включается после загрузки партии деталей в муфель и работает в течение всего времени химико-термической обработки. Для равномерного нагрева муфеля, а следовательно, и обрабатываемых деталей печь по высоте разделена на две самостоятельные температурные зоны. Верхняя часть печи теряет больше теплоты в окружающее пространство, чем нижняя часть, поэтому верхняя зона потребляет больше электрической энергии. В шахтной печи с муфелем исключается взаимодействие электрических нагревателей с цементующей атмосферой. Условия работы нагревателей в печах с муфелем и обычных печах с воздушной атмосферой аналогичны.
Шахтные печи изготовляют различной мощности.
Заключение
В ходе проделанной работы я изучила шахтные печи. Я узнала, что шахтные печи широко применяют на заводах цветной металлургии для плавки кусковой руды, брикетов, агломерата и различных промежуточных продуктов металлургического производства, имеющих кускообразную форму. Помимо этого шахтные печи используют для переплавки вторичных металлов и катодной меди. Конечным продуктом шахтной плавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн или черновой металл и шлак. При плавке кусковых материалов в печь сверху загружается шихта вместе с твердым топливом, роль которого обычно выполняет высококачественный кокс.
- Шахтные локомотивы
- Шахтные метонометры
- Шахтные печи цветной металлургии
- Шахтный газ метан и его концентрирование с помощью мембранных установок «Грасис»
- Шашечница аталия
- Шәкәрім Құдайбердиевтің педагогикалық көзқарастары
- Шәкәрім Құдайбердіұлы
- Шахматная композиция как искусство
- Шахматы
- Шахнаме
- Шахрайство
- Шахрайство з фінансовими ресурсами
- Шахрайство на підприємстві
- Шахта Интинская. Расчеты параметров устойчивости пород и крепления выработки
