Лекция 9. Оборудование плавильных цехов

Плавильные печи

Металлургические процессы, протекающие в условиях и при воздействии высоких температур, называются пирометаллургическими, а агрегаты, в которых эти процессы осуществляются - металлургическими печами.

В цветной металлургии в плавильных печах выплавляют металл из рудного сырья (концентратов, руды), а также плавят черновые металлы и металлическую шихту (смесь), чтобы примеси и получить металл заданного состава.

В зависимости от источника тепла плавильные печи разделяют на топливные и электрические. По способу плавления и конструктивному устройству топливные печи делятся на две основные группы: с горизонтально и вертикально расположенным плавильным пространством.

Отражательные печи

В отражательной печи материал (шихта) нагревается в результате излучения тепла и соприкосновения раскаленных газов, проходящих через топочное пространство, и в результате излучения тепла от раскаленного свода печи. Свод отражает тепло, полученные им от газов, что и послужило основанием названия печей этого типа отражательным.

Отражательная печь представляет собой плавильный агрегат, состоящий из следующих основных частей: лещади (подины) 2, предельных и поперечных стен, свода 7, каркаса (металлического крепления) 5, фундамента 1 и газохода (аптейк) 9.

1 - фундамент; 2 - лещадь; 3 - боковая стена; 4 - загрузочное отверстие;

5 - крепление (каркас) печи; 6 - соединительная тяга; 7 - распорно-арочный свод; 8 - отверстия для горелок; 9 - газоход; 10 -шлаковая летка; 11 - шпуровое отверстие для выпуска штейна; 12 - ложное окно

Рисунок 11 - Отражательная печь

Перерабатываемый материал (концентраты, огарок, шихта), загруженный через отверстия в своде печи, располагается по обеим сторонам свода около продольных стен печи откосами. Откосы обра­щены к центру печи, к факелу пламени, который создается в результате сжигания топлива: газа, мазута, угля. Для подачи газа и мазута имеются горелки или форсунки, установленные на передней стенке печи.

Продукты плавки (медный штейн и шлак) скапливаются в ванне печи, расположенной по всей площади подины. Как наиболее тяжелый продукт штейн собирается в нижней части ванны, а шлак - в верхней.

Продукты плавки выпускают из печи с двух уровней: штейн - со дна ванны, а шлак - с ее поверхности. Шлак выпускают из хвостовой части печи, где он более полно отстаивается от штейна. Штейн выпускают с боковых стен печи из шпуров, расположенных примерно на одной трети длины печи от задней стенки.

Отражательная печь почти полностью собрана из огнеупорных материалов.

Печь кислородно-взвешенной плавки (КВП)

По принципу действия эта печь сходна в некоторой степени с аналогичными печами обжига концентратов, а по внешней форме с печами отражательной плавки (рисунок 12).. Как и отражательная печь, она состоит из подины 15, свода 4, поперечных и продольных стенок, образующих рабочее пространство, и имеет прямоугольную форму. Подина представляет собой обратный свод Подину выкладывают из магнезитового кирпича, а свод - из магнезито-хромитового кирпича. Над сводом расположен верти­кальный газоход 6.

Для создания герметичности кладки печи и газохода заключены в плотный стальной кожух, сваренный из листовой стали толщиной 20-25 мм. Каркас 10 состоит из ряда колонн. Колонны противоположных сторон соединены подпружиненными стальными тягами, что обеспечивает регулировку каркаса при температурном расширении. Стены печей по всему периметру кессонированы. Водоохлаждаемые кессоны отлиты из красной меди. Охлаждаемая вода циркулирует по стальным трубам, залитым внутрь кессонов.

1 - медный кессон; 2 - стена пиритной стороны печи; 3 - пиритно-кислородная горелка; 4 - свод; 5 - кессонированная опорная арка; 6 - вертикальный газоход (аптейк), 7 - опора аптейка; 8 - газовое пространство, 9 - стальной кожух печи; 10 - каркас; 11- стена, шихтовой стороны печи; 12 - шихтово-кислородная горелка; 13 – плиты чугунные; 14 - столбы опорные; 15 - подина;

16 - ванна расплава; 17 - перегородка; 18 - сифон; 19 - газовая горелка,

20 - шлаковая летка

Рисунок 12 - Печь кислородно-взвешенной плавки (КВП)

В печи образуются две зоны отделения штейна от шлака, разделенные пароохлаждаемой перегородкой 17. Справа (по рисунку) находится зона отделения основной массы богатого штейна, слева - зона отделения бедного штейна, получаемого в результате выделения меди из шлака вдуваемым пиритом. Печные газы с температурой около 1200° С отводятся через вертикальный газоход в котел-утилизатор и далее в пылеулавливающее устройство. Топочные газы в отличие от газов шахтных печей содержат большое количество ангидрида, достигающее 75%, а поэтому они эффективно используются для производства серной кислоты.

Шахтная печь

Шахтными плавильными печами называют печи с вертикально расположенным рабочим пространством в виде шахты. Печь состоит из следующих основных частей: горна 1 (рисунок 13), шахты 3 и колошника 4. Процесс плавки протекает следующим образом. Шихту, состоящую из агломерата, кокса, оборотных материалов и флюсов, загружают в шахту печи через загрузочные отверстия в колошнике. Снизу в разогретую шахту вдувают при помощи фурм 2 сжатый воздух (часто воздух, обогащенный кислородом). За счет тепла сгорания кокса и серы, содержащейся в шихте, в рабочем пространстве создается необходимая для расплавления шихты температура, достигающая в нижней зоне печи 1450-1500° С. Горячие газы подогревают опускающуюся навстречу ему шихту и удаляются из печи через газоход 5 с температурой 150-300° С.

Рисунок 13 - Схема шахтной печи

В шахтную печь загружают крупнокусковые материалы. Агломерат должен иметь куски размером 50-150 мм.

Стенки шахты состоят из стальных водоохлаждаемых кессонов. В печах прямоугольного сечения торцовые стенки делают вертикальными, а боковые (длинные) - наклонными. Фурмы устанавливают в кессонах в один или два горизонтальных ряда.

Ширина печи между противоположными рядами фурм колеблется в пределах 1000-1500 мм.

Эффективная высота от уровня фурм до уровня загрузки принимается в пределах 4-6 м в зависимости от характера плавки и состава шихты. Длина печи бывает от 3 до 20 м.

Жидкие продукты плавки собираются в горне печи и распределяются в зависимости от удельного веса.

Получаемые штейны подаются в жидком виде в конвертеры а черновой свинец - на рафинирование (очистку от примесей).

Рудотермические электрические печи

Эти печи широко применяют для плавки медно-никелевых и медных руд и концентратов. Электропечь имеет прямоугольную форму и состоит из фундамента, подины, стен, свода, кожуха, каркаса и электродного устройства (рисунок 14).

1 - подъемная лебедка; 2 - кожух электрода: 3 - тормоз;

4 - мантель; 5 - шинопроводы, 6 -загрузочные отверстия:

7 - электрод; 8 - подина печи; 9 - электрозажимы;

10 - водяные трубки

Рисунок 14 - Рудоплавильная электропечь

Подина представляет собой свод обратной кривизны толщиной 900-1200 мм, выложенный из магнезитового и шамотного кирпича на огнеупорной подсыпке или бетонном поясе. Стены выкладывают на уровне ванны из магнезитового или хромо-магнезитного кирпича, а выше ванны - из шамотного кирпича. Свод печи арочного типа выкладывают из шамота или жаропрочного бетона толщиной 300-400 мм. Для повышения стойкости начинают применять стальные водоохлаждаемые своды.

Загрузочные отверстия 6 размещены на своде печи в один или два ряда по обеим сторонам свода. Отверстия имеют диаметр 250-300 мм. Шихта состоит из руды, концентратов, оборотных шлаков, флюса.

Процесс плавления протекает за счет тепла, возникающего от горения электрической дуги, имеющей температуру около 6000° С. Электроэнергия подводится через электроды 7 от специальных печных трансформаторов трехфазного и однофазного тока. Рудоплавильные печи строят с тремя и шестью электродами мощностью до 45 тыс.кВА и более. Для уменьшения электрических потерь и длины шинопроводов 5 трансформаторы размещают рядом с печами. Распорные усилия свода воспринимаются подпятовыми балками. Противоположные колонны каркаса стягиваются подпружиненными тягами. Кладка печи заключена в кожух из стальных листов.

Электроды применяют набивные самоспекающиеся диаметром 800-1400 мм. Электродная масса состоит из мелкого антрацита и кокса смешанных с пеком или каменноугольной смолой. При нагреве до 300°С электродная масса размягчается, а при дальнейшем нагреве - затвердевает, спекается. Электроды набивают в стальной кожух толщиной 1,5-2 мм. Диаметр электрода выбирают, исходя из допускаемой плотности тока, равной 2-4 на 1 см² сечения электрода. Расстояние между электродами устанавливают около 3 диаметров электрода.

Штейн и шлак выпускают через шпуровое летку расположенные на противоположных торцовых стенах. Топочные газы отводят через отверстия в своде и вертикальные патрубки в сборный газоход.

Горизонтальные конвертера

Горизонтальные конвертера (рисунок 15) бывают с верхним или осевым (боковым) отводом газов. На заводах цветной металлургии используются только горизонтальные конвертеры. Основные параметры конвертера - диаметр и длина корпуса (бочки).

Корпус конвертера 4 сваривают из стальных листов толщиной 20-45 мм. Крышки (торцы, днища) также сваривают из стали и усиливают несколькими балками. Крышки свободно вставляют внутрь барабана и соединяют стальными тягами с пружинными компенсаторами температурного расширения.

Горловина 5 служит для выхода конвертерных газов, загрузки и разгрузки конвертера. Устанавливают ее на корпусе конвертера под углом к вертикали (около 12-30°) в сторону фурм. Горловины делают круглыми, прямоугольными и овальными. Круглые горловины легче обслуживать и футеровать. Горловины выполняют стальными литыми сборными из нескольких частей высотой 550-900 мм.(рисунок 22)

Опорное устройство конвертера состоит из двух бандажей 3, жестко закрепленных на концах барабана. Каждый бандаж, опирается на две качающиеся роликовые опоры 10, состоящие из двух цилиндрических роликов, закрепленных на траверсе 13. Такая конструкция позволяет рассредоточить нагрузку на бандаж (достигающую в больших конвертерах 30 МН, или 300 тс) между роликами и само устанавливаться роликам в зависимости от положения бандажей. Опоры устанавливают под углом 30° к вертикали. Ролики одного бандажа - гладкие, другого, прилегающего к зубчатому венцу 6, -коробчатые. Это обеспечивает нормальное положение зубчатой передачи при температурном удлинении барабана. От осевых перемещений балансир удерживает стальная шпонка.

1 - магнезитовая футеровка; 2 - крышка; 3 - бандаж; 4 - корпус (бочка); 5 - горловина; 6 -зубчатый венец; 7 - соединительный патрубок; 8 - сальниковое устройство; 9 - стояк; 10 - роликовая опора; 11 - воздушный коллектор;

12 - фурма; 13 - траверса; 14 - фундаментная плита; 15 - натяжное

устройство; 16 - подвод сжатого воздуха; 17 - электродвигатель и червячный редуктор; 18 - редуктор; 19 - муфта; 20 - фундамент; 21 - предохранительный щиток; 22 – пружина

Рисунок 15 - Горизонтальный конвертер

Поворотный механизм конвертера состоит из электродвигателя, червячного и зубчатого цилиндрического редуктора и цилиндрической открытой зубчатой пары. Зубчатый венец жестко закреплен на конце барабана.

Сжатый воздух поступает в конвертер через фурму из коллектора 1, который устанавливают вдоль бочки конвертера. Коллектор соединяют с фурмой рукавом 2 ( стальной трубой), гайкой 10 и сальником 3 с асбестовой набивкой.

Литература:10 осн.[330-364], 11 осн.[310-333]

Контрольные вопросы

1. Каким образом классифицируются печи в зависимости от источника тепла?

2. Каким образом нагревается шихта в отражательных печах?

3. Каким образом и в какой последовательности выпускаются продукты плавки из печей?

4. Что представляю собой кессоны печей?

5. За счет чего производится плавка в шахтных печах?

6. Что представляет собой горизонтальный конвертер?