Плавильные пламенные печи. Отражательные печи для плавки медных концентратов на штейн. Тепловой и температурный режимы работы. Экспериментальное определение скорости тепловой обработки материала. Основные характеристики конструкции плавильных печей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

хорошую работу на сайт">

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Задание

1. Плавильные пламенные печи

1.1 Общие сведения

2. Отражательные печи для плавки медного концентрата на штейн

2.1 Основные характеристики

1 П лавильные пламенные печи

1 . 1 Общие сведения

Плавильные пламенные печи широко применяют в цветной ме-таллургии при производстве меди, никеля, олова и других ме-таллов. По энергетическому признаку эти агрегаты относятся к классу печей теплообменников с радиационным режимом тепло-вой работы, благодаря чему они называются отражательными пе-чами. По назначению они делятся на две большие группы: печи для переработки минерального сырья, основными представите-лями которых являются отражательные печи для плавки сульфидных медных концентратов на штейн, и печи, предназначенные для рафинировочной плавки металлов.

Отражательная печь для плавки на штейн является универсальным агрегатом с продолжительностью кампании от 1-2 до 6 лет. В ней можно плавить разнообразные по составу и физическим характеристикам материалы, основу которых составляет сырая (подсушенная) шихта. Большая емкость печи, в которой одновременно находится около 900-1000 т расплавленного материала позволяет поддерживать стабильные теплотехнические параметры плавки при значительных колебаниях в производительности предшествующего (подготовка шихты) и последующего (конвертирование штейнов) за отражательной плавкой переделов. К основным недостаткам отражательных печей следует отнести отсутствие очистки дымовых газов от пыли и сернистого ангидрида и сравнительно высокий удельный расход топлива.

До настоящего времени отражательные печи остаются основ-ными агрегатами на медеплавильных заводах. Однако с повыше-нием требований к комплексному использованию сырья и охране окружающей среды, перспективы их дальнейшего использования существенно снизились. Кроме того, в отражательных печах практически не используется тепло, получаемое при окислении серы, выделяющееся при разложении сульфидных минералов. Поэтому в последнее время осуществляется постепенная замена отражательных печей более совершенными агрегатами для автогенной плавки медных концентратов на штейн.

Отражательные печи, в которых производится очистка металлов от примесей, носят названия, отражающие сущность протекающих в них технологических процессов. Например, печи, применяемые для получения специальных отливок - анодов, которые используют в последующем процессе электролитического рафинирования меди, называют анодными печами. Это малопроизводительные плавильные агрегаты периодического действия, в которых перерабатывается твердая и жидкая черновая медь, причём жидкую черновую медь подают в печь ковшом непосредственно из конвертера. Так называемые вайербарсовые печи отличаются от анодных только тем, что в них перерабатываются катоды, полученные в процессе электролиза, а также отходы красной и электролитной меди.

2 . Отражательные печи для плавки медных концентратов на штейн

2.1 Основные характеристики

Конструкции печей для плавки на штейн различаются в зависи-мости от площади пода, состава и вида перерабатываемого сырья, способа отопления и применяемого топлива. В мировой практике встречаются агрегаты с площадью пода 300-400 м 2 , однако наи-большее распространение получили печи, площадь пода которых порядка 200-240 м 2 .Основные характеристики отражательных печей приведены в (таблице 1).

Техническая характеристика отражательных печей для плавки медных сульфидных концентратов на штейн.

Параметры	Характеристика печей с площадью пода, м2
Основные размеры печи, м: длина по ванне ширина по ванне высота от лещади до свода Глубина ванны, м Конструкция подины Способ выпуска штейна
	Набивная Сифонный	Через шпуры
* 1 Свод арочный из магнезитохромита. * 2 Свод арочный из динаса. * 3 Свод распорно-подвесной из магнезитохромита.

Отражательные печи работают в основном на газовом, реже газомазутном и крайне редко на пылеугольном топливе. Для интенсификации процессов горения топлива на некоторых предприятиях используют дутье, обогащенное кислородом. Для большинства печей применяют торцевую подачу топлива, на ряде агрегатов торцевую подачу комбинируют со сводовым отоплением. При торцевом отоплении обычно используют комбинированные газомазутные горелки, производительность которых по природному газу составляет 1100-1600 м 3 /ч, по мазуту - до 300 кг/ч. Основное назначение мазута - повышение степени черноты газового факела. В тех случаях, когда нет необходимости в интенсификации внешнего теплообмена в рабочем пространстве отражательной печи, горелки такого типа успешно работают на одном природном газе.

В зависимости от производительности агрегата на печи устанавливают от 4 до 6 горелок. Такое же число горелок устанавливают на печи и при пылеугольном отоплении. Пылеугольные горелки типа «труба в трубе» работают с коэффи-циентом расхода воздуха порядка 1,1-1,2и обеспечивают хоро-шее перемешивание топливовоздушной смеси.

При комбинированном отоплении отражательных печей на своде печи могут быть установлены плоскопламенные радиацион-ные горелки типа ГР, работающие на природном газе с исполь-зованием холодного и подогретого до 400 °С воздуха.

Основными элементами отражательной печи (рисунок 1) яв-ляются: фундамент, под, стены и свод, которые в совокупности образуют рабочее пространство печи; устройства для подачи шихты, выпуска продуктов плавки и сжигания топлива; система отвода дымовых и технологических газов, боров и дымовая труба. Фундамент печи представляет собой массивную бетонную плиту толщиной 2,5-4 м, верхняя часть которой выполнена из жаро-прочного бетона. В фундаменте обычно имеются вентиляционные каналы и смотровые проходы. Рабочее пространство является основной частью печи, так как в нем протекает технологический процесс и развиваются высокие температуры (1500-1650 °С). Подина (лещадь) выпол-няется в виде обратного свода, толщиной 1,0-1,5 м. Для кислых шлаков в качестве огнеупорных материалов при кладке пода и стен печи используют динас, для основных шлаков - хромомагнезит. Толщина стен на уровне ванны 1,0-1,5 м, над ванной -0,5-0,6 м. Для теплоизоляции стен обычно используют легко-весный шамот. Расстояние между боковыми стенами (ширина печи) в зависимости от конструкции агрегата изменяется в пределах 7-11 м, между торцевыми стенами (длина печи) 28-40 м.

Рисунок 1 - Общий вид отражательной печи для плавки на штейн

1 - ванна; 2 - свод; 3 - каркас; 4 - загрузочное устройство; 5 - наклонный газоход; 6- окно для выпуска шлака; 7-шпур для выпуска штейна; 8 - фундамент; 9 - подина; 10 - стена

Свод печи является наиболее ответственным элементом ее
конструкции, так как о стойкости зависит продолжительность кампании печи. Свод имеет толщину 380-460 мм и выклады-вается из специального магнезитохромитового и периклазошпинелидного кирпича. Как правило, используют распорно-подвесные и подвесные своды. У боковых стен свод опирается на стальные пятовые балки. Для компенсации распирающих усилий создавае-мых ванной расплава и сводом, стены печи заключены в каркас, состоящий из стоек, расположенных через 1,5-2 м вдоль стен, скрепленных продольными и поперечными тягами. На концах тяги оснащены пружинами и гайками, которые позволяют ком-пенсировать температурные расширения кладки.

Для загрузки шихты используют специальные отверстия, рас-положенные в своде через каждые 1,0-1,2 м вдоль боковых стен печи, в которых установлены воронки с патрубками диаме-тром 200-250 мм. К загрузочным воронкам шихта подается ленточными или скребковыми транспортерами. В некоторых случаях загрузка шихты производится с помощью шнековых питателей или забрасывателей через окна в боковых стенах печи. Загрузочные отверстия имеются по всей длине печи, но шихта подается, как правило, только в плавильную зону.

Конвертерный шлак заливается в печь через окно в торцевой стенке, расположенное над горелками. Иногда для этого исполь-зуют специальные отверстия в своде или окна в боковых стенах, расположенные вблизи от передней торцевой стенки печи. Для выпуска штейна применяют сифонные или специальные разборные металлические шпуровые устройства с керамическими или графи-товыми втулками. Устройства для выпуска штейна расположены в двух или трех местах вдоль боковой стенки печи. Шлак выпускается периодически по мере его накопления через специаль-ные окна, расположенные в конце печи в боковой или торцевой стенке на высоте 0,8-1,0 м от поверхности пода.

Отвод газов из рабочего пространства печи осуществляется через специальный газоход (аптейк), наклоненный к горизон-тальной плоскости под углом 7-15°. Наклоненный газоход пере-ходит в боров, который служит для отвода продуктов сгорания топлива в котел-утилизатор или в дымовую трубу. Боров пред-ставляет собой горизонтально расположенный газоход прямо-угольного сечения, внутренняя поверхность которого выложена из шамота, наружная - из красного кирпича.

Для утилизации тепла отходящих газов в сборном борове отражательных печей устанавливают водотрубные котлы-утилизаторы, которые оборудованы специальными экранами, позволяющими эффективно бороться с заносом и ошлакованием рабочей поверхности котлов, содержащимися в газах пылью и каплями расплава. Для предотвращения сернокислотной коррозии металли-ческих элементов температура газов на выходе из котла должна быть существенно выше 350 С. После котла-утилизатора устанавливают металлический петлевой рекуператор, позволяющий использовать тепло газов, выходящих из котла, для нагрева дутьевого воздуха.

Основными достоинствами отражательной плавки являются: относительно небольшие требования к предварительной подго-товке шихты (влажность, повышенное содержание мелких фракций и т. п.); высокая степень извлечения меди в штейн (96-98 %); незначительный унос пыли (1-1,5 %); повышенная производи-тельность единичного агрегата, достигающая до 1200-1500 т в сутки по проплавляемой шихте, а также высокий коэффициент использования топлива в печи, который составляет в среднем около 40-45 %.

К недостаткам процесса следует отнести низкую степень десульфурации (получение сравнительно бедных по меди штейнов) и большой удельный расход топлива, который составляет примерно 150-200 кг у. т. на тонну шихты. Значительное количество дымовых газов на выходе из печи ограничивает возможность их очистки и использования в сернокислотном производстве из за низкого содержания в них сернистого ангидрида (2,5 /о).

2.2 Тепловой и температурный режимы работы

Отражательная печь для плавки на штейн является агрегатом непрерывного действия с относительно постоянными во времени тепловым и температурным режимами работы. В ней осуществляется технологический процесс, состоящий из двух последовательно протекающих операций: расплавления шихтовых материалов и разделения полученного расплава под действием силы тяжести на штейн и шлак. Для сохранения последовательности этих процессов они осуществляются в различных участках рабочего пространства печи. На протяжении всей работы агрегата в нем постоянно находятся твёрдая шихта и продукты плавки.

Схема расположения материалов в печи представлена на (рисунке 2) . Шихтовые материалы располагаются вдоль стен с обеих сторон печи, образуя откосы, которые закрывают боковые стены почти до свода на 2 / 3 их длины. Между откосами и в хвостовой части печи размещается ванна расплава, которую условно можно разделить на две части. Верхний слой занимает шлак, нижний - штейн. По мере накопления они выпускаются из печи. При этом шлаковый расплав постепенно перемещается вдоль агрегата и непосредственно перед выпуском попадает в так называемую от-стойную зону, свободную от откосов.

Технологический процесс в отражательной печи осуществляется за счет тепла, выделяемого в пламени при горении топлива. Тепловая энергия поступает на поверхность ванны и шихтовых откосов в основном в виде потока тепла излучением от факела, свода и других элементов кладки (~90 %), а также конвекцией от раскаленных продуктов сгорания топлива (~10 %). Теплообмен излучением в плавильной зоне рабочего пространства печи рассчитывают по формулам:

где q 0 w , q в w , q к w -соответственно плотность результирующих тепловых потоков для тепловоспринимающих поверхностей от-косов, ванны и свода (кладки), Вт/м 2 ; Т г, Т к, Т о, Т в - соответ-ственно средние температуры продуктов сгорания топлива и по-верхностей свода, откосов и ванны, К; е r - степень черноты газа; C 0 = 5,67 Вт/(м 2 -К 4) - коэффициент излучения абсолютно чер-ного тела; А о, В о, D o , А в, В в, D в, А к, В к D к - коэффициенты, с помощью которых учитывают оптические характеристики по-верхностей откосов, ванны и свода и их взаимное расположение в рабочем пространстве печи. Для современных отражательных печей значения этих коэффициентов равны: А о = 0,718; В о = 0,697; D o = 0,012; А в = 0,650; В в = 0,593; D B = 0,040; А к = 1,000; В к = 0,144; D к = 0,559.

В отстойной зоне откосов нет и теплообмен излучением может быть рассчитан по формуле

где С пр - приведенный коэффициент излучения в системе газ - кладка - расплав.

Система уравнений (1)-(2) представляет собой описание так называемой «внешней» задачи. В качестве независимых переменных величин в уравнениях используются средние значения температур продуктов сгорания топлива и тепловоспринимающих поверхностей свода откосов и ванны. Температура газов в печи может быть найдена при расчетах горения топлива. Температуру кладки определяют по опытным данным, для чего обычно задаются величиной тепловых потерь через свод (q к пот), считая, что q к w = q к пот. Средние температуры поверхностей откосов и ванны находят при решении внутренней задачи, к которой относятся вопросы тепло - и массопереноса, протекающего внутри зоны технологического процесса.

Нагрев и расплавление шихты на откосах. В состав шихты в качестве основных компонентов входят сульфидные минералы меди и железа, а также оксиды, силикаты, карбонаты и другие породообразующие соединения. Под дей-ствием высоких температур эти материалы нагреваются. Нагрев сопровождается испарением влаги, содержащейся в шихте, раз-ложением минералов и другими физико-химическими превращениями, обусловленными принятой технологией. Когда температура на поверхности загружаемой шихты достигает примерно 915 - 950 0 С, начинают плавиться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материалов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают переходить оксиды, образующие шлак. Интервал температур плавления основных шлаков составляет 30-80 0 С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 0 С. Полного расплавления шлака на откосах, как правило, не происходит, так как штейн и легкоплавкие соединения шлака стекают с наклонной поверхности откосов, увлекая за собой остальной материал. В период плавления откосы покрыты тонкой пленкой расплава, температура которого постоянна во времени и зависит в основном от состава шихты.

Процессы, протекающие на откосах, можно условно разделить на два периода, включающие в себя нагрев поверхности загруженной шихты до температуры, при которой образующийся расплав начинает стекать с откосов. При которой образующийся расплав начинает стекать с откосов, и дальнейший нагрев шихты в сочетании с плавлении материала. Длительность первого периода определяется условиями внешней задачи, примерно одинакова для всех шихт составляет около 1,0-1,5 мин. Продолжительность стельность второго периода определяется условиями внутренней задачи. Она обратно пропорциональна величине плотности теплового потока на поверхности откосов и прямо пропорциональна толщине слоя загружаемой шихты. В условиях конкретной печи длительность этого периода зависит от способа загрузки и может составлять от нескольких минут до 1 - 2 ч. После окончания периода плавления на откосы загружается новая порция шихты и процесс повторяется.

Необходимо отметить, что с уменьшением интервала времени между загрузками снижается средняя (во времени) температура поверхности откосов. Соответственно растут плотность результирующего теплового потока на этой поверхности и скорость плавления шихты. Максимальный эффект достигается тогда, когда этот интервал сопоставим по величине с продолжительностью первого периода, т. е. практически при непрерывной загрузке. Поэтому при конструировании печи следует учитывать, что си-стемы непрерывной загрузки имеют несомненное преимущество.

Средняя по массе скорость плавления материала (кг/с) может быть определена по формуле

где - теплопотребление шихты на откосах, Дж/кг; k - коэф-фициент, учитывающий конвективную составляющую суммарного теплового потока на поверхности шихтовых откосов, k = 1,1ч - 1,15; F o - поверхность откосов, м 2 .

Переработка материалов в шлаковой ванне. В ванну поступает расплавленный материал с откосов и, кроме того, обычно заливается конвертерный шлак, содержа-щий примерно 2-3 % меди и других ценных компонентов, кото-рые при плавке переходят в штейн. Поступающие материалы про-греваются в ванне до средней температуры содержащегося в ней расплава, что сопровождается завершением процессов формирования шлака, а также эндо - и экзотермическими реакциями, характер которых обусловлен технологией плавки. Расходуемое на эти процессы тепло распределяется следующим образом: нагрев продуктов, поступающих с откосов (Q 1) 15 - 20 %; завершение процессов плавления и образования вновь поступившего шлака (Q 2) 40 - 45 %; прогрев конвертерного шлака (Q 3) и эндотермические реакции (восстановление магнетита и т. п.) (Q 4) 35 - 40 % и потери тепла теплопроводностью через стены и под печи 1 %. Кроме того, в ванне происходят экзотермические процессы, связанные с усвоением кремнезема расплавом шлака (Q 5). Суммарный эффект от протекания процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенный к единице массы перерабатываемой шихты носит название употребления шихт в ванне и обозначается.

Процессы тепло - и массопереноса в ванне отличаются крайней сложностью вследствие сочетания конвекции и теплопроводности. Задачу можно существенно упростить, если учесть, что температура капель штейна, распределенных по объему шлака, равна температуре окружающего их расплава. В этом случае можно предположить, что штейн фильтруется через относительно неподвижный шлак, в котором тепло передается теплопроводностью, и что капли штейна практически принимают температуру в любой точке ванны. С целью создания возможностей для математического описания крайне сложных тепло - и массообменных процессов, протекающих в шлаковой ванне, были приняты следующие необходимые допущения:

1. Завершение тепловой обработки материала, поступающего с откосов в ванну расплава отражательной печи, происходит в условиях, когда температурный режим ванны не изменяется во времени. Скорость осаждения капель штейна считается постоянной, равной среднемассовому удельному расходу штейна nG в у, где G в у - скорость поступления материала в ванну, равная количеству шихты проплавляемой в единицу времени на откосах и отнесенная к единице поверхности ванны F B , кг/(м 2 -с); n - доля штейна в 1 кг шихты. Удельная теплоемкость штейна принимается равной с шт.

2. Градиенты температур по длине и ширине ванны (~1,0-1,5°С/м) незначительны по сравнению с градиентами температур по ее глубине (~300-400°С/м) и их значениями можно пренебречь, считая поле температур в ванне одномерным.

3. Процессы тепло - и массопереноса в ванне сопровождаются
эндо - и экзотермическими реакциями, которые могут рассматри-ваться как стоки и источники тепла, распределенные по глубине ванны. Суммарный эффект от их воздействия равен теплопотреблению шихты в ванне

где Q i (x) - интенсивность процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенная к еди-нице массы проплавляемой шихты, Дж/кг. Для аппроксимации закона распределения этой величины по глубине ванны можно воспользоваться полиномом второй степени

где х - координата точек на оси, нормальной к поверхности ванны.

4. Содержание штейна в шлаковой ванне невелико и поэтому
предполагается, что занимаемый им объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом ванны. Глубина ванны принимается равной д, средняя температура шлака, а также температуры на верхней (х=0) и нижней (х=д) границах шлаковой ванны определяются параметрами технологического процесса и соответственно равны Т ср. ш. , Т 0 , Т д.

При составлении дифференциального уравнения переноса тепла в ванне отражательной печи (с учетом принятых допущений) ее можно рассматривать в виде плоской пластины (шлака) c ко-эффициентом теплопроводности, равным коэффициенту теплопроводности шлака л ш. Плотность теплового потока внутри ванны в сечениях х и х + dх определится следующими уравнениями:

В условиях, когда температура по глубине ванны не меняется во времени, изменение теплового потока на участке dx происхо-дит вследствие охлаждения штейна и протекания эндо - и экзо термических процессов, интенсивность которых будет равна:

При описании условий на границах шлаковой ванны были использованы уравнения теплового баланса шлаковой и штейновых ванн, которые имеют вид:

где q пот - плотность теплового потока на подине печи (потери тепла теплопроводностью через под печи), Вт/м, Т ср. шт - средняя температуры штейна, °С.

Общее решение уравнения (4) имеет вид:

При анализе внутренней задачи удобнее использовать частные решения уравнения (4), позволяющие вычислить среднюю температуру шлака и штейна Т ср. ш и температуру на границе раздела шлака и штейна Т д, влияние которых на параметры технологического процесса достаточно хорошо изучены.

Средняя температура шлака, вычисленная при интегрировании уравнения (5), определится по формуле:

После нахождения постоянных интегрирования С 1 , С 2 , С 3 , С 4 из граничных условий и почленного суммирования выражений (5) и (6) была получена формула для расчета температуры на границе раздела шлака и штейна:

где к 1 - коэффициент, величина которого зависит от характера распределения стоков и источников тепла в ванне. В зависимости от вида функции Q t (x) величина k i изменяется в пределах от нуля до единицы.

В процессе эксплуатации печи параметры температурного режима ванны оказывают существенное влияние на основные технологические показатели плавки. Например, величина средней температуры шлаковой ванны имеет непосредственное влияние на скорость разделения продуктов плавки. Чем она выше, тем меньше вязкость расплавленного шлака и выше скорость осаждения штейна. Однако величина средней температуры шлака ограничена значениями температур на верхней и нижней границах шлаковой ванны. Повышение температуры на границе раздела шлака и штейна способствует интенсификации процессов диффузии штейна (и вместе с ним меди и других ценных компонентов) в шлак и уве-личению растворимости штейна в шлаковом расплаве. Снижение этой температуры до значений, при которых начинает выделяться твердая фаза, ведет к образованию настылей на подине печи. Поверхность ванны находится в непосредственном контакте с печными газами, т. е. с окислительной атмосферой. В этих условиях увеличение температуры шлака влечет за собой рост химических потерь металла.

Таким образом, параметры температурного режима ванн зависят от состава перерабатываемой шихты, индивидуальны для каждой печи и определяются опытным путем в ходе технологических экспериментов. Любое отклонение от заданных параметров приводит к повышению содержания металла в шлаке, что из-за большого выхода шлака ведет к существенным потерям металла. Вместе с тем повышение потерь металла со шлаками при прочих равных условиях свидетельствует о нарушении температурного и теплового режимов работы отражательной печи.

Взаимосвязь между температурным и тепловым режимами ванны может быть получена из уравнения (7), для чего это уравнение необходимо представить в виде:

Физический смысл полученных уравнений заключается в сле-дующем. Первое слагаемое в левой части уравнения (8) - это плотность теплового потока, или удельная тепловая мощность, которая требуется для полной тепловой обработки материалов, поступающих на единицу поверхности ванны. Второе и третье слагаемые представляют собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и конвекции, который усваивается этими материалами внутри ванны. Необходимо отметить, что интенсивность переноса тепла конвекцией в ванне шлака опреде-ляется количеством и степенью перегрева получаемого штейна относительно средней температуры штейновой ванны и в условиях отражательной плавки при неизменных параметрах технологиче-ского процесса является постоянной величиной.

Количество тепла, подводимого к продуктам плавки за счет теплопроводности, в основном определяется характером распределения стоков и источников тепла (интенсивности процессов по-требления тепла) по глубине ванны. Чем ближе они расположены к поверхности ванны, тем больше тепла подводится к ним за счет теплопроводности и соответственно тем меньше величина коэффициента к i . Расчетным путем значения коэффициента к i могут быть получены только для наиболее простых функций распределения Q i (x). Например, при линейном и параболическим законах распределения Q i (x), когда максимум потребления тепла находиться на поверхности ванны, а на ее нижней границе потребление тепла равно нулю, величина к i будет соответственно равна 0,33 и 0,25. Если максимум и минимум теплопотребления поменять местами, то значения коэффициента k i будут соответственно равны 0,67 и 0,75.

Правая часть уравнения (8) представляет собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и кoнвекции, который усваивается поступившим в ванну материалом на границе раздела шлака и штейна.

Уравнение (8") определяет оптимальную с позиций технологии скорость поступления материалов в ванну, т.е. скорость при которой температурное поле ванны соответствует заданному технологическому режиму плавки. Ее величина будет равна частному от деления удельной тепловой мощности, подводив к нижней границе шлаковой ванны, на то количество тепла, которое необходимо для завершения процесса тепловой обработки поступающих в ванну материалов в расчете на единицу массы проплавляемой шихты.

Теоретически могут существовать такие шихтовые материалы, тепловая обработка которых полностью завершается внутри ванны шлакового расплава. В этом случае скорость поступления мате-риала в ванну определяется условиями внешней задачи, так как любое количество тепла, подводимое к ее поверхности, усваи-вается продуктами плавки. На границе раздела шлака и штейна отсутствуют процессы, протекающие с потреблением тепла, и формула (8) теряет свой смысл, так как ее числитель и знаменатель тождественно равны нулю. В реальной практике медепла-вильных заводов сырье такого типа обычно не встречается. Подтверждением этого может служить известное правило, согласно которому рост удельной производительности печи всегда сопро-вождается увеличением потерь металла с отвальными шлаками. Объясняется это следующими причинами. Удельная производи-тельность отражательной печи, рассчитываемая по количеству проплавляемой шихты, фактически определяется скоростью про-цессов плавления материала на откосах, которая прямо пропор-циональна плотности теплового потока на их поверхности и может достигать 15-20 т/м 2 в сутки в расчете на единицу площади пода печи. Скорость последующей тепловой обработки шихты в ванне, от величины которой зависит содержание металла в шлаке, лимитируется условиями внутренней задачи, т. е. интенсивностью процессов тепло - и массопереноса в шлаковом расплаве, и со-ставляет, как показывает практика, примерно 2-5 т/м 2 в сутки при плавке сырой (подсушенной) шихты.

За счет интенсификации внешнего теплообмена при обогащении дутья кислородом, установки дополнительных сводовых горелок, и т. п. может быть увеличена величина результирующего теплового потока на поверхность зоны технологического процесса. На откосах соответственно возрастает скорость плавления шихты и вместе с ней удельная производительность печи. Скорость тепловой обработки продуктов плавки в ванне не зависит от условий внешней задачи и поэтому увеличение плотности результирующего теплового потока на ее поверхности и количества, поступающих в нее материалов приводит к перестройке температурного поля шлаковой ванны, т. е. к нарушению температурного режима плавки и, как следствие, способствует росту потерь металла со шлаком.

Наиболее отчетливо это проявляется при резком (скачкообразном) повышении скорости поступления материала в ванну, например при локальном «обрушении» откосов. При сползании относительно большой массы непроплавленной шихты в ванну уменьшается температура верхнего слоя шлакового расплава, его вязкость растет, что в сочетании с обильным выделении технологических газов приводит к образованию на поверхности ванны в том месте, где произошло «обрушение», пористого слоя («пены»), коэффициент теплопроводности которого за порядок ниже, чем у остального расплава. В результате этом участке согласно формуле (8"), резко снижается скорость тепловой обработки материала, в то время как с откосов расплавленная шихта продолжает поступать с прежней интенсивностью. Поэтому снижение температуры и образование пористого слоя продолжается и вскоре этот слой «растекается» по всей поверхности ванны. В итоге, как показывает практика работы отражательных печей, температурный режим ванны становится неуправляемым и технологический процесс прекращается, так как металл прак-тически полностью переходит в шлак.

В тех случаях, когда при прочих равных условиях скорость поступления материала в ванну снижается за счет уменьшения поверхности откосов или каких-либо других причин и становится меньше оптимальной, согласно формуле (7) происходит умень-шение перепада температур по глубине шлаковой ванны. Это при-водит к интенсификации процессов диффузии штейна в шлак и увеличению его растворимости в шлаковом расплаве, т. е. росту потерь металла со шлаком.

Таким образом удельная производительность печи определяется скоростью процессов тепло - и массопереноса в ванне и зависит в основном от характеристики сырья (Q в ш , л ш, с шт , п, k i , Q 0 ш ) и температурного режима плавки (Т 0 , Т ср.ш, Т ср.шт. , Т д).

Непосредственное экспериментальное определение скорости
тепловой обработки материала в ванне из-за сложности протекающих в ней процессов пока не представляется возможным. Это создает известные трудности при адаптации расчетной модели и подборе так называемых настроечных коэффициентов, использование которых в формулах (8) и (8") позволило заменить их для расчета конкретных параметров отражательных печей. Анализ этих уравнений может быть использован только для интерпретации существующих инженерных решений и обоснования выбора направления дальнейшего совершенствования работы агрегата. Необходимо также учитывать, что для большинства современных отражательных печей характерны максимальная для каждого агрегата интенсивность внешнего теплообмена и, как следствие, повышенная удельная производительность. В этих условиях повышение скорости тепловой обработки материала в ванне способствует сокращению потерь металла со шлаком и создает предпосылки для дальнейшего повышения производительности печи.

Проведенный анализ позволяет получить необходимые расчетные выражения и дать энергетическую интерпретацию известных технологических особенностей отражательной плавки и конструктивных решений отдельных элементов печи:

1. Для большинства медеплавильных заводов отражательная печь является единственным агрегатом, в котором могут перерабатываться конвертерные шлаки. В этих условиях довольно часто конвертерный шлак загружается в печь в твердом состоянии на поверхность откосов вместе с шихтой. Такой способ загрузки ведет к дополнительным затратам энергии, так как для повтор-ного расплавления шлака требуется значительное количество тепла. Тем не менее, он получил широкое распространение, так
как загрузка твердого конвертерного шлака на откосы способствует улучшению температурного режима плавки. На поверх-ности откосов присутствие в шихте твердого конвертерного шлака приводит к снижению температуры плавления образующегося шлака за счет снижения степени его кислотности. Следствием этого - является увеличение плотности результирующего теплового потока на поверхности откосов и соответственно коэффициента использования топлива в отражательной печи. Далее конвертер-ный шлак вместе с остальными продуктами плавки стекает на поверхность ванны, вблизи которой более интенсивно идут процессы «потребления тепла» подводимого за счет теплопроводности (уменьшается значение коэффициента ki). В этом случае, как показывает анализ уравнения (8"), увеличивается скорость тепловой обработки продуктов плавки и уменьшаются потери металла с отвальными шлаками.

2. Из формулы (8") следует, что скорость тепловой обра-ботки материала в ванне тем выше, чем меньше потери тепла через кладку на уровне ванны. Поэтому при строительстве отра-жательных печей всегда применяют подины с повышенной тепло-изоляцией, а толщина стен на уровне ванны в 3-3,5 раза больше, чем над ванной.

3. Глубина шлаковой ванны при заданном температурном режиме может быть определена из уравнения (7) и рассчитывается по формуле

Из полученной зависимости следует, что глубина шлаковой ванны не может быть установлена произвольно, так как она зависит от свойств перерабатываемой шихты и состава продуктов плавки. Ее величина тем больше, чем меньше теплопотребление шихты в ванне. В современных отражательных печах глубина шлаковой ванны колеблется в пределах 0,6-0 8 м.

4. Связь между параметрами теплового и температурного режимов ванны шлакового расплава, расположенного между шихтовыми откосами, может быть установлена с помощью урав-нения теплового баланса, которое имеет вид

где F в, - поверхность ванны, м 2 ; q" пот - плотность теплового потока теплопроводностью (потери тепла) через ограждение печи на уровне ванны, отнесенная к единице ее поверхности; G B - средняя по массе скорость переработки материала в ванне, кг/с.

При соответствии параметров теплового режима ванны и от-косов скорости тепловой обработки шихтовых материалов на этих участках зоны технологического процесса должны быть равны между собой, т. е. G° = G в. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы на всем протяжении зоны плавления шихты плотности результирующих тепловых потоков для поверхностей откосов и ванны оставались неизменными, т. е. чтобы средняя температура продуктов сгорания топлива была одинакова на расстоянии примерно 20-25 м от передней торцевой стенки печи. При традиционном торцевом отоплении печи выполнить это усло-вие довольно трудно и поэтому в последнее время наметилась тенденция к применению сводового отопления.

Зона отстаивания продуктов плавки. Этот участок ванны расположен в хвостовой части печи и в нем происходит завершение процессов разделения продуктов плавки. Средняя температура шлака в нем на 70-100 °С ниже, чем в зоне плавления, что способствует повышению извлечения меди в штейн за счет снижения степени растворимости штейна в шлаке. При охлаждении шлака штейн выделяется из него в виде мельчайших капель, для отстаивания которых требуется продолжительное время. Так как время пребывания шлака в отстойной зоне прямо пропорционально количеству содержащегося в ней материала, под нее отводится обычно около одной третьей части рабочего пространства печи.

Список использованных источников

1 Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника - 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. - Москва: Металлургия, 1986 г. - 590 с.

...

Подобные документы

Виды печей для автогенной плавки. Принцип работы печей для плавки на штейн. Тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн. Принцип работы печей для плавки на черновую медь. Деление металлургических печей по технологическому назначению.

курсовая работа , добавлен 04.12.2008


Физико-химическое содержание процессов, протекающих в шахте печи. Оптимизация процессов ПВП в отстойной зоне. Методы первичной обработки технологических газов в аптейке. Устройство печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье.

курсовая работа , добавлен 12.07.2012


Общая характеристика шахтной восстановительной плавки. Шлак как многокомпонентный расплав. Штейн свинцового производства. Конструктивные особенности шахтной печи. Применение печей сложного профиля с двумя рядами фурм. Замена кокса природным газом.

реферат , добавлен 17.06.2012


Отходы и лом - основное сырье вторичной металлургии алюминия. Рациональное использование вторичного сырья. Пламенные отражательные печи. Типы пламенных отражательных печей. Однокамерные и двухкамерные отражательные печи. Тепловой баланс и расчет печи.

курсовая работа , добавлен 04.12.2008


Подготовка медных руд и концентратов к металлургической переработке. Конвертирование медных штейнов. Термодинамика и кинетика реакций окисления сульфидов. Теоретические основы обжига в кипящем слое. Плавка сульфидных медьсодержащих материалов на штейн.

курсовая работа , добавлен 08.03.2015


Обоснование технологии переработки сульфидного медьсодержащего сырья. Достоинства и недостатки плавки. Химические превращения составляющих шихты. Расчет минералогического состава медного концентрата. Анализ потенциальных возможностей автогенной плавки.

дипломная работа , добавлен 25.05.2015


Компактность электромагнитной системы "индуктор–металл". Плавка черных металлов. Вакуумные печи, их характеристика и особенности тепловой работы. Индукционные плавильные печи. Печи без железного сердечника. Установки для плавки во взвешенном состоянии.

курсовая работа , добавлен 04.12.2008


Принцип обжига в кипящем слое сульфидов. Конструкции обжиговых печей КС. Определение размеров печи, ее удельной производительности, оптимального количества дутья, материального и теплового баланса окисления медного концентрата. Расчёт газоходной системы.

курсовая работа , добавлен 05.10.2014


Развитие медного производства, внедрение взвешенной плавки на НМЗ ГМК "Норильский Никель". Обоснование выбранной технологии, расчёт теплового баланса печи. Внедрение АСУ управления процессом плавки. Охрана окружающей среды; экономическая эффективность.

дипломная работа , добавлен 01.03.2012


Общая характеристика нагревательных печей. Печи для нагрева слитков (нагревательные колодцы). Тепловой и температурный режимы. Режимы термической обработки. Определение размеров печей. Печи для термической обработки сортового проката. Конструкция печей.

Отражательные печи используются для плавки мелкоизмельченных материалов (концентратов), а также метал­лов при производстве меди, олова, цинка, алюминия, вторичных металлов и сплавов.

По принципу нагрева отражательные печи относятся к типу пламенных печей, где тепло нагреваемому метал­лу передается от пламени при сжигании топлива. Поэто­му отражательные печи подобны нагревательным печам различных конструкций (методические, камерные и др.).

Конструкции отражательных печей

На рис. 111 даны разрезы отражательной печи для плавки медных кон­центратов на штейн. Отражательные печи такого типа имеют площадь пода 240-280 м2, длину 31-35 м, ширину 7-10 м, высоту от пода до свода 3,0-4,0 м.

Печи отапливаются угольной пылью, мазутом или га­зом. В настоящее время большинство отечественных пе­чей переведено на отопление природным газом - наи­более дешевым, легко транспортируемым и эффектив­ным видом топлива. Горелки 1, или форсунки, вводятся в печь через отверстия в торцовой стене (см. разрез А-А на рис. 111). В противоположном конце печи газы по борову отводятся в дымовую трубу. Начальный уча­сток борова 4, называемый аптейком, наклонен в сторо­ну печи. Уносимые отходящими газами частицы шихты в жидком состоянии оседают в аптейке и стекают снова в печь. Поскольку отходящие газы имеют высокую тем­пературу (1100-1300°С), целесообразно за печью уста­навливать паровые котлы, где тепло отходящих газов используется для производства пара. В некоторых случаях за паровыми котлами устанавливают рекуператор для подогрева воздуха, поступающего в печь на сжига­ние топлива.

Печь располагается на фундаменте 5, изготавливае­мом из бутового камня, бетона, красного кирпича или расплавленного шлака. Под (лещадь) печи делается обычно набивной из кварцевого песка с добавкой 5-10% глины, спекаемого на месте перед пуском печи. Между лещадью и фундаментом проложены слои дина­сового, шамотного и теплоизоляционного кирпича. С успехом используется лещадь из кирпича, при этом верхний слой в виде обратной арки толщиной 0,46 м де­лается из магнезитохромитового кирпича. Стены до уровня ванны выкладываются магнезитохромитовым кирпичом толщиной 0,75-1,0 м, а выше уровня ванны динасовым кирпичом. Магнезитохромитовым кирпичом футеруются выпускные отверстия для штейна и шлака.

Печь имеет распорно-подвесной свод из магнезито­ хромитовых кирпичей, набираемых в виде блоков. Иног­да делается арочный свод из динасового кирпича толщи­ной 0,35-0,5 м. Применение подвесного свода упрощает его частичный ремонт, позволяет увеличить ширину пе­чи, но при этом возрастает расход металла на устрой­ство подвесок. В продольном направлении свод может быть прямой и наклонный к концу печи. Устройство на­клонного свода сложнее, но при этом улучшается нагрев ванны в конце печи. При прямом своде увеличивается сечение для прохода газа. Стойкость динасового свода меньше, чем магнезитохромитового, поскольку динас быстрее разъедается пылью шихты, содержащей окислы железа, кальция, цинка, меди и других металлов.

Арочный и распорно-подвесной своды удерживаются металлическим креплением, состоящим из подпятовых балок 9 и стоек 8, расположенных на расстоянии 1,2-2,2 м друг от друга вдоль стенок печи. Стойки внизу и вверху стягиваются связями 6.

Мелкую шихту в печь загружают через свод, для че­го в нем у продольных стен делают отверстия 7 на рас­стоянии 0,9-1,1 м друг от друга. Над ними устанавли­вают чугунные или стальные трубы диаметром 200-300 мм. Верхняя часть трубы соединяется с бункером или желобом, из которых шихта поступает в печь. В пе­чи шихта располагается по откосу у стенки, что ускоря­ет ее проплавление и стекание штейна и шлака в ванну. Для уменьшения пылевыноса шихты при загрузке, осо­бенно при работе с обожженными концентратами, в по­следнее время стали применять загрузку непосредствен­но на поверхность ванны через отверстия в боковой стенке. Отсутствие отверстий в своде делает его более стойким. Штейн выпускают через одно из шпуровых от­верстий 2 в конце печи, расположенных на уровне ле­щади, или через аварийное отверстие, расположенное выше уровня лещади, если на лещади образовалась на­стыль. Шлак выпускается через окно 3 в боковой стене в конце печи.

Значительные преимущества имеет практически не­прерывный сифонный выпуск штейна из печи (рис. 112). Высота порога рассчитывается с учетом плотности и вы­соты слоев штейна и шлака в ванне. Сифон размером от 100×100 до 200×200 мм футеруется магнезитохромито­вым кирпичом.

На рис. 113 показана отражательная печь, исполь­зуемая для плавления и рафинирования меди. При рафинировании медь расплавляют в печи при температуре 1500° С и выше, а затем окисляют присутствующие примеси в окислительной атмосфере с одновременным сни­жением температуры печи до 1200-1400° С. Разлив производят в восстановительной среде при температуре металла около 1150° С.

Фундамент печи выполняется из бутового камня или бетона. Верхняя его часть 5 делается в виде бетонных столбиков и стенок высотой 0,5-1,0 м. На фундаменте помещаются металлический кожух или чугунные плиты 4; такие же плиты ставят вертикально по периметру на высоту ванны металла.

Металлический кожух необходим для того, чтобы препятствовать протеканию жидкого металла в фунда­мент. Проникший через кладку подины жидкий металл встречается с металлическим охлаждаемым кожухом и застывает. Охлаждение осуществляется воздухом, цир­кулирующим по каналам фундамента и снаружи печи. На дно металлического кожуха или на чугунные плиты кладутся слои жаростойкого бетона. Верхняя часть пода в виде обратной арки выкладывается из магнезитохро­митового кирпича. Между отдельными арками делается прослойка из кварцевого песка для компенсации тепло­вого расширения.

Под печи наклонен в сторону выпускного отверстия 1. Глубина ванны металла составляет около 900 мм. При малой глубине увеличивается относительная по­верхность металла, соприкасающаяся с атмосферой печи, что приводит к большему его окислению. Размеры пода в плане выбираются такими, чтобы можно было обслу­живать печь через окна (2-5 м). Соотношение длины пода к ширине принимается от 1,5 до 3,5.

Распорно-подвесной свод печи выполняется из магне­зитохромитовых блоков. Стрела свода составляет 1/6-1/12 пролета. Стены выкладываются магнезитохромито­вым и шамотным кирпичом толщиной 0,5 м. Стены име­ют температурные швы 2 для компенсации теплового расширения кладки. Металл выпускают через летку 1 прямоугольной формы шириной 115 мм и высотой, не­много превышающей глубину ванны. Снаружи летка имеет чугунную плиту, укрепленную между стойками металлического каркаса печи. В подине к летке делает­ся желоб, позволяющий выпускать весь металл из печи.

Отражательные печи отапливаются мазутом или га­зом. Для получения в печном пространстве высокой температуры горелки 3 устанавливаются в форкамере. Вы­сокая температура отходящих газов используется или в паровых котлах-утилизаторах, или для подогрева возду­ха и газа, поступающих в печь.

Теплообмен в пламенных печах

Сжигание топлива в свободном объеме печи приводит к заполнению его про­дуктами горения с высокой температурой. Тепло нагре­тых газов излучением и конвекцией передается материа­лу, нагреваемому в печи, и кладке. Поэтому поверхность кладки также излучает тепло на нагреваемый материал. Большая роль отраженного тепла кладки при нагреве материала послужила основанием для наименования таких печей отражательными.

Таким образом, нагреваемый материал в пламенной печи получает тепло за счет излучения продуктов горе­ния топлива, за счет конвекции при их движении и за счет излучения кладки. В зависимости от степени черно­ты материала часть этого тепла поглощается, часть отражается и вновь поглощается кладкой и дымовыми газами. Соотношение указанных потоков и результиру­ющее значение потока тепла к материалу зависят от соотношения степени черноты дымовых газов, кладки и нагреваемого материала, а также от степени развития кладки ω. Последнее представляет собой отношение суммарной внутренней поверхности стен и свода печи F к к эффективной поверхности нагреваемого материала F м, т. е. ω=F к /F м.

За эффективную поверхность нагреваемого матери­ала принимается полная поверхность, участвующая в теплообмене излучением.

При непрерывной плавке металла такой поверхно­стью является поверхность расплавленного металла (площадь пода печи). В печах рудной плавки нужно учитывать также поверхность откосов шихты.

Из предположений, что продукты горения топлива полностью заполняют свободное пространство печи, что доля тепла, отдаваемая кладкой в окружающее прост­ранство, полностью компенсируется теплом, получаемым кладкой от продуктов горения топлива за счет конвек­ции (адиабатичные условия работы кладки), и что тем­пературы и степени черноты газа, кладки и материала не изменяются по длине печи (или зоне печи при расчетах по зонам), В. Н. Тимофеев вывел зависимость, позволя­ющую рассчитывать передачу тепла излучением нагре­ваемому материалу:

Приведенный коэффициент излучения газа и кладки на металл С г-к-м. Вт/(м 2 К 4), находится из уравнения:

где ε м - степень черноты нагреваемого металла;
ε г - степень черноты продуктов горения топлива.

Температуры газа Т г и нагреваемого материала Т м в пределах длины печи (зоны) не остаются постоянными. При небольшом их изменении можно определить Т г как среднеарифметическое значение начальной и конеч­ной температур. При достаточно большом изменении температуры, что часто наблюдается, используют гео­метрическое усреднение:

Начальная температура горения топлива рассчиты­вается путем умножения теоретической температуры го­рения на коэффициент 0,8. Конечная температура газов берется на 50-100° С выше температуры нагреваемого материала (ванны печи). В печах для плавки металла и концентратов конечная температура металла превы­шает температуру его плавления на 50-100° и остается постоянной по длине печи.

Анализ уравнений (9.1) и (9.2) показывает, что ин­тенсификация нагрева в пламенных печах в первую оче­редь может быть достигнута за счет повышения средней температуры продуктов горения топлива, за счет подо­грева воздуха и использования дутья, обогащенного кис­лородом. Нагрев воздуха до 400°С при нагреве печей для плавки на штейн природным газом увеличивает их производительность примерно на 40% и уменьшает на 25% удельный расход топлива. Использование дутья, обогащенного кислородом (40% O 2), увеличивает про­изводительность в 1,75 раза при сокращении расхода топлива на 25%.

На рис. 114 показана зависимость приведенного ко­эффициента излучения С г-к-м от степени черноты газа ε г и степени развития кладки ω при нагреве алюминия (ε м = 0,15) и меди (ε м = 0,72). Из графика видно, что при нагреве алюминия величина лучистого потока к металлу мала (С г-к- м < 1) и что на величине это­го потока почти не сказываются степень черноты га­за и степень развития клад­ки. Очевидно, при нагреве металла с малой степенью черноты надо больше ис­пользовать конвективный теплообмен.

При нагреве меди и шихты с большой степенью черноты (0,72), существен­ное влияние имеет степень черноты продуктов горения
топлива. Повышение ε г засчет увеличения светимости пламени является средст­вом интенсификации нагрева. Эффективное значение сте­пени черноты факела при пылеугольном отоплении 0,48, при отоплении мазутом 0,57. Повышение степени черноты пламени природного газа достигают неполным сжигани­ем его (α < 1) или добавлением до 20 % мазута (по вно­симому теплу). Последнее в опытах с тугоплавким шлаком дало увеличение производительности на 2,8%. Сжи­гание осуществляется в комбинированных горелках с устройством для распыления мазута. Для нагрева су­щественную роль играет и степень развития кладки, имеющая большее значение при малом ε г и меньшее при ε г >0,6. Вместе с тем значительное увеличение сво­бодного объема в печи может привести к неполному его заполнению пламенем, увеличению теплопотерь кладкой, удорожанию стоимости печи. Практически исполь­зуют степень развития кладки в пределах 2-3,5.

При расчете совместной теплопередачи в печи излу­чением и конвекцией целесообразно воспользоваться уравнением Ньютона:

Усредненная разность температур может быть при­нята как среднеарифметическое значение разностей температур газа и материала в начале и конце нагрева:

Если температуры в начале и конце печи значительно различаются, то по правилам геометрического усред­нения

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется из уравнения (9.1):

При высоких температурах в печи (> 1200 °С) и большом ε м передачу тепла конвекцией иногда оценивают в долях лучистого теплообмена, при­нимая α ∑ = (1,05- 1,10) α изл.

При расчете печей для плавки металла и концентра­тов необходимая площадь пода печи или эффективная поверхность нагрева материала может быть найдена по уравнению F м = Q техн /q, где Q техн - затраты тепла на технологические нужды, Вт. При этом учитываются теп­ло на нагрев, плавление и перегрев материала, а также тепловые эффекты образования продуктов плавки (шла­ка, штейна).

При известной площади пода печи выбирают ширину и, находят длину печи. Следует иметь в виду, что при плавке концентратов печь загружают лишь на 2/3 ее длины. Полная длина может быть найдена путем увели­чения расчетной длины на 1/3.

При выборе высоты над расплавом в печах для плавки концентрата, а тем самым значения степени раз­вития кладки учитывают действительную скорость дви­жения газов в свободном пространстве печи, которая не должна превышать 8 м/с. При этой скорости унос пыли менее 1,5%. Увеличение скорости до 15 м/с приводит к выносу 10% шихты от загружаемой в печь. Количество газов при температуре печи находится из расчетов горе­ния топлива и теплового баланса печи. Практически средний проплав шихты в печах для плавки сырых суль­фидных концентратов составляет 3,3-4,8 т/м 2 в сутки, при плавке огарка 6,5-7,8 т/м 2 в сутки. Хорошая орга­низация сжигания топлива и загрузки сырья способству­ет увеличению удельного проплава. Следует учесть, что в печах такого типа за поверхность проплава принимает­ся площадь сечения печи на уровне верхней поверхности шлака.

Средний расход условного топлива в зависимости от исходного сырья колеблется в пределах от 12 до 25% от массы проплавляемой шихты.

Примерный тепловой баланс печи для плавки мед­ных концентратов с площадью пода 240 м 2 при отопле­нии газом (по данным Ю. П. Купрякова) следующий:

В печах для плавки меди удельная производитель­ность составляет 4,5-6 т/м 2 в сутки при плавке твердого металла и 10-12 т/м 2 в сутки при переработке жидкого металла.

Ниже приводится (по данным В. И. Смирнова) теп­ловой баланс плавки катодной меди в печи емкостью 220 т при расходе условного топлива 13,6% от массы металла:

Из приведенных тепловых балансов отражательных печей видна необходимость использования тепла отхо­дящих газов, которые в печах этого типа всегда имеют высокую температуру.

• Медь: где ее достать
• Организация рабочего места
• Как производится плавка
• Заключение по теме

Одним из красивейших при декорировании материалом является медь. Однако осуществить плавление меди в мастерской довольно проблематично. Поэтому люди придумывают различные ухищрения и способы, чтоб осуществить плавление меди дома. Это связано с тем, что медь очень «благородно» смотрится, ее благородный внешний вид украсит любую поделку. Например, медные детали прекрасно украсят рукоятки ножей (охотничьих, так и бытовых), шкатулки, зажигалки, брелоки, дамские сумочки и кошельки и т.д. Однако, при изготовлении таких поделок дома, человек сталкивается с целым рядом проблем: начиная от вопроса «где достать металл?», заканчивая вопросом «как его расплавить?» и «как придать нужную форму элементу?». Где найти медь в быту, как осуществить плавление меди в бытовых условиях и как приготовить формы для заливки детали, будет рассказано ниже.

Медь: где ее достать

Все помнят из школьного курса химии то, что медь это 11 элемент таблицы Менделеева, с температурой плавления порядка 1083,5 градусов Цельсия. Но помимо всего прочего, медь не широко распространена в природе, поэтому на данный момент стоимость меди достигает 9000 долларов США за тонну (при этом исторический рекорд по цене – 12000 долларов за тонну в 2011 году). Высокая стоимость вызвана небольшим количеством месторождений. Основные месторождения меди находятся в Южной Америке (Чили и Перу), Казахстане, Китае, Австралии и США. Именно этим обоснована высокая стоимость чистого металла. Поэтому возникает вопрос: где достать медь в быту?

Медь может находиться в электронике и электротехнических изделиях. Из меди изготавливают провода и кабели, обмотки для трансформаторов и электрических машин (электродвигателей и электрогенераторов), небольшое количество металла содержится в печатных платах.

Другие бытовые изделия – это радиаторы и нагреватели. В продаже имеются полотенцесушители, трубы, радиаторы (в том числе и автомобильные), которые выполнены из чистой меди. Их достаточно легко определить по желтому (специфическому) цвету материала и массе (медь довольно тяжела).

В продаже (на барахолках или в магазинах) можно встретить медные дверные ручки, столовые приборы, различные поделки и, естественно, монеты, гильзы от артиллерийских снарядов и от стрелкового оружия.

При этом количество металла в тех или иных элементах бывает недостаточно, поэтому многие люди смешивают металл из одного изделия с другим. Однако это неправильно, поскольку столовая медь является очищенной, а электротехническая или металл из труб токсичен, и не годиться для приготовления пищи (если конечное изделие планируется использовать на кухне).

Другим вариантом получения меди является использование сплавов меди, таких как латунь или бронза. Так, латунью называют сплав меди и цинка в соотношении примерно 5 к 8 (на 5 частей меди 8 частей цинка). Из латуни изготавливают широкий спектр изделий, связанных с водопроводом: краны, вентиля, патрубки и т.д. Латунь может использоваться в смесителях. Из латуни также делают метизы (гайки, шайбы, болты), манометрические трубки и т.д. Обычно латунь имеет желтый или золотистый цвет, однако существуют сплавы и зеленого цвета. Ее температура плавления около 900 градусов Цельсия.

Бронзой называют сплав меди с оловом в соотношении 90% к 10%. Температура плавления бронзы составляет порядка 1000-1100 градусов Цельсия. В современном мире встретить изделия из бронзы довольно сложно, поскольку ее используют только для отливки украшений и элементов декора. Некоторые бронзовые сплавы применяются для изготовления смесителей.

Выплавить медь из деталей или из сплавов (латуни, бронзы) примерно одинаково по материальным затратам и по времени. Поэтому любая деталь, изготовленная из вышеперечисленных металлов годиться для плавки.

Вернуться к оглавлению

Организация рабочего места

Поскольку медь является тугоплавким металлом, то необходимо приобрести некоторое оборудование для ее плавления. Рассмотрим вариант плавки заготовки весом более 0,5 кг. Что для этого потребуется:

1. Первое, с чего следует начать – это постройка горна. Есть много способов построить горн своими руками. Его выкладывают из огнеупорных кирпичей полностью. При этом не следует гнаться за большим объемом плавильной камеры, для переплавки небольшого объема металла потребуется небольшой объем. Так объема в 0,5 кубометра хватить для переплавки 1 кг меди. Самый примитивный горн делается следующим образом: огнеупорными кирпичами (без раствора) складывается небольшая камера (для этого потребуется 25-30 кирпичей), в которую подводиться газ. При этом особое внимание стоит уделить системе подачи газа и горелке. Естественно, что такая конструкция не предназначена для большого количества плавок, однако на 2-3 плавки.
2. Муфельная печь. Ею обзаводятся, если лень строить горн. Ее можно свободно приобрести у специализированных фирм. Для малого объема плавки в продаже имеются лабораторные муфельные печи. Стоит отметить, что приобрести готовую муфельную печь менее трудозатратно и не сильно дорого по сравнению с горном. Так стоимость материалов для самостоятельного строительства горна может составлять 70% от стоимости готового изделия.
3. Далее следует тигель и щипцы к нему. Тиглем называют емкость из тугоплавкого материала, в которой переноситься и плавиться металл. Тигель и щипцы для него рекомендуется купить (их свободно продают для лабораторных нужд).
4. Бытовой пылесос или компрессор – для нагнетания воздуха в горн и печь. Реконструкторы могут построить кузнечные меха.
5. Формы для заливки изделий. Их часто изготавливают (вырезают) из дерева или камня. Форма должна быть идентична желаемой детали.
6. Крюк из стали. Подбирается по диаметру тигля. Крюк должен быть немного меньше диаметра.
7. Расходные материала. Сюда относится топливо: дрова, кокс и газ.

Вернуться к оглавлению

Как производится плавка

После того, как все необходимое построено, собрано и проверено на работоспособность, можно осуществить плавление меди.

Сначала внутрь тигля укладываются детали и элементы, которые идут на переплавку. После чего тигель помещается внутрь муфельной печи. Далее задается необходимая температура плавки. При этом важно постоянно контролировать металл, чтобы он не сгорел и не выгорел. Для наблюдения в печи имеется смотровое окошко. При этом стоит помнить, что на поверхности металла может образовываться пленка окиси.

Когда температура в печи достигла выставленного значения, дверь печи открывают и при помощи щипцов достают тигель.

Далее следует отодвинуть окисную пленку стальной проволокой, после чего выливают расплавленную медь внутрь стоящей рядом формы. Важно, чтобы форма находилась недалеко от печи, чтобы не дать застыть металлу в процессе переноски. После заливки металлу дают время, чтобы остыть, после чего извлекают готовое изделие. Плавки с использованием муфельной печи очень удобны, требуют минимум вмешательства человека.

В случае, если печь отсутствует, медные детали можно переплавить в горне. Здесь в качестве топлива можно использовать древесные угли, каменные угли, кокс и другие виды топлива. Перед плавкой тигель с металлом устанавливается на слой угля и обкладывается углем. К горну приставляется компрессорная установка для нагнетания воздуха внутрь. В качестве компрессора отлично подойдут бытовые пылесосы, которые работают на выдув. Далее топливо поджигается, и запускается компрессорная установка. Главное отличие плавки в горне от муфельной печи заключается в постоянном участии в процессе плавки (топливо добавить, увеличить напор воздуха и т.д.). При этом стоит постоянно контролировать плавление металла. После того, как медь расплавилась, тигель вынимают щипцами, и металл заливают в форму.

Если объем меди для переплавки небольшой, то можно воспользоваться автогеном. Для этого струю пламени направляют от днища тигля вверх. При этом необходимо защитить металл от чрезмерного окисления. Для этого поверхность металла в тигле присыпают древесным углем (растолченным в пыль). После расплавления металла его также заливают в форму.Небольшие детали из сплавов меди (латунь и бронза) могут быть расплавлены на паяльной лампе.

Задание

1. Плавильные пламенные печи

1.1 Общие сведения

2. Отражательные печи для плавки медного концентрата на штейн

2.1 Основные характеристики

1 Плавильные пламенные печи

1.1 Общие сведения

Плавильные пламенные печи широко применяют в цветной ме­таллургии при производстве меди, никеля, олова и других ме­таллов. По энергетическому признаку эти агрегаты относятся к классу печей теплообменников с радиационным режимом тепло­вой работы, благодаря чему они называются отражательными пе­чами. По назначению они делятся на две большие группы: печи для переработки минерального сырья, основными представите­лями которых являются отражательные печи для плавки сульфидных медных концентратов на штейн, и печи, предназначенные для рафинировочной плавки металлов.

Отражательная печь для плавки на штейн является универсальным агрегатом с продолжительностью кампании от 1–2 до 6 лет. В ней можно плавить разнообразные по составу и физическим характеристикам материалы, основу которых составляет сырая (подсушенная) шихта. Большая емкость печи, в которой одновременно находится около 900–1000 т расплавленного материала позволяет поддерживать стабильные теплотехнические параметры плавки при значительных колебаниях в производительности предшествующего (подготовка шихты) и последующего (конвертирование штейнов) за отражательной плавкой переделов. К основным недостаткам отражательных печей следует отнести отсутствие очистки дымовых газов от пыли и сернистого ангидрида и сравнительно высокий удельный расход топлива.

До настоящего времени отражательные печи остаются основ­ными агрегатами на медеплавильных заводах. Однако с повыше­нием требований к комплексному использованию сырья и охране окружающей среды, перспективы их дальнейшего использования существенно снизились. Кроме того, в отражательных печах практически не используется тепло, получаемое при окислении серы, выделяющееся при разложении сульфидных минералов. Поэтому в последнее время осуществляется постепенная замена отражательных печей более совершенными агрегатами для автогенной плавки медных концентратов на штейн.

Отражательные печи, в которых производится очистка металлов от примесей, носят названия, отражающие сущность протекающих в них технологических процессов. Например, печи, применяемые для получения специальных отливок – анодов, которые используют в последующем процессе электролитического рафинирования меди, называют анодными печами. Это малопроизводительные плавильные агрегаты периодического действия, в которых перерабатывается твердая и жидкая черновая медь, причём жидкую черновую медь подают в печь ковшом непосредственно из конвертера. Так называемые вайербарсовые печи отличаются от анодных только тем, что в них перерабатываются катоды, полученные в процессе электролиза, а также отходы красной и электролитной меди.

2. Отражательные печи для плавки медных концентратов на штейн

2.1 Основные характеристики

Конструкции печей для плавки на штейн различаются в зависи­мости от площади пода, состава и вида перерабатываемого сырья, способа отопления и применяемого топлива. В мировой практике встречаются агрегаты с площадью пода 300–400 м 2 , однако наи­большее распространение получили печи, площадь пода которых порядка 200–240 м 2 .Основные характеристики отражательных печей приведены в (таблице 1).

Техническая характеристика отражательных печей для плавки медных сульфидных концентратов на штейн.

Параметры	Характеристика печей с площадью пода, м2
	182 * 1	190 * 3	225 * 1	240 * 3	240 * 2
Основные размеры печи, м: длина по ванне ширина по ванне высота от лещади до свода Глубина ванны, м Конструкция подины Способ выпуска штейна
	Набивная Сифонный		Через шпуры
* 1 Свод арочный из магнезитохромита. * 2 Свод арочный из динаса. * 3 Свод распорно-подвесной из магнезитохромита.

Отражательные печи работают в основном на газовом, реже газомазутном и крайне редко на пылеугольном топливе. Для интенсификации процессов горения топлива на некоторых предприятиях используют дутье, обогащенное кислородом. Для большинства печей применяют торцевую подачу топлива, на ряде агрегатов торцевую подачу комбинируют со сводовым отоплением. При торцевом отоплении обычно используют комбинированные газомазутные горелки, производительность которых по природному газу составляет 1100–1600 м 3 /ч, по мазуту – до 300 кг/ч. Основное назначение мазута – повышение степени черноты газового факела. В тех случаях, когда нет необходимости в интенсификации внешнего теплообмена в рабочем пространстве отражательной печи, горелки такого типа успешно работают на одном природном газе.

В зависимости от производительности агрегата на печи устанавливают от 4 до 6 горелок. Такое же число горелок устанавливают на печи и при пылеугольном отоплении. Пылеугольные горелки типа «труба в трубе» работают с коэффи­циентом расхода воздуха порядка 1,1-1,2и обеспечивают хоро­шее перемешивание топливовоздушной смеси.

При комбинированном отоплении отражательных печей на своде печи могут быть установлены плоскопламенные радиацион­ные горелки типа ГР, работающие на природном газе с исполь­зованием холодного и подогретого до 400 °С воздуха.

Основными элементами отражательной печи (рисунок 1) яв­ляются: фундамент, под, стены и свод, которые в совокупности образуют рабочее пространство печи; устройства для подачи шихты, выпуска продуктов плавки и сжигания топлива; система отвода дымовых и технологических газов, боров и дымовая труба. Фундамент печи представляет собой массивную бетонную плиту толщиной 2,5–4 м, верхняя часть которой выполнена из жаро­прочного бетона. В фундаменте обычно имеются вентиляционные каналы и смотровые проходы. Рабочее пространство является основной частью печи, так как в нем протекает технологический процесс и развиваются высокие температуры (1500–1650 °С). Подина (лещадь) выпол­няется в виде обратного свода, толщиной 1,0–1,5 м. Для кислых шлаков в качестве огнеупорных материалов при кладке пода и стен печи используют динас, для основных шлаков – хромомагнезит. Толщина стен на уровне ванны 1,0–1,5 м, над ванной –0,5–0,6 м. Для теплоизоляции стен обычно используют легко­весный шамот. Расстояние между боковыми стенами (ширина печи) в зависимости от конструкции агрегата изменяется в пределах 7–11 м, между торцевыми стенами (длина печи) 28–40 м.

Рисунок 1 – Общий вид отражательной печи для плавки на штейн

1 – ванна; 2 – свод; 3 – каркас; 4 – загрузочное устройство; 5 – наклонный газоход; 6– окно для выпуска шлака; 7–шпур для выпуска штейна; 8 – фундамент; 9 – подина; 10 – стена

Свод печи является наиболее ответственным элементом ее
конструкции, так как о стойкости зависит продолжительность кампании печи. Свод имеет толщину 380–460 мм и выклады­вается из специального магнезитохромитового и периклазошпинелидного кирпича. Как правило, используют распорно-подвесные и подвесные своды. У боковых стен свод опирается на стальные пятовые балки. Для компенсации распирающих усилий создавае­мых ванной расплава и сводом, стены печи заключены в каркас, состоящий из стоек, расположенных через 1,5–2 м вдоль стен, скрепленных продольными и поперечными тягами. На концах тяги оснащены пружинами и гайками, которые позволяют ком­пенсировать температурные расширения кладки.

Для загрузки шихты используют специальные отверстия, рас­положенные в своде через каждые 1,0–1,2 м вдоль боковых стен печи, в которых установлены воронки с патрубками диаме­тром 200–250 мм. К загрузочным воронкам шихта подается ленточными или скребковыми транспортерами. В некоторых случаях загрузка шихты производится с помощью шнековых питателей или забрасывателей через окна в боковых стенах печи. Загрузочные отверстия имеются по всей длине печи, но шихта подается, как правило, только в плавильную зону.

Конвертерный шлак заливается в печь через окно в торцевой стенке, расположенное над горелками. Иногда для этого исполь­зуют специальные отверстия в своде или окна в боковых стенах, расположенные вблизи от передней торцевой стенки печи. Для выпуска штейна применяют сифонные или специальные разборные металлические шпуровые устройства с керамическими или графи­товыми втулками. Устройства для выпуска штейна расположены в двух или трех местах вдоль боковой стенки печи. Шлак выпускается периодически по мере его накопления через специаль­ные окна, расположенные в конце печи в боковой или торцевой стенке на высоте 0,8–1,0 м от поверхности пода.

Отвод газов из рабочего пространства печи осуществляется через специальный газоход (аптейк), наклоненный к горизон­тальной плоскости под углом 7–15°. Наклоненный газоход пере­ходит в боров, который служит для отвода продуктов сгорания топлива в котел-утилизатор или в дымовую трубу. Боров пред­ставляет собой горизонтально расположенный газоход прямо­угольного сечения, внутренняя поверхность которого выложена из шамота, наружная – из красного кирпича.

Для утилизации тепла отходящих газов в сборном борове отражательных печей устанавливают водотрубные котлы-утилизаторы, которые оборудованы специальными экранами, позволяющими эффективно бороться с заносом и ошлакованием рабочей поверхности котлов, содержащимися в газах пылью и каплями расплава. Для предотвращения сернокислотной коррозии металли­ческих элементов температура газов на выходе из котла должна быть существенно выше 350 С. После котла-утилизатора устанавливают металлический петлевой рекуператор, позволяющий использовать тепло газов, выходящих из котла, для нагрева дутьевого воздуха.

Основными достоинствами отражательной плавки являются: относительно небольшие требования к предварительной подго­товке шихты (влажность, повышенное содержание мелких фракций и т. п.); высокая степень извлечения меди в штейн (96–98 %); незначительный унос пыли (1–1,5 %); повышенная производи­тельность единичного агрегата, достигающая до 1200–1500 т в сутки по проплавляемой шихте, а также высокий коэффициент использования топлива в печи, который составляет в среднем около 40–45 %.

К недостаткам процесса следует отнести низкую степень десульфурации (получение сравнительно бедных по меди штейнов) и большой удельный расход топлива, который составляет примерно 150-200 кг у. т. на тонну шихты. Значительное количество дымовых газов на выходе из печи ограничивает возможность их очистки и использования в сернокислотном производстве из за низкого содержания в них сернистого ангидрида (2,5 /о).

2.2 Тепловой и температурный режимы работы

Отражательная печь для плавки на штейн является агрегатом непрерывного действия с относительно постоянными во времени тепловым и температурным режимами работы. В ней осуществляется технологический процесс, состоящий из двух последовательно протекающих операций: расплавления шихтовых материалов и разделения полученного расплава под действием силы тяжести на штейн и шлак. Для сохранения последовательности этих процессов они осуществляются в различных участках рабочего пространства печи. На протяжении всей работы агрегата в нем постоянно находятся твёрдая шихта и продукты плавки.

Схема расположения материалов в печи представлена на (рисунке 2) . Шихтовые материалы располагаются вдоль стен с обеих сторон печи, образуя откосы, которые закрывают боковые стены почти до свода на 2 / 3 их длины. Между откосами и в хвостовой части печи размещается ванна расплава, которую условно можно разделить на две части. Верхний слой занимает шлак, нижний – штейн. По мере накопления они выпускаются из печи. При этом шлаковый расплав постепенно перемещается вдоль агрегата и непосредственно перед выпуском попадает в так называемую от­стойную зону, свободную от откосов.

Технологический процесс в отражательной печи осуществляется за счет тепла, выделяемого в пламени при горении топлива. Тепловая энергия поступает на поверхность ванны и шихтовых откосов в основном в виде потока тепла излучением от факела, свода и других элементов кладки (~90 %), а также конвекцией от раскаленных продуктов сгорания топлива (~10 %). Теплообмен излучением в плавильной зоне рабочего пространства печи рассчитывают по формулам:

где q 0 w , q в w , q к w –соответственно плотность результирующих тепловых потоков для тепловоспринимающих поверхностей от­косов, ванны и свода (кладки), Вт/м 2 ; Т г, Т к, Т о, Т в – соответ­ственно средние температуры продуктов сгорания топлива и по­верхностей свода, откосов и ванны, К; ε r – степень черноты газа; C 0 = 5,67 Вт/(м 2 -К 4) – коэффициент излучения абсолютно чер­ного тела; А о, В о, D o , А в, В в, D в, А к, В к D к - коэффициенты, с помощью которых учитывают оптические характеристики по­верхностей откосов, ванны и свода и их взаимное расположение в рабочем пространстве печи. Для современных отражательных печей значения этих коэффициентов равны: А о = 0,718; В о = 0,697; D o = 0,012; А в = 0,650; В в = 0,593; D B = 0,040; А к = 1,000; В к = 0,144; D к = 0,559.

В отстойной зоне откосов нет и теплообмен излучением может быть рассчитан по формуле

, (2)

где С пр – приведенный коэффициент излучения в системе газ – кладка – расплав.

Система уравнений (1)–(2) представляет собой описание так называемой «внешней» задачи. В качестве независимых переменных величин в уравнениях используются средние значения температур продуктов сгорания топлива и тепловоспринимающих поверхностей свода откосов и ванны. Температура газов в печи может быть найдена при расчетах горения топлива. Температуру кладки определяют по опытным данным, для чего обычно задаются величиной тепловых потерь через свод (q к пот), считая, что q к w = q к пот. Средние температуры поверхностей откосов и ванны находят при решении внутренней задачи, к которой относятся вопросы тепло - и массопереноса, протекающего внутри зоны технологического процесса.

Нагрев и расплавление шихты на откосах. В состав шихты в качестве основных компонентов входят сульфидные минералы меди и железа, а также оксиды, силикаты, карбонаты и другие породообразующие соединения. Под дей­ствием высоких температур эти материалы нагреваются. Нагрев сопровождается испарением влаги, содержащейся в шихте, раз­ложением минералов и другими физико-химическими превращениями, обусловленными принятой технологией. Когда температура на поверхности загружаемой шихты достигает примерно 915 – 950 0 С, начинают плавиться сульфидные соединения, образующие штейн. Наряду с плавлением сульфидов продолжается нагрев остальных материалов и при температурах порядка 1000 °С в расплав начинают переходить оксиды, образующие шлак. Интервал температур плавления основных шлаков составляет 30-80 0 С. С увеличением степени кислотности шлака этот интервал растет и может достигать 250-300 0 С. Полного расплавления шлака на откосах, как правило, не происходит, так как штейн и легкоплавкие соединения шлака стекают с наклонной поверхности откосов, увлекая за собой остальной материал. В период плавления откосы покрыты тонкой пленкой расплава, температура которого постоянна во времени и зависит в основном от состава шихты.

Процессы, протекающие на откосах, можно условно разделить на два периода, включающие в себя нагрев поверхности загруженной шихты до температуры, при которой образующийся расплав начинает стекать с откосов. При которой образующийся расплав начинает стекать с откосов, и дальнейший нагрев шихты в сочетании с плавлении материала. Длительность первого периода определяется условиями внешней задачи, примерно одинакова для всех шихт составляет около 1,0-1,5 мин. Продолжительность стельность второго периода определяется условиями внутренней задачи. Она обратно пропорциональна величине плотности теплового потока на поверхности откосов и прямо пропорциональна толщине слоя загружаемой шихты. В условиях конкретной печи длительность этого периода зависит от способа загрузки и может составлять от нескольких минут до 1 – 2 ч. После окончания периода плавления на откосы загружается новая порция шихты и процесс повторяется.

Необходимо отметить, что с уменьшением интервала времени между загрузками снижается средняя (во времени) температура поверхности откосов. Соответственно растут плотность результирующего теплового потока на этой поверхности и скорость плавления шихты. Максимальный эффект достигается тогда, когда этот интервал сопоставим по величине с продолжительностью первого периода, т. е. практически при непрерывной загрузке. Поэтому при конструировании печи следует учитывать, что си­стемы непрерывной загрузки имеют несомненное преимущество.

Средняя по массе скорость плавления материала (кг/с) может быть определена по формуле

, (3)

где – теплопотребление шихты на откосах, Дж/кг; k– коэф­фициент, учитывающий конвективную составляющую суммарного теплового потока на поверхности шихтовых откосов, k = 1,1ч – 1,15; F o – поверхность откосов, м 2 .

Переработка материалов в шлаковой ванне. В ванну поступает расплавленный материал с откосов и, кроме того, обычно заливается конвертерный шлак, содержа­щий примерно 2–3 % меди и других ценных компонентов, кото­рые при плавке переходят в штейн. Поступающие материалы про­греваются в ванне до средней температуры содержащегося в ней расплава, что сопровождается завершением процессов формирования шлака, а также эндо - и экзотермическими реакциями, характер которых обусловлен технологией плавки. Расходуемое на эти процессы тепло распределяется следующим образом: нагрев продуктов, поступающих с откосов (Q 1) 15 – 20 %; завершение процессов плавления и образования вновь поступившего шлака (Q 2) 40 – 45 %; прогрев конвертерного шлака (Q 3) и эндотермические реакции (восстановление магнетита и т. п.) (Q 4) 35 – 40 % и потери тепла теплопроводностью через стены и под печи 1 %. Кроме того, в ванне происходят экзотермические процессы, связанные с усвоением кремнезема расплавом шлака (Q 5). Суммарный эффект от протекания процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенный к единице массы перерабатываемой шихты носит название употребления шихт в ванне и обозначается .

Процессы тепло - и массопереноса в ванне отличаются крайней сложностью вследствие сочетания конвекции и теплопроводности. Задачу можно существенно упростить, если учесть, что температура капель штейна, распределенных по объему шлака, равна температуре окружающего их расплава. В этом случае можно предположить, что штейн фильтруется через относительно неподвижный шлак, в котором тепло передается теплопроводностью, и что капли штейна практически принимают температуру в любой точке ванны. С целью создания возможностей для математического описания крайне сложных тепло - и массообменных процессов, протекающих в шлаковой ванне, были приняты следующие необходимые допущения:

1. Завершение тепловой обработки материала, поступающего с откосов в ванну расплава отражательной печи, происходит в условиях, когда температурный режим ванны не изменяется во времени. Скорость осаждения капель штейна считается постоянной, равной среднемассовому удельному расходу штейна nG в у, где G в у – скорость поступления материала в ванну, равная количеству шихты проплавляемой в единицу времени на откосах и отнесенная к единице поверхности ванны F B , кг/(м 2 -с); n– доля штейна в 1 кг шихты. Удельная теплоемкость штейна принимается равной с шт.

2. Градиенты температур по длине и ширине ванны (~1,0–1,5°С/м) незначительны по сравнению с градиентами температур по ее глубине (~300–400°С/м) и их значениями можно пренебречь, считая поле температур в ванне одномерным.

3. Процессы тепло - и массопереноса в ванне сопровождаются
эндо - и экзотермическими реакциями, которые могут рассматри­ваться как стоки и источники тепла, распределенные по глубине ванны. Суммарный эффект от их воздействия равен теплопотреблению шихты в ванне

,

где Q i (x) – интенсивность процессов, идущих с потреблением тепла, отнесенная к еди­нице массы проплавляемой шихты, Дж/кг. Для аппроксимации закона распределения этой величины по глубине ванны можно воспользоваться полиномом второй степени

,

где х – координата точек на оси, нормальной к поверхности ванны.

4. Содержание штейна в шлаковой ванне невелико и поэтому
предполагается, что занимаемый им объем пренебрежимо мал по сравнению с объемом ванны. Глубина ванны принимается равной δ, средняя температура шлака, а также температуры на верхней (х=0) и нижней (х=δ) границах шлаковой ванны определяются параметрами технологического процесса и соответственно равны Т ср. ш. , Т 0 , Т δ .

При составлении дифференциального уравнения переноса тепла в ванне отражательной печи (с учетом принятых допущений) ее можно рассматривать в виде плоской пластины (шлака) c ко­эффициентом теплопроводности, равным коэффициенту теплопроводности шлака λ ш. Плотность теплового потока внутри ванны в сечениях х и х + dх определится следующими уравнениями:

И .

В условиях, когда температура по глубине ванны не меняется во времени, изменение теплового потока на участке dx происхо­дит вследствие охлаждения штейна и протекания эндо - и экзо термических процессов, интенсивность которых будет равна:

,

или , (4)

где и .

При описании условий на границах шлаковой ванны были использованы уравнения теплового баланса шлаковой и штейновых ванн, которые имеют вид:

где q пот – плотность теплового потока на подине печи (потери тепла теплопроводностью через под печи), Вт/м, Т ср. шт – средняя температуры штейна, °С.

Общее решение уравнения (4) имеет вид:

При анализе внутренней задачи удобнее использовать частные решения уравнения (4), позволяющие вычислить среднюю температуру шлака и штейна Т ср. ш и температуру на границе раздела шлака и штейна Т δ , влияние которых на параметры технологического процесса достаточно хорошо изучены.

Средняя температура шлака, вычисленная при интегрировании уравнения (5), определится по формуле:

После нахождения постоянных интегрирования С 1 , С 2 , С 3 , С 4 из граничных условий и почленного суммирования выражений (5) и (6) была получена формула для расчета температуры на границе раздела шлака и штейна:

где к 1 – коэффициент, величина которого зависит от характера распределения стоков и источников тепла в ванне. В зависимости от вида функции Q t (x) величина k i изменяется в пределах от нуля до единицы.

В процессе эксплуатации печи параметры температурного режима ванны оказывают существенное влияние на основные технологические показатели плавки. Например, величина средней температуры шлаковой ванны имеет непосредственное влияние на скорость разделения продуктов плавки. Чем она выше, тем меньше вязкость расплавленного шлака и выше скорость осаждения штейна. Однако величина средней температуры шлака ограничена значениями температур на верхней и нижней границах шлаковой ванны. Повышение температуры на границе раздела шлака и штейна способствует интенсификации процессов диффузии штейна (и вместе с ним меди и других ценных компонентов) в шлак и уве­личению растворимости штейна в шлаковом расплаве. Снижение этой температуры до значений, при которых начинает выделяться твердая фаза, ведет к образованию настылей на подине печи. Поверхность ванны находится в непосредственном контакте с печными газами, т. е. с окислительной атмосферой. В этих условиях увеличение температуры шлака влечет за собой рост химических потерь металла.

Таким образом, параметры температурного режима ванн зависят от состава перерабатываемой шихты, индивидуальны для каждой печи и определяются опытным путем в ходе технологических экспериментов. Любое отклонение от заданных параметров приводит к повышению содержания металла в шлаке, что из-за большого выхода шлака ведет к существенным потерям металла. Вместе с тем повышение потерь металла со шлаками при прочих равных условиях свидетельствует о нарушении температурного и теплового режимов работы отражательной печи.

Взаимосвязь между температурным и тепловым режимами ванны может быть получена из уравнения (7), для чего это уравнение необходимо представить в виде:

(8)

или (8")

Физический смысл полученных уравнений заключается в сле­дующем. Первое слагаемое в левой части уравнения (8) – это плотность теплового потока, или удельная тепловая мощность, которая требуется для полной тепловой обработки материалов, поступающих на единицу поверхности ванны. Второе и третье слагаемые представляют собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и конвекции, который усваивается этими материалами внутри ванны. Необходимо отметить, что интенсивность переноса тепла конвекцией в ванне шлака опреде­ляется количеством и степенью перегрева получаемого штейна относительно средней температуры штейновой ванны и в условиях отражательной плавки при неизменных параметрах технологиче­ского процесса является постоянной величиной.

Количество тепла, подводимого к продуктам плавки за счет теплопроводности, в основном определяется характером распределения стоков и источников тепла (интенсивности процессов по­требления тепла) по глубине ванны. Чем ближе они расположены к поверхности ванны, тем больше тепла подводится к ним за счет теплопроводности и соответственно тем меньше величина коэффициента к i . Расчетным путем значения коэффициента к i могут быть получены только для наиболее простых функций распределения Q i (x). Например, при линейном и параболическим законах распределения Q i (x), когда максимум потребления тепла находиться на поверхности ванны, а на ее нижней границе потребление тепла равно нулю, величина к i будет соответственно равна 0,33 и 0,25. Если максимум и минимум теплопотребления поменять местами, то значения коэффициента k i будут соответственно равны 0,67 и 0,75.

Правая часть уравнения (8) представляет собой плотность суммарного теплового потока теплопроводности и кoнвекции, который усваивается поступившим в ванну материалом на границе раздела шлака и штейна.

Уравнение (8") определяет оптимальную с позиций технологии скорость поступления материалов в ванну, т.е. скорость при которой температурное поле ванны соответствует заданному технологическому режиму плавки. Ее величина будет равна частному от деления удельной тепловой мощности, подводив к нижней границе шлаковой ванны, на то количество тепла, которое необходимо для завершения процесса тепловой обработки поступающих в ванну материалов в расчете на единицу массы проплавляемой шихты.

Теоретически могут существовать такие шихтовые материалы, тепловая обработка которых полностью завершается внутри ванны шлакового расплава. В этом случае скорость поступления мате­риала в ванну определяется условиями внешней задачи, так как любое количество тепла, подводимое к ее поверхности, усваи­вается продуктами плавки. На границе раздела шлака и штейна отсутствуют процессы, протекающие с потреблением тепла, и формула (8) теряет свой смысл, так как ее числитель и знаменатель тождественно равны нулю. В реальной практике медепла­вильных заводов сырье такого типа обычно не встречается. Подтверждением этого может служить известное правило, согласно которому рост удельной производительности печи всегда сопро­вождается увеличением потерь металла с отвальными шлаками. Объясняется это следующими причинами. Удельная производи­тельность отражательной печи, рассчитываемая по количеству проплавляемой шихты, фактически определяется скоростью про­цессов плавления материала на откосах, которая прямо пропор­циональна плотности теплового потока на их поверхности и может достигать 15–20 т/м 2 в сутки в расчете на единицу площади пода печи. Скорость последующей тепловой обработки шихты в ванне, от величины которой зависит содержание металла в шлаке, лимитируется условиями внутренней задачи, т. е. интенсивностью процессов тепло - и массопереноса в шлаковом расплаве, и со­ставляет, как показывает практика, примерно 2–5 т/м 2 в сутки при плавке сырой (подсушенной) шихты.

За счет интенсификации внешнего теплообмена при обогащении дутья кислородом, установки дополнительных сводовых горелок, и т. п. может быть увеличена величина результирующего теплового потока на поверхность зоны технологического процесса. На откосах соответственно возрастает скорость плавления шихты и вместе с ней удельная производительность печи. Скорость тепловой обработки продуктов плавки в ванне не зависит от условий внешней задачи и поэтому увеличение плотности результирующего теплового потока на ее поверхности и количества, поступающих в нее материалов приводит к перестройке температурного поля шлаковой ванны, т. е. к нарушению температурного режима плавки и, как следствие, способствует росту потерь металла со шлаком.

Наиболее отчетливо это проявляется при резком (скачкообразном) повышении скорости поступления материала в ванну, например при локальном «обрушении» откосов. При сползании относительно большой массы непроплавленной шихты в ванну уменьшается температура верхнего слоя шлакового расплава, его вязкость растет, что в сочетании с обильным выделении технологических газов приводит к образованию на поверхности ванны в том месте, где произошло «обрушение», пористого слоя («пены»), коэффициент теплопроводности которого за порядок ниже, чем у остального расплава. В результате этом участке согласно формуле (8"), резко снижается скорость тепловой обработки материала, в то время как с откосов расплавленная шихта продолжает поступать с прежней интенсивностью. Поэтомуснижение температуры и образование пористого слоя продолжается и вскоре этот слой «растекается» по всей поверхности ванны. В итоге, как показывает практика работы отражательных печей, температурный режим ванны становится неуправляемым и технологический процесс прекращается, так как металл прак­тически полностью переходит в шлак.

В тех случаях, когда при прочих равных условиях скорость поступления материала в ванну снижается за счет уменьшения поверхности откосов или каких-либо других причин и становится меньше оптимальной, согласно формуле (7) происходит умень­шение перепада температур по глубине шлаковой ванны. Это при­водит к интенсификации процессов диффузии штейна в шлак и увеличению его растворимости в шлаковом расплаве, т. е. росту потерь металла со шлаком.

Таким образом удельная производительность печи определяется скоростью процессов тепло - и массопереноса в ванне и зависит в основном от характеристики сырья (Q в ш , λ ш, с шт , п, k i , Q 0 ш ) и температурного режима плавки (Т 0 , Т ср.ш, Т ср.шт. , Т δ).

Непосредственное экспериментальное определение скорости
тепловой обработки материала в ванне из-за сложности протекающих в ней процессов пока не представляется возможным. Это создает известные трудности при адаптации расчетной модели и подборе так называемых настроечных коэффициентов, использование которых в формулах (8) и (8") позволило заменить их для расчета конкретных параметров отражательных печей. Анализ этих уравнений может быть использован только для интерпретации существующих инженерных решений и обоснования выбора направления дальнейшего совершенствования работы агрегата. Необходимо также учитывать, что для большинства современных отражательных печей характерны максимальная для каждого агрегата интенсивность внешнего теплообмена и, как следствие, повышенная удельная производительность. В этих условиях повышение скорости тепловой обработки материала в ванне способствует сокращению потерь металла со шлаком и создает предпосылки для дальнейшего повышения производительности печи.

Проведенный анализ позволяет получить необходимые расчетные выражения и дать энергетическую интерпретацию известных технологических особенностей отражательной плавки и конструктивных решений отдельных элементов печи:

1. Для большинства медеплавильных заводов отражательная печь является единственным агрегатом, в котором могут перерабатываться конвертерные шлаки. В этих условиях довольно часто конвертерный шлак загружается в печь в твердом состоянии на поверхность откосов вместе с шихтой. Такой способ загрузки ведет к дополнительным затратам энергии, так как для повтор­ного расплавления шлака требуется значительное количество тепла. Тем не менее, он получил широкое распространение, так
как загрузка твердого конвертерного шлака на откосы способствует улучшению температурного режима плавки. На поверх­ности откосов присутствие в шихте твердого конвертерного шлака приводит к снижению температуры плавления образующегося шлака за счет снижения степени его кислотности. Следствием этого – является увеличение плотности результирующего теплового потока на поверхности откосов и соответственно коэффициента использования топлива в отражательной печи. Далее конвертер­ный шлак вместе с остальными продуктами плавки стекает на поверхность ванны, вблизи которой более интенсивно идут процессы «потребления тепла» подводимого за счет теплопроводности (уменьшается значение коэффициента ki). В этом случае, как показывает анализ уравнения (8"), увеличивается скорость тепловой обработки продуктов плавки и уменьшаются потери металла с отвальными шлаками.

2. Из формулы (8") следует, что скорость тепловой обра­ботки материала в ванне тем выше, чем меньше потери тепла через кладку на уровне ванны. Поэтому при строительстве отра­жательных печей всегда применяют подины с повышенной тепло­изоляцией, а толщина стен на уровне ванны в 3–3,5 раза больше, чем над ванной.

3. Глубина шлаковой ванны при заданном температурном режиме может быть определена из уравнения (7) и рассчитывается по формуле

Из полученной зависимости следует, что глубина шлаковой ванныне может быть установлена произвольно, так как она зависит от свойств перерабатываемой шихты и состава продуктов плавки. Ее величина тем больше, чем меньше теплопотребление шихты в ванне. В современных отражательных печах глубина шлаковой ванны колеблется в пределах 0,6-0 8 м.

4. Связь между параметрами теплового и температурного режимов ванны шлакового расплава, расположенного между шихтовыми откосами, может быть установлена с помощью урав­нения теплового баланса, которое имеет вид

где F в, – поверхность ванны, м 2 ; q" пот – плотность теплового потока теплопроводностью (потери тепла) через ограждение печи на уровне ванны, отнесенная к единице ее поверхности; G B – средняя по массе скорость переработки материала в ванне, кг/с.

При соответствии параметров теплового режима ванны и от­косов скорости тепловой обработки шихтовых материалов на этих участках зоны технологического процесса должны быть равны между собой, т. е. G° = G в. Для выполнения этого требования необходимо, чтобы на всем протяжении зоны плавления шихты плотности результирующих тепловых потоков для поверхностей откосов и ванны оставались неизменными, т. е. чтобы средняя температура продуктов сгорания топлива была одинакова на расстоянии примерно 20–25 м от передней торцевой стенки печи. При традиционном торцевом отоплении печи выполнить это усло­вие довольно трудно и поэтому в последнее время наметилась тенденция к применению сводового отопления.

Зона отстаивания продуктов плавки. Этот участок ванны расположен в хвостовой части печи и в нем происходит завершение процессов разделения продуктов плавки. Средняя температура шлака в нем на 70-100 °С ниже, чем в зоне плавления, что способствует повышению извлечения меди в штейн за счет снижения степени растворимости штейна в шлаке. При охлаждении шлака штейн выделяется из него в виде мельчайших капель, для отстаивания которых требуется продолжительное время. Так как время пребывания шлака в отстойной зоне прямо пропорционально количеству содержащегося в ней материала, под нее отводится обычно около одной третьей части рабочего пространства печи.

Список использованных источников

1 Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника – 2 том / В.А. Кривандин; профессор, доктор техн. наук. – Москва: Металлургия, 1986 г. – 590 с.

Медь - один из важнейших металлов, относится к I – й группе Периодической системы; порядковый номер 29; атомная масса – 63,546; плотность – 8,92 г/см 3 . температура плавления – 1083 °С; температура кипения – 2595 °С. По электро­проводности она несколько уступает лишь серебру и является главным проводниковым материалом в элект­ро- и радиотехнике, потребляющих 40…50 % всей меди. Почти во всех областях машиностроения используются медные сплавы - латуни и бронзы. Медь как легирую­щий элемент входит в состав многих алюминиевых и других сплавов.

Мировое производство меди в капиталистических странах около 6-7 млн. т, в том числе вторичной меди около 2 млн. т. В СССР выплавка меди за каждое пя­тилетие увеличивался на 30…40 %.

Медные руды. Медь встречается в природе главным образом в виде сернистых соединений CuS (ковеллин), Cu 2 S (халькозин) в со­ставе сульфидных руд (85…95 % запасов), реже в виде окисных соединений Сu 2 О (куприт), углекислых соединений СuСО 3 · Сu(ОН) 2 - малахит 2СuСО 3 · Сu(ОН) 2 - азурит и само­родной металлической меди (очень редко). Окисные и углекислые соединения трудно поддаются обогащению и перерабатываются гидрометаллургическим способом.

Наибольшее промышленное значение в СССР имеют сульфидные руды, из которых получают около 80 % всей меди. Самыми распространенными сульфидными рудами являются медный колчедан, медный блеск и др.

Все медные руды являются бедными и обычно содер­жат 1…2 %, иногда меньше 1 % меди. Пустая порода, как правило, состоит из песчаников, глины, известняка, сульфидов железа и т. п. Многие руды являются ком­плексными - полиметаллическими и содержат, кроме меди, никель, цинк, свинец и другие ценные элементы в виде окислов и соединений.

Примерно 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом; около 10 %-гидрометаллур­гическим способом.

Гидрометаллургический способ состоит в извлечении меди путем ее выщелачивания (например, слабыми рас­творами серной кислоты) и последующего выделения металлической меди из раствора. Этот способ, применя­емый для переработки бедных окисленных руд, не по­лучил широкого распространения в нашей промышлен­ности.

Пирометаллургический способ состоит в получении меди путем ее выплавки из медных руд. Он включает обогащение руды, ее обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черной меди, ее рафиниро­вание, т. е. очистку от примесей (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Упрощенная схема пирометаллургического производства меди

Наиболее широко для обогащения медных руд при­меняется метод флотации. Флотация основана на раз­личном смачивании водой металлсодержащих частиц и частиц пустой породы (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема флотации:

а – принципиальная схема механической флотационной машины (вариант);

б – схема всплывания частиц; 1 – мешалка с лопастями; 2 – перегородка;

3 – схема минерализованной пены; 4 – отверстие для удаления хвосты

(пустой породы); I – зона перемешивания и аэрации.

Обогащение медных руд . Бедные медные руды под­вергают обогащению для получения концентрата, содер­жащего 10…35 % меди. При обогащении комплексных руд возможно извлечение из них и других ценных эле­ментов.

В ванну флотационной машины подают пульпу - суспензию из воды, тонкоизмельченной руды (0,05…0,5 мм) и специальных реагентов, образующих на поверхности металлсодержащих частиц пленки, не сма­чиваемые водой. В результате энергичного перемеши­вания и аэрации вокруг этих частиц возникают пузырь­ки воздуха. Они всплывают, извлекая с собой металл­содержащие частицы, и образуют на поверхности ванны слой пены. Частицы пустой породы, смачиваемые водой, не всплывают и оседают на дно ванны.

Из пены фильтруют частицы руды, сушат их и полу­чают рудный концентрат, содержащий 10…35 % меди. При переработке комплексных руд применяют селектив­ную флотацию, последовательно выделяя металлсодер­жащие частицы различных металлов. Для этого подби­рают соответствующие флотационные реагенты.

Обжиг. Рудные концентраты, достаточно богатые медью, плавят на штейн «сырыми» - без предваритель­ного обжига, что снижает потери меди (в шлаке - при плавке, унос - с пылью при обжиге); основной недоста­ток: при плавке сырых концентратов не утилизируется сернистый газ SO 2 , загрязняющий атмосферу. При об­жиге более бедных концентратов удаляется избыток се­ры в виде SO 2 , который используется для производства серной кислоты. При плавке получают достаточно богатый медью штейн, произво­дительность плавильных пе­чей увеличивается в 1,5…2 раза.

Обжиг производят в вер­тикальных многоподовых цилиндрических печах (диа­метр 6,5…7,5 м, высота 9…11 м), в которых измельчен­ные материалы постепенно перемещаются механически­ми гребками с верхнего пер­вого пода на второй - ниже расположенный, затем на третий и т. д. Необходимая температура (850 °С) обес­печивается в результате го­рения серы (CuS, Cu 2 S и др.). Образующийся сернистый газ SO 2 направляется для производства серной кислоты.

Производительность печей невысокая - до 300 т ших­ты в сутки, безвозвратный унос меди с пылью около 0,5 %.

Новым, прогрессивным способом является обжиг в кипящем слое (рис. 2.3).

Сущность этого способа состо­ит в том, что мелкоизмельченные частицы сульфидов окисляются при 600…700 °С кислородом воздуха, посту­пающего через отверстия в подине печи. Под давлением воздуха частицы обжигаемого материала находятся во взвешенном состоянии, совершая непрерывное движение и образуя «кипящий» («псевдоожиженный») слой. Обожженный материал «переливается» через порог пе­чи. Отходящие сернистые газы очищают от пыли и на­правляют в сернокислотное производство. При таком обжиге резко повышается интенсивность окисления; производительность в несколько раз больше, чем в много­подовых печах.

Плавка на штейн . Плавку на штейн концентрата наиболее часто проводят в пламенных печах, работаю­щих на пылевидном, жидком или газообразном топливе. Такие печи имеют длину до 40 м, ширину до 10 м, пло­щадь подины до 250 м 2 и вмещают 100 т и более пере­плавляемых материалов. В рабочем пространстве печей развивается температура 1500…1600 °С.

При плавке на подине печи постепенно скапливается расплавленный штейн - сплав, состоящий в основном из сульфида меди Cu 2 S и сульфида железа FeS. Он обычно содержит 20…60 % Сu, 10…60 % Fe и 20…25 % S. В расплавленном состоянии (t Пл -950…1050 °C) штейн поступает на переработку в черновую медь.

Плавку концентратов производят также в электропечах, в шахт­ных печах и другими способами. Технически совершенная плавка в электропечах (ток проходит между электродами в слое шлака) на­шла ограниченное применение из-за большого расхода электроэнергии. Медные кусковые руды с повышенным содержанием меди и серы часто подвергают медносерной плавке в вертикальных шахтных пе­чах с воздушным дутьем. Шихта состоит из руды (или брикетов), кокса и других материалов. Выплавляемый бедный штейн с 8…15 % Сu обогащают повторной плавкой до 25…4 % Сu, удаляя избыток железа. Эта плавка экономически выгодна, так как из печных газов улавливают до 90 % элементарной серы руды.

Черновую медь вы­плавляют путем продув­ки расплавленного штей­на воздухом в горизон­тальных цилиндрических конверторах (рис. 2.4) с основной футеровкой (магнезит) с массой плавки до 100 т. Конвер­тор установлен на опор­ных роликах и может по­ворачиваться в требуемое положение. Воздушное дутье подается через 40- 50 фурм, расположенных вдоль конвертора.

Через горловину конвертора заливают рас­плавленный штейн. При этом конвертор поворачивают так, чтобы не были залиты воздушные фурмы. На поверхность штейна через горловину или специальное пневматическое устройство загружают песок - флюс для ошлакования окислов железа, образующихся при про­дувке. Затем включают воздушное дутье и поворачивают конвертор в рабочее положение, когда фурмы находятся ниже уровня расплава. Плотность штейна (5г/см 3) зна­чительно меньше удельного веса меди (8,9 г/см 3). Поэто­му в процессе плавки штейн доливают несколько раз: пока не будет использована вся емкость конвертора, рассчитанная на выплавляемую медь. Продувка воздухом продолжается до 30 ч. Процесс выплавки черновой меди из штейна делится на два периода.

В первом периоде происходит окисление FeS кис­лородом воздушного дутья по реакции

2FeS + ЗО 2 = 2FeO + 2SO 2 + Q.

Образующаяся закись железа FeO ошлаковывается кремнеземом SiO 2 флюса:

2FeO + SiO 2 = SiO 2 ∙2FeO + Q.

По мере необходимости образующийся железистый шлак сливают через горловину (поворачивая конвер­тор), доливают новые порции штейна, загружают флюс и продолжают продувку. К концу первого периода же­лезо удаляется почти полностью. Штейн состоит в ос­новном из Cu 2 S и содержит до 80 % меди.

Шлак содержит до 3 % Сu и его используют при плав­ке на штейн.

Во втором периоде создаются благоприятные усло­вия для протекания реакций

2Cu 2 S + ЗО 2 = 2Cu 2 O + 2SO 2 +Q;

Cu 2 S + 2Cu 2 O = 6Cu + SO 2 - Q,

приводящих к восстановлению меди.

В результате плавки в конверторе получается черно­вая медь. Она содержит 1,5…2 % примесей (железа, ни­келя, свинца и др.) и не может быть использована для технических надобностей. Плавку меди выпускают из конвертора через горловину, разливают на разливочных машинах в слитки (штыки) или плиты и направляют на рафинирование.

Рафинирование меди - ее очистку от примесей - проводят огневым и электролитическим способом.

Огневое рафинирование ведут в пламенных печах емкостью до 400 т. Его сущность состоит в том, что цинк, олово и другие примеси легче окисляются, чем са­ма медь, и могут быть удалены из нее в виде окислов. Процесс рафинирования состоит из двух периодов - окислительного и восстановительного.

В окислительном периоде примеси частично окисляются уже при расплавлении меди. После полного расплавления для ускорения окисления медь продувают воздухом, подавая его через погруженные в жидкий ме­талл стальные трубки. Окислы некоторых примесей (SbO 2 , PbO, ZnO и др.) легко возгоняются и удаляются с печными газами. Другая часть примесей образует окис­лы, переходящие в шлак (FeO, Аl 2 О з, Si0 2). Золото и серебро не окисляются и остаются растворенными в меди.

В этот период плавки происходит также и окисление меди по реакции 4Cu+O 2 =2Cu 2 O.

Задачей восстановительного периода являет­ся раскисление меди, т. е. восстановление Сu 2 0, а так­же дегазация металла. Для его проведения окислитель­ный шлак полностью удаляют. На поверхность ванны насыпают слой древесного угля, что предохраняет ме­талл от окисления. Затем проводят так называемое дразнение меди. В расплавленный металл погружают сначала сырые, а затем сухие жерди (шесты). В результате су­хой перегонки древесины выделяются пары воды и га­зообразные углеводороды, они энергично перемешивают металл, способствуя удалению растворенных в нем газов (дразнение на плотность).

Газообразные углеводороды раскисляют медь, на­пример, по реакции 4Cu 2 O+CH 4 =8Cu+CO 2 +2H 2 O (дразнение на ковкость). Рафинированная медь содер­жит 0,3…0,6 % Sb и других вредных примесей, иногда до 0,1 % (Au+Ag).

Готовую медь выпускают из печи и разливают в слитки для прокатки или в анодные пластины для последующего электролитического рафинирования. Чистота меди после огневого рафинирования составляет 99,5 … 99,7 %.

Электролитическое рафинирование обеспечивает по­лучение наиболее чистой, высококачественной меди. Электролиз проводят в ваннах из железобетона и дере­ва, внутри футерованных листовым свинцом или винипластом. Электролитом служит раствор сернокислой ме­ди (CuSO 4) и серной кислоты, нагретый до 60…65 °С, Анодами являются пластины размером 1х1 м толщиной 40…50 мм, отлитые из рафинируемой меди. В качестве катодов используют тонкие листы (0,5…0,7 мм), изго­товленные из электролитической меди.

Аноды и катоды располагают в ванне попеременно; в одной ванне помещают до 50 анодов. Электролиз ве­дут при напряжении 2…3 В и плотности тока 100… 150 А/м 2 .

При пропускании постоянного тока аноды постепенно растворяются, медь переходит в раствор в виде ка­тионов Си 2+ . На катодах происходит разрядка катионов Cu 2+ +2e → Cu и выделяется металлическая медь.

Анодные пластины растворяются за 20…30 суток. Катоды наращивают в течение 10…15 суток до массы 70…140 кг, а затем извлекают из ванны и заменяют но­выми.

При электролизе на катоде выделяется и растворяет­ся в меди водород, вызывающий охрупчивание металла. В дальнейшем катодную медь переплавляют в плавиль­ных печах и разливают в слитки для получения листов, проволоки и т. п. При этом удаляется водород. Расход электроэнергии на 1 т катодной меди составляет 200…400 кВт · ч. Электролитическая медь имеет чистоту 99,95 %. Часть примесей оседает на дне ванны в виде шлама, из которого извлекают золото, серебро и некото­рые другие металлы.