Печи для автогенных процессов плавки сырья

Данные агрегаты характеризуются напряженными условиями тепловой работы и агрессивными средами, формирующимися в расплавах и газовой фазе.
В связи с этим к конструктивным элементам печей предъявляются требования повышенной износо- и теплоустойчивости с одновременным решением вопросов максимального использования выделяющегося в процессе окисления сульфидов тепла.

Огнеупорная футеровка подвергается наиболее быстрому износу в автогенных металлургических агрегатах.
Огнеупорная футеровка в процессе эксплуатации подвергается сложному воздействию температурных, химических и механических факторов.
Основными причинами разрушения огнеупоров в ванне расплава является растворение их в шлаке, скалывание, растрескивание, истирание и др. При этом разрушение происходит под влиянием одновременно нескольких факторов.

Огнеупоры характеризуются рядом физических свойств: пористостью, газопроницаемостью, теплопроводностью, теплоемкостью и др.
Основные характеристики, отражающие эксплуатационные свойства огнеупорных материалов: шлакоустойчивость, механическая прочность, термическая стойкость.

Кладка выполняется преимущественно периклазохромитовыми огнеупорами, а также из высококачественного хромомагнезитового и частично магнезитового кирпичей.
Кроме того применяют огнеупоры из более плотного плавленого хромомагнезита.
Толщина футеровки выбирается из условий тепловой работы и механической прочности. Так, в нижней части печей толщина стен доходит до 700 - 1000 мм.
Для увеличения срока службы футеровки используются закладные охлаждаемые элементы (кессоны).

Наиболее перспективными для агрегатов автогенной плавки являются кессоны, полученные из высокотеплопроводного материала, с увеличенной толщиной стенки со стороны расплава.
Достаточная толщина стенок и высокая теплопроводность (например, медного проката) предотвращают или значительно снижают возможные последствия кратковременных отклонений от стационарных тепловых условий - локальных тепловых ударов, обеспечивая быстрое растекание тепла по всей массе кессона.

Расположение и число кессонов на конкретном агрегате должны отвечать некоторому оптимуму.
Чем чаще поставлены кессоны в футеровке, тем больше кладка выдержит воздействие со стороны рабочего пространства печи и тем значительнее теплопотери с охлаждением, что неблагоприятно действует на тепловой баланс и технико-экономические показатели плавки.
Удачно выбранные расстояния между кессонами и режимы охлаждения на финских печах взвешенной плавки продлевают кампанию до 3—4 лет без остановки на капитальный ремонт

ГОРЕЛОЧНО-ДУТЬЕВЫЕ И ЗАГРУЗОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА
Главный узел агрегатов автогенной переработки сырья - горелочные и дутьевые устройства, обеспечивающие процесс плавления и тепловую работу агрегатов.
Основным рабочим агентом при этом является окислительный газ (воздух, воздухокислородная смесь, кислород).
При необходимости (недостаток тепла от сульфидной шихты) подается дополнительно углеродистое топливо.
От конструктивного оформления горелочно-дутьевых устройств, правильности выбора их параметров и эксплуатационных характеристик зависят показатели работы агрегата и эффективность технологического процесса.
Наряду с сжигательно-отопительными функциями эти устройства, выполняют функции загрузочных приспособлений.

Горелочно-дутьевые устройства принципиально отличаются между собой в зависимости от назначения плавки - в газовой фазе или в расплаве.
При плавке в газовой фазе через эти устройства подают и перерабатываемую шихту, т.е. они являются шихтово-воздушными, шихтово-кислородными горелками.
При плавке в расплаве дутьевые фурмы или фурмы-горелки служат в основном для подачи в ванну расплава газообразного окислителя (конвертеры, печи ПВ и др.), но на некоторых агрегатах одновременно выполняют функцию загрузки концентратов (вертикальные конвертеры, агрегат "Мицубиси" и др.).

Основным требованием к шихтовым горелкам на финских печах, работающих на подогретом воздухе и (или) с невысоким обогащением его кислородом, является обеспечение равномерного распыливания шихты в верхней части реакционной зоны.
На выходе из горелок шихта должна быть так распределена, чтобы максимум технологических реакций проходил в объеме реакционной шихты, а количество частиц концентрата и продуктов его окисления, попадающих на зеркало ванны, было минимальным.

Ориентировочные скорости потоков в горелках, м/с:
воздуха - 90 - 100;
шихты на выходе - 3 - 5;
шихтово-воздушной смеси на выходе из горелки - 45 - 50.

На больших печах (диаметр плавильной шахты - 7 - 8 м) обычно устанавливают симметрично 3-4 горелки, а на малых печах - одну горелку в центре свода реакционной шахты.
При дополнительном отоплении плавильной зоны между шихтовыми горелками устанавливают мазутные форсунки или газовые горелки.

Условия работы шихтово-кислородных горелок на печах КФП существенно отличаются от работы шихтово-воздушных горелок.
Если в финских печах частицы шихты движутся в основном под действием гравитационных сил (в вертикальной плавильной шахте), то в печах КФП при горизонтальном направлении факела поток сжатого кислорода должен придать частицам скорости, которые обеспечат их взвешенное состояние.
Длительность пребывания частиц в этом состоянии должна обеспечить протекание реакций и процесс плавления.

Основные показатели работы шихтово-кислородной горелки:
Производительность по шихте, т/ч - 25-30
Давление кислорода (избыточное), кПа - 4,9
Расход кислорода, м3/ч 6000 - 7500
Скорость, м/с:
кислорода на выходе из сопла 80 — 100
шихтово-кислородной смеси на выходе из горелки 20-25

Кислородное сопло горелки сделано съемным.
Кислород к горелке подводится гибким кислородопроводом, шихта подается в патрубок по гибкому трубопроводу.

Относительно небольшая длина шихтово-кислородного факела позволяет отказаться от горизонтальной установки горелок и располагать их на своде плавильной зоны без сооружения специальной плавильной шахты, как это делается на финских печах.
Такое техническое решение имеет ряд преимуществ: упрощается конструкция печного агрегата, увеличивается удельная производительность, снижается пылевынос.

Дутьевые устройства
Дутьевые устройства на агрегатах плавки в расплавах выполняют две основные функции: подают окислитель в расплав и интенсивно перемешивают жидкую ванну.
Интенсивный барботаж ванны расплава, определяющий высокую интенсивность тепло-массообмена и технологических процессов, является основным отличительным признаком по сравнению с другими автогенными процессами.
Дутьевые устройства должны обеспечить необходимые газовые нагрузки и соответствующее перемешивание ванны.
Дальнобойность струй в расплаве определяется диаметром сопел и скоростью истечения газа.

Дутьевые устройства во время работы подвергаются высоким температурам и агрессивным свойствам продуваемых расплавов.
В случае же загрузки сыпучих материалов через эти устройства добавляется эрозионное воздействие на металлические поверхности.
Использование кислорода и при необходимости природного газа еще более осложняет работу дутьевых устройств и усложняет их конструктивное оформление.

На горизонтальных конвертерах, работающих на воздушном дутье или с небольшим обогащением кислородом, используются стандартные фурмы без охлаждения, состоящие из стальной трубки постоянного сечения, проходящей через футеровку бочки и снабженной шариковым клапаном на внешнем конце.
На печах Ванюкова, работающих с боковой подачей в расплав воздушно-кислородной смеси или кислорода, фурмы или фурмы-горелки (при добавке природного газа) изготавливаются из меди и делаются охлаждаемыми.
При верхней вертикальной продувке расплавов фурмы имеют большую длину и изготавливаются из меди и стали; медные детали с интенсивным охлаждением (сопла, наконечники) - на участке контакта с расплавом.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВТОРИЧНОГО ТЕПЛА
Для агрегатов автогенной плавки важное значение приобретает задача использования вторичного тепла, поскольку теряется большое количество тепла:
с отходящими технологическими газами, имеющими высокую температуру (1200 - 1300 °С );
с охлаждением кессонированных элементов (на печах ПВ эта доля тепла в тепловом балансе составляет 14-20 %);
с отвальными шлаками, которые имеют высокие температуры (1250- 1350 °С) и количество которых значительно превышает выход металлов (доля в тепловом балансе - до 30 %).

Для утилизации тепла отходящих газов широкое применение нашли котлы утилизаторы

Для повышения комплексности использования сырья и энергетических ресурсов, помимо экономической целесообразности использования физического тепла жидких шлаков, большое значение имеет и качество подготовки шлаков для их последующего использования, например, в строительных целях.
Для этого на металлургических предприятиях проводят грануляцию шлаков на их выпуске из печей.

В настоящее время широкое распространение получила водная грануляция расплавленных шлаков, существенными недостатками которой являются: большой расход воды и энергии на ее подачу, сложность утилизации низкопотенциального (до 60 - 80 °С) тепла проточной воды, сложности ее очистки.

Для агрегатов автогенной плавки сырья, особенно работающих в непрерывном режиме, предусмотрено обеспечение установками сухой грануляции шлаков с полезным использованием их тепла в виде пара или горячего воздуха.

Принцип действия установки заключается в следующем: расплавленный шлак подается на поверхность барабанов и в процессе вращения кристаллизуется в виде ленты. Промежуточный теплоноситель в барабанах интенсивно кипит, отдавая тепло; образовавшийся пар поступает в зону конденсации, где конденсируется, возвращая тепло основному (рабочему) теплоносителю, а образовавшийся конденсат под действием гравитационных сил возвращается в зону испарения.

ПЛАВКА ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

КИСЛОРОДНО-ФАКЕЛЬНАЯ ПЛАВКА

Основные технико-экономические показатели работы комплекса КФП следующие:
Удельный проплав шихты, т/(м2 · сут.)... 15 - 16
Содержание меди, %:
в штейне 40
в шлаке 0,7
Извлечение меди в штейн, % 97,2
Содержание SO2 в газах, % 75

КИВЦЭТ

Плавка в жидкой ванне

К группе автогенных процессов, использующих принцип плавки в расплаве, относятся внедренные в промышленность процессы Мицубиси, Норанда, плавка-конвертирование в конвертерах Эль-Тениенте и ТБРЦ (вращающийся конвертер с верхним дутьем).
Отличается между собой процессы плавки в расплаве по способу подачи дутья и конструкции агрегатов.

Непрерывный процесс выплавки меди по способу "Мицубиси"
Процесс осуществляется в трех каскадно расположенных печах: плавильной, для обеднения шлака и конвертерной. Расплав перетекает из печи в печь непрерывно по отапливаемым желобам.

Показатели процесса "Мицубиси»:
Плавильная печь:
Концентрат, т/ч 40,6
Флюс, т/ч 7,1
Оборотный шлак, т/ч 3,11
Воздух, м3/ч 14740
Технический кислород (80 % О2), м3/ч 6950
Обогащение дутья 02> % 40
Мазут в форсунке, л/ч 250
Уголь, кг/ч 1020
Объем отходящих газов, м3/мин 376
Конвертерная печь:
Штейн, т/ч 19,3
Известняк, т/ч 1,4
Воздух, м3/ч 12850
Технический кислород, м3/ч 1680
Обогащение дутья 02, % . 21,8
Мазут в форсунке, л/ч 80
Объем отходящих газов, м3/мин 223
Содержание SO2 в отходящих газах, % 21,3
Черновая медь, т/ч 15,9

НОРАНДА
Фирмой "Норанда" разработан процесс плавки медных концентратов с получением черновой меди в одну стадию. За основу принимался агрегат типа горизонтального конвертера.
В 1973 г. введен в эксплуатацию первый промышленный реактор на заводе 'Торн" в Канаде.

Процесс «Аусмелт»
В настоящее время известны следующие разновидности дан­ной технологии плавки медных концентратов в агрегате с верти­кальной погружной фурмой:
Процесс «Сиросмелт». Разработан фирмой КСИРО (CSIRO, Австралия), первая печь по данной технологии внедрена (1987) на заводе «Маунт Айза» (Австралия). Процесс плавления, осно­ванный на применении фурмы «Сиросмелт», изобретенный спе­циалистами корпорации КСИРО (Австралийская правительст­венная исследовательская организация) в 1973 году.
Плавка «Айзасмелт». Процесс разработан фирмой «Маунт Айза Майнз лимитед» (Австралия) и предполагает использова­ние погружной горелки «Сиросмелт». Первая демонстрационная установка была введена в эксплуатацию на медеплавильном за­воде Маунт-Айза в 1987 г. Промышленное внедрение получила на медеплавильном заводе Маунт-Айза (Австралия) и на заводе Сапрус в Майами, шт. Аризона (США) в 1992 г.
Процесс «Аусмелт». Технология разработана фирмой «Аус­мелт» (Австралия), опробована в промышленном масштабе на заводе «Pandenong» (Австралия).

В данных процессах используются вертикальные цилиндрические печи, оборудованные погружной вертикальной фурмой.
Основным элементом технологий является вертикальная фурма, состоящая из 3-х (или 2-х) концентрически расположенных стальных труб, выполненных из нержавеющей стали.
Сгорание топлива в смеси с воздухом происходит в камере сжигания в нижней части фурмы. Подача воздуха на охлаждение производится в межтрубную полость, образованную внешним кожухом и внутренней трубой.
Длина кожуха вы­бирается таким образом, чтобы он постоянно находился над поверхностью шлаковой ванны (1 м) и обеспечивал защиту стальных конструкций горелки.