Тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн

По энергетическому признаку агрегаты для автогенной плавки на штейн относятся к печам смешанного типа, так как в них газо­образной окислитель и компоненты шихты, участвующие в экзо­термических реакциях, нагреваются непосредственно в процессе теплогенерации, тогда как остальные продукты плавки получают тепло за счет теплообмена. Тепловая работа печей такого типа во многом зависит от характера распределения тепла между продук­тами плавки, т. е. от соотношения интенсивности протекающих в них процессов теплогенерации и теплообмена. Как теплогенераторы они относятся к печам с массообменньм режимом работы, в которых интенсификация массообменных процессов достигается за счет максимального увеличения реакционной поверхности суль­фидов.

При анализе работы этих агрегатов в качестве печей-теплооб­менников необходимо учитывать, что в той части рабочего про­странства печи, где происходит интенсивное окисление сульфидов кислородом дутья, преобладают процессы переноса тепла конвек­цией и излучением. В ванне, где происходит завершение процессов формирования расплава и его разделение на штейн и шлак, пере­дача тепла осуществляется в основном теплопроводностью через шлак и конвекцией за счет осаждения штейна.

Закономерность тепло- и массопереноса в печах для автоген­ной плавки отличаются крайним разнообразием и сложностью. К сожалению, из-за относительной новизны процесса пока отсут­ствуют надежные экспериментальные данные о тепловой работе рассматриваемых печей, что в значительной степени затрудняет теоретические расчеты в этой области. В реальной практике оценка режимных параметров агрегата осуществляется, как правило, на основе анализа материального и теплового балансов протекающего в нем технологического процесса.

Печи для автогенной плавки являются агрегатами непрерыв­ного действия с относительно неизменными во времени параме­трами теплового и температурного режимов работы. При состав­лении теплового баланса протекающего в печи технологического процесса могут быть использованы понятия тепловых эквивален­тов сырьевых материалов и продуктов плавки. В этом случае урав­нение теплового баланса плавки приобретает вид

(1)

где А — производительность агрегата по проплавляемой шихте, т/ч;

— соответственно теплогенерационные и теплообменные составляющие тепловых эквивалентов шихтовых материалов и продуктов плавки, кДж/кг;

n — коэффи­циент, равный отношению массы штейна к массе переплавляемой шихты;

Q_ш, Q_д — соответственно теплопотребление шихты и дутья, идущего на ее окисление, кДж/кг шихты;

Q_пот — потери тепла через ограждение печи, кВт.

Из уравнения (1) следует, что интенсивность теплообмена в рабочем пространстве печи (величина теплового потока ) будет равна, кВт

Q_п=0,28A( -n ) (2)

Ее величина должна соответствовать технологическим параметрам процесса, которые выбираются таким образом, чтобы в печи были созданы условия для наиболее полного разделения продуктов плавки. Известно, что повышение средней температуры в зоне технологического процесса с одной стороны ведет к снижению вязкости шлака и тем самым способствует ускорению разделения продуктов плавки, с другой — к увеличению растворимости штейна в шлаке и (в окислительной среде) к росту так называ­емых химических потерь меди со шлаком.

В случае переработки конкретного сырья в зоне окисления сульфидов, как правило, стремятся поддерживать оптимальную температуру, значение которой определяется экспериментально. Так как соединения, полученные в результате окисления сульфидов, являются одно­временно продуктами плавки, то их действительная температура должна быть равна средней температуре зоны технологического процесса. Из определения теплового эквивалента шихтовых мате­риалов следует, что это условие соблюдается, когда поток тепла, отводимого от продуктов окислительных реакций, достигает своего максимального значения и будет равен, кВт

(3)

где Q_х.ш Q_х.пр — соответственно теплота сгорания шихты и продуктов плавки, кДж/кг.

Расчеты величин, входящих в уравнение (2), производятся по данным материального и теплового балансов плавки. Для приближенных расчетов могут быть использованы значения тепло­вых эквивалентов шихты и штейна, кВт

(4)

где S, Сu — соответственно содержание серы и меди в шихте, %;

Т₀ — заданное значение средней температуры в зоне технологи­ческого процесса, К;

— соответственно начальные темпе­ратуры шихты и дутья, К;

О₂ — содержание кислорода в дутье, %.

Физический смысл рассчитываемой по формуле (3) вели­чины заключается в том, что она показывает, какое количество тепла за единицу времени должно быть отведено в процессе тепло­обмена от продуктов окисления сульфидов с тем, чтобы избежать их перегрева относительно средней температуры процесса.

При определении интенсивности теплообмена в рабочем про­странстве печи, соответствующей заданным параметрам техно­логического процесса, необходимо также учитывать характер протекания реакций окисления сульфидов. В реальных условиях это чрезвычайно сложный многостадийный процесс. Однако, для его энергетической оценки можно воспользоваться упрощенной двухстадийной моделью, которая описывается следующими урав­нениями

1 2Cu₂S + ЗО₂ - 2Cu₂O + 2SO₂ + 2015 кДж

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ — 304 кДж

2 Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ — 304 кДж

Cu₂S + О₂ = 2Cu + SO₂ +1711 кДж на 1 кг меди

3 9FeS + 15O₂ = 3Fe₃O₄ + 9SO₂ + 9258 кДж

FeS + 3Fe₃O4 = l0FeO + SO₂ — 896 кДж

4 FeS + 3Fe₃O4 = 10FeO + SO₂ — 896 кДж

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂ + 8389 кДж на 1 кг железа

Из анализа уравнений реакций 1—4 следует, что при много­стадийном характере процесса величина, характеризующая коли­чество тепла, выделившегося в зоне окисления сульфидов, может существенно отличаться от своего среднего значения, рассчитан­ного по данным теплового баланса процесса (т. е. по суммарным тепловым эффектам реакций). В рассматриваемом случае для завершения второй стадии химических превращений, предусмо­тренных принятой технологией, необходимо, чтобы «дополни­тельное» (по сравнению со средними балансными характеристи­ками) тепло, полученное на первой стадии окисления сульфидов, в процессе теплообмена поступило в зону протекания эндотерми­ческих реакций. Интенсивность теплообмена (тепловой поток кВт), соответствующая двух стадийному характеру протека­ния процесса окисления сульфидов, определяется по данным его материального и теплового балансов и может быть рассчитана по формуле

(5)

Тепло, которое поступает в зону технологического процесса за счет теплообмена (отводится от продуктов окисления суль­фидов), расходуется в рабочем пространстве печи на нагрев и плавление сульфидных соединений, образующих штейн, флюсов и породообразующих компонентов шихты, а также на компенса­цию потерь тепла через ограждение печи в окружающую среду.

Зная состав шихты и продуктов плавки и задаваясь произ­водительностью печи, нетрудно определить, какое количество тепла в единицу времени необходимо подвести к компонентам шихты, не участвующим в экзотермических реакциях, для того, чтобы нагреть их до средних температур процесса. Для прибли­женных расчетов могут быть использованы следующие формулы

(6)

(7)

где — соответственно потоки тепла, поступающие на поверхность сульфидных частиц и флюсов, кВт.

Расчеты по формулам (5)—(7) позволяют установить взаимосвязь между основными параметрами технологического, теплового и температурного режимов работы печей для автогенной плавки, а также могут быть использованы при количественной оценке экспериментальных данных, полученных в процессе их эксплуатации.

В качестве примера возможного применения предложенной расчетной модели может быть рассмотрена типичная производ­ственная ситуация, возникающая при необходимости повышения концентрации меди в штейне с целью уменьшения количества поступающего на конвертирование материала. Из формулы (1) следует, что рост степени десульфурации (снижение величины коэффициента п) при прочих равных условиях ведет к увели­чению тепловой нагрузки агрегата и улучшению его теплового баланса. В этом случае, если согласно уравнениям (5) и (7) увеличение тепловой нагрузки сопровождается интенсификацией теплообмена в зоне технологического процесса, создаются благо­приятные условия для сокращения энергозатрат на производство черновой меди за счет снижения температуры дутья или кон­центрации содержащегося в нем кислорода.

Изменение технологических параметров процесса без соответствующей коррекции его энергетических характеристик влечет за собой, как показал опыт работы промышленных печей, значительное ухудшение тепловой работы агрегата, связанное с серьезными нарушениями температурного режима плавки. Например, при переработке типового концентрата, содержащего 35% и 19 % Си, в печи взвешенной плавки на кислородном дутье изме­нение концентрации меди в штейне с 35 — 40 до 45 — 50% ведет сначала к возникновению промежуточного магнетитового слоя между шлаком и штейном, а затем к интенсивному образованию настылей на подине печи, представляющих собой смесь застывшего шлака и штейна с большим содержанием магне­тита.

Появление магнетитового слоя можно объяснить тем, что В повышением степени десульфурации в технологическом факеле стало больше окисляться сульфидов железа. Насыщение ванны расплава магнетитом повлекло за собой увеличение скорости эндотермических реакций и как следствие охлаждение и затвердевание шлак-штейнового расплава в области их протекания. Оценка этого явления с помощью расчетных формул (4) и (6) показала, что переход к получению богатых штейнов в рассматри­ваемом случае должен был сопровождаться интенсификацией теплообмена в зоне окисления сульфидов на 30%, а в зоне протекания эндотермических реакций в полтора раза.

В печах взвешенной плавки на штейн интенсификация процессов теплообмена в ванне расплава представляет собой сложную научно-техническую задачу. Поэтому при повышении степени десульфурации соответствие параметров теплового режима плавки и ее технологических показателей достигается обычно за счет уменьшения производительности печи. Удельная производитель­ность современных печей взвешенной шавки на штейн в зависи­мости от состава перерабатываемого сырья колеблется в пре­делах 4,5 — 15 т/м² в сутки, т. е. находится примерно на том же уровне, что и удельная производительность отражательных печей, отнесенная к единице площади зеркала ванны, расположенной между откосами.

Для целого ряда шихтовых материалов снижение производительности агрегата ведет к резкому ухудшению его теплового баланса. В этих случаях становится необходимым сжигание в рабочем пространстве печи традиционных видов топлива, как это делается, например, в печи взвешенной плавки на штейн, работающей на медеплавильном заводе фирмы «Норддойче Аффинери». С той же целью на аналогичной печи фирмы «Тамано» в отстойнике установлены электроды, позволяющие организовать электрообогрев ванны, одновременно интенсифицируя в ней процессы тепло- и массопереноса,

В печах для плавки в жидкой ванне интенсивность процессов теплообмена в зоне технологического процесса на порядок выше, рем в газовой среде. Кроме того, процессы, протекающие в ванне, поддаются управлению при изменении параметров продувки. Поэтому в печах такого типа достигается высокая удельная произ­водительность при широком диапазоне регулирования содержания медив штейне.

Анализ тепловой работы печи, основанный на использовании балансных уравнений, позволяет оценить средние значения параметров, характеризующих интенсивность теплогенерационных и теплообменных процессов при автогенной плавке сульфидных материалов, но не дает информации о способах их достижения в условиях конкретного технологического процесса. В реальной практике выбор основных параметров плавки, энергетических характеристик и конструкции печи производятся, как правило, по данным экспериментальных условий.