3.2.2. Оборудование отражательных печей
Отражательные печи применяют не только для переплава рудного сырья, но и для рафинировочных процессов. Термин «отражательные» они получили потому, что при горении топлива свод нагревается до высокой температуры и переизлучает (отражает) тепло, полученное им от газов, что способствует плавлению шихты. В качестве плавильных агрегатов отражательные печи широко используют при производстве меди, в качестве рафинировочных агрегатов их применяют при огневом рафинировании меди, никеля и свинца.
Плавильные печи. Отражательная плавильная печь состоит из фундамента, подины, стен, свода, металлического каркаса, устройств для загрузки шихты и выпуска продукта плавки, топливосжигающих устройств и газохода (рис. 151). Ванны современных крупных печей имеют ширину 7 – 11,5, длину 30 – 40 и глубину 0,8 – 1,0 м. Высота газового пространства достигает 2,85 м. Общая масса печи может превышать 3000 т, а масса расплава при глубине ванны 1 м составляет 1000 – 1200 т.
Рис. 151. Отражательная плавильная печь: а – продольный разрез (1 – фундамент; 2 – подина; 3 – ванна, 4 – свод; 5 – загрузочная воронка; 6 – подвеска; 7 – боковая стена; 8 – торцовая стена; 9 – горелка; 10 – желоб для заливки шлака; 11 – ковш; 12 – каркас; 13 – питатель; 14 – бункер; 15 – кран-балка; 16 – челноковый ленточный транспортер: 17 – газоход); б – поперечный разрез (1 – фундамент; 2 – подина; 3 – шпуровое отверстие для штейна; 4 – загрузочные воронки; 5 – люк; 6 – загрузочная тележка; 7 – коллектор для сжатого воздуха; 8 – желоб; 9 – соединительная тяга; 10 – арочная опора; 11 – свод; 12 – окно для заливки конвертерного шлака; 13 – отверстие для загрузки шихты; 14 – каркас; 15 – окна для горелок; 16 – сифон для выпуска штейна)
Печи устанавливаются на железобетонном фундаменте, в котором предусмотрены вентиляционные каналы для охлаждения и осмотра подины. Стены и подину выкладывают из огнеупорного кирпича, устойчивого против агрессивного воздействия расплава. Стойкость стен повышают закладкой в футеровку водоохлаждаемых кессонов. Печи снаружи укрепляют металлическим каркасом. Вертикальные стойки-колонны каркаса сваривают из швеллеров или двутавров и связывают их горизонтальными ригелями. Противоположные стойки соединяют стяжками с пружинами, которые компенсируют термическое расширение футеровки.
Своды печей могут быть подвесными или распорно-подвесньши. Подвесной свод состоит из отдельных блоков, которые подвешивают на стальных подвесках к ригелям, расположенным над сводом поперек печи. Распорно-подвесной свод также собран из отдельных блоков, подвешенных на арочные опоры. Он выложен в виде арки и поэтому частично опирается на подпятовые балки, уложенные вдоль боковых стен и приваренные к каркасу.
Печи работают на сырой (подсушенной) и обожженной шихте (огарок). Кроме шихты в печь заливают конвертерный шлак.
В качестве топлива применяют каменноугольную пыль, мазут, газ или смесь газа с мазутом. Для сжигания топлива служат горелки, установленные в передней торцевой стене печи. Температура газов в головной части печи 1460 – 1550 °С.
Продукты плавки (штейн и шлак) скапливаются в ванне по всей ее площади. Штейн (соединение меди с серой, железом, цинком, никелем и другими элементами) и шлак выпускают из печи с двух уровней: первый – со дна ванны, второй – с верхней ее отметки. Шлаковые окна, как правило, размещаются на задней торцевой стенке, а шпуровые отверстия для штейна – вдоль боковых стен. Шпуровые отверстия кессонированы медными литыми плитами с залитыми в них трубами для охладителя. Для вскрытия и забивки отверстий применяют специальные машины (пневматические пушки и прожиговые устройства).
Печи обезмеживания. Отражательные печи для огневого рафинирования свинца получили название печей обезмеживания по той причине, что их основным назначением является очистка свинца от меди. Кроме этого, свинец очищают от олова, мышьяка, сурьмы, благородных металлов, висмута, цинка и др. Очистку от сурьмы, мышьяка и олова осуществляют в аппаратах щелочного рафинирования, от серебра – в котлах, от цинка – в вакуумных аппаратах.
Печь обезмеживания (рис. 152) установлена на железобетонных столбах (на рисунке не показаны) и имеет стальной кожух, охваченный металлическим каркасом.
Рис. 152. Отражательная печь непрерывного ооезмеживания свинца
Стены ванны 1, свод 3 и газоход 6 выложены из хромомагнезитового кирпича. С наружной стороны печь на уровне расплава кессонирована. Вместимость печи 400 т, площадь зеркала металла 27,5 м2, глубина ванны 1,7 м. Печь отапливается природным газом с помощью двух горелок установленных в окнах 2 на торцевой стене. Черновой свинец из шахтных печей транспортируют краном в нефутерованных котлах вместимостью 2 – 4 т и заливают в печь по желобу 9. Твердые материалы (оборотные шликеры, соду, песок) загружают через окна 4 завалочной машиной. Залитый в печь свинец разогревается в верхних слоях ванны до 1000°С, а в нижних слоях он охлаждается до 400 – 600 °С и с другого конца печи выпускается через сифон 8 в котел. Для выпуска штейна и шлака на противоположной боковой стене возле газохода предусмотрено выпускное окно 7 с регулируемой высотой порога. Вначале выпускают шлак в изложницы, а затем штейн – в расположенную рядом другую отражательную печь небольших размеров, в которой осуществляется выделение свинца из штейна. Для контроля предусмотрено окно 5.
Дальнейшее глубокое обезмеживание происходит в рафинировочных котлах, обогреваемых топкой 2 (рис. 153). Котел 1 (вместимостью от 5 до 310 т, внутренним диаметром до 4 и высотой 3,3 м) представляет собой чугунную или стальную чашу со сферическим днищем, что облегчает чистку от настылей. Стальные котлы изготовляют сварными (котельная сталь марок 15К и 20К) и литыми (стали марок 15Л и 20Л). В сварных ковшах днище штампуют или сваривают из отдельных секций. После сварки котлы подвергают отжигу для снятия напряжений.
Рис. 153. Рафинировочный котел с мешалкой
В процессе очистки свинца, при введении в него реагентов, требуется периодическое перемешивание свинцовой ванны. С этой целью применяют различные механические мешалки: лопастные, пропеллерные, турбинные и др. Одна из мешалок 4, установленная на котле, показана на рис. 153. Вращение мешалке передается от электродвигателя 8 через вал 7 и коническую зубчатую ередачу 6, размещенную в закрытом кожухе. Мешалка смонтирована на раме 3 с траверсой 5 и транспортируется краном. Для ранспортирования расплавленного свинца по цеху и обеспечения его циркуляции в аппаратах рафинирования применяют центробежные (рис. 154, а) и винтовые (рис. 154, б) насосы вертикального исполнения. Насосы отличаются друг от друга только проточной частью и приводятся в действие от электродвигателей переменного тока с частотой вращения 1450 мин-1. Всасывание свинца центробежном насосе происходит по оси, а нагнетание – по касательной к рабочей части корпуса. В винтовом насосе всасывание и нагнетание происходит по оси. Производительность центробежных и винтовых насосов при напоре соответственно 7,5 и 2,5 м оставляет 30 и 150 – 200 т/ч. Все литые детали насосов изготовляют из серого чугуна марок СЧ15-32 и СЧ18-36. Перед пуском центробежные насосы обязательно прогревают в свинцовой ванне, в то время как для осевых достаточно прокручивания вала вручную или вхолостую от двигателя.
Высокая температура (500 – 600 °С) и примеси, находящиеся в свинце, являются причиной низкой стойкости насосов. Срок службы основных рабочих деталей не превышает 4 мес.
Анодные и вайврбарсовые печи. Черновые медь и никель, полученные в конвертерах и содержащие различные примеси, подвергают очистке в две последовательные стадии: огневое рафинирование в отражательных печах и электролитическое – в электролитных ваннах. На огневое рафинирование поступает черновая медь различного состава в твердом и жидком состояниях. Это объясняется тем, что территориально предприятия, осуществляющие выплавку и электролитическое рафинирование меди, часто находятся далеко друг от друга.
Печи для огневого рафинирования меди и никеля. Огневое рафинирование меди и никеля проводят в стационарных отражательных печах, наклоняющихся печах конвертерного типа и во вращающихся печах. Конструкция стационарных печей показана на рис. 155. Фундамент печи 2 делают из бетона. Для печей малой вместимости (до 100 т) фундамент печи должен быть монолитным. Большие печи имеют фундамент, выполненный из бетонных плит и опор. На бетонные опоры устанавливают чугунные плиты толщиной до 40 – 50 мм. Простенки и стены подвержены значительным термическим и механическим воздействиям, поэтому ванну, а иногда и стены облицовывают чугунными ребристыми плитами. Свод 11 печи опирается на подпятовые балки, которые в районе загрузочных окон охлаждают водой.
Кладка форкамеры 8 расположена на стальных плитах лещади 5, закрепленных на сварной металлоконструкции. Защитный кожух кладки форкамеры изготовлен из листовой стали толщиной 8 – 10 мм. Каркас печи состоит из колонн 7 и поперечных и продольных тяг 9 диаметром 50 – 60 мм.
Рис. 154. Центробежный и винтовой насосы для перекачки свинца: 1 – рабочее колесо; 2 – спиральный корпус; 3 – подшипник скольжения; 4 – вал; 5 – сборная колонка; 6 – шарикоподшипник; 7 – чугунная коробка; 8 – пальцевая муфта; 9 – нагнетательный патрубок; 10 – направляющий патрубок; 11 – винт
Рис. 155. Стационарная печь для огневого рафинирования
Лещадь рафинировочных печей выкладывают из огнеупорного кирпича в три слоя 4 кладки. Она имеет форму обратного свода. Между слоями кладки засыпают слой шамотного, динасового или магнезитового порошка толщиной 10—20 мм.
Твердую шихту (чушки, анодные остатки, лом и др.) и жидкий металл загружают через окна 10, расположенные в продольной стене, обращенной к загрузочному пролету. Обычно печи вместимостью до 150 т имеют два окна, а при вместимости свыше 150 т – три окна высотой 900 – 1200 и шириной 1500 – 1900 мм. Для съема шлака и операций «дразнений» используют торцевые окна 1 высотой 700 – 800 мм и шириной 600 мм. Окна прикрывают охлаждаемыми заслонками с пневматическим или электромеханическим приводом.
Печь отапливается природным газом или мазутом через горелки 6, расположенные в торцевой стене, противоположной шлаковым окнам. Металл выпускают через летку 3.
Анодная наклоняющаяся печь вместимостью 200 т показана на рис. 156 и предназначена для огневого рафинирования черновой меди. Конструкция печи аналогична конструкции горизонтального конвертера вместимостью 75 – 80 т. Бочка печи 4 изготовлена из листовой стали толщиной 30 мм. Торцевые крышки соединены с бочкой при помощи пружинных амортизаторов 8 для восприятия линейного расширения футеровки. Футеровка 5 печи выложена магнезитохромитовым или магнезитовым кирпичом. Бочка опирается на два бандажа 7, которые опираются на четыре самоцентрирующихся ролика 13 с балансирами. На одном из бандажей предусмотрен венец 9, входящий в зацепление с подвенечной шестерней привода 10, состоящего из двигателя 12 постоянного тока мощностью 16 кВт и редуктора 11.
В случае прекращения подачи постоянного тока действует двигатель переменного тока мощностью 16 кВт. Для подачи воздуха и газообразного восстановителя печь оборудована 20-ю фурмами 15, аналогичными применяемым в конвертерах. Фурмы металлическим рукавом соединены с коллектором 16. К коллектору воздух или газ из вертикального трубопровода подводится через патрубок 1 с сальниковым уплотнением. В передней торцевой крышке 17 располагаются газовые отопительные горелки 2 и окно 3 для розжига горелки и ввода в печь переносных окислительных трубок. В противоположной стенке сделано шлаковое окно. Для подачи шлаковых коробок со стороны шлакового окна 18 расположен электротельфер грузоподъемностью 3 т. Заливка жидкого конвертерного металла и отвод газов осуществляются через горловину 6. Горловина изготовлена из стальных листов и прикреплена к бочке болтами. Вокруг горловины установлен фартук из листовой стали толщиной 20 мм. Газы поступают в кессонированный напыльник, затем в газоход и трубу.
Рис. 156. Анодная наклоняющаяся печь
Рис. 157. Леточное устройство
Для выпуска меди печь имеет летку 14 диаметром 60 мм, совмещающуюся с осью бочки при наклоне печи на 60°. Конструкция леточного устройства показана на рис. 157. Оно состоит из массивного корпуса 1, в котором укрепляется с помощью клиньев 5 разъемная стальная обойма 2. В обойму вставляется керамическая трубка 3, а перед разливкой — сменный графитовый носок 4. Графитовый носок обмазывается смесью из огнеупорной глины и хромомагнезитового порошка, замешанных на жидком стекле. При такой обработке графитовый носок выдерживает несколько разливок.