3.2.5. Печи кислородно-взвешенной плавки
Необходимость экономии топлива и энергии, достигаемой за счет наиболее полного использования экзотермических процессов, а также потребность в повышении производительности и экономичности работы плавильных агрегатов привели к созданию печей кислородно-взвешенной (факельной) плавки (КВП или КФП). Основным преимуществом этого метода являются высокая производительность; возможность полной автоматизации процесса; высокая степень десульфурации и соответственно получение штейна богатого медью и даже черновой меди; высокая степень извлечения серы. В печах осуществляются два технологических процесса – обжиг и плавка сульфидного медного концентрата. При КВП топливо не расходуется, так как процесс протекает за счет тепла, получаемого в результате сгорания серы. Топливно-энергетические ресурсы расходуются только на производство кислорода, сушку концентрата, подачу воды на охлаждение и дутье.
На рис. 160 показана принципиальная схема комплекса КВП. Печь КВП 7 внешне сходна с отражательными печами. Как и отражательная печь. она состоит из фундамента, подины, свода, поперечных и продольных стен, газохода, металлического каркаса и имеет прямоугольную форму. Печь заключена в стальной кожух, сваренный из листовой стали. Каркас состоит из нескольких колонн, связанных между собой тягами. Свод печи распорно-подвесной и выполняется секциями длиной 4 – 5 м, между которыми предусмотрены температурные швы. Вместимость промышленной печи составляет 120 м3, а размеры ванны 20 x 6 м.
Пиритный концентрат из бункера 1 через аэропитатель 2 и аэротрубу 3 подается в печь с помощью кислородно-пиритных горелок 5. Контроль подачи осуществляют лотковыми индикаторами расхода 4. Сухую шихту и оборотную пыль из бункера 10 подают в печь инжекционными прямоточными шихтокислородньши горелками, обеспечивающими хорошее предварительное смешение шихты с кислородом. Горелки 9 расположены на торцевой стене под углом 5° к горизонтали на расстоянии 1,2 м от зеркала металла. Пиритнокислородные горелки 5 размещены на противоположной стороне печи.
Рис. 160. Комплекс КВП
Продукты плавки – штейн и шлак сливаются через шпуровые отверстия, сходные со шпуровыми отверстиями отражательных печей, соответственно в штейновый ковш 8 и шлаковоз 6. Размер шпуровых отверстий для штейна составляет не более 45 х 45 мм, а для шлака – не менее 100 х 100 мм. Желоба для выпуска штейна и шлака выполнены из медного литья, водоохлаждаемыми и футеруются огнеупорами.
3.3. Конвертеры
3.3.1. Горизонтальные конвертеры
При конвертировании получаются цветные металлы (черновая медь, никель, свинец) в результате окисления железа, серы и других составляющих штейна. Окисление осуществляется при 1200 – 1300 °С вдуванием в расплав воздуха, обогащенного кислородом, при давлении 0,08 – 0,12 МПа. Полученные оксиды с помощью флюсов выводятся из печи в виде шлаков, газов, возгонов и пыли. По расположению оси рабочего пространства конвертеры делят на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные конвертеры применяют для конвертирования ферроникеля. Гораздо чаще на металлургических заводах применяют горизонтальные конвертеры. Выпускают горизонтальные конвертеры с верхним отводом газов вместимостью 40 и 80 т. На рис. 161 показаны общий вид (а) и конструкция (б) горизонтального конвертера вместимостью 80 т с верхним отводом газов. Корпус конвертера 4 выполнен из листовой стали марок Ст3 и 09Г2С толщиной 36 мм. Днища 1 корпуса имеют толщину 32 мм и усилены кольцевыми и поперечными балками жесткости. Крышки соединены с корпусом стяжными шпильками с затяжкой гаек через пружины 8, сжатие которых компенсирует температурное расширение футеровки 17 при ее разогреве. В крышках предусмотрено по два люка для размещения горелок и ремонтных работ. Корпус усилен накладками 7 в местах его установки в бандажи и под горловиной в фурменной зоне.
Горловина 18 служит для выхода газов, загрузки и разгрузки конвертера. Ее устанавливают на корпусе под углом до 30° к вертикали и выполняют из стального и чугунного литья (25Л, 35Л, ЖЧХ–1,5, СЧ21–40 и др.). Для защиты фурм от брызг штейна, шлака и пыли, а также для лучшей герметизации горловины предусмотрены защитные кожухи-фартуки 5.
Рис. 161. Горизонтальный конвертер: а – общий вид; б – конструкция
Для футеровки конвертера применяют магнезитовый и хромомагнезитовый кирпич. Толщина футеровки 280 – 380 мм, а в области фурменного пояса ее увеличивают до 450 – 800 мм. Для компенсации температурного расширения футеровки применяют засыпку магнезитовым порошком толщиной 100 мм. Засыпка располагается между корпусом и футеровкой.
Бандажи 2 отливают из стали 35Л, 45Л, они могут быть разъемными и цельными. Как правило, бандажи имеют двутавровый профиль высотой 600 – 1000 и шириной 300 – 350 мм. Один из бандажей 9 отливают заодно с приводным венцом 10. Бандажи присоединяют к корпусу с помощью клиньев и шпонок. После выверки положения корпуса к нему приваривают клинья. Опорные ролики 20 парами крепят на балансирах 25 с цилиндрической шарнирной пятой 21, установленной на чугунных подушках 24. С помощью стяжных шпилек 23 регулируется взаимное положение подушек, обеспечивающее горизонтальность оси конвертера и требуемый зазор в зубчатой передаче. Опорные ролики устанавливают на роликоподшипниках в разъемных подушках, что позволяет сравнительно просто ремонтировать ролики и их опоры.
Шарнирной связью балансиров нагрузка равномерно распределяется по всем роликам и повышает надежность работы всей конструкции. Для крупных конвертеров нагрузка на ролик достигает 7,5 МН и поэтому ролики изготовляют диаметром не менее 650 мм из сталей 25Л, 35Л, 45 и 55Л.
В горизонтальных конвертерах опоры устанавливают под углом 30° к вертикали. Их смазка осуществляется от маслостанции.
Поворотный механизм конвертера состоит из основного 16 и аварийного 13 приводов. Основной привод включает асинхронный электродвигатель (типа МТМ–612–10 мощностью 50 кВт для конвертера вместимостью 80 т), трехступенчатый цилиндрический редуктор 15, зубчатую муфту 12, подвенцовую шестерню 22 и зубчатый венец 10. Материалом для изготовления подвенцовой шестерни служат стали 45, 45Л, 45ХН и 50Л, для зубчатого венца – литейные стали 35Л и 45Л.
Для фиксированной остановки конвертера в любом положении в линии привода предусмотрены два тормоза 14 постоянного тока (типа ТКП-400). В состав привода входит аварийный электродвигатель со своим источником питания (аккумуляторной батареей). С помощью этого электродвигателя конвертер выводится в устойчивое безопасное положение при отключении подачи электроэнергии или выхода основного электродвигателя из строя. Для крупных конвертеров применяют двигатель постоянного тока ДП-52 мощностью 32 кВт. При нормальной работе конвертер поворачивается с частотой вращения 0,7 мин-1.
Для подачи воздуха в конвертер используют цеховой воздухопровод. Воздух поступает через сальниковую сферическую самоустанавливающуюся головку в соединительный патрубок 11 одной из крышек. Чтобы облегчить работу сальникового устройства, его ось должна совпадать с осью конвертера. Дополнительно сферическое соединение прижимается к контактирующей поверхности с помощью пружин. Для регулирования подачи воздуха предусмотрена дроссельная заслонка, управляемая от автономного электропривода через планетарный редуктор. Крайние положения дроссельной заслонки фиксируются конечными выключателями. Разводка воздуха по бочке осуществляется по закольцованному коллектору 6, состоящему из труб диаметром 250 – 300 мм и расположенному выше фурм.
Воздух вводится в расплав через фурмоколлектор 3, фурмы и фурменные трубки. Из закольцованного коллектора воздух подается в фурмоколлектор 3. В новых конструкциях конвертеров он представляет собой коробку овального сечения, в которой перпендикулярно большой оси сделаны сквозные отверстия. С одной стороны к отверстию приварено клапанное устройство, с другой подсоединена фурменная трубка 19, входящая в конвертер.
Рис. 162. Клапанное устройство
Клапанное устройство (рис. 162) состоит из кольцевого уплотнения 1, запорного шарика 2, притертого к сферической седловине, и карманной полости. При подаче сжатого воздуха шарик прижимается к уплотнению и не пропускает воздух. При необходимости прочистки фурмы 3 и фурменной трубки 4 в фурмоколлектор через уплотнение вводится ломик. Ломик отжимает шарик от седловины и заталкивает его в карманную полость над седловиной. В этом положении уплотнение обжимает ломик и препятствует выходу сжатого воздуха в атмосферу. Как правило, все детали фурменного устройства подвергают термической обработке, шарики диаметром 50 – 80 мм стандартные, подшипниковые. Фурменные трубки при модернизации заменяют жаростойкими из легированных сталей.
Для отвода конвертерых газов в систему газоочистки почти вплотную к горловине и фартуку прилегает напыльник.
Применяют напыльники водоохлаждаемые и неводоохлаждаемые. Неводоохлаждаемые напыльники часто прогорают, поэтому в последнее время устанавливают водоохлаждаемые. Водоохлаждаемый напыльник собран из отдельных кессонов, образующих сферическую полость с плоскими стенками над горловиной. Передняя кессонная стенка напыльника не вплотную подходит к горловине и прикрывается передвижной заслонкой из жаростойких сталей. Форма напыльника обеспечивает герметизацию конвертера при его повороте при продувке на угол 30 – 35°.
При обогащении воздуха кислородом до 23 – 35% конвертерный процесс проходит автогенно, что позволяет перерабатывать концентраты и увеличивает концентрацию SO2 в газах. В случае перегрева температуру можно регулировать при помощи загрузки в ванну холодных флюсов, концентратов и других материалов крупностью 6 – 30 мм. Шихта подается из бункеров вместимостью 100 – 130 т в пластинчатый питатель и через ленточный транспортер в горловину. Таким способом на ряде заводов подают гранулированные концентраты. При содержании 2 – 4% влаги сыпучие материалы подаются в конвертер пневматическими установками. Если содержание влаги превышает 8%, то сыпучие материалы подаются к фурмам в виде пульпо-воздушной смеси, которая образуется в приемных камерах, содержащих сыпучий материал под воздействием струй воздуха, выходящих из форсунок. В приемную камеру материал поступает из бункеров с помощью насосов и роторных дозаторов; на ряде заводов он транспортируется по трубопроводам с малой скоростью воздухом низкого давления.
Система смазки механизмов конвертера смешанная; применяют централизованную густую смазку (УС-3), а для редукторов жидкую смазку. Существующие конвертеры с верхним отводом газов не позволяют полностью герметизировать конвертер. Этот недостаток устраняется в конвертерах с боковым отводом газов. Так, отечественная конструкция 40-тонного конвертера, разработанная СКВ ЦМ, отличается от описанного выше тем, что вместо одной из торцовых крышек к конвертеру жестко крепится П-образный газоход, заканчивающийся круглым отверстием, сопряженным с цилиндрической царгой. Для предотвращения выхода газов зазор между газоходом и царгой уплотняется по всему периметру. За царгой располагается пылевая камера с механизированным устройством для удаления пыли. Предусмотрено несколько люков для чистки конвертера и удаления настылей. При этом особое внимание уделяется созданию условий для механизированной очистки фурм и стационарного газохода.
Конвертер с боковым отводом газа, разработанный ОКБ ЦМ (рис. 163), состоит из корпуса в сборе с двумя бандажами, установленными на опорных роликах, привода поворота, системы подачи воздуха, загрузочной и газоотводящей горловин, пылевой камеры и водоохлаждаемых напыльников.
Корпус конвертера 13 выполнен из листовой стали (марка ВСт3) толщиной 20 – 45 мм. Внутри корпуса предусмотрена футеровка, для компенсации температурного расширения которой применяется слой засыпки из огнеупорного порошка. Со стороны газоотводящего отверстия к корпусу жестко крепится П-образный газоход 4, переходящий в царгу 16. Диаметр царги равен диаметру конвертера, и она изготовлена из листовой стали. Для усиления царги к ней приваривают ребра жесткости. В царге с наклоном 20 – 25° к вертикальной плоскости размещено га-зоотводящее отверстие. Отходящий газ, выходя из него, поступает в стационарную камеру-газоход 3. Для герметизации зазоров между царгой и стационарным устройством по всему периметру установлены высокотемпературные уплотнения 2. Для повышения надежности работы царги ее охлаждают циркуляционным потоком воздуха, проходящим между царгой и водоохлаждаемой цилиндрической оболочкой стационарного газоотводящего устройства. Контроль и механизированную очистку газоходов осуществляют через люки 1. В последнее время большое внимание уделяется прочности П-образного газохода. С этой целью его корпус усилен продольными и поперечными балками, имеются люки для осмотра и ремонта его футеровки.
Рис. 163. Конвертер с боковым отводом
В местах установки бандажей 5 и 8 корпус усилен накладками. Бандажи устанавливают на роликовые опоры 12, 14, снабженными устройством для регулирования в горизонтальной плоскости. Для равномерного нагружения опор применяют противовес 15, компенсирующий неуравновешенность П-образного газохода.
Поворот конвертера осуществляется от колеса 9, шестерни 11, редукторов и электродвигателя. На случай отключения подачи электроэнергии предусмотрен аварийный привод с питателем от аккумуляторной батареи. Остановку конвертера в любом положении обеспечивают электромагнитные тормоза.
Загрузочная горловина 6 расположена строго вертикально. Для устранения возможных выбросов газа или расплава в цех загрузочная горловина перекрывается водоохлаждаемой крышкой 7, подвешенной на подвижной стреле.
Конструкция конвертера с боковым отводом газов позволяет разделить его внутренний объем на две зоны – реакционную и отстоя. Такое усовершенствование позволило повысить выход газа, используемого затем в сернокислотном производстве, создать возможности для полунепрерывного слива шлака из конвертера и его загрузки во время дутья, повысить герметизацию конвертера и снизить выделение отходящих вредных газов в окружающую среду.
В конструкции применены типовые системы подачи воздуха 10: фурмоколлектор с фурменными трубками, трубопроводы, воздушная головка, системы управления и контроля. Система подачи воздуха обеспечивает его подвод в ванну и удобство обслуживания (чистки) и ремонта фурменных каналов с помощью специальных приспособлений.