Шахтная печь для термической обработки

                                          Федеральное агентство по образованию

                 Федеральное государственное образовательное учреждение

                               высшего профессионального образования

                       «Национальный исследовательский технологический  

                                                    университет                                                                    

                               «Московский институт стали и сплавов»

                                           Новотроицкий филиал

                                                      Кафедра МТ

                                Домашнее задание по теплоэнергетике

              на тему: „Шахтная печь для термической обработки”

                                                                           Выполнил: Медведева Е. В.

                                                                           Группа: ЭиУ-08-25

                                                                           Проверил: Нефедов А.В.

                                                 Новотроицк, 2010г.

    Содержание

Введение …………………………………………………………………..….…2

1 Шахтные печи цветной металлургии .............................................................4

1.1 Особенности тепловой работы .....................................................................4

1.2 Особенности теплообмена в слое …………………………….…….…...…8

2 Конструкция и основные показатели работы ………… ………………..…10

2.1 Устройство печи ………………………………………….……………..…10

Заключение…………………………………………………………………….20

Список использованной литературы ………………..………………….….…22

         Введение

В крупносерийном производстве применяются печи периодического и непрерывного действия. Учитывая специфику термической обработки данной детали выбираем печи периодического действия. Среди печей периодического действия наибольшее распространение получили камерные и шахтные электрические печи сопротивления. Для данной детали, имеющей форму полого цилиндра, целесообразно выбрать шахтные печи для всех видов термической обработки.

Печи электрические шахтные предназначены для термической обработки длинномерных металлических изделий в подвешенном состоянии, либо небольших изделий в специальных корзинах. Блочно-модульная конструкция, легковесная теплоизоляция позволяют транспортировать элементы печей в собранном виде на любые расстояния и обеспечивает оперативность монтажа. Печи комплектуются волокнистой теплоизоляцией, современными системами нагрева, тиристорными системами управления.

Шахтные печи имеет ряд преимуществ: относительная простота конструкции; компактность; низкий расход топлива, загрузка и выгрузка деталей механизирована для чего применяются электротельферы, мостовые краны; печи легко герметизируются с помощью песочных затворов. Их недостаток-это низкая производительность. С учётом размеров детали и годовой программы выпуска выбирают следующие марки печей:

- для цементации - шахтную муфельную электропечь сопротивления типа СШЦМ 6.12/9;

- для высокого отпуска - шахтную электропечь сопротивления типа СШЗ 6.12/7;

- для закалки - шахтную электропечь сопротивления типа СШО 6.12/10;

- для низкого отпуска - шахтную электропечь сопротивления типа СШЗ 6.12/7;

- для обработки холодом - холодильная установка КТХ.

Электропечи сопротивления шахтные серий СШО, СШЗ предназначены для нагрева металлических изделий и термообработки при температуре до 1200°C в окислительной (СШО) или в защитной (СШЗ) атмосферах.

Электропечи сопротивления шахтные муфельные типа СШЦМ предназначены для цементации, нитроцементации и термообработки различных видов изделий в атмосфере эндогаза с добавкой углеводородного газа и аммиака при нитроцементации.

Электропечи шахтные для азотирования типа США-4.4./6, США-4.6./6 предназначены для газового азотирования стальных изделий и для других видов термической и химико-термической обработки металлов с использованием атмосферы диссоциированного аммиака.

Данная тема актуальна, так как в шахтные печи обладают наилучшими условиями теплообмена, поэтому они очень экономичны, т.е. низкий расход топлива, что очень важно в процессе качественного производства.

Цель данной работы изучить шахтные печи для термической обработки, рассмотреть некоторые марки печей, изучить работу и конструкции шахтных печей.

1 Шахтные печи цветной металлургии

1.1    Особенности тепловой работы

Тепловая работа шахтных печей цветной металлургии отличается рядом особенностей, обусловленных видом и параметрами протекающих в них технологических процессов. Шахтные печи широко применяют на заводах цветной металлургии для плавки кусковой руды, брикетов, агломерата и различных промежуточных продуктов металлургического производства, имеющих кускообразную форму. Помимо этого шахтные печи используют для переплавки вторичных металлов и катодной меди. Конечным продуктом шахтной плавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн или черновой металл и шлак. При плавке кусковых материалов в печь сверху загружается шихта вместе с твердым топливом, роль которого обычно выполняет высококачественный кокс.

В зависимости от вида перерабатываемого материала топливные шахтные печи могут иметь два принципиально различных режима работы, основанных на газогенераторном и топочном процессах. Печи, работающие на базе газогенераторного процесса, применяют для плавки окисленных руд и аналогичных им по составу шихтовых материалов. В них на участке сжигания топлива, наряду с генерацией тепла, протекают процессы обра-зования газообразной восстановительной среды, содержащей большое количество оксида углерода (СО). Оксид углерода, образующийся в результате газогенераторного процесса, используется при плавке как реагент для так называемого непрямого восстановления оксидов металлов, содержащихся в шихте. Прямым восстановителем является кокс. Однако энергозатраты на восстановление окислов при использовании в качестве реагента кокса, отнесенные к килограмму углерода, в 2,45 раза выше, чем в случае применения оксида углерода.

Шахтные печи с режимом работы на базе топочного процесса применяют для переработки сульфидных материалов и переплавки вторичных металлов и катодной меди. В печах для плавки сульфидов кислород дутья используется при горении топлива и как реагент для окисления части сульфидов железа и элементарной серы, выделившейся при термическом разложении минералов. В печи, таким образом, поддерживается окислительная атмосфера. В шахтных печах, применяемых для переплавки вторичных металлов и катодной меди, газовая фаза не является реагентом технологического процесса. Для того, чтобы предотвратить угар металла, в рабочем пространстве печи обычно поддерживается восстановительная атмосфера. Однако образование больших количеств оксида углерода в процессе горения топлива является нежелательным явлением, так как оно сопровождается значительным потреблением тепла.

Шахтные печи цветной металлургии являются агрегатами непрерывного действия с режимом работы, характеризующимся неизменностью во времени основных параметров теплового и температурного режимов плавки. Конкретные значения параметров находятся в непосредственной зависимости от вида протекающего в печи технологического процесса и состава перерабатываемого сырья. В качестве примера рассмотрим процессы, осуществляемые в наиболее распространенных шахтных печах, применяемых на никелевых и свинцовых заводах.

Тепловая работа шахтных печей для плавки никельсодержащего сырья отличается крайней сложностью, и ее количественная оценка базируется на анализе теплового баланса процесса. Примерно 95-97 % тепла, используемого в зоне технологического процесса, поступает в нее при горении твердого топлива и 3-5 % в процессе шлакообразования. Эта энергия распределяется среди продуктов плавки следующим образом: примерно 40--45% расходуется на нагрев и расплавление шихты; 12-14 % - на осуществление эндотермических реакций и 21-22 % отводится с газообразными продуктами сгорания топлива и техническими газами. Потери тепла на нагрев воды в кессонах составляют около 22 - 24 %.Температурный режим плавки пока еще не поддается расчету и выбирается опытным путём. При определении его параметров необходимо учитывать, что протекающие в печи процессы нагрева и расплавления шихты сопровождаются многочисленными экзотермическими реакциями. К экзотермическим реакциям относятся, в основном, углерода и шлакообразование.

Эндотермические реакции протекают в широком диапазоне температур и могут быть условно разделены на три группы, к которым относятся: образование газообразного реагента-восстановителя, состоящего из оксида углерода; диссоциация содержащихся в шихте основных флюсов и сульфидирующих компонентов; восстановление оксидов и сульфидирование переходящих в штейн металлов.

Газообразные продукты сгорания топлива, фильтруясь через слой шихтовых материалов, поднимаются вверх по шахте и постепенно охлаждаются за счет того, что в процессе теплообмена передают тепло шихте и активно участвуют в эндотермических реакциях. Восстановление диоксида углерода (СО) начинается сразу же после выхода газов из зоны горения и продолжается до тех пор, пока они не охладятся до 700°С. Образующийся в этих условиях оксид углерода взаимодействует с оксидами содержащихся в шихте металлов. Наиболее интенсивно протекает восстановление оксида никеля, начинающееся при 250-300°С. Для восстановления магнетита до оксида железа, имеющего большое значение в процессах формирования шлака, необходимы температуры свыше 900°С и концентрация оксида углерода в газовой фазе не менее 23 %.

Тепло, полученное материалом слоя в процессе теплообмена, расходуется на нагрев и плавление шихты, а также на диссоциацию и сульфидирование. Диссоциация известняка и сульфидирующих реагентов типа пирита происходит при температурах свыше 600-650 °С. Реакции сульфидирования металлов идут в широком интервале температур от 800 до 1300 °С.

В нижней части шахты, где накапливаются жидкие продукты плавки, температурный режим определяется условиями наиболее полного разделения шлака и штейна. Температура шлака, как правило, поддерживается на уровне 1400°С, температура штейна во многом зависит от его состава. С уменьшением содержания серы в штейне его температура должна увеличиваться, чтобы избежать настылеобразования, связанного с выпадением кристаллов ферроникеля. Например, при концентрации серы в штейне около 15 % выделение кристаллов ферроникеля начинается при 1250С, а для штейна, содержащего 21 % серы - при 1100°С.

В шахтных печах свинцовых заводов плавят сырьевые материалы (агломерат), содержащие свинец в форме легковосстановимых оксидных соединений. В результате их переработки получают черновой металл, в который переходят также медь, олово, висмут, золото, серебро и некоторые другие компоненты шихты. Трудновосстановимые оксиды, например, железа и цинка, соединяясь с диоксидом кремния, переходят в шлак. Помимо оксидов металлов в шихте содержится небольшое количество сульфидных соединении, которые при плавке могут образовывать самостоятельную фазу -- штейн и шпейзу.

Восстановление оксида свинца начинается практически сразу после того, как шихта попадает в печь при температуре 160 - 180С. Интенсивность этого процесса нарастает по мере прогревания шихты, достигая максимального значения при температурax порядка 750-1000°С. Плавление шихты начинается задолго завершения процессов восстановления. Эвтектики сплав свинца и меди плавятся при 550 °С, смесь оксидов свинца и сурьмы при 550°С, ферриты свинца при 752 °С и т. д.

Легкоплавкая жидкая фаза образуется уже в верхних частях шахты и движется вниз гораздо быстрее, чем слой твердого материала. На своем пути она вступает в многочисленные технологические реакции с твердой шихтой и коксом. В результате в центральной части печи слой в основном состоит из кокса и остатков нерасплавившейся шихты. Между ними идет интенсивное взаимодействие, протекающее с. потреблением большого количества тепла, и поэтому температура на этом участке зоны технологического процесса невелика и составляет примерно 1300-1350С. То, что значительная часть оксидов восстанавливается непосредственно углеродом, влечет за собой некоторый перерасход кокса. В нижних частях шахты, где в зону технологического процесса подается газообразный окислитель (воздух, или дутье, обогащенное кислородом), до 75 % площади поперечного сечения печи занято коксом, свободным от шихты (коксовая постель). Температура здесь достигает 1400-1450°С. Жидкие продукты плавки на выходе из печи имеют существенно более низкую температуру: шлак порядка 1200°С, штейн 1000-1050°С.