Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра металлургии цветных металлов

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПЕЧИ

Лабораторные работы для студентов

специальности «Металлургия цветных металлов»

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2005

УДК 699.041(075)

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ПЕЧИ: Лабораторные работы / Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост.: Л.М. Шалыгин, Г.В. Коновалов. СПб, 2005. 68 с.

Лабораторные работы знакомят студентов с технологическими, энергетическими, теплообменными, гидроародинамическими и механическими процессами, протекающими в металлургических аппаратах. В работах широко используется моделирование и теория подобия.

Лабораторные работы предназначены для студентов очной формы обучения специальностей 110200 «Металлургия цветных металлов».

Табл. 3. Ил. 12. Библиогр.: 6 назв.

Научный редактор зав. каф. МЦМ, д.т.н., проф. В.М. Сизяков

 Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова, 2005 г.

Введение

Лабораторный практикум по курсу «Металлургические печи» ставит своей целью дать студентам основы знаний комплексной теории печей, разработанной проф. Д.А. Диомидовским, главным положением которой является взаимосвязанность и взаимообусловленность технологического, энергетического, теплообменного, гидроаэродинамического и механического процессов.

Лабораторные работы не только устанавливают сущность процессов и устройств металлургических аппаратов, но и содержат элементы исследования изучаемого процесса, основанные на физическом моделировании.

Перед началом работы в лаборатории следует детально ознакомиться с правилами техники безопасности и распорядком занятий.

Лабораторная работа выполняется в следующем порядке: освоение теоретических положений, собеседование, проведение эксперимента, составление по работе отчета и его защита. По окончанию работы студент должен привести в порядок рабочее место.

В отчете по лабораторной работе должны быть изложены краткие теоретические сведения о процессе, дано описание и схема экспериментальной установки, показаны полученные результаты, раскрыты математические расчеты и сделаны выводы по работе.

При защите отчета студент должен проявить знания по теории исследованного процесса, знать методики определения измеряемых величин, уметь технически грамотно объяснить полученные экспериментальные данные и доказать обоснованность выводов.

При расчетах и составлении отчета следует уделить внимание значениям параметров, входящих в расчетные формулы, т.к. в некоторых лабораторных работах используются внесистемные единицы измерения.

Работа считается законченной при успешной защите отчета, после чего студент допускается к выполнению следующей работы.

Работа 1. Экспериментальное исследование условий псевдосжижения в системе дисперсный материал – газ применительно к работе печей для обжига в «кипящем слое»

Обжиг в «кипящем слое» основан на взаимодействии восходящего газового потока со слоем измельченного материала. Газовый поток является одновременно и носителем механической энергии, приводящей частицы материала в движение, и носителем того газообразного реагента, который предназначен для химического взаимодействия с веществом частицы. Наибольшее распространение «кипящий слой» получил в применении к окислительному обжигу сульфидных материалов, т.е. к процессу взаимодействия сульфидов с газообразным кислородом, подаваемым либо в виде воздушного дутья, либо дутья, обогащенного кислородом. В «кипящем слое» твердая частица находится в условиях, наиболее благоприятных для протекания взаимодействия твердой поверхности с газообразным реагентом. Поверхность частицы со всех сторон окружена газом, следовательно размер реагирующей поверхности достигает максимума, движение частицы обеспечивает энергичное удаление газообразных продуктов процесса с поверхности; соударение частиц обеспечивает разрушение и удаление твердой оболочки, образующейся при окислении, и, следовательно, постоянное обновление поверхности исходного вещества частицы.

В таких условиях процесс окисления протекает со значительно большей скоростью, чем при обжиге в слое, в результате чего производительность печи «КС» в несколько раз выше, чем, например, многоподовой. С этим свойством печи непосредственно связана и ее более высокая тепловая эффективность, поскольку соответственно повышенной производительности в единицу времени выделяется за счет экзотермических реакций большее количество тепла, что поясним на примере обжига сульфида металла.

МеS + 1,5 О₂ = MeO + SO₂ + q,

где q – тепловой эффект реакции, кДж/моль.

Если производительность печи в сутки обозначим А, т/сут или а = 1000А/24 кг/час, то в час выделится тепла: Q = qа/M_MeS

или Q = 41,7qА/M_MeS, кДж/моль, где M_MeS – молярная масса сульфида, кг/кмоль.

с очевидностью устанавливаем, что тепловыделение в единицу времени прямо пропорционально производительности. С другой стороны, потери тепла во внешнюю среду печью «КС» уменьшаются, т.к. сокращается время переработки единицы шихты. Время же является одним из значащих параметров потерь тепла во внешнюю среду: Q_внеш = _(t_пов – t_окр)F_т,

где _ – суммарный коэффициент теплоотдачи (учитывает конвекцию и тепловое излучение), кДж/м²часС; t_пов – температура поверхности, С; F_т – размер теплоотдающей поверхности, м²;  - время, час.

Таким образом, интенсивный характер процесса окисления, обусловленный спецификой кипящего слоя, обеспечивая одновременно повышение производительности и снижение потерь тепла во внешнюю среду, создает условия своеобразной концентрации выделяемого реакциями тепла непосредственно в слое и тем самым обуславливает возможность осуществления процесса в автогенном режиме, т.е. без затрат посторонних источников тепловой энергии. В ряде случаев, например, при обжиге никелевых сульфидных концентратов или файнштейна, тепловыделение в слое оказывается даже чрезмерным, что может привести к недопустимому повышению температуры. В этом случае прибегают к искусственному охлаждению слоя с помощью водяных холодильников или оборотной пыли. Отрицательной особенностью печей «КС» является повышенный пылеунос, требующий применения надежных систем пылеулавливания (большей частью в виде нескольких ступеней).

Цель работы. Поскольку все технологические и энергетические особенности обжига в «кипящем слое» являются производными от гидроаэродинамики этого особого состояния физического вещества – «псевдожидкого» или «кипящего», – определим экспериментально главные параметры «псевдоожижения»:

1. величину предельного дутья, приводящего дисперсный слой в нестабильное состояние, т.е. к начальному этапу псевдоожижения. Эту величину принято обозначать расходом дутья в минуту на 1 м² сечения печи, т.е. нм³/м²мин.

2. Характер изменения сопротивления слоя дисперсных частиц в зависимости от расхода дутья.

Вывод уравнения равновесной твердой частицы под динамическим воздействием газового потока.

Примем, что частица имеет сферическую форму.

Объем сферической частицы: _и = r³ = d³, м³

где d – диаметр частицы, м; _и – удельный вес частицы, кГ/м³; _г – удельный вес газа, кГ/м³.

Гравитационная сила, действующая на частицу вертикально сверху вниз: m = _и_и =  d³_и = 0,17d³_и, кГ

Скорость газового потока W_г, направленного снизу вверх, определяет динамический напор: h_дин = _г, кГ/м²

Расход газа на 1 м² (F = 1 м²) сечения печи составляет:

_г = W_гF = W_г1 [м³/с] = 60 W_г , м³/мин

Скорость: W_г = _г/601, м/с

Выражаем динамический напор через расход:

h_дин = _г = 1,410^-5 _г кГ/м²

Примем, что динамический напор действует на поверхность полусферы сферической частицы, составляющей S = 2r² или S = d²/2.

Сила динамического воздействия будет: Р_дин = h_динSК_ф, кГ

где К_ф – коэффициент формы, учитывающей, что газовый поток «обтекает» частицу; примем К_ф = 0,75:

Р_дин = 1,410^-5 _г0,75d²/2 = 5,2510^-6 _гd², кГ

Условие динамического равновесия, соответствующее моменту наступления нестабильности: Р_дин = G

5,2510^-6 _гd² = 0,17 d³_ч,

Откуда «предельное» количество дутья составит:

К_пред = 180 , нм³/м²мин

Обратим внимание, что это выражение получено для условия, что газовый поток приходится на полное сечение печи. Поскольку часть этого сечения заполнена частицами, следует ввести коэффициент, учитывающий реальный размер сечения тех каналов, по которым движется газ – т.н. коэффициент «свободного прохода» между частицами . Кроме того, следует учесть изменение объема газов, работающих в слое по сравнению с объемом дутья, которое имеет место в результате протекающих в слое химических взаимодействий, и изменение плотности газов за счет нагрева до температуры слоя.

Окончательно получим:

К_пред = 180  , нм³/м²мин

где  – площадь свободных проходов между частицами шихты, доли единицы;  – приведенный объем газов, образующихся на 1 нм³ дутья, нм³/нм³ (может быть 1 <  и  > 1); – приведенный удельный вес газа, кГ/нм³; t_с – температура слоя, С;  = 1/273.