книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)
.pdfгде
Р
(3.121)
V 2 lp -(2 + 2 Р + Р-)
Масса образующегося на стенках камеры расплава зависит от коэффициента улавливания циклона, его производительности по ших те за вычетом возогнанных летучих соединений, содержащихся в ней, и степени десульфуризации (при переработке сульфидных концентра тов). В случае отопления циклона твердым топливом необходимо учитывать также количество золы, улавливаемой пленкой расплава. Таким образом, суммарный вес расплава Gz , протекающего через сечение z и единицу периметра камеры, может быть определен по формуле
G2= |
[ G o d - b - ^ + ^ j , В ] і)г |
|
|
|
F |
|
|
|
|
= W lx0. 1= ~ { 2 e P—(2 -f2P + P 2)]= |
T2*o |
1 |
(3.122) |
|
|
|
|J-o |
w |
|
где G0 — часовое количество шихты, загруженное в циклон; b — доля возогнанных соединений;
d— доля выгоревшей серы;
В— часовой расход топлива;
Ар — доля золы, содержащейся в топливе;
г)г — коэффициент улавливания на участке о—z циклонной ка меры.
Из последнего выражения можно найти толщину пленки распла ва на расстоянии z от верха камеры при условии равномерного осаж
дения золы и шихты на ее стенках: |
|
|
|
||
*о = |
f G2v)n0z |
|
P |
(3.123) |
|
Ft- |
Fr |
3 |
|||
|
|
||||
|
|
|
|||
V2 ep-(2 -\-2P+P-')
Средняя температура жидкой пленки расплава может быть най дена из уравнения
230
*0
|
tW(x)dx |
ItW(l)dl |
|
|
|
|
|
t c p |
0______ |
0 |
^лл (^n |
h) |
6ep (6+6р+ЗРД+Р3) |
J’ |
|
x0 |
1 |
2P[2ep - (2 + 2 P + P 2)] |
|||||
|
|
|
|||||
|
j* W{x)dx |
\W(l)dl |
|
|
(3.124) |
||
|
b |
о |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
тогда безразмерная средняя температура то может быть представле на в виде
, - J g = * L g l _ V - 1 6 + 6 Р + ЗР2+ Р З)
*пл-*о 2Р[2ер —(2 + 2 Р + Р 2)]
С другой стороны, средняя температура шлаковой пленки может быть выражена через поток ее массы и теплосодержания. Для неболь шого интервала интересующих нас температур теплоемкость распла ва (Ср) может быть без большой погрешности принята независящей от температуры:
* с р = ■ Q z c p • |
( 3 . 1 2 6 ) |
Именно средняя температура (fcp) определяет картину течения пленки расплава, так как она выше среднеарифметической темпера туры пленки расплава и ближе к поверхности, обращенной во внутрь камеры. Это обусловлено тем, что здесь расплав более перегрет, а сле довательно, менее вязкий и максимум скорости его стекания прихо дится на внешнюю поверхность пленки.
Благодаря малому перепаду температур по высоте камеры сред нюю вязкость расплава можно принять равной вязкости расплава, вытекающего из циклонной камеры. Величина вязкости может быть определена из выражения
Г |
6 ер —{ 6 + 6 Р + З Р - + Р 3) 1 |
(3.127) |
|1ср = |10е -рт“ = [А0е_р L |
2Р[2ер-(2+2р+р=)] Г |
Приведенный метод расчета позволяет выразить основные зави симости, характеризующие стекающий по стенке циклона расплав через известные величины и параметр Р. Однако для нахождения последнего необходимо составить еще одно уравнение, характеризую щее величину теплового потока, проходящего через пленку расплава.
В установившемся режиме количество тепла, проходящего через
231
гарниссажное покрытие, включая пленку расплава и количество теп ла, уносимое водой, охлаждающей кессоны, равны между собой и легко определяются по данным теплового баланса.
Воспользовавшись уравнением (3.115), перепад температур па толщине пленки расплава можно определить из уравнения
*пл-*о= - f . (3.128)
Когда изменение вязкости задано дискретными значениями (до пустим, известная вязкость ро при критической температуре to и вяз кость рі, соответствующая какой-либо температуре t), на основании соотношения (3.115) получим
^пл t0— Р(і1 - to) |
(3.129) |
In-Üü. !Ч
Используя выражения (3.125), (3.128) и (3.129), а также уравне ние теплового потока, проходящего через гарниссажное покрытие* запишем
. Х(*пл-*о> |
3 |
____ |
1 |
|
|
q |
X0 |
1 |
|
||
|
|
a y |
G tjpoZ |
|
|
|
|
|
F t |
‘3 |
|
|
|
|
|
/2 е р - ( 2 + 2 Р + Р 3) |
|
= |
________ |
|
М«і-*о)__________ |
(3.130) |
|
|
ln JMl-i V 'öeW |
1 |
|||
|
|
||||
|
Щ V |
F t |
---------------- |
|
|
|
|
|
У 2ep - ( 2 + 2 P + P 2) |
|
|
Из соотношения (3.130) получим уравнение для параметра Р;
3 |
3 ____ |
аіпУо \ f Gzr„x0z |
g0 - V 2ep—(24-2P+2P2) - |
Vf yf ° z - |
= |
|
T ~ |
|
3 |
________ |
|
gin |
G z W qZ |
(3.131) |
_______ P-i |
F t |
^■(fi—to)
Найденное значение параметра P позволяет по формуле (3.123) вычислить толщину стекающей пленки расплава, а по (3.120) — найти среднюю скорость стекающего слоя.
Температура поверхности расплава (гпл), обращенной к рабочему пространству плавильной камеры, находится по уравнениям (3.128)
/
232
или (3.129). Такая методика расчета позволяет также решить обрат ную задачу, т. е. определить величину теплового потока, если извест ны средняя температура расплава (/ср ) и средняя вязкость расплава
( р -cp
), соответствующая этой температуре.
С помощью (3.127) параметр Р можно найти из уравнения
6ер- (6 + 6 Р + З Р 2+РЗ)
Р^о=-Р
2Р[2ер-(2 + 2 Р + Р + ]
|
=1п-Ц2-=Ѳ . |
(3.132) |
|
|
|||
|
P e p |
|
|
|
|
|
|
Приведенные |
на |
рисун |
|
|
|||
ке 109 значения зависимо |
|
|
|||||
сти |
Ѳ = Ѳ(Р) позволяют |
из |
|
|
|||
уравнения (3.132) |
найти |
Р, |
|
|
|||
затем по формуле (3.123) вы |
|
|
|||||
числить толщину пленки рас |
|
|
|||||
плава (*о) и из соотношения |
|
|
|||||
(3.128) определить |
темпера |
|
|
||||
туру |
ее внешней поверхности |
|
|
||||
(+ л )• |
Таким образом |
опреде |
|
|
|||
ляются все значения, необхо |
|
|
|||||
димые для расчета теплового |
|
|
|||||
потока. |
|
|
|
Рис. 109. |
Зависимость величины і0; т'0; |
||
Проведенные нами [154] |
|||||||
|
д0; Ѳ от параметра Р. |
||||||
оценки показали, что в боль шинстве случаев для расплавов и шлаков, получаемых при переработ
ке различного сырья цветной металлургии, а также для большинства
угольных шлаков значения Р не выходят за пределы 1 |
6. |
С учетом этого величины Іо и то могут быть аппроксимированы |
|
линейными зависимостями |
|
/0= 1,453 + 0,134 Р, |
(3.133) |
то = 0,618+0,026 Р. |
(3.134) |
В том случае, когда известна величина теплового потока к рас плаву, параметр Р определяется из соотношения (3.131). С учетом за висимости (3.132) формулы (3.129) и (3.133) могут быть представле ны в виде
W = _____________ |
(3.135) |
(Х0(1,453+0,134Р)3
233
и |
|
*о = ]/^ ^ ^ (1 Д 53 -0,134 Р ). |
(3.136) |
Использование выражений (3.133)—(3.136) |
упрощает расчеты |
и практически не отражается на их точности, так как средняя квад
ратичная погрешность (3.131) |
в интервале |
1 < Р < 5 |
составляет |
а = 0,0012, а в интервале 1 < Р < 6 — 0,0026. |
|
приведенной |
|
Сравнение результатов, полученных расчетом по |
|||
схеме с экспериментальными |
материалами по |
энергетической цик |
|
лонной топке [157], а также с данными, полученными на полупро мышленной плавильной циклонной установке, показало хорошую схо димость [154].
Скорость движения пленки зависит от вязкостных характери стик расплава и находится в пределах 0,4—2,0 м/сек. При анализе сил, влияющих на движение пленки, не учитывалось взаимодействие газового вихря с поверхностью расплава. Влияние аксиального и тан генциального напряжений, обусловленных воздействием газового вихря на поверхность пленки, учтено в работе [152].
Расчеты показали, что средняя тангенциальная скорость шлако вой пленки в конце предтопки ВТИ, приобретаемая под влиянием
вращающегося |
газового вихря, составляет всего |
лишь 0,006 |
м/сек, |
а аксиальная |
составляющая скорости движения |
шлаковой |
пленки |
возрастает всего лишь на 8 % при аксиальной скорости газов у стенки
Ѵог =30 м/сек.
Таким образом, воздействие газового потока на скорость движе ния шлаковой пленки незначительно, соизмеримо с точностью реше ний и может не учитываться.
ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ КЕССОНИРОВАННЫХ И ОШИПОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Интенсификация пирометаллургических процессов неизбежно связана с некоторым повышением температуры в рабочем простран стве агрегата, что сопровождается сокращением срока службы огне упоров. Поэтому в последнее время наметилась тенденция ограждать наиболее теплонапряженные участки плавильных печей кессонированными поверхностями, охлаждаемыми водой или иными теплоно сителями.
Ограждающие поверхности плавильных циклонов подвергаются не только термическому воздействию горящего факела, но и интен сивно обрабатываются весьма агрессивными жидкими расплавами, состав которых определяется перерабатываемым сырьем.
234
Исследования показали, что практически бесплодны попытки изыскания огнеупоров, стойких против разъедания и вымывания об муровки циклонных камер, так как многие из них в этих условиях не обеспечивают длительности работы камеры более 100—120 час [13]. Поэтому циклоны должны выполняться водоохлаждаемыми. Образующийся на таких поверхностях огарниссаж не только пред охраняет металлические поверхности от непосредственного воздейст вия на них факела и расплава, но и существенно снижает тепловые потери с охлаждающей водой, а также способствует устойчивому го рению факела. С другой стороны, устойчивая пленка стекающего по стенкам расплава предопределяет улавливание перерабатываемого сырья и обеспечивает малый пылевынос из циклона.
Гарниссаж, покрывающий охлаждаемые стенки камеры, как уже отмечалось, состоит из твердого слоя, непосредственно примы кающего к металлической стенке, пластического и жидкого слоев. На границе между жидким и пластическим слоем возможно возник новение конвективных токов, так как стекающий расплав обладает свойствами истинной жидкости. Толщина гарниссажного покрытия изменяется в зависимости от температуры, развиваемой в рабочем пространстве камеры, и физико-химических свойств расплава.
В топках с жидким шлакоудалением на водоохлаждаемые экран ные ограждающие поверхности привариваются шипы, служащие ар матурой, которая обеспечивает надежное сцепление первоначальной набивки и замещающего ее в процессе работы гарниссажа с ме таллической поверхностью охлаждаемых элементов, а также пред отвращают в какой-то мере разрушение гарниссажа от термиче ских напряжений, возникающих при изменениях режима работы камеры.
Ошипованные водоохлаждаемые трубчатые и плоские панели в различных конструктивных модификациях используются в послед нее время в наиболее теплонапряженных участках современных до менных, мартеновских и конвертерных агрегатов. Это дает возмож ность повысить температурный уровень процесса и способствует уве личению срока межремонтной кампании агрегатов. На рисунке 110 показана конструкция ошипованного трубчатого экрана. Таким же образом может выполняться ошиповка плоского кессона. Для лучшего охлаждения огнеупорной обмазки используется шахматное располо жение шипов с определенным продольным и поперечным шагом их
приварки [Si и S2].
Согласно [152], охлаждение футеровки шипами определяется отношением общей площади сечения приваренных к трубе шипов к площади проекции, которая характеризуется плотностью шипования и находится по зависимости
235
е
|
|
|
Дп |
d?„ |
|
(3.137) |
|
|
/ш = 0 ,7 8 5 ^ - .^ ., |
|
|||
где |
ар— число рядов шипов; |
|
|
|
||
dmt |
|
— соответственно |
диаметр |
шипа |
и трубы экрана; |
|
Si, |
S2— соответственно |
продольный и |
поперечный |
шаги при |
||
|
|
|
варки шипов. |
|
|
|
А |
|
♦ |
Для плоской ошипованной стенки |
|||
Г |
|
|
|
|
|
|
ТФ>- Ф |
-ф- |
|
|
0,785 S,Sj |
(3.138) |
|
|
|
ф и ф |
|
/ ш= |
||
|
|
-ф- |
|
|
|
|
инедогоревшего кокса. Огнеупорность материала, используемого для обмазки, сама по себе не определяет срока службы набивки. При выбо ре последней необходимо учитывать физико-минералогический состав
исвойства получаемого расплава и футеровки, их возможное взаимо действие, температурный уровень процесса, а также газовую среду, поддерживаемую в периферийной области циклона.
Стойкость набивки, как и любого огнеупора, в значительной ме ре определяется ее плотностью, которая достигается обжигом. Однако условия обжига набивных огнеупорных масс в циклоне отличаются тем, что температура, необходимая для получения плотной структу ры, не может быть достигнута по всей толщине футеровки из-за боль шого градиента температур, обусловленного охлаждаемыми шипами
итрубами. Таким образом, хорошо обжигается только верхний слой. После его оплавления процесс эрозии набивки значительно ускоря ется, так как жидкий шлак легко проникает в поры низлежащих сло-
236
ев, которые представляют собой массу практически необожженного огнеупора.
Вследствие этого с течением времени обмазка замещается слоем гарниссажа, стойкость которого предопределяется условиями охлаж дения.
Приварка длинных шипов (Іш> 2 0 мм) нецелесообразна, так как в нормальных условиях толщина гарниссажа не превышает 10— 15 мм, и до этих значений шип быстро обгорает.
Уменьшение длины шипа оказывает значительное влияние на снижение температуры в нем и является эффективным средством уве личения срока его службы. В то же время плотность ошиповки слу жит основным фактором, определяющим температурный уровень на бивки, а следовательно, и срок ее службы [152].
В разработанной Ю. Л. Маршаком расчетной схеме принимается, что экранная труба развернута в плоскость, и набивка так же, как и шлаковое покрытие, имеет плоскую поверхность. Поэтому предло женные им расчетные зависимости могут быть полностью использо ваны и для циклонных камер, изготовленных из ошипованных ци линдрических обечаек или трубчатых змеевиков.
Средние значения плотности теплового потока, приходящегося на ошипованную тепловую поверхность плавильного циклона, прини маются в пределах (80—120)-10~3 ккал!м2-час. Верхний предел ука занной величины следует принимать при переработке тугоплавких материалов, когда температура газов, выходящих из циклона, должна поддерживаться на уровне 1500—1550°.
Средняя температура расплава, вытекающего из циклона, рас считывается по уравнениям, указанным выше.
Что же касается выбора состава набивной массы, методов ее при готовления и нанесения ее на ошипованную поверхность, а также тех нологии приварки шипов, то такие рекомендации подробно освещены в работах [152, 162].
Приведенные нами исследования по теплоотдаче от штейна и шла ков (табл. 13) к водоохлаждаемой металлической стенке показали, что тепловые потоки не зависят от расхода жидкости, протекающей через кессонированную поверхность [163].
С повышением температуры расплава от 1200 до 1360° тепловые потоки возрастают на 20—25%, а для плоской стенки, покрытой шла ковым гарниссажем и штейном, находятся в пределах (45—60)-
• ІО3 ккал/м2 ■час. Наибольшее значение характерно для штейна, наи меньшее — для шлака при одинаковой их температуре.
Необходимо подчеркнуть, что независимо от геометрии поверх ности кессона (кольцевого, плоского или трубчатого) и химического состава расплава теплообмен в основном определяется тепловым со
237
противлением твердого слоя гарниссажа, на который приходится более 80% суммарного теплового сопротивления.
В проведенных опытах толщина твердого слоя гарниссажа при
температуре расплава |
1250° |
для шлака |
1 составила 6Т= 12,0 мм; |
|||
для шлака 2 — 6Т= 17 мм; |
для шлака 3 — бт =21 |
мм; |
для штейна |
|||
— 6Т =25 мм. |
Соответственно значения коэффициентов теплопровод |
|||||
ности Хт =1,0; |
1,45; |
1,6 и 1,8 ккал/м-град. |
|
|
||
|
|
|
|
Таблица |
13 |
|
|
|
Состав шлаков и штейна, % |
|
|
||
Химичес |
Штейн |
|
Шлак |
|
|
|
кий состав |
1 |
2 |
3 |
|
||
|
|
|||||
SiO-, |
1,3 |
33,28 |
39,95 |
44,68 |
|
|
Fe |
|
(30,7) |
— |
31,88 |
25,38 |
|
Fe„03 |
43,85 |
43,84 |
— |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ALA) |
0,52 |
5,10 |
— |
— |
|
|
CaO |
0,57 |
7,26 |
8,46 |
6,5 |
|
|
MgO |
1,33 |
1,99 |
— |
— |
|
|
Pb |
|
0,96 |
0,24 |
0,29 |
0,16 |
|
Cu |
|
39,06 |
0,23 |
0,33 |
0,5 |
|
Za |
|
2,9? |
7,58 |
4,52 |
3,45 |
|
S |
|
15,62 |
0,84 |
— |
0,84 |
|
Прочие |
— |
1,13 |
20,63 |
19,33 |
|
|
Приведенные значения тепловых потоков позволяют определить расход воды, необходимый для охлаждения кессонов, омываемых рас плавом (шлаком или штейном), а также оценить ожидаемые потери тепла через такую поверхность.
ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ЦИКЛОННЫХ КАМЕР
Надежное моделирование циклонных процессов пока не разрабо тано ни экспериментально, ни теоретически. С этой целью изучалась работа серии различных по размеру геометрически подобных цик лонных камер при сохранении практически инвариатных значений всех характеристик перерабатываемого материала, теплового и техно логического процессов.
В результате были получены данные о влиянии диаметра циклон ной камеры на ее производительность. С другой стороны, производи тельность может быть однозначно охарактеризована удельным тепло вым напряжением, развиваемым в циклонной камере. Вследствие это го известный интерес представляет попытка оценить эту величину в соответствии с сформулированной выше схемой процесса.
238
В практике работы огнетехнических устройств определились основные технические характеристики, описывающие количественную и качественную сторону процесса, протекающего в них.
К важнейшим характеристикам такого порядка относятся:
1. Форсировка топочного устройства на единицу сечения
Qf (Гкал/м2 ■час).
2. Объемное теплонапряжение топочного пространства, так назы ваемое видимое теплонапряжение qv (Гкал/м3 • час).
Конкретные значения обоих параметров базируются на статисти ческой обработке показателей работы многочисленных топочных устройств.
Удельное теплонапряжение объема, на наш взгляд, наиболее пол но характеризует работу огневого устройства, так как дает возмож ность судить о его габаритах и способности сжигать топливо с доста точной полнотой тепловыделения.
Как было показано ранее, за исключением мелких частиц угле рода, успевающих выгореть в объеме, крупные частицы топлива до стигают стенки камеры и здесь выгорают. При такой трактовке схемы рабочего процесса для горения мелких частиц следует рассматривать внешнюю задачу — омывание газом движущихся в нем частиц, и внутреннюю задачу — движение газа внутри цилиндра, стенки кото рого покрыты выгорающими коксовыми частицами [164, 165].
В циклонных камерах происходит горение полидисперсного кол лектива частиц, распределение которого подчиняется зависимости
|
Д ,= |
100е-°г" , |
(3.139) |
где |
б — размер ячейки сита; |
|
|
|
Да — полный остаток на сите с размером отверстий б мкм, %; |
||
а— показатель крупности помола;
п« 1 — показатель его равномерности.
Весовую долю частиц кокса, не успевших выгореть в объеме, и се парируемых на стенку, можно определить из уравнения
1 1
(3.140)
Правая часть уравнения получена с помощью (3.91) при №ід = =ARe0-5, из которой следует, что тз~оі-5,
где Rc — остаток на сите с размером отверстий б0Ст (наименьший размер частиц, выгоранием которых в объеме камеры можно пренебречь);
239