Теплотехнические расчеты обжига никелевого файнштейна в кипящем слое.

IВиды огнеупорных материалов, их характеристикаПирометаллургические процессы осуществляются при высокихтемпературах, иногда выше 1500 °C в сильно агрессивных средах (расплавленные шлаки, солевыерасплавы). Для сооружения металлургических агрегатов и создания внутренней защитной футеровки используют огнеупорные материалы. Это строительные материалы, которыене размягчаются и не плавятся до 1600 °C и более. По составу онипредставлены оксидными системами. Огнеупоры классифицируют поогнеупорности, химико-минералогическому составу, химической стойкости.Огнеупорность - способность материала к длительному воздействиювысоких температур. Выделяют огнеупорные (1588-1770°С), высокоогнеупорные (1770-2000°С) и высшей огнеупорности (более 2000°С) материалы и изделия.Для уменьшения тепловых потерь в плавильных печах и нагревательных устройствах используют теплоизоляционные материал виде кирпичей, порошков и листов.Теплоизоляция (термоизоляция, тепловая изоляция) — это метод предотвращения или уменьшения передачи тепла одного тела другому помощью применения материала с низкой теплопроводностью.Теплоизоляционные материалы прокладывают между кожухом и кладкой в плавильных печах и нагревательных устройствах. Использование теплоизоляционных материалов приводит к уменьшению потерь тепла, т. е. к повышению производительности печи.Рабочая камера печи выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи слоем теплоизоляционного материала.Шамот-огнеупорная глина и каолин, обожженные при температуревыше температуры дегидратации (преимущественно при 1300 — 1500 °C). Шамот получают обжигом, как правило, во вращающихся или шахт, печах до той или иной степени спекания исходного сырья в виде естественных кусков или брикетов, изготовленных на ленточных, вальцевых и других прессах. Степень спекания шамота характеризуется водопоглощением, которое обычно составляет от 2-3 до 8-10% (для «низко-обожженного» шамота 20-25%). После дробления и измельчения шамот используется как основнойматериал для изготовления формовочных и неформовочных шамотных огнеупоров и огнеупорных бетонов. К шамотам относят такжеаналогичного назначенияпродукты обжига высокоглиноземестых иглиноземистых материалов.Теплоизоляционныйкирпич изготовляют из диатомита иликизельгура (гидратной формы кремнезема), глины, асбеста, вермикулита (тип слюды). Хорошим теплоизолятором является пористый легковесный кирпич - шамотный и каолиновый. В качестве теплоизоляционных порошков используют диатомит, инфузорную землю и порошковый асбест. В виде листового материала используют листовой асбест.Огнеупорные изделия применяют для строительства рабочего пространства и других элементов печей, работающих в условиях высоких температур и воздействия агрессивных сред - расплавов, окалины, газов.Чтобы уменьшить потери теплоты, футеровку печи по толщине делают, как правило, комбинированной: рабочий слой выполняют из огнеупорных, наружный слой - из теплоизоляционных изделий. Различают формованные огнеупорные изделия в виде кирпичей, блоков, панелей и неформованные: порошки, набивные массы, смеси для изготовления огнеупорного бетона. Для тепловой изоляции металлургических печей применяются два вида изделий: 1) легковесные пористые огнеупорные кирпичи: шамот-легковес, динас-легковес, диатомитовый и другие; 2) изделия в виде плит, ваты, войлока, картона, изготовленные на основе керамического волокна в смеси со связующим материалом, так называемые волокнистые огнеупоры. Легковесные огнеупорные кирпичи обладают большой пористостью и поэтому меньшей плотностью и теплопроводностью, чем обычные огнеупорные кирпичи. Чем меньше плотность кирпича, тем лучше его теплоизоляционные свойства, но ниже максимальная рабочая температура.Диатомитовый кирпич применяют только для наружного слоя тепловой изоляции стен и свода нагревательных печей.Огнеупорными называют материалы, способные выдержать температуру выше 1580оC и противостоять физическому и химическому действию металла, шлака и газов в печах. Развитие огнеупорных материалов производства в нашей стране тесным образом связанно с металлургией, которая потребляет до 60% огнеупоров.Физические свойства огнеупорных материалов состоят из:Пористость.Стойкость огнеупорных материалов во многом зависит от пористости, которая колеблется в широких приделах: от 1 в плавленых и до 80% в изоляционных огнеупорных материалахГазопроницаемостьТак как в огнеупорных материалах есть сквозные поры, то при наличии разности давлений между печным пространством и окружающей атмосферой через них могут проходить газы.С повышением температуры газопроницаемости огнеупоров понижается, так как вязкость газов с ростом температурю увеличивается. Газопроницаемость определяют стандартным методом.Исключение составляют магнезит и форстерит. Увеличение прироста приводит к снижению теплопроводности.Теплоёмкость огнеупоров имеет существенное значение при выборе материалов для регенераторов и печей периодического действия.Рабочие свойства огнеупорных материалов состоят из:Огнеупорность.Свойства материалов сохранять механическую прочность при высоких температурах без нагрузки называется огнеупорностью. Огнеупорность - одно из основных свойств, которое определяет возможность использования огнеупоров в определённых температурных условиях и зависит от химического состава и наличия примесей.Термостойкость.Способность огнеупорных материалов выдерживать без разрушения резкие колебания температур называется термостойкостью. Термостойкость характеризуется числом теплосмен, т.е. нагревов и последующих резких охлаждений изделия в воде или на воздухе. При охлаждении в воде изделие нагревают до 850є С, а затем охлаждают в проточной воде (одна теплосмена). Испытание заканчивается после потери более 20% массы (вследствие скалывания от термических напряжений).Механическая прочность.Огнеупоры должны обладать хорошей механической прочностью, так как при службе в печах они подвергаются сжатию и механическому истиранию. В условиях службы фактическая нагрузка на огнеупоры колеблется от нескольких единиц до 30 Н/см2 (3,06 кгс/см2) и почти никогда не превышает 80 Н/см2 (8,16кгс/см2)Механическая прочность, огнеупоров на сжатие колеблется в широких пределах, существенно зависит от температуры и характеризуется температурой начала деформации при нагрузке 20 Н/см2 (2кгс/см2).Температура начала деформации динаса при нагрузке 20 Н/см2 близка к его огнеупорности, что показывает хорошую строительную прочность динаса при высоких температурах.Шлакоустойчивость.Шлакоустойчивость огнеупоров, т. е. из способности противостоять разъедающему действию шлаков, зависит от химического состава шлака, пористости материала и температуры. Шлак, попавший на огнеупор, реагирует не только с его поверхностью, но и проникает по трещинам внутрь материала. Поэтому для кладки элементов плавильных печей требуются огнеупоры с низкой пористостью. Наличие плавней в огнеупорах снижает их шлакоустойчивость. Устойчивы к действию шлаков огнеупоры, поверхность которых не смачивается жидким шлаком, как например углеродистых изделий.Огнеупоры изготавливают в виде нормального кирпича и фасонных изделий. Формы и размеры стандартизированы.В процессе производства (сушки, обжига) изделия могут деформироваться. Отклонение от стандартных размеров усложняет кладку, которая становится менее плотной. Поэтому стандартными и техническими условиями ограничены отклонения от заданных размеров. Постоянство объема огнеупорных материалов. Сохранение пространства объема является положительным свойством огнеупоров, так как в этом случае в кладке не возникает дополнительных напряжений и ослаблении, которые могут привести к нарушению строительной прочности, особенно сводов и арок. Многие огнеупоры во время службы в печах изменяют свой объем в результате термического расширения, усадки, деформации при нагрузке.В некоторых огнеупорах (магнезитовых и хромомагнезитовых) процессы изменения объема (за исключением деформации при нагрузке) обратимы, т.е. после охлаждения нагретых изделий объем их остаётся таким же, как и до нагревания. В динасовых и шамотных огнеупорах наряду с обратимыми процессами идут и необратимые, в результате чего динас после службы в печах увеличивается в объеме, а шамот уменьшается. Хранение и транспортирование огнеупоров. Огнеупоры следует хранить в крытых складах с ровными деревянными или твёрдо утрамбованными земляными полами. При хранении огнеупоров на открытом воздухе механическая прочность их снижается в результате попадания из атмосферы влаги. Например, после одного года хранения на открытом воздухе сопротивление сжатию шамота и магнезита снижается на 30%, динаса - на 35%. На складах огнеупоры хранят в штабелях высотой не более 1,8 м с проходами между ними не менее 0,6 м, причём штабели укладываются в зависимости от вида изделий, марок, сортов и классов Наиболее ответственной частью футеровки проходных нагревательных печей являются участки монолитного пода, футеровка элементов шагающего пода, т.е. все элементы футеровки, подвергающиеся воздействию окалины при достаточно высокой температуре (1200 - 1250 оС), при которой окалина может активно взаимодействовать с огнеупорными материалами. В силу этого верхние слои таких участков футеровки печи обычно выполняют из хромомагнезита, магнезитохромита и талькового кирпича - материалов, не взаимодействующих с окалиной. Подину обычно выполняют трёхслойной: из хромомагнезита (или другого окалиностойкого материала); шамота класса Б; диатомитового кирпича.Своды печей выполняют арочными и подвесными. В качестве огнеупорного материала чаще всего используют шамот класса А и каолиновый кирпич.Стены печей выкладывают в низкотемпературных зонах двухслойными (шамот класса Б и диатомит), в высокотемпературных зонах трёхслойными (шамот класса А или каолин, шамот класса Б, диатомит).Шамотные огнеупорные изделия изготовляются из огнеупорных глин или алюмосиликатов с различными хим. свойствами и огнеупорностью. Наибольшее применение нашли шамотные изделия с содержанием глинозема 30-40%.Динасовые изделия изготавливают из кремнеземного сырья, кристаллических кварцитов (96-98% SiO2).Из перечисленных материалов изготавливают кирпичи и фасонные детали. На базе динаса и шамота изготавливают легковесы (меньше мех. прочность и теплопроводность), добавляя в кирпичи угольную крошку или опилки, которые при обжиге выгорают.Для этой печи принимаем, что свод печи выполнен из шамотного класса А толщиной 300 мм. Стены имеют толщину 460 мм, причем слой шамота составляет 345мм и слой тепловой изоляции (диатомит) 115 мм. Под печи двухслойный: высокоглиноземистый кирпич толщиной 230 мм и диатомитовый слой толщиной 115 мм.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ2.1Расчет материального баланса печиНа обжиг поступает файнштейн следующего состава: 77% Ni; 0.4% Co; 21% S; 0,3% Fe; 1% Cu; 0,3% прочие. Расчет ведем на 100 кг файнштейна. Рациональный состав файнштейна приведен в таблице 1.В таблице 1 представлено рациональный состав никелевого файнштейна.Таблица 1 – Рациональный состав никелевого файнштейна, %.Компоненты файнштейнаNiCoSCuFeПрочееВсегоNi3S256,02-20,36---76,38Ni20,98-----20,98Co-0,40,22---0,62Cu2S--0,251--1,25Fe--0,17-0,3-0,47Прочее-----0,30,3Всего770,42110,30,3100В таблице 2 представлен результат обжига получения огарка рационального составаТаблица 2 – Результат обжига, где получен огарок следующего рационального состава:ВсегоNiONi3S2CoOCu2OFe2O3ПрочееКг101,0691,27,50,511.120,430,3%10090,57,40,510,40,2Принимаем, что при обжиге образуется 30% пыли от массы файнштейна. Химический состав пыли практически не отличается от состава огарка. Для предотвращения спекания файнштейна в печи кипящего слоя осуществляем возврат пыли на обжиг. Ниже приведены в таблице 3 результаты расчета материального баланса обжига файнштейна.В таблице 3 представлен результат расчета материального баланса обжига никелевого файнштейна в кг.Таблица 3- Результат расчета материального баланса обжига никелевого файнштейна, кг.ПриходРасходаФайнштейн100Огарок101,6Оборотная пыль30Пыль30Воздух202,6Газы201,8Невязка0,8Всего332,6Всего332,62.2Расчет теплового баланса печиФизическое тепло файнштейна 0,22•100•30=660.Физическое тепловоздуха при 20оС равно 0,313•157•20=973Количество тепла, вносимогопылью: 0,2•30•100=600.Тепло экзотермических реакций:Ni3S2 (548480•66,88)/240,1=157061; Ni (58400•20,98)/58,7=20872,8;CoS (108000•0,62)/90,9=736,6;Cu2S (93000•1,25)/159,2=730,2;FeS(288800•0,47)/l 75,6=773,0.Всего540+1102,1+600+157061+20872,8+736,6+730,2+773,0=192418.Тепло, уносимое газами при 10500С, составляет: азота 1050•124,8•0,334=43750;кислорода 1050•5,4•0,354=2010; сернистого ангидрида 1050•13,3•0,537=7500.Всего 53260.Тепло, уносимое огарком: 0,2•101,05•1000=20210. Тепло,уносимое пылью: 0,2•30•1000=6000. Всего расходуется тепла:53260+20210+6000=79470.Потери тепла через стены и свод печи КС примем, согласно практическим данным, равными 15%, что составит 194517,6•0,15=299176,4 округленно 30000.Избыток тепла определяем по разности, он должен поглощаться элементами испарительного охлаждения. Полученные, данные сводим в таблицу 4 теплового баланса.В таблице 4 представлен тепловой баланс обжига в кипящемфайнштейна.Таблица 4 - Тепловой баланс обжига в кипящем слое файнштейнаПриход теплаРасход теплаСтатья балансаккал%Статьи балансаккал%Файнштейн660,00,33Газы5326026,7Воздух9700,49Огарок2021010,1Пыль600,00,3Пыль60003,0Экзотермическая реакции19241898,88Потери3000015,0Избыток9003545,2Всего194648100,0Всего194508100,0Утилизацией подсчитанного избытка тепла в системе испарительного охлаждения можно обеспечить выдачу следующего количества пара:90035•0,7/663=95,2 кг,где 0,7 - коэффициент полезного действия системы;663 - энтальпия пара при 9 ат.Таким образом, на 1 т обжигаемого файнштейна можно выдать примерно 1 т пара.2.3 Расчет коэффициента полезного теплоиспользования(КПТ) печиКоэффициент полезного теплоиспользования (ц кпт) может бытьнайден из следующего выражения [1]: 1где к. п. т-коэффициент полезного теплоиспользования;Qx-теплота топлива;Qпот - тепловые потери;|2.4 Расчет газоходного трактаСуммарные сопротивления или потери давления по трассе в процессе эксплуатации печи, как правило, увеличиваются вследствие заноса дымовых каналов пылью, увеличения подсоса воздуха через несплошности либо вследствие форсированной работы. По этим причинам величину суммарных потерь давления при расчете дымовой трубы принимают на 15- 20% больше рассчитанной. 2Скорость дымовых газов на выходе из трубыМ/сПри VD=0.159 диаметр устья: 3Примем высоту трубы Н’ =20 м.Тогда: температура дымовых газов в устье: 4средняя температура по высоте трубы: 5где to- средняя температура;ty - температура в устье;tk - тепловойкоэффициент;Найдем действительную высоту трубы по формуле 6где ζ – коэффициент местного сопротивления на выходе дымовых газов из трубы в атмосферу равный 1,06;λ – коэффициент трения о стенки трубы равный 0,05;ρвои ρдо– приведенные плотности воздух и дымовых газов кг/м3;Тогда, действительная высота трубы, составит:ЗАКЛЮЧЕНИЕНа основании выполненного исследования, мы узнали получение ник файнштейна, кратко описали технологию процесса. Изучили конструкцию и принцип действия печи кипящего слоя. Вспомнили виды теплопередач рабочем пространстве, тепловую работу. Охарактеризовали основное топливо.Сделали расчеты материального, теплового баланса, также КПТ печи кипящего слоя. Сделали расчет газоходного тракта.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВТеплотехника (часть1): Метод. указания по выполнен. курс. проекта для студентов направления 150600 – Материаловедение и технология новых материалов. Томск: Изд. ТПУ. 1997. – 28 С. Составитель: доцент, к.т.н. Б.Б. Овечкин.Теплотехника (часть 2): Метод. указания по выполнению курс. проекта для студентов направления 150600 – Материаловедение и технология новых материалов. Томск: Изд. ТПУ. 1997. – 16 С. Составитель: доцент, к.т.н. Б.Б. Овечкин.Китаев Б.И., Зобнин Б.Ф., Ратников В.Ф., Телегин А.С., Лисиенко В.Г., Братчиков С.Г., Казяев М.Д., Маркин В.П., Суханов Е.Л., Сучков В.Д. «Теплотехнические расчеты металлургических печей». – М.: Металлургия, 1970. – С. 515 – 517.Телегин А. С. Теплотехнические расчёты металлургических печей. - М.: Металлургия, 1987. – 528 сКривандин В. А. Металлургическая теплотехника. - М.: Металлургия,1986.– 424 с.Глинков М.А. Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1978. – 482 с.Глухов Е.Б. Расчет кладки печи на ПЭВМ: Метод.указания к выполн. курс. проекта. Томск: Изд. ТПУ, 1996. – 8 с.Альтгаузен А. П. Электротермическое оборудование.- М.: Энергия, 1980. –488 с.Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. - М.:Металлургия, 1985. – 404 с.Соколов К.Н., Коротич И.К. «Технология термической обработки металлов и проектирование термических цехов»: Учебник для вузов М.: Металлургия, 1988. – 384 С.