В цветной металлургии широко используют топливные печи с жидкой ванной, в которых протекают разнообразные процессы: расплавление металла, расплавление рудной шихты с получением штейна, восстановление составляющих шихты с рас­плавлением продуктов плавки, расплавление чернового металла с его последующим рафинированием или заливка в отапливаемую печь жидкого металла с его последую­щим рафинированием и др.

2.5.1. Конструкции плавильных печей и их механизмов

Конструкции шахтных печей

Шахтные печи применяют на медеплавильных заводах для плавки кусковых сульфидных руд; на никелевых заводах — для плавки агломерата, брикетов и кус­ковых окисленных никелевых руд, а также кусковых сульфидных медно-никелевых руд; на свинцовых заводах — для плавки агломерата и переплава бедного штейна и шликеров; на оловянных заводах — для плавки шлаков и других оборотных материалов.

В шахтную печь загружают крупнокусковые материалы. Куски агломерата дол­жны иметь размеры 50-150, кокса — 50-100, других видов шихты — 15-100 мм. Жесткие требования к крупности материала обусловлены особенностями шахтной плавки.

Наличие в шихте между крупными кусками мелких кусков или пыли затрудняет прохождение газов снизу через шихту (ее газопроницаемость), что существенно снижает производительность печей.

В качестве топлива и восстановителя в шахтных печах используют кокс, загру­жаемый в строгой последовательности с порциями шихты. Расход кокса зависит от состава шихты. Для его снижения и интенсификации процесса плавки необходим подогрев дутья и обогащение его кислородом до 28-30 %.

Шахтные печи имеют в основном одинаковое устройство и принцип действия, и отличаются друг от друга лишь конструктивным исполнением отдельных узлов, что объясняется спецификой технологических процессов. Современные печи имеют прямоугольное сечение, но применяют и круглые печи, диаметр которых состав­ляет 1,5-1,6 м. Размер длинной стороны сечения прямоугольных печей зависит от заданной производительности. В печах для плавки свинца этот размер составляет не более 10 м, а для печей на медно-никелевых заводах достигает 26,5 м, что позволяет переплавлять до 2500 т шихты в сутки.

На рис. 2.81 показана принципиальная схема шахт­ной печи. Основными ее элементами являются: горн 1, фурмы 2, шахта 4, колошник 7 и газоход 8. Шихту загружают через окна 9, расположенные с двух сторон на колошнике по длинным боковым сторонам печи. В некоторых печах, имеющих открытый колошник шихту загружают сверху; в печах с закрытым колош­ником шихту загружают сверху через двухконусные аппараты, препятствующие поступлению атмосферно­го воздуха в печь).

Для защиты стенок 5 от повреждения шихтой за­грузочные окна оборудованы отбойными плитами 6. Снизу в разогретую шихту вдувают через фурмы 2 воздух, обогащенный кислородом. Воздух к фурмам подается от коллектора 3. В результате сгорания топ­лива и серы, содержащейся в шихте, в нижней зо­не шахты создается температура 1450-1500° С. Здесь шихтовые материалы расплавляются и жидкая фаза (продукты плавки) стекает вниз в горн. Горячие газы поднимаются вверх и подогревают опускающуюся навстречу им шихту. Температура уходящих в газоход 8 газов составляет 150-300° С.

В печах для выплавки медного штейна расплав (штейн и шлак) из печи выпус­кают непрерывно по водоохлаждаемому желобу, и они поступают в наружный горн для разделения. Штейн, как более тяжелый, оседает и периодически сливается через шпуровые отверстия, а шлак всплывает наверх и непрерывно сливается в ковш. Шпуровые отверстия забивают глиняными пробками с помощью пневматических пушек.

В печах для плавки никелевой шихты продукты плавки также перетекают из внутреннего горна в отстойный (наружный) горн, где штейн отделяется от шлака. Шлак выпускают из отстойника непрерывно через летку, а штейн — периодически через шпуровое отверстие. Выпуск продуктов плавки из печей для плавки свинца описан ниже.

На рис. 2.82 представлена одна из конструкций шахтных печей для свинцовой плавки. Печь содержит все главные элементы, присущие другим шахтным печам.

Она установлена на железобетонном фундаменте и охвачена металлическим карка­сом 8, собранным из вертикальных колонн, связанных горизонтальными ригелями.

Горн 1 установлен на подушке высотой до 300 мм, выложенной из красного кирпича на фундаменте печи. Кожух горна сварен из листовой стали толщиной 10-15 мм. Изнутри на кожух нанесен слой жаростойкого бетона, поверх которого

из хромомагнезитового кирпича выложена подина в форме обратной арки. В горне Скапливаются и отстаиваются продукты плавки — внизу свинец и выше слой шлака, между которыми иногда есть слой штейна. Свинец из нижней части горна непрерыв­но выпускается через сифон 2, расположенный на широкой стороне печи. В торцовой стене у верха горна расположен шлаковый сифон для непрерывного выпуска шлака и выпускной водоохлаждаемый кессон для периодического выпуска шлака. Из кес­сона по чугунному желобу и из сифона шлак (штейн) поступает в отстойник.

Шахта составлена из водоохлаждаемых плоских стальных кессонов 4 и 7, уста­новленных в два ряда. В нижней части кессонов размещены фурмы 3, соединенные посредством труб с коллектором 5 для подвода дутья.

Фурмы расположены в два ряда по высоте. Вода к кессонам подводится и отво­дится от них по коллекторам 6.

Колошник 9 составлен из отдельных стальных элементов и кладки. Шатер 12, укрывающий колошник, — это стальной футерованный кожух. Усилие от веса ко­лошника и шатра передается на каркас печи. Над шатром расположен газоход 13.

Загрузка печи осуществляется с двух продольных сторон через окна 15, каждое из которых оборудовано двумя шиберами 10, управляемыми лебедками 11 с электро­механическим приводом. Имеется площадка 16 для обслуживания печи и дверка 14 для сбивания настылей.

Конструкции отражательных печей

Отражательные печи применяют для переплава рудного сырья, а также для рафинировочных процессов. Термин «отражательные» они получили потому, что при горении топлива свод нагревается до высокой температуры и переизлучает (отражает) тепло, полученное им от газов, что способствует плавлению шихты. В качестве плавильных агрегатов отражательные печи широко используют при производстве меди, в качестве рафинировочных агрегатов их применяют при огневом рафинировании меди, никеля и свинца.

Отражательная плавильная печь состоит из фундамента, подины, стен, свода, металлического каркаса, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов плавки, топливосжигающих устройств и газохода (рис. 2.83). Ванны современных крупных печей имеют ширину 7-11,5 м, длину 30-40 м и глубину 0,8-1,2 м. Высота простран­ства над ванной достигает 2,85 м. Общая масса печи может превышать 3000 т, а масса расплава при глубине ванны 1 м составляет 1000-1200 т.

Печи устанавливают на железобетонном фундаменте, в котором предусмотрены вентиляционные каналы для охлажден испода.

На фундаменте размещена лещадь (под печи). Под современных печей выклады­вают из кирпичей в форме обратной арки, ранее для этого использовали динасовый кирпич, а на новых печах хромомагнезитовый. Толщина пода составляет 0,6-1,5 м.

Стены выкладывают из хромомагнезитового или магнезитового кирпича; толщи­на стен у лещади равна 0,75-1,0 м, а вверху 0,5-0,6 м.

Стойкость стен повышают закладкой в футеровку водоохлаждаемых кессонов. Печи снаружи укрепляют металлическим каркасом. Вертикальные стойки-колонны каркаса сваривают из швеллеров или двутавров и связывают их горизонтальными ригелями. Противоположные стойки соединяют стяжками с пружинами, которые компенсируют термическое расширение футеровки.

Свод малых печей (шириной 6-7 м) делают арочным из динасового кирпича. У больших печей своды хромомагнезитовые. Они могут быть арочными распорно­подвесными или подвесными; последние делают плоскими либо трапециевидными. На рис. 2.83 показана печь с арочным распорно-подвесным сводом.

Подвесной свод состоит из отдельных блоков, которые подвешивают на стальных подвесках к ригелям, расположенным над сводом поперек печи. Распорно-подвесной свод также собран из отдельных блоков, подвешенных на арочные опоры. Он вы­ложен в виде арки и поэтому частично опирается на подпятовые балки, уложенные вдоль боковых стен и приваренные к каркасу.

В качестве топлива применяют каменноугольную пыль, мазут, природный газ или смесь газа с мазутом. Для сжигания топлива служат горелки, установленные

в передней торцевой стене печи. Температура газов в головной части печи 1500- 1600°С, а в конце печи 1250-1300° С.

Продукты плавки (штейн и шлак) скапливаются в ванне по всей ее площади. Штейн (соединения меди с серой, железом, цинком, никелем) и шлак выпускают из печи с двух уровней: первый — со дна ванны, второй — с верхней ее отметки. Шлаковые окна, размещаются в задней торцевой стенке или в боковой стенке вбли­зи газохода на высоте 800-1200 мм от лещади. Штейн выпускают через сифонные устройства или через шпуры периодического действия, расположенные в одной из боковых стен печи.

Шпуровые отверстия кессонированы медными литыми плитами с залитыми в них трубами для охладителя. Для вскрытия и забивки отверстий применяют специаль­ные машины (пневматические пушки и прожиговые устройства).

В передней торцовой стене имеются окна для топливных горелок и окно для заливки конвертерного шлака. Заливку шлака ведут (рис. 2.83, а) из наклоняемого мостовым краном ковша 11 через желоб 10, установленный в окне.

.Конструкции устройств для загрузки шихты описаны в разделе 2.5.4.

Конструкция машины для вскрытия и закладки шлаковых окон

Одной из самых трудоемких операций при обслуживании отражательных пла­вильных печей является вскрытие и закладка шлакового окна. Раньше пробивку шлакового окна осуществляли вручную с помощью лома и кувалды и она длилась около 1 ч. С внедрением специальной машины (рис. 2.84) конструкции института «Гинцветмет» длительность этой операции сократилась до 4-5 мин. Машина вклю-

чает пневмоударник 14, который посредством кронштейнов 5-7 соединен с вер­тикально подвижной кареткой 8. Кронштейны в местах соединения между собой, с пневмоударником и кареткой имеют пневматические зубчатые муфты 6, позво­

ляющие фиксировать пневмоударник в требуемом положении. Каретка приводится в движение от пневмоцилиндра 11, на корпусе которого размещен (через блоки 18 и канат 10) контргруз 19, уравновешивающий массу подвижных частей. На каретке также предусмотрен пневмофиксатор, входящий в зацепление с зубчатой рейкой, закрепленной на направляющей раме. Наклон пневмоударника обеспечивается пнев­моцилиндром 15.

Машина работает следующим образом. При вскрытии шлакового окна с помощью водила 4 пневмоударник устанавливают в необходимое положение и подают сжатый воздух через трубы 3 и 17 в систему, вследствие чего срабатывают зубчатые муфты 6 кронштейнов и фиксируют пневмоударник в горизонтальной плоскости. Необходи­мое вертикальное положение пневмоударника достигает перемещением каретки по вертикальным колоннам 9. После полной фиксации пневмоударника осуществляют пробивку окна 12 для выпуска шлака в желоб 16. При закладке шлакового окна на поддон укладывают огнеупорную глину и подводят пневмоударник с толкателем на штоке 13. Шток, перемещаясь вперед, сдвигает глину в окно и перекрывает поток шлака. После короткой выдержки шток с толкателем возвращается в исходное положение. Управление машиной осуществляется рукояткой 2 через золотник 1.