Металлургией называется область науки и техники и отрасль промышленности, охватывающие процессы получения металлов из руд и др

Продукты гидрометаллургии. Основными продуктами металлургических процессов являются растворы и кеки.
Растворами называют продукты процесса выщелачивания, в которых растворённое вещество находится в состоянии молекулярного раздробления, что делает их весьма устойчивыми системами. Важнейшей характеристикой растворов является их концентрация.
Кеки твёрдые порошкообразные материалы. По природе образования различают два вида промышленных кеков:
1) нерастворившиеся остатки выщелачиваемого материала.
2) продукты (осадки) цементационного, химического или гидролитического осаждения растворённых материалов в свободном состоянии или в форме нерастворимых химических соединений.
Лекция №6. металлургическое топливо

ПЛАН.
1. Агрегатное состояние топлива.

2. Влияние качество топливо на конечные показатели металлургической переработки.

Многие металлургические процессы осуществляются при высоких температурах и связаны с затратами тепловой энергии. Необходимые температуры достигаются сжиганием топлива или за счёт электроэнергии.

Основные разновидности топлива имеют органические происхождение. В состав топлива входят углерод, водород, сера, кислород, азот, присутствующие в виде различных соединений и составляющие горючую массу. Кроме того, в топливе могут содержаться вода и зола – негорючая часть топлива, состоящая из оксидов алюминия, кремния, кальция и др.
По агрегатному состоянию различают твёрдое, газообразное и жидкое топливо, а по способу получения – естественное и искусственное. Искусственное топливо получают в результате направленной переработки естественного топлива.
В ряде металлургических процессов углеродистые материалы, помимо функцией топлива, выполняют роль восстановителей. При сжигании топлива выделяется теплота, количество которой зависит от химического состава и условий его сжигания. Количество теплоты, которое выделяется при сжигании топлива, называется теплотой сгорания топлива. Теплота сгорания выражается в следующих единицах: кДж/ кг, кДж/м³, кДж/моль. Для сравнительной оценки различных видов топлива введено понятие условного топлива с теплотой сгорания 29300 кДж/кг.
Большой практический интерес для решения вопросов экономного расходования топлива и электроэнергии представляет автогенная переработка сульфидных материалов с использованием внутренних энергетических ресурсов перерабатываемого сырья. При осуществлении автогенных процессов необходимые для их осуществления температуры получаются за счёт теплоты, выделяющейся при сгорании сульфидов перерабатываемой шихты, обладающих достаточно высокой температурой сгорания. Таким образом, в автогенных процессах сульфиды шихты, выполняя функции сырья, одновременно являются технологическим топливом. Использование автогенных процессов в цветной металлургии позволяет сэкономить большое количество углеродистого топлива или электроэнергии.
Сравнительная характеристика некоторых видов топлива, включая природные сульфиды, приведена в табл. 6.
Таблица 6.
Характеристика различных видов топлива

Топливо	Теплота сгорания (∙10^-3),кДж/кг	Содержание золы, %
Дрова	10,5-12,6	1-2
Торф	10,5- 12,6	5-12
Уголь: Бурый Каменный	8,4-21,0 21,0-29,0	До50 До40
Кокс	26,0-32,0	10-50
Нефть	41,9-46,0	До 0,5
Сульфидные руды и конц.	4,2-6,0	-
Природный газ	35,6-37,7*	-
* В кДж/м^3

Горение топлива осуществляется за счёт кислорода дутья: воздуха [21% (объём.) О₂], смеси воздуха с кислородом (обогащенное дутьё) или технологического кислорода [95-98% (объём) О₂].
Полнота сжигания топлива характеризуется коэффициентом избытка дутья α . Если количество дутья соответствует количеству необходимому для полного сжигания топлива, то α= 1. При избытке дутья α >1, а при недостатке α <1. Большой избыток воздуха невыгоден для сжигания топлива, так как вместе с избыточным кислородом будет поступать в ~ 4 раза больше количество азота, требующего теплоты для своего нагрева. Сжигание топлива обычно ведут при α > 1,05-1,1. Наиболее эффективно топливо сгорает в воздухе, обогащённым кислородом, или в технологическом кислороде, когда на единицу кислорода приходится меньше количество азота. При α >1 атмосфера печи будет окислительной, при α <1 горение неполное и в металлургическом аппарате создаётся восстановительная атмосфера, часто необходимая для технологических нужд.
Резко снижается эффективность сжигания топлива при высокой его влажности и большом содержании золы. Влага требует затрат теплоты на испарение и нагрев её паром до температур топочных газов, а зола ухудшает качество топлива и условия его сжигания. В металлургии стремятся использовать только высококачественное топливо с высокой теплотой сгорания и низким содержанием золы. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют природный газ, мазут, кокс и высококалорийный каменный уголь.
П р и р о д н ы й г а з . Природный газ является самым удобным видом топлива. Его легко транспортировать и подводить к местам потребления при помощи трубопроводов. Перед сжиганием газ не требует не какой подготовки. Природный газ содержит до 85-98% метана и других углеводородов. Основными примесями природного газа являются сероводород и конденсат (жидкие углеводороды). На территории СНГ основные месторождения газа находятся на севере Западной Сибири, в Узбекистане, в Саратовской и Волгоградской областях.
Ж и д к о е т о п л и в о. Основным видом жидкого топлива, используемого в цветной металлургии, являются мазут – остаток от перегонки нефти. Нефть и мазут представляют собой смесь различных углеводородов. Мазут является ценным сырьём для получения смазочных масел. Поэтому применение его в качестве топлива в настоящее время ограничено. Сжигание мазута осуществляют с помощью специальных форсунок. В которых его пульверизируют сжатым воздухом. Для лучшего распыления мазут перед подачей в форсунки подогревают до 80⁰ С.
К а м е н н ы й у г о л ь. Каменный уголь является продуктом природной минерализации растительных остатков. В зависимости от степени минерализации каменные угли отличаются содержанием свободного углерода, углеводородов, золы и битумов. В цветной металлургии, как правило, используют только высококачественные угли с низким содержанием золы (не более 15%) и высоким содержанием летучих веществ – углеводородов (желательно >25%). Каменный уголь сжигают преимущественно в виде угольной пыли. Для этого уголь дробят, измельчают до крупности 70-80 мкм, а затем сушат. Пылеуголь сжигают в специальных горелках, распыляя его сжатым воздухом.
К о к с. Кокс относится к искусственным видам топлива. Его получают путём сухой перегонки специальных сортов каменных углей при 900-1000⁰С в герметично закрытых камерах – коксовых батареях. При коксовании происходит термическое разложение каменного угля с отгонкой в виде газов и паров летучих компонентов. Летучие компоненты затем направляют в холодильник, где происходит конденсация ряда ценных компонентов, а очищенный коксовый газ выводят из холодильника и используют в качестве топлива для отопления мартеновских печей и ряда других нужд. Кокс является самым дорогим и дефицитным видом топлива. Его применяют только в тех случаях. Когда переработке подвергают кусковые и прочные материалы (например, в шахтных печах).
Лекция №7. металлургические печи

ПЛАН.

1. Основные задачи металлургических аппаратов работающих при высокой температуре.
2. Разновидности и классификация металлургических печей.

Многие процессы, связанные с производством металла (обжиг, восстановление, спекание, плавление, нагрев слитков), могут протекать только при умеренных (500-900⁰ С) или высоких температурах (1500-2000⁰ С). Нагрев материалов до требуемых температур осуществляют в специальных аппаратах – печах.

Рабочее пространство печи со всех сторон отделено от окружающей среды ограждением из огнеупорных материалов. Между наружным металлическим кожухом и огнеупорной (кирпичной) кладкой помещают слой теплоизоляционного материала. предупреждающего большие потери тепла в окружающее пространство. Печи оборудованы устройствами для загрузки и выгрузки обрабатываемого материала, топливосжигающими или другими устройствами для выделения в рабочем пространстве необходимого количества тепла. Во избежание преждевременного выхода из строя некоторые металлические конструкции печи или огнеупорная футеровка охлаждаются водой. В связи с большим количеством разнообразных печей целесообразно произвести их классификацию. Различают следующие группы печей.
1) По виду рабочего пространства:
- шахтные – рабочее пространство вытянуто вверх по вертикали;
- отражательные – рабочее пространство вытянуто в горизонтальной плоскости;
- вращающиеся трубчатые – процессы протекают в длинном цилиндрическом пространстве;
- камерные.
2) По виду используемой энергии:
- топливные – тепло, необходимое для обработки материала, выделяется за счёт сжигания твёрдого, жидкого или газообразного топлива;
- электрические – тепло образуется в результате преобразования электрической энергии.
3) По принципу организации теплопередачи:
- печи- теплогенераторы, в которых тепло выделяется – генерируется в объёме обрабатываемого материала (конвертеры, индукционные печи);
- печи-теплообменники, в которых тепло нагреваемому материалу передаётся извне (нагревательные, обжиговые печи);
печи смешанного типа (доменные).
4) По назначению:
- нагревательные (сушильные, обжиговые, термические для нагрева твёрдого металла и др.);
- плавильные – для превращения твёрдых шихтовых материалов в жидкие продукты – расплавы;
- теплообменники – для аккумуляции тепла, уносимого газом из печей и его последующего использования (, регенераторы, котлы- утилизаторы).
Часто процесс в шахтных печах непрерывный, основанный на противотоке: сверху вниз под действием собственного веса опускается шихта, состоящая из рудного материала. топлива, флюса. Снизу вверх поднимаются горючие газы, осуществляющие нагрев кусковой шихты. Горячие газы с температурой до 1200⁰ С вдуваются в нижней части печи через специальные отверстия – фурмы. В некоторых случаях горячие газы образуются внутри самой печи в результате горения перед фурмами кусков твёрдого топлива в атмосфере вдуваемого в печь воздуха. При использовании нагретого дутья температура продуктов горения может достигать до 2500⁰С. Пройдя длинный путь по межкусковым каналам шихты в слое высотой 5,0 -20 м, газы отдают часть тепла шихте и покидают печь с относительно низкой температурой – 100-400⁰ С, что обусловливает высокий коэффициент использования тепла в шахтных печах.

Рис. 1 Доменная печь
Одним из недостатков шахтных печей является невозможность перерабатывать порошкообразные материалы, слой которых обладает высоким газодинамическим сопротивлением.
В отличии от шахтных, трубчатые вращающиеся печи способны перерабатывать не только кусковые, но и порошкообразные сыпучие материалы. Трубчатая вращающиеся печь представляет собой длинный цилиндр (от 30 до 150 м) диаметром 3-5 м, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. На стальном кожухе печи имеется два или несколько кольцевых бандажей, которые опираются на роликоопоры. Вращение печи осуществляется с помощью зубчатой передачи. Скорость вращения составляет 1-3 об/мин. На разгрузочном конце печи имеется топка, в которой сжигается жидкое, газообразное или пылеугольное топливо. Факел горячих газов проходит над сыпучем материалом и выходит через загрузочный конец печи. Нагрев пересыпающегося материала осуществляется сверху - от факела и стенок печи и снизу – от нагретой футеровки. Для обеспечения перемещения материала от одного конца печи к другому ось вращения наклонена к горизонту под углом 2- 3⁰. По мере движения материала в печи происходит его нагрев до 500-1000⁰. вблизи разгрузочного конца печи температура материала может составлять 1300⁰ С. К числу недостатков вращающихся печей следует отнести значительно более низкую в сравнении с шахтными печами степень использования тепла.