Принципы и схемы автоматизации печей цветной металлургии

На некоторых предприятиях система управления тяговым режимом печи работает по импульсу от разрежения в холодной головке воздействием на дымовой шибер, установленный после пылеосадительных устройств. При этом температура отходящих газов учитывается вводом корректирующего воздействия в регулятор тяги. Иногда корректирующий импульс по температуре в холодной головке печи вводят даже в регулятор подачи воздуха, считая, что расход воздуха значительно влияет на тяговый режим печи. Выбор схемы автоматического регулирования тягового режима зависит от индивидуальных особенностей вельц-печи, от величины неорганизованных подсосов воздуха, от расположения и конструкции пылеосадительных устройств и т.д.

В нижней части печи, после реакционной зоны, происходит остывание клинкера и нагрев воздуха, поступающего в печь. Этот воздух необходим для горения коксика и для окисления паров возгоняемых металлов. Поэтому от температуры в нижней части печи зависит процесс восстановления и возгонки в средней зоне. Значения температуры в нижней части печи и в реакционной зоне технологически связаны. От этих параметров зависит в значительной степени полнота извлечения цинка и свинца из исходных материалов. Все указанные обстоятельства определяют необходимость регулирования температуры в нижней технологической зоне печи. Замеряют температуру клинкера на выходе из печи, а управлять температурой материала на выходе можно воздействием на подачу воздуха в печь. Регулирующий орган устанавливают перед вентилятором, а если поток воздуха разделяется на первичный и вторичный, то регулятор температуры в нижней головке может управлять подачей только вторичного воздуха. Для интенсификации процесса горения коксика и для окисления паров возгоняемых металлов предполагается вводить в печь воздух, обогащенный кислородом. В этом случае стабилизируется соотношение расходов воздух - кислород либо по содержанию кислорода в дутье после смесительной камеры регулируется его подача.

Давление воздуха после вентилятора характеризует дутьевой режим установки, а расход его, как уже было сказано, влияет на основной технологический режим вельцевания. Расход вспомогательного топлива (горючего газа) в печь необходимо контролировать для учета экономичности работы цеха.

Изменение тягового режима по газовому тракту установки свидетельствует о нарушении работы пылеосадительных устройств. Увеличение перепада разрежений на фильтрах может означать забивание их, а уменьшение - наличие неплотностей по тракту.

Режим горения коксика и частично режим восстановления паров металлов в реакционной зоне печи характеризуется содержанием свободного кислорода в отходящих газах печи. Установить строго определенную зависимость между ходом технологического процесса вельцевания и содержанием кислорода в отходящих газах трудно из-за наличия в установке больших подсосов воздуха и непостоянства состава исходных материалов. Тем не менее, непрерывный контроль количества кислорода в газах за печью позволяет вести режим вельцевания по технологическому графику.

4.2 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Приведенный выше анализ особенностей вельц-процесса для переработки цинковых кеков - побочных продуктов основного цинкового производства - показывает, что для обеспечения оптимальных условий протекания процесса необходимо в проекте автоматизации соответствующего отделения предусмотреть следующие системы автоматического контроля и регулирования:

1. Системы автоматического контроля и регулирования

- температуры в нижней головке печи;

- расхода коксика;

- расхода кека;

- температуры в верхней головке печи.

2. Системы автоматического контроля

- давления газа и воздуха на входе в печь;

- расхода газа и воздуха на входе в печь;

- температуры в реакционной зоне печи;

- разрежения на выходе из печи и перед эксгаустером;

- содержания кислорода в дымовых газах.

Номинальные значения выходных параметров рассматриваемого объекта автоматизации приводятся в табл. 4.1.

На рис. 4.2 представлена схема автоматизации вельц-процесса, включающая все перечисленные выше системы.

4.3 ОПИСАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

4.3.1 Система автоматического регулирования температуры в нижней головке печи

Температура в нижней зоне печи измеряют радиационным пирометром (поз. 5а), визированным на футеровку, выходящую из-под раскаленного клинкера, на расстоянии 4-6 м от среза печи, и вторичным прибором (поз. 5б). С прибора 5б сигнал поступает на автоматический регулятор (поз. 5в), а затем - на блок ручного управления (поз. 5г) - на магнитный пускатель (поз. 5д) - на исполнительный механизм (поз. 5е), изменяющий расход воздуха в печь с помощью поворотной регулирующей заслонки (поз. 5ж).

Таблица 4.1

№№ п/п	Наименование параметра	Единицы измерения	Номинальная величина
1.	Температура в нижней головке печи	оС	1150
2.	Температура в верхней головке печи	оС	650-700
3.	Расход коксика	т/ч	2,0
4.	Расход кека	т/ч	4,2
5.	Давление газа на входе в печь	кПа	10,0
6.	Давление воздуха на входе в печь	кПа	10,0
7.	Температура в реакционной зоне печи	оС	1200-1300
8.	Разрежение на выходе из печи и перед эксгаустером	Па	80,0
9.	Содержание кислорода в дымовых газах	%	2,5

4.3.2 Система автоматического регулирования расхода коксика

На схеме принята система стабилизации расхода коксика в печь. Расход измеряют ленточным весоизмерителем (поз. 8а), связанным со вторичным прибором (поз. 8б). Сигнал, пропорциональный расходу коксика, направляется на вход автоматического регулятора (поз. 8в), где он сравнивается с заданным расходом, а с регулятора регулирующее воздействие через блок ручного управления (поз. 8г) и магнитный пускатель (поз. 8 д) поступает на исполнительный механизм (поз. 8е), перемещающий шиберную задвижку бункера I.

4.3.3 Система автоматического регулирования расхода кека

Имеет точно такую же структуру, как и САР расхода коксика, и включает элементы 9а-9б-9в-9г-9д-9е-шиберная задвижка бункера II.

4.3.4 Система автоматического регулирования температуры в верхней головке печи

В систему регулирования входят: термопара (поз. 10а), установленная в холодной головке на расстоянии 0,5 м от среза барабана, электронный потенциометр (поз. 10б), автоматический регулятор (поз. 10в), блок ручного управления (поз. 10г), магнитный пускатель (поз. 10д) и исполнительный механизм (поз. 10е). Исполнительный механизм перемещает выдвижной дымовой шибер (поз. 10ж), увеличивая или уменьшая тягу через систему пылеулавливания.

4.3.5 Система автоматического контроля давления газа и воздуха на входе в печь

Для контроля давления используют отборные устройства (поз. 1а и 4а), бесшкальные монометры с электрическими преобразователями (поз. 1б и 4б) и вторичные приборы показывающие и самопишущие (1в и 4в).

4.3.6 Система автоматического контроля расхода газа

Для контроля расхода газа, поступающего в нижнюю головку печи, используют счетчик расхода (поз. 2а и поз. 2б), указывающий текущий и суммарный расходы газа.

4.3.7 Система автоматического контроля расхода воздуха в печь

Контроль осуществляется комплектом: сужающее устройство (поз. 3а), дифманометром с электрическим преобразователем (поз. 3б) и вторичным показывающим и самопишущим прибором (поз. 3в).

4.3.8 Система автоматического контроля температуры в средней зоне печи

Для контроля температуры в средней (реакционной) зоне печи установлены термопары (поз. 6а), соединенные последовательно, чтобы получить усредненный по сечению печи отбор температуры. Суммарная э.д.с. термопар передается на показывающий и самопишущий потенциометр (поз. 6в) через делитель напряжения (поз. 6б) с помощью токосъемного устройства. Необходимость в использовании токосъемного устройства вызвана тем, что термопары вмонтированы в барабан печи, который вращается, а сигнал с них необходимо передать на неподвижно установленный в щитовом помещении показывающий и самопишущий прибор - потенциометр. Само токосъемное устройство состоит из медных колец, закрепленных на корпусе печи, и меднографитовых щеток, скользящих по кольцам.

4.3.9 Система автоматического контроля разрежения на выходе из печи и перед эксгаустером

В комплект приборов входят отборные устройства (поз. 11а, 12 а), бесшкальные тягомеры с электрическими преобразователями (поз. 11б, 12б) и вторичные приборы (поз. 11 в, 12 в).

4.3.10 Система автоматического контроля содержания кислорода в дымовых газах

Система включает отборное устройство (поз. 13а), газоанализатор кислорода (поз. 13б) и вторичный показывающий и самопишущий прибор (поз. 13в).

5. АВТОМАТИЗЦИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ СПЕКАНИЯ ГЛИНОЗЕМА

5.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Термические процессы при производстве глинозема (в металлургии алюминия) встречают редко. К ним относятся в первую очередь спекание и кальцинацию, которые проводятся обычно во вращающихся трубчатых печах.

В печи спекания сода взаимодействует с бокситом с образованием твердой фазы алюмината натрия , а известь связывает кремнезем в силикат кальция , который впоследствии легко выводится из цикла. На рис. 5.1 представлена схема вращающейся трубчатой печи спекания. Дробленая бокситная руда в смеси с известняком и содой подвергается мокрому измельчению. Полученная пульпа поступает в верхнюю холодную головку III печи I.

Конструктивно печь спекания - это барабан диаметром 2,5-3,0 м и длиной 50-70 м. Скорость вращения барабана колеблется в пределах 1,0-2,0 об/мин. Время пребывания материала в печи превышает 2-3 ч. Печь отапливают природным газом с помощью горелок, установленных на нижней горячей головке II печи. Для сжигания газа в печь подается воздух. Отходящие газы проходят через пылеулавливающие устройства V (батарейные циклоны и электрофильтр) и выбрасываются в атмосферу дымососом VI. Пыль, собранная в пылеулавителях, содержит некоторое количество алюминия и потому возвращается в бункер возврата, откуда воздухом вдувается в печь по направлению потока газов. Температура спека на выходе из печи составляет 1100-1200 ^оС. Последующая гидрохимическая обработка чрезмерно горячего материала нарушает технологический процесс выщелачивания и снижает степень извлечения глинозема. Поэтому раскаленный спек после печи проходит через вращающийся трубчатый холодильник VII и, выйдя из него с температурой 110-130 ^оС, направляется на выщелачивание. Для охлаждения спека используется воздух, просасываемый через холодильник вентилятором IV, и вода, поступающая через брызгальные устройства VIII непосредственно на кожух холодильника. Подача в печь подогретого воздуха повышает температуру факела и экономичность сжигания газа.

Технологически печь можно разделить на четыре зоны. В первой по ходу материала зоне, в окрестности холодной головки печи, происходит дегидратация шихты, т.е. полное удаление влаги из нее. К концу этой подготовительной зоны материал прогревается до 900 ^оС. Вторая, средняя, зона служит для декарбонизации, т.е. для выделения углекислого газа из материала (разложение и ). Здесь же при температурах до 1200 ^оС начинается спекание. В третьей зоне при наиболее высоких температурах газового потока протекает основной процесс спекообразования, прогрев материала до 1200 ^оС и более. Основные технологические реакции связывания кремнезема в силикат кальция и образования алюмината натрия начинаются в середине зоны декарбонизации и заканчиваются в конце процесса спекания. Четвертая - зона охлаждения, температура шихты в этой зоне около 1100 ^оС.

5.2 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Производительность печи и степень полноты спекообразования определяются в значительной мере расходом пульпы, поступающей в печь. Система автоматического регулирования расхода пульпы должна обеспечить максимальную производительность печи при заданном качестве готового продукта. Качеством готовой продукции и является в данном случае степень полноты спекообразования, т.е. величина извлечения глинозема и окиси кремния из шихты. Способов непрерывного автоматического определения степени полноты спекообразования пока нет. Поэтому во всех внедренных вариантах систем регулирования расхода материала качество спека не учитывается. Самым простым вариантом является автоматическое поддержание расхода пульпы постоянным. При наличии систем автоматического регулирования плотности и состава пульпы в цехах подготовки ее (перед операциией спекания) стабилизация расхода пульпы в печь улучшает технологический режим спекания, повышает экономические показатели его. Однако, как и все вообще системы стабилизации отдельных технологических параметров, такая схема принципиально несовершенна. Здесь не учитываются неизбежные в производственных условиях колебания физических свойств и химического состава пульпы, изменения температур в печи и т.д.

Большое количество тепла расходуется в печи на испарение влаги, содержащейся в пульпе, а течение процесса спекообразования также зависит от получаемого материалом тепла. Следовательно, можно считать, что задача системы автоматического регулирования подачи пульпы состоит в соблюдении баланса прихода-расхода тепла при максимально возможной подаче материала. Эту же задачу можно сформулировать и иначе: обеспечить максимально возможную подачу материала в печь при сохранении заданного качества спека и максимально допустимой температуры в горячей головке печи.

При автоматическом поддержании температуры у горячей головки печи постоянной можно косвенно определить количество тепла, потребляемое материалом, по температуре в конце печи (в верхней головке). В такой системе при повышении температуры отходящих газов регулятор должен увеличить расход пульпы.

При этом для увеличения устойчивости системы регулирования целесообразно импульс по температуре отходящих газов ввести в качестве корректирующего в систему стабилизации подачи пульпы.

Как уже было отмечено, для нормальной работы системы автоматического регулирования подачи пульпы необходима стабилизация температуры у горячей головки печи. Постоянная температура факела улучшает режим спекообразования в третьей технологической зоне, позволяет снизить расход топлива. Система регулирования температуры в третьей зоне печи должна воздействовать на подачу топлива, как и в большинстве пламенных печей металлургии.

Известно, что экономичность режима горения любого вида топлива во многом зависит от правильной подачи воздуха. Наиболее распространенной схемой автоматического регулирования подачи воздуха является поддержание заданного соотношения расходов топливо-воздух. Этот же принцип может быть использован и для печи спекания. Установку задания регулятору соотношения производит дежурный персонал вручную в соответствии с показателями режима горения. Такими показателями могут служить содержание кислорода и двуокиси углерода в отходящих газах печи. Процентное содержание СО₂ в отходящих газах еще не определяет полностью режим горения, так как материал богат карбонатами, выделяющими углекислый газ. Поэтому предусматривается автоматический контроль двух компонентов газовой смеси.

Тяговый режим печи влияет на теплопередачу от потока газов к материалу. Изменения разрежения в холодной головке печи могут вызвать колебания температуры в первой зоне, что неблагоприятно отразится на работе системы автоматического регулирования подачи пульпы. С другой стороны, нестабильный тяговый режим ухудшает работу пылеосадительных устройств, увеличивает унос пыли в атмосферу. Уменьшение разрежения в холодной головке печи может вызвать выбивание газов из неплотностей горячей головки. Увеличение разрежения приводит к большим подсосам холодного воздуха и к смещению технологических зон в печи. Регулирование разрежения можно производить как и для большинства пламенных печей воздействием на поворотный шибер перед дымососом.

Контроль давления в горячей головке печи позволяет с большой точностью выбрать задание регулятору тяги, так как система автоматического регулирования тяги должна поддерживать в горячей головке печи небольшое разрежение или атмосферное давление. Кроме того, перепад давлений по печи характеризует движение газового потока вдоль нее, состояние внутренней поверхности барабана и т.п.

Распределение температур газового потока и температур материала вдоль печи является важным фактором процесса спекообразования, автоматический контроль температур дает возможность следить за ходом технологического процесса и вмешиваться в него по мере необходимости. Температуру внутри печи целесообразно контролировать в четырех точках. Стабильный режим спекания характеризуется определенными, известными для каждой печи границами технологических зон. Смещение этих границ в сторону горячей головки печи означает, что печь перегружена материалом, глинозем не полностью извлекается из шихты. Обратное смещение границ может свидетельствовать о недогрузке печи. Практически границы технологических зон можно определить по температурам в печи, поэтому такое значение придают системе контроля температуры.

Процесс охлаждения спека обычно не автоматизирован, так как нет необходимости поддерживать строго постоянную температуру материла на выходе из вращающегося холодильника. К тому же автоматический замер температуры спека не удается пока осуществить с достаточной степенью надежности. Поэтому управление подачей охлаждающей воды производят вручную с помощью вентиля. Количество охлаждающего воздуха, проходящего через холодильник, зависит от работы системы управления подачей воздуха в печь.

От распределения температур по газовому тракту зависит режим работы установок пылеулавливания. Контроль температур за холодной головкой печи и перед дымососом позволяет своевременно обнаружить различные нарушения режима работы газового тракта.

Положение и конфигурация факела в печи во многом зависят от давления воздуха перед горелками. Изменение этого давления вызывает перемещение факела вдоль печи, что отражается на спекообразовании. Контроль всех указанных параметров необходим обслуживающему персоналу для правильного ведения режима горения топлива в печи.

Проведенный выше анализ особенностей процесса спекания боксита с содой и известью в трубчатой вращающейся печи позволяет назвать системы автоматического контроля и регулирования, использование которых обеспечит высокие технико-экономические показатели процесса и предотвратит возникновение аварийных ситуаций на соответствующем производстве:

1. Системы автоматического регулирования

- расхода пульпы в печь с коррекцией по температуре в верхней головке печи;

- разрежения в верхней головке печи путем изменения положения заслонки на трубопроводе с дымовыми газами;

- температуры в нижней (горячей) головке печи путем изменения расхода природного газа;

- соотношения расходов газ-воздух путем изменения расхода воздуха.

2. Системы автоматического контроля

- содержания углекислого газа и кислорода в отходящих газах;

- температуры отходящих газов, газов на выходе из печи, температуры различных зон печи;

- давления воды, поступающей в холодильник, природного газа перед горелкой, горячего воздуха после холодильника;

- давления-разрежения в горячей головке печи.

Номинальные значения выходных параметров процесса спекания приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

№№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Номинальная величина
1.	Температура в верхней головке печи	оС	800-900
2.	Температура в нижней головке печи	оС	1100-1200
3.	Температура в печи по зонам	оС	800-1200
4.	Температура отходящих газов	оС	800
5.	Разрежение в верхней головке печи	Па	80
6.	Давление воды, поступающей в холодильник	кПа	200
7.	Давление природного газа перед горелкой	кПа	130
8.	Давление горячего воздуха после холодильника	кПа	100
9.	Содержание СО2 в отходящих газах	%	10-15
10.	Содержание О2 в отходящих газах	%	0,5-2,0

5.3 ОПИСАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ (рис. 5.2)

5.3.1 Система автоматического регулирования расхода пульпы в печь с коррекцией по температуре в верхней головке печи

Для измерения расхода пульпы обычно применяют щелевой расходомер истечения (поз. 4а). Щелевой расходомер истечения представляет собой бачок, разделенный на две камеры перегородкой. Пульпа подается в одну из камер, откуда через щель в перегородке перетекает в другую камеру, а из нее - дальше в процесс. Известная зависимость между уровнем во второй камере и расходом истечения позволяет судить о расходе. Уровень во второй камере расходомера измеряют по гидростатическому давлению столба пульпы в ней с помощью дифманометра (поз. 4б) со вторичным прибором (поз. 4в).

Температуру в середине зоны дегидрадации (испарения) измеряют вращающейся термопарой (поз. 5а) и электронным потенциометром (поз. 5б). Использование в качестве корректирующего импульса температуру внутри печи, а не после холодной головки ее позволяет избежать влияния подсосов холодного воздуха на датчик температуры и получить более представительный импульс. Сигналы по расходу пульпы от вторичного прибора (поз. 4в) и по температуре от потенциометра (поз. 5б) суммируются и поступают на вход автоматического регулятора (поз. 4г), который через блок ручного управления (поз. 4д) и магнитный пускатель (поз. 4е) воздействует на исполнительный механизм (поз. 4к), который изменяет положение регулирующего органа (поз. 4и) - специального пульпового клапана.

5.3.2 Система автоматического регулирования разрежения в верхней головке печи

Отбор импульса производится в верхней головке печи (поз. 6а), откуда сигнал направляется на бесшкальный манометр (поз. 6б), а затем - на вторичный прибор (поз. 6в), автоматический регулятор (поз. 6г), блок ручного управления (поз. 6д), магнитный пускатель (поз. 6е) и исполнительный механизм (поз. 6и), управляющий дымовым шибером (поз. 6к).



5.3.3 Система автоматического регулирования температуры в нижней головке печи

Контроль температуры осуществляется с помощью «вращающейся» термопары (поз. 9а), установленной в горячей зоне печи, и электронного потенциометра (поз. 9б). С потенциометра электрический сигнал поступает на автоматический регулятор (поз. 9в), блок ручного управления (поз. 9г) и затем - на магнитный пускатель (поз. 9д), который связан с исполнительным механизмом (поз. 9е), изменяющим положение регулирующего органа (поз. 9ж), установленного на трубопроводе природного газа.

5.3.4 Система автоматического регулирования соотношения расходов газ-воздух

Система имеет в своем составе приборы контроля расходов газа и воздуха. Расход газа и воздуха измеряют расходомерами, включающими сужающие устройства (поз. 12а, 13а), дифманометры (поз. 12б, 13б) и вторичные приборы (поз. 12в, 13в), сигналы с которых поступают на автоматический регулятор (поз. 12г), а затем - блок ручного управления (поз. 12д), магнитный пускатель (поз. 12е) и исполнительный механизм (поз. 12и), который управляет поворотной дроссельной заслонкой (поз. 12к) на трубопроводе подогретого воздуха после холодильника.

5.3.5 Система автоматического контроля содержания СО₂ и О₂ в отходящих газах

Система включает отборное устройство (поз. 1а), установленное в трубопроводе с дымовыми газами после циклона V, и газоанализаторы:

- электрический (поз. 1б) со вторичным прибором (поз. 1г) для определения содержания СО₂ в дымовых газах;

- термомагнитный (поз. 1в) со вторичным прибором (поз. 1д) для определения содержания О₂.

5.3.6 Системы автоматического контроля температуры в различных точках технологической схемы

Для измерения температуры газов на выходе из печи и после циклона используют термопары (поз. 3а, 2а), вмонтированные в газоход, и электронные потенциометры (поз. 3б, 2б).

Для измерения температуры в различных зонах печного пространства используют вмонтированные во вращающийся барабан печи термопары (поз. 7а), с которых через токосъемные устройства сигналы поступают на многоточечный электронный потенциометр (поз. 7б).

5.3.7 Системы автоматического контроля давления воды, природного газа и воздуха

Для контроля давления воды, поступающей в холодильник VII, используют отборное устройство (поз. 8а), бесшкальный манометр (поз. 8б) и вторичный прибор (поз. 8в).

Давление природного газа, используемого для отопления, измеряют комплектом: отборное устройство (поз. 11а), бесшкальный манометр (поз. 11б), вторичный прибор (поз. 11в).

Давление воздуха, поступающего из холодильника, измеряют на входе в нижнюю головку печи, используя отборное устройство (поз. 14а), бесшкальный манометр (поз. 14б) и вторичный прибор (поз. 14 в).

5.3.8 Система автоматического контроля давления - разрежения в горячей головке печи

Система включает отборное устройство (поз. 10а), бесшкальный тягонапоромер (поз. 10б) и вторичный прибор (поз. 10в).

6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ КАЛЬЦИНАЦИИ ГЛИНОЗЕМА

6.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Кальцинация гидроксида алюминия является завершающей операцией в технологии производства глинозема. Цель кальцинации - обезвоживание гидроксида алюминия и получение из него практически негигроскопичного глинозема. При получении металлургического глинозема это достигается нагреванием гидроксида до 1150-1250 ^оС. Под действием высокой температуры гидроксид алюминия испытывает следующие превращения. При 110-120 ^оС из гидроксида начинается удаление внешней влаги, при 200-250 ^оС соединение теряет две молекулы кристаллизационной воды и превращается в бемит; при температуре около 500 ^оС бемит превращается в безводный -Al₂O₃ и при температуре выше 850 ^оС происходит превращение -Al₂O₃ в практически негигроскопичный -Al₂O₃. Все эти превращения идут с поглощением значительного количества тепла, кроме превращения -Al₂O₃ в -Al₂O₃ (экзотермический процесс). Основное количество тепла затрачивается при нагревании материала до 500-600 ^оС, когда происходит разложение гиббсита с превращением его в бемит и испарение выделяющейся влаги.

На большинстве заводов кальцинация глинозема осуществляется в трубчатых вращающихся печах, а охлаждение прокаленного глинозема - в барабанных холодильниках. Аппаратурно-технологическая схема кальцинации показана на рис. 6.1.

Промытый гидроксид алюминия из бункера IX питателем X подается в смеситель XI, где смешивается с пылью, возвращаемой из газоочистных устройств, далее гидроксид по наклонной течке поступает в загрузочную (холодную) головку III трубчатой печи I, где прокаливается. Выходящий из печи глинозем охлаждается в холодильнике VIII, после чего транспортируется в бункера готовой продукции.

Для улавливания пыли, уносимой из печи топочными газами, установлены мультициклоны V и электрофильтры VI. Отопление печи осуществляется природным газом, подаваемым в горелку вместе с воздухом. Обычные размеры печей кальцинации следующие: длина печного барабана 50-75 м; диаметр его 3,0-3,5 м; длина холодильника 25-30 м; диаметр его 2,3-2,5 м. Уклон печного барабана 2,5-3,0 %, а холодильника 5 % к их длине. Чтобы ускорить охлаждение прокаленного глинозема, наружную поверхность холодильника орошают водой, с этой же целью через холодильник просасывают воздух вентилятором IV.

Гидроксид алюминия, перемещаясь внутри печи настречу горячим топочным газам, проходит ряд следующих температурных (технологических) зон, отвечающих определенным стадиям превращения кальцинируемого материала (рис. 6.2):



Рис. 6.2. Температурные зоны печи кальцинации.

1. Зона сушки (верхняя - наиболее холодная часть печи). Температура газового потока в этой зоне изменяется от 300 до 600 ^оС.

2. Зона обезвоживания или кальцинации (средняя часть печи). В этой зоне газы нагреты от 600 до 1050 ^оС, а кальцинируемый материал - от 200 до 950 ^оС.

3. Зона прокаливания (область факела горелки), в которой глинозем подвергается действию наивысшей температуры (температура газов 1050-1400 ^оС, а материала - 950-1250 ^оС) .

4. Зона охлаждения (нижняя часть печи), в области которой температура кальцинированного глинозема снижается от 1250-1200 ^оС до 1100-1000 ^оС. Из разгрузочной головки печи глинозем непрерывно пересыпается в холодильник, перемещаясь внутри которого, он охлаждается до 60-70 ^оС.

6.2 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Производительность трубчатой печи кальцинации обуславливается рядом факторов, важнейшие из которых - нормальный тепловой режим и равномерность питания печи гидоксидом и оборотной пылью.

При нормальном тепловом режиме кальцинации температура отходящих газов (измеренная в борове) должна быть 300-350 ^оС. Это служит указанием на надлежащую температуру в зоне прокаливания (1200 ^оС); кроме этого, при указанной температуре газов нормально работают электрофильтры и вентиляторы. Слишком высокая температура в печи может быть причиной загрязнения глинозема частицами огнеупоров от разрушения футеровки. При пониженной же температуре в печи получается недостаточно прокаленный глинозем, содержащий, кроме того, повышенное количество щелочи.

При достаточной полноте сгорания топлива и отсутствии подсосов воздуха в отходящих газах печи кальцинации должно содержаться 13-15 % СО₂ и не более 0,8 % СО. При неполноте сгорания топлива наблюдается его перерасход. Кроме того, в отходящих газах повышается содержание оксида углерода, что опасно из-за возможности взрыва такого газа в электрофильтрах под влиянием искровых разрядов.

Основными показателями качества прокаленного глинозема служат содержание в нем модификации -Al₂O₃ (не ниже 15-20 %) и содержание влаги. Поэтому, помимо контроля за температурой отходящих газов, необходимо систематически опробовать глинозем на содержание -Al₂O₃ и влаги.

В целом системы автоматического регулирования технологических параметров печи кальцинации аналогичны рассмотренным ранее для печи спекания. Так, регулирование загрузки материала в печь производится по импульсу от температуры отходящих газов. Регулирование подачи природного газа в печь осуществляется либо по сигналу от термопары в горячей головке печи, либо по схеме стабилизации подачи топлива. Таким образом, основной идеей автоматизации режима кальцинации является поддержание постоянного перепада температур в горячей и холодной головках печи, т.е. стабилизация тепловыделения в печи. При этом производительность печи по исходному продукту меняется в зависимости от качества гидроксида алюминия, содержания влаги в ней. Хотя указанные параметры и не измеряются автоматически, изменения их учитываются регулятором подачи материала в печь, так как они отражаются на температуре отходящих газов. Такая схема весьма экономична и позволяет удерживать в заданных пределах количество и качество готового глинозема.

Тяговый режим печи кальцинации регулируется так же, как и для печи спекания.

Таким образом, функциональная схема автоматизации процесса кальцинации глинозема во вращающейся печи включает следующие системы автоматического контроля и регулирования:

1. Системы автоматического регулирования

- расхода гидроксида в печь с коррекцией по температуре в верхней головке печи;

- разрежения в верхней головке печи путем изменения положения заслонки на трубопроводе с дымовыми газами;

- температуры в нижней (горячей) головке печи путем изменения расхода природного газа;

- соотношения расходов газ-воздух путем изменения расхода воздуха.

2. Системы автоматического контроля

- содержания СО₂ и СО в отходящих газах;

- температуры газового потока в различных зонах печи и газоходной системы;

- давления охлаждающей воды, природного газа и горячего воздуха на выходе из холодильника;

- давления - разрежения в горячей головке печи.

Номинальные значения выходных параметров печи кальцинации глинозема приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1.

№№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Номинальные величины
1.	Температура газа: - в 1-й зоне печи - во 2-й зоне печи - в 3-й зоне печи - в 4-й зоне печи	оС оС оС оС	300-600 600-1050 1050-1400 1300-800
2.	Температура газа на выходе из печи	оС	300-350
3.	Разрежение в верхней головке печи	Па	80
4.	Давление газа перед горелкой	кПа	130
5.	Давление воды на охлаждение	кПа	200
6.	Содержания СО2 в отходящих газах	%	13-15
7.	Содержания СО в отходящих газах	%	0,7-0,8

Принципы управления и описание систем автоматического регулирования и контроля здесь те же самые, что и при автоматизации процесса спекания, но в этом случае, во-первых, определяют содержание в отходящих газах СО₂ и СО и, во-вторых, изменение расхода перерабатываемого материала осуществляется путем перемещения шибера (поз. 4к) после бункера IX, с помощью исполнительного механизма (поз. 4и).

Функциональная схема автоматизации процесса представлена на рис. 6.3.

7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ МЕДНОЙ ШИХТЫ

7.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Печи для отражательной плавки получили наибольшее распространение в медной промышленности. Сущность отражательной плавки на штейн сульфидных концентратов и рудной мелочи заключается в том, что шихта плавится за счет тепла от сжигания углеродистого топлива в газовом пространстве над ванной расплава в печи с горизонтально расположенным рабочим пространством (рис. 7.1).

Шихту при этом загружают на ванну или на откосы вдоль боковых стен печи. Раскаленные топочные газы, проходя над поверхностью ванны и шихты, нагревают их, а также стены и свод, и покидают печь, имея еще сравнительно высокую температуру (выше температуры плавления шлака). Теплопередача в печи осуществляется в основном за счет лучеиспускания от раскаленных стен, свода и раскаленного факела.

Нагреваясь постепенно до высокой температуры, шихта плавится. Металлы, обладающие высоким сродством к кислороду, при этом концентрируются в оксидном расплаве - шлаке. Медь, никель, благородные металлы и часть железа и серы переходят в сульфидную фазу - штейн. Обладая ничтожной взаимной растворимостью и различной плотностью (так, плотность штейна 5 т/м³, а шлака - 3 т/м³), продукты плавки при отстаивании разделяются на два слоя: шлак располагается сверху, а штейн - под ним.



Рис. 7.1. Схема плавления шихты на откосах отражательной печи:

1 - загрузка шихты; 2 - факел горящего топлива; 3 - шихтовой откос;

4 - направления потоков теплоизлучения от факела.

В процессе плавки железо окисляется кислородом из оксида меди, а медь переходит в сульфид по следующей реакции:

.

Таким образом, при отражательной плавке происходит перевод основной массы пустой породы в шлак и концентрация ценных компонентов в штейне.

Отражательная медеплавильная печь выложена из огнеупорного кирпича. Длина печи достигает 35-40 м, высота - до 3,0-3,5 м. Ширина печи колеблется от 6 до 10 м в зависимости от производительности. Концентрат в печь загружают через воронки, расположенные над отверстиями в своде печи вдоль боковых сторон.

Отражательная печь - это типичная пламенная печь, отапливаемая газом, поступающим в рабочее пространство через горелки, установленные в окнах передней торцевой стены. Воздух для сжигания газа нагнетается в печь вентилятором. Температура в первой, плавильной, зоне печи достигает 1550 ^оС. В конце печи температура еще высока - до 1200-1250 ^оС. Примерно треть длины печи в конце ее занимает зона отстаивания, где происходит разделение штейна и шлака. Тепловой коэффициент полезного действия печи невысок, так как температура отходящих газов очень высока. Тепло отходящих газов обычно используется в котле-утилизаторе, расположенном на пути газов за печью, при этом удается снизить температуру газов до 300-400 ^оС. Часть дымовых газов отводится через обводной дымовой боров мимо котла-утилизатора. Перед котлом и в обводном борове установлены дымовые шиберы (водоохлаждаемые).

Выпуск шлака производят через летку в задней торцевой стенке печи, а штейна - через несколько отверстий в боковых стенках. Выпуск штейна и шлака осуществляется периодически.

7.2 ВЫБОР СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

Центральной системой схемы автоматизации процесса отражательной плавки на штейн должна быть система загрузки материала в печь по импульсу от качества готового продукта. Однако химический состав штейна сейчас непрерывно автоматически не измеряется. Кроме того, объем печи очень велик и изменения в подаче материала отразятся на качестве готового продукта только через значительный период времени. Наконец, выпуск штейна и шлака производится не непрерывно. Перечисленные обстоятельства не позволяют создать надежную систему автоматического регулирования загрузки печи по качеству готовой продукции либо по параметрам режима плавки. Поэтому для подавляющего большинства отражательных медеплавильных печей применяют непрерывную равномерную подачу исходного материла.

Подачу топлива в печь следовало бы поставить в зависимость от потребления тепла материалом. Однако полностью учесть тепло, потребляемое расплавляемой шихтой, потери тепла с отходящими газами, штейном и шлаком не представляется возможным. Поэтому система регулирования подачи топлива в печь в соответствии с количеством потребляемого тепла сейчас неосуществима. Как правило, управление расходом топлива осуществляется по импульсу от температуры в печи. Весьма значительные размеры печи, наличие в ней большого количества загрузочных окон, охлаждающих факел, не позволяют получить единый представительный отбор импульса по температуре в печи. Так, например, повышение температуры в начале печи может не вызвать соответствующего повышения температуры на выходе из нее ввиду того, что на температуру в конце печи влияет не только начальная температура, но и подсосы воздуха через загрузочные окна, и неравномерное потребление тепла материалом, и другие факторы. Регулятор подачи топлива должен получить несколько импульсов по состоянию температурного поля печи. Две точки наиболее важны для технологического режима плавки. Это максимальная температура в зоне плавления и температура в конце печи. Первая температура характеризует режим плавления, режим основного технологического процесса, а вторая - вязкость шлака, температуру штейна и шлака, от которых зависит их качество.

Воздух в отражательной печи используется лишь для сжигания топлива. Поэтому наиболее распространенной схемой регулирования подачи воздуха является управление расходом его по соотношению топливо - воздух. Неорганизованные подсосы воздуха в отражательную печь велики из-за большого количества загрузочных отверстий. При этом величина подсосов меняется во времени, что снижает качество регулирования, так как учесть количество воздуха, поступающего в печь помимо вентилятора, не удается. Улучшить систему регулирования можно введением в нее корректирующего импульса по результатам газового анализа потока на выходе из печи. Недостатком схемы с коррекцией является технологическое запаздывание, вызванное значительной длиной печи. В предлагаемой схеме реализуется принцип регулирования подачи вентиляторного воздуха по соотношению газ - воздух. Задание регулятору соотношения меняется вручную в соответствии с режимными картами и показаниями газоанализаторов на кислород и углекислый газ. Автоматический анализ отходящих газов печи на СО₂ и О₂ помогает дежурному персоналу следить за режимом горения, устанавливать задание регулятору подачи воздуха.

Разрежения по газовому тракту отражательной печи не постоянны из-за наличия подсосов неорганизованного воздуха и периодичности выгрузки материалов. Разрежение у боковых стенок печи в начале ее составляет около 20 Па благодаря инжекции факела. К концу печи разрежение снижается до 5-10 Па, а в газоходе перед котлом-утилизатором вновь несколько увеличивается. От разрежений в печи во многом зависит режим горения (положение факела), унос пыли с газами, работа котла-утилизатора и тяговых устройств, условия труда.

Регулирование тяги в печи целесообразно производить по импульсу от разрежения в начале газоперепускного борова воздействием на дымовой шибер на обводном борове. Использование обводного борова для регулирования тяги позволяет стабилизировать газовый поток через котел-утилизатор, улучшить режим работы его.

Регулирующий дымовой шибер выполнен водоохлаждаемым для защиты от высокой температуры газов. Температура воды на выходе из шибера не должна превышать 80-85 ^оС во избежание парообразования внутри водяной системы. Контроль и сигнализация температуры охлаждающей воды после шибера позволяют предотвратить аварийный прожог шибера при уменьшении по какой-либо причине подачи воды.

Разрежение и температура отходящих газов после котла-утилизатора характеризуют тепловой режим котла, степень использования тепла в нем. От этих параметров зависит экономичность работы всей установки в целом.

Высокие тепловые напряжения в печи и интенсивный износ кладки потоком запыленных газов могут привести к прожогу печи в отдельных наиболее уязвимых точках. Под печи также работает в тяжелых температурных условиях и может частично прогореть. Такие аварии весьма серьезны, так как требуют длительной остановки печи на ремонт и поэтому необходимо непрерывно контролировать состояние свода и пода печи.

Проведенный выше анализ процесса отражательной плавки медьсодержащего сырья как объекта автоматизации позволяет назвать системы автоматического контроля и регулирования, использование которых обеспечило бы высокие технико-экономические показатели процесса плавки и предотвратило бы возникновение в цехе аварийных ситуаций:

1. Системы автоматического регулирования

- соотношения расходов газ-воздух воздействием на расход воздуха;

- температуры в реакционном пространстве печи воздействием на расход газа;

- разрежения в газоходном тракте перед котлом-утилизатором воздействием на дымовой шибер.

2. Системы автоматического контроля

- температуры, расхода и давления воздуха для сжигания газа;

- расхода и давления газа перед горелкой;

- температуры в различных точках пода печи;

- содержания СО₂ и О₂ в отходящих газах;

- температуры воды, охлаждающей дымовой шибер;

- температуры и разрежения в газоходном тракте после котла-утилизатора.

Номинальные значения выходных параметров процесса отражательной плавки приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1.

№№ п/п	Наименование параметра	Единица измерения	Номинальная величина
1.	Температура в реакционном пространстве печи	оС	1550
2.	Разрежение перед котлом-утилизатором	Па	5-10
3.	Температура воздуха для горения	оС	200-250
4.	Давление воздуха	КПа	2,0-2,5
5.	Давление газа	КПа	130
6.	Содержание СО2 в отходящих газах	%	10-17
7.	Содержание О2 в отходящих газах	%	0,5-2
8.	Температура воды после охлаждения дымового шибера	оС	80-85
9.	Температура газа после котла-утилизатора	оС	300-400
10.	Разрежение после котла-утилизатора	Па	80

7.3 ОПИСАНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ (рис. 7.2)

7.3.1 Система автоматического регулирования соотношения расходов газ-воздух имеет в своем составе приборы для контроля расходов газа и воздуха. Расход газа и воздуха измеряют расходомерами, включающими сужающие устройства (поз. 4а, 4г), дифманометры (поз. 4б, 4д) и вторичные приборы (поз. 4в, 4е), сигналы с которых поступают на автоматический регулятор (поз. 4ж), а затем - блок ручного управления (поз. 4з), магнитный пускатель (поз. 4и) и исполнительный механизм (поз. 4к), который управляет поворотной дроссельной заслонкой на трубопроводе воздуха.

7.3.2 Система автоматического регулирования температуры в реакционном пространстве печи

В данном проекте принято автоматическое регулирование подачи топлива по температурам в начале и конце печи. Такая двухимпульсная система принципиально более правильна, чем одноимпульсная - по температуре в ядре горения факела, что связано с весьма значительными размерами печи и наличием в ней большого количества загрузочных окон, ограничивающих возможность получить единый представительный отбор импульса по температуре в печи. Температуру в печи измеряют радиационными пирометрами, включающими телескопы (поз. 5а), которые визированы на дно калильных стаканов, вмонтированных в свод печи, и электронных потенциометров (поз. 5б), с которых сигнал подается на автоматический регулятор (поз. 5в), блок ручного управления (поз. 5г), магнитный пускатель (поз. 5д) и исполнительный механизм (поз. 5е), воздействующий на регулирующий орган, установленный на трубопроводе подачи газа.

7.3.3 Система автоматического регулирования разрежения на выходе печи

Отбор импульса производится в начале газоперепускного борова (поз. 10а), откуда сигнал направляется на дифманометр (поз. 10б), затем - на вторичный прибор (поз. 10 в), автоматический регулятор (поз. 10г), блок ручного управления (поз. 10д), магнитный пускатель (поз. 10е) и исполнительный механизм (поз. 10ж), управляющий дымовым шибером.

7.3.4 Система автоматического контроля температуры воздуха

В комплект приборов входит термопреобразователь сопротивления (поз. 1а) и вторичный электронный прибор показывающий и самопишущий (поз. 1б).

7.3.5 Система автоматического контроля давления воздуха

Отбор давления из воздухопровода осуществляется отборным устройством (поз. 2а), а измерение давления - бесшкальным манометром (поз. (2б) и вторичным прибором (поз. 2в).

7.3.6 Система автоматического контроля давления газа

Построена аналогично предыдущей системе и включает отборное устройство (поз. 3а), манометр (поз. 3б) и вторичный прибор (поз. 3в).

7.3.7 Система автоматического контроля температуры пода печи

Измерение температуры осуществляется с помощью термопар, вмонтированных в кладку пода печи в нескольких точках (поз. 6а). Вторичным прибором служит многоточечный автоматический потенциометр (поз. 6б).

7.3.8 Система автоматического контроля содержания СО₂ в отходящих газах включает отборное устройство (поз. 7а), электрический газоанализатор содержания углекислого газа (поз. 7б) со вторичным прибором (поз. 7в).

7.3.9 Система автоматического контроля содержания О₂ в отходящих газах

Система состоит из отборного устройства (поз. 8а), магнитного газоанализатора на О₂ (поз. 8б) со вторичным прибором (поз. 8в).

7.3.10 Система автоматического контроля температуры воды после охлаждения дымового шибера

Комплект приборов включает термопреобразователь сопротивления (поз. 9а) и вторичный регистрирующий прибор (поз. 9б).

7.3.11 Система автоматического контроля температуры отходящих газов

Измерение осуществляется с помощью термопары (поз. 11а) и электронного потенциометра (поз. 11б).

7.3.12 Система автоматического контроля разрежения после котла-утилизатора

Включает отборное устройство (поз. 12а), тягонапоромер бесшкальный (поз. 12б) и вторичный прибор (поз. 12в).

8. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА АГЛОМЕРАЦИИ СВИНЦОВОГО КОНЦЕНТРАТА

8.1 ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Агломерация - это процесс спекания мелкой руды или концентрата в прочный кусковой и пористый материал - агломерат. Агломерация является самым распространенным способом окусковывания. При окусковывании сульфидных материалов происходит полное или частичное удаление серы, в этом случае агломерация является процессом обжига - спекания. На рис. 8.1 приведена схема агломерационной машины свинцового производства с прососом воздуха через слой шихты сверху вниз. Исходные материалы - концентрат, флюсы, возврат - смешиваются в шихтовочном отделении, откуда шихта ленточными транспортерами подается в приемный бункер I агломерационной машины. Важнейшим условием получения высококачественного агломерата является поддержание постоянства качества и количества загружаемой на ленту машины шихты. Из приемного бункера I шихта подается тарельчатым питателем II и маятниковым питателем III в загрузочную коробку машины. Маятниковый питатель служит для равномерного распределения шихты по ширине ленты. Для уменьшения провала мелких частиц сквозь колосники ленты в вакуум-камеры машины VIII, а также для увеличения газопроницаемости слоя шихта увлажняется. При этом средний размер частиц шихты увеличивается. Душирующая установка IV подает воду непосредственно на тарельчатый питатель II. Собственно агломерационная машина представляет собой бесконечную ленту V, составленную из тележек с колосниковым дном (паллеты). Лента укреплена на двух барабанах: ведущем VI и ведомом VII. Ширина ленты составляет 1,5 м, скорость движения колеблется в пределах от 1,3 до 2,0 см/с. Высота слоя шихты на ленте не превышает 200-250 мм. Под колосниками паллет установлено шесть вакуум-камер VIII, из которых газ отбирается эксгаустером IХ. Так организуется просасывание необходимого для горения воздуха через слой шихты сверху вниз. Для зажигания горючих составляющих шихты служит зажигательный горн Х, отапливаемый горючим газом. Машина приводится в движение мощным мотором постоянного тока ХI. Этот мотор питается от генератора постоянного тока, приводимого в движение двигателем переменного тока (система «генератор - двигатель»). Сложность этого устройства оправдана возможностью плавного регулирования скорости ленты.

...