Модернизация печей цеха спекания на базе АО «Алюминий Казахстана

При газообразном состоянии вещества – количество столкновений велико, скорости химических реакций, как правило, очень высоки.

Однако – столкновение молекул необходимое, но не достаточное условие;

2) достаточное условие. Для любого агрегатного состояния  веществ возможность и вероятность химического взаимодействия будет зависеть от состояния молекул в момент столкновения и от длительности самого столкновения. Под состоянием молекул понимается уровень энергии молекулы. В силу громадного количества молекул (6,02 * 1023 молекул/моль) энергия их подчиняется правилам квантования и энергия конкретной молекулы может достигать величин значительно больших средних значений. Вот эти молекулы, энергия которых достаточна для акта химической реакции и вступают во взаимодействие.

Поведение жидкой фазы при спекании. Основой проведения химических реакций при реализации процесса спекания является подъем температуры на фон создания жидкой фазы. Без образования жидкой фазы реализовать процесс спекания невозможно. Как указывалось выше, скорость химической реакции зависит от агрегатного состояния реагентов. При твердом (кристаллическом) состоянии веществ – скорость химической реакции минимальна, даже при высоких температурах. В гомогенной (т.е. однофазной) твердой фазе реакции образования необходимых веществ идут и в реальной печи, но для процесса спекания они не играют существенной роли, т.к. их скорость мала.

Другой характер процесса наблюдается при образовании гетерогенной (разнофазной) среды: твердая фаза – жидкая фаза т.е. кристаллы – расплав. Поведение гетерогенной фазы при спекании является основой процесса и обуславливает его результаты.

Для начала рассмотрим гипотетический эксперимент с чистыми веществами, которые содержатся в реальных шихтах спекание каустика с глиноземом. Химическая реакция эксперимента

2NaOH + А12О3 = Na2O * А12О3 + Н2О.

Количество веществ (Na2O и А12О 3) взято точно по стехиометрии процесса – т.е. по окончании реакции образуется алюминат натрия без остатков реагентов. Теплофизические свойства веществ:

– температура плавления NaOH – 320°С;

– температура плавления А12О 3 – 2050 °С;

– температура плавления Na 2О * А12О 3 – 1650 °С.

Составим реагирующую шихту следующим образом: – сфера каустика, обсыпанного снаружи глиноземом. Можно и наоборот – сфера глинозема, обсыпанная снаружи каустиком.

Рисунок 2.3 – Сфера глинозёма

1) Как только составлена  шихта – между Na2О и А12О3 начинается реакция с образованием Na2О * А12О3, однако скорость реакции ничтожно мала;

2) начнем нагревать  шихту. При достижении температуры  шихты в 320°С каустик расплавится, глинозем – нет, однако скорость  реакции скачком повысится в  том числе из-за высокой скорости диффузии образовавшегося алюмината натрия (Na2О * А12О3) в глубь расплава;

3) через некоторое время  капля расплава каустика будет  представлять смесь расплава  каустика и алюмината натрия. Для этой смеси температура  плавления (а значит и кристаллизации) будет выше 320°С. В теории даже одной молекулы Na2O * А12О3 должно хватать для вызова кристаллизации расплава, т.к. его температура 320°С, а расплав уже переродился. Однако реально всегда существует переохлаждение при кристаллизации и перегрев при плавлении, т.е. процесс кристаллизации не пойдет мгновенно, а с задержкой, но он неизбежен.

Итак, возможны два варианта: а) Если температуру шихты оставить неизменной (даже не надо охлаждать), то расплав закристаллизуется, и скорость химической реакции упадет практически до нуля; б) Если температуру шихты поднимать сообразно изменению состава жидкой фазы, изменяющейся вследствие проходящей химической реакции, то скорость химической реакции в гетерогенной среде будет возрастать из-за того, что главное условие – существование жидкой фазы сохранится, а температура – растет;

4) приняв, что температура  шихты изменяется синхронно прохождению  химической реакции, можно установить, что в жидкой фазе возрастает  содержание алюмината натрия, но  до определенного предела называемого эвтектическим составом. При любой температуре (естественно выше чем температура плавления эвтектики) состав эвтектики не изменяется, а это значит, что следующие молекулы алюмината натрия, образующиеся в результате химической реакции, будут внутри эвтектики строить твердый кристалл алюмината натрия, и главное, чем глубже проходит реакция, тем больше в плаве твердых кристаллов алюминат натрия и меньше эвтектоидной жидкой фазы;

5) наиболее интересен  последний акт химической реакции – когда вся шихта прореагирует, то продукт спекания будет алюминат натрия в твердом кристаллическом виде при температуре плавления. Жидкая фаза вся израсходована.

Процесс спекания – процесс образования и расходования жидкой фазы, при этом в конце процесса можно получить твердофазный продукт. Важно отметить следующее обстоятельство – для того чтобы расплавить получившийся продукт (при этом надо твердо понимать – термодинамика разрешает получать продукт в последней стадии опыта только в кристаллическом виде) не нужно поднимать температуру, – достаточно подвести к материалу необходимое количество теплоты (то же самое – лед растает при 0ºС, если к нему подвести теплоту – эта теплота называется теплотой фазового перехода, в данном случае плавления, и нельзя поднять температуру льда выше 0°С пока он не растает – все подводимое тепло пойдет не на его нагрев, а на плавление). Таким образом – в случае, если в гетерогенной системе кристалл – плав идет химическая реакция, то теплофизические параметры текущего состояния продукта – температура плавления, теплоемкость, фазовое состояние и т.д. зависят от глубины (или скорости) прохождения химической реакции, причем, чем полнее прошла химическая реакция – тем выше температура плавления получившегося продукта. Сочетание возникновения плавов и их расходование в результате химической реакции с перекристаллизацией получающихся новых продуктов делает обычное понятие «расплав» неприемлемы к описываемому процессу – настолько быстро идут процессы плавление – химической реакция – перекристаллизация, что в обычном понятии это полужидкие образования. Указанный плав отличается от жидкой фазы спека – жидкая фаза спека практически расплав конечных продуктов, химические реакции в нем с заметной скоростью не идут. Затвердение жидкой фазы спека идет вследствие остывания спека, а не перекристаллизации.

Основой и целью промышленного процесса спекания является управление образованием и расходованием жидкой фазы, ибо только образование жидкой фазы позволяет обеспечить прохождение химических реакций с необходимой скоростью. Рассмотрим процесс в установившемся тепловом режиме печи спекания, когда поле температур по длине печи установилось и не меняется, т.е. температура газов и материала в каждом сечении печи поддерживается неизменной. Температура обрабатываемого материала зависит от места нахождения её вдоль печи.

При подаче материала в печь спекания в виде высушенной шихты, движущейся вдоль печи, а значит и в поле поднимающейся температуры, начинают проходить химические реакции в гомогенной твердой фазе. Скорость реакций чрезвычайно мала.

В некотором сечении печи материал нагревается до плавления самого легкоплавкого вещества, содержащегося в шихте. Образовавшийся плав  растворяет твердые частицы шихты и растворенные вещества вступают в химическую реакцию внутри плава. В результате химической реакции жидкая фаза перерождается так, что температура кристаллизации (плавления) поднимается. Скорость химических реакций высока.

В зависимости от качества ведения процесса возможны два варианта: а) Если скорость химической реакции (т.е. темп возрастания температуры кристаллизации) соответствует скорости движения материала вдоль печи (т.е. скорости возрастания температуры материала), то жидкая фаза сохранится, скорость химических реакций будет максимально высокой и температура плавления материала в финишной зоне (зоне спекания) будет максимально высокой для этой шихты, а значит и качество спека наивысшее. б) Если по каким либо причинам скорость движения материала вдоль печи (а значит и в температурном поле) снизится, то в результате химической реакции температура кристаллизации материала возрастает, а материал не прогреется до нужной температуры. Важно подчеркнуть, что не прогреется не из-за низкого температурного поля в печи, а в результате временного торможения движения материала вдоль печи из-за технологических причин – сворачивание «колбасы», сброс загрузки шихтой, задержка материала на пылевозврате и т.д.. Результатом будет следующее: жидкая фаза закристаллизуется, скорость химических реакций резко падает и это состояние консервируется до прихода материала в зону температур, где произойдет повторное расплавление перерожденной жидкой фазы. Скорость химической реакции снова возрастает, но суммарная глубина прохождения химических реакций к подходу к финишной зоне (зоне спекания), будет ниже, а значит и температура кристаллизации (плавления) спека будет ниже, качество спека будет ниже.

Важно учесть следующий аспект ведения процесса в целом – известно, что температура факела должна быть не более чем на 200–250°С выше температуры спекания по условиям гарниссажеобразования.

В рассматриваемом варианте развития процесса снижение температуры плавления неизбежно приведет к необходимости снижения температуры факела, а значит и дозировки топлива – в результате возникнет снижение температурного поля в печи, что создает несоответствие температурного поля в печи и потенциальной скорости химической реакции шихты.

Таким образом, качество ведения процесса может обусловить разную температуру спекания одной и той же шихты, а влияние разницы температуры спекания даже на 10°С показано выше.

Если исходить из вышеизложенного, понятие «плохая» и «хорошая» шихта при спекании красного шлама в последовательной схеме Байер – спекание заключается в следующем: суммарная скорость химической реакции зависит от двух параметров шихты: количества первоначального плава; температуры образования первоначального плава.

Очевидно, что шихты с большим количеством и низкой температурой плавления первоначального плава потенциально имеют очень высокие скорости химической реакции и требуют для обеспечения надлежащего качества спека столь высоких температурных полей и высокой равномерности пропуска материала по печи, что их стали называть «плохими». Переработать указанные шихты можно успешно, имея большую производительность печей при условии минимальной величины гарниссажа – в этом случае продольная скорость движения материала в печи (а значит и темп нагрева) максимальны.

Необходимо учесть следующее – возникновение состояния кристаллизации жидкой фазы, по какой ни случись причине, вызывает кристаллизацию не только на материале, но и на стенках печи. «Намазка» в зоне кальцинации и задние кольца гарниссажа – это результат несвоевременной кристаллизации.

3.5.13 Конструкция вращающихся  печей.

1) Корпус. Печи четырехопорные, вращающиеся, барабанного типа 5,0 х 100 метров. Корпус печей сварной из стали толщиной 30 мм, в районе бандажей – 45 мм, под бандажами – 60 мм. В холодном конце печи смонтирован борт высотой 1,0 метр, в горячем – борт высотой 150 мм с бронировкой жаропрочными бронями укрепленными на болтах. В корпусе барабана печи выполнены отверстия для установки термопар, пробоотборников и смонтирован ремонтный люк. На печах спекания используется два вид крепления бандажей:

– бандажи на скользящей посадке;

– вваренные бандажи.

Крепление бандажей на скользящей посадке осуществлено на подбандажных пластинах косынками и сегментами и на подбандажных пластинах и башмаках.

2) Опора печи. На сварной  несущей раме установлены два  опорных ролика с корпусами. Корпус  ролика крепится анкерными болтами креплениями на салазках по типу «ласточкин хвост». Для сдвига корпуса опорного ролика поперек оси печи имеются приспособления – винтовые упор под домкрат и регулировочные. Под каждым опорным роликом установлена ванночка для охлаждения роликов водой в летнее время. Для равномерного износа поверхностей бандажей и опорных роликов печей спекания, конструктивно предусмотрен продольный, относительно оси печи сдвиг (ход) печи спекания. Для этого применяется метод разворота опорных роликов и смазки (либо осушки) поверхностей бандажей и роликов. На печах продольный сдвиг обеспечивается работой системы гидроупоров (гидротолкателей). Контроль продольного хода печи спекания осуществляется: упорными контрольными роликами; работой гидроупоров.

3) Система гидротолкателей печей. Система гидротолкателей печей смонтирована для обеспечения продольного хода печи спекания и поддержания ее номинальном положении, т.е. в промежутке между крайним верхним и крайним нижним положением. Перемещение печи вверх производится под действием гидротолкателей, вниз под действием осевого усилия печи. Рабочий ход печи – 100 мм. Включение в работу маслонасоса на подъем печи и отключение его при достижении печью крайнего верхнего положения производите автоматически от конечных выключателей.

Гидротолкатель состоит из упорного ролика, закрепленного на станине, которая передвигается по направляющей, а также гидроцилиндра закрепленного на неподвижной станине. Передвижная станина и гидроцилиндр соединены между собой упором, один конец которого является поршнем гидроцилиндра. При срабатывании конечного выключателя крайнего нижнего положения, автоматически включается маслонасос, создающий давление масла в гидроцилиндре (до 125 кг/см2). Под действием созданного давления поршень – упор приходит в движение, передвигая станину с упорным роликом, который взаимодействуя с бандажом печи, выталкивает печь вверх. При достижении печью крайнего верхнего положения, бандаж действуя на конечный «верха», который автоматически отключает маслонасос. Тем самым пропадает избыточное давление в гидроцилиндре, и печь под действием осевого усилия, создающегося собственной массой уклоном печи, опускается вниз. При движении поршень выдавливает масло из гидроцилиндра через дроссель в емкость маслостанции. Дросселем, путем регулирования площади проходного сечения, обеспечивается необходимая скорость опускания печи до крайнего нижнего положения. Количество масла в маслобаке маслонасоса – 300 кг.

4) Привод печи. Венцовая  шестерня монтируется на корпус  печи на пружинах (траверсах). Привод печи спекания двухсторонний, т.е. в зацеплении с венцом находятся две подвенечные шестерни, установленные в опорные стойки. С редукторами подвенечные шестерни соединяются посредством промежуточных валов, а соединения редукторов с электродвигателями главного привода реализуется через втулочно-пальцевую муфту.