Đồ án thiết kế lò phản xạ luyện stenđồng

Trong luyện kim thì lò công nghiệp lại càng quan trọng vì hầu hết tất cả các quá trình công nghệ đều phải tiến hành ở nhiệt độ cao như nung chảy, nấu luyện, nhiệt luyện như tôi, ram, ử, thường hóa, …. Do đó việc nắm bắt yêu cầu cơ bản của một quá trình thiết kế lò nhiệt luyện trong công nghiệp là một yêu cầu cơ bản và thực sự cần thiết cho một sinh viên ngành công nghệ vật liệu. Đồ án thiết kế lò công nghiệp này là một bước chẩn bị cơ bản cho một sinh viên như em trong tương lai có đủ kiến thức kỹ năng cơ bản cần thiết để có thể làm việc tốt trong tương lai

LỜI NÓI ĐẦU

Trong công nghiệp thì lò công nghiệp chiếm vai trò cực kỳ quan trọng vì hầu hết các quá trình công nghệ đều được tiến hành ở nhiệt độ cao Nó quyết định năng suất chất lượng của sản phẩn, hiệu quả kinh tế của sản phẩm tạo thành, yêu cầu về vệ sinh

và an toàn trong công nghiệp.

Trong luyện kim thì lò công nghiệp lại càng quan trọng vì hầu hết tất cả các quá trình công nghệ đều phải tiến hành ở nhiệt độ cao như nung chảy, nấu luyện, nhiệt luyện như tôi, ram, ử, thường hóa, … Do đó việc nắm bắt yêu cầu cơ bản của một quá trình thiết kế lò nhiệt luyện trong công nghiệp là một yêu cầu cơ bản và thực sự cần thiết cho một sinh viên ngành công nghệ vật liệu.

Đồ án thiết kế lò công nghiệp này là một bước chẩn bị cơ bản cho một sinh viên như em trong tương lai có đủ kiến thức kỹ năng cơ bản cần thiết để có thể làm việc tốt trong tương lai.

Vì là đồ án đầu tiên nên còn nhiều bối rối và thiếu sót, kính mong thầy và các bạn hướng dẫn và sửa chữa bổ sung để em có thể hoàn thành tốt đồ án này cũng như có thêm kiến thức bổ ích cho côngviệc.

Em xin chân thành cảm ơn thầy HUỲNH CÔNG KHANH đã nhiệt tình giúp đỡ

cho em và các bạn trong quá trình thực hiện đồ án này.

Sinh viên thực hiện Phạm Nguyễn Bằng An

Trang 1

Chế độ gia nhiệt là do bức xạ nhiệt trực tiếp từ mỏ đốt nhiên liệu

Nhiên liệu: dầu mazút

Yêu cầu liệu nạp vào lò: phải được nghiền mịn ở dạng cám,cỡ hạt khoảng 0.05 đến 0.07mm

Chương 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH TINH LUYỆN STEN ĐỒNG

1 Giới thiệu:

Hiện nay trong công nghiệp luyện đồng thế giới , phương pháp hoả luyện

stenđồng là phương pháp chủ yếu Đây là quá trình hoả luyện trong lò có không gian thích hợp Liệu lò có dạng cám sau khi được trộn kĩ được cho vào lò theo hệ thống nạp liệu dọc theo đỉnh lò tạo thành dốc liệu để bảo vệ tường lò Liệu được chất ngay vào vùng nhiệt độ cao của lò ( từ 1400 đến 1500oC), được nung nóng khá nhanh nhờ bức xạnhiệt của ngọn lửa của mỏ đốt đốt dầu nhiên liệu sinh ra và bức xạ nhiệt từ tường lò và nóc lò nóng đỏ Liệu bị nóng chảy dồn xuống lòng lò, lúc này chúng mới diễn ra các hiện tượng hóa lý để tạo ra sten đồng và xỉ Sản phẩm được phân lắng ở cuối lò trước khi được tháo ra ngoài theo chu kì nhất định

2 Quá trình tinh luyện stenđồng:

Mục đích của lò phản xạ luyện sten đồng là biến đổi đồng ở dạng đồng sunphua (Cu2S) nhờ tương tác giữa đồng oxit(CuO) và sắt sunphua(FeS) Ở nồi lò sẽ tạo ra hai lớp lỏng: lớp dưới là sten đồng, tập trung Cu2S; còn lớp trên là xỉ, tập trung FeO và đất

đá tạp

Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, liệu lò sẽ nóng chảy Đầu tiên tạo thành hợp kim dễ chảy với thành phần chính là Cu2S và FeS.Sten đồng sẽ theo dốc liệu chảy xuống nồi lò.Những oxít hoá trị cao sẽ được hoàn nguyên bởi FeS hoà tan trong sten theo các phản ứng sau:

10 Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2

Trang 3

6 (MeO.Fe2O3) + 2 FeS + 7SiO2 = 6MeO+ 7(2FeO.SiO2) + 2SiO2.

Các oxit tạp ở nhiệt độ 1030 đến 1050oC sẽ tạo thành cùng tích dễ chảy của hệ FeO_SiO2_CaO Các hợp chất silicat dễ chảy, trên đường vận chuyển xuống nồi lò sẽ hoà tan các oxit kim loại khác

Ngay trong lò phản xạ cũng có khả năng hoàn nguyên đồng đến đồng kim loại theo phản ứng:

Cu2S + 2CuO = 6Cu + SO2

Nhưng sau đó đồng lại đẩy sắt ra khỏi FeS(có trong sten) để trở thành Cu2S Còn sắt thì

bị oxi hoá bởi oxi và SO2 Như vậy đối với các hợp chất oxit và sunfua của đồng và sắt,các tương tác chủ yếu là tương tác giữa Cu2O và FeS cùng với việc tạo xỉ FeO

phản ứng giữa Cu2O và FeS trong lò phản xạ không chỉ xảy ra ở trạng thái rắn mà còn

ở trạng thái lỏng, trên biên giới phân cách giữa sten và xỉ.Trong quá trình phản ứng, ái lực hoá học của các kim loại với O2 và S2 không phải là bất biến mà là thay đổi theo nồng độ của các chất tham gia phản ứng trong kim loại lỏng

Ở nhiệt độ cao, phản ứng sau đây xảy ra rất nhanh:

(Cu2O) + [FeS] = [Cu2S] + (FeO)

Hằng số cân bằng của phản ứng này là k = 105, chứng tỏ nó xảy ra rất hoàn toàn

Trong lò phản xạ, phản ứng oxi hoá trực tiếp các sunfua kim loại bằng oxi không đáng kể do hàm lượng oxi trong khí lò rất thấp và sự khuếch tán khí vào trong lớp liệu rất khó khăn Hiệu suất khử lưu huỳnh chủ yếu là do oxi trong các hợp chất oxit của liệu.

Các hợp chất cacbonat trong lò sẽ bị phân li thành các oxit dưới tác dụng của nhiệt độ cao

Trợ dung cho vào lò phản xạ thường là khoáng có chứa vàng bạc như quặng vàng nghèo, tinh quặng vàng hoặc những nguyên liệu có chứa vàng khó xử lý riêng Vìcác kim loại quý (Au, Ag, ) hòa tan tốt vào sten đồng và hòa tan rất ít vào xỉ

Sten đồng của lò phản xạ chứa 80 đến 90% Cu2S và FeS; còn lại là các sunfua kim loại tạp Người ta không muốn tạo ra sten đồng giàu đồng, vì khi đó mất mát đồng

và xỉ do các nguyên nhân cơ học và lý học tăng lên Trong thực tế người ta tạo ra sten đồng có hàm lượng khoảng 20 đến 35% Thành phần hóa học của sten đồng trong lò phản xạ:

Cu Fe S Zn SiO2 Al2O3 CaO+MgO Aug/t) Ag(g/t)

- 15%) và các chất khác như MgO, BaO, ZnO,

Các phản ứng giữa ferit và sắt sunfua trong lò còn tiếp tục xảy ra sau khi liệu và sten đã chảy lỏng Chính vì vậy mà còn một lượng ferit lẫn vào xỉ, đặt biệt là manhetit Phần lớn manhetit tồn tại trong xỉ ở dạng huyền phù Do đó khi xỉ chứa nhiều manhetit

độ sệt của xỉ sẽ tăng cao Lượng xỉ lớn gấp 2 đến 3 lần về khối lượng và gấp 3 đến 5 lần về thể tích so với sten Độ sệt của xỉ cũng không ổn định dao động từ vài poadơ đên

100 poadơ

Trang 5

Cu SiO2 FeO CaO Al2O3 MgO S ZnO

Chương 2

TÍNH TOÁN SỰ CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU

Để cấp nhiệt cho lò có thể dùng nhiều loại nhiên liệu khác nhau chỉ cần đạt đượcnhiệt trị đủ cao Ở đây ta chọn dầu mazut làm nhiên liệu để cung cấp nhiệt cho lò vì:

 Dầu mazut có nhiệt trị khá cao

 Dễ dàng tìm được nguồn cung cấp trên thị trường

 Thành phần bụi than sau khi đốt thấp 1,5%

 Sản phẩm cháy hoàn toàn ít độc hại chủ yếu là CO2 và H2O

Ta có thông số thành phần hóa học của dầu mazút được cho theo bảng sau:

%khối

lượng 85.51 10,07 0,35 0,3 1.85 0,32 1,6

1 Chuyển đổi thành phần nhiên liệu về thành phần sử dụng:

Trong phản ứng cháy nhiên liệu luôn luôn diễn ra không hoàn toàn nên ta phải chuyển từ thành phần hóa học thành thành phần sử dụng theo công thức sau:

2 Tính nhiệt trị thấp của nhiên liệu Q t :

Dựa vào thành phần hóa học của nhiên liệu đã chuyển đổi sang thành phần sử dụng và

áp dụng công thức tính toán của D I Mendeleev đối với nhiên liệu lỏng:

thêm một lượng không khí dư phù hợp Ở đây ta sử dụng lượng không khí dư α = 1.25, ứng với lượng khí thực tế lớn hơn 25% so với lý thuyết

Bảng tính toán sự cháy của nhiên liệu tính cho 100kg dầu mazút:

Tổng cộngKmol n.m3

%

6.98938 2.46929 0.0567 0 35.75566 45.48577

1018.8815.3660 5.42870880 0.1246543 078.60845 100.00%

%

6.98938 2.46929 0.0567 2.37617 44.70958 55.812

1267.86512.348484.362616853 0.10017474.19809778.99063 100.00%

4 Bảng cân bằng khối lượng:

Các chất tham

gia Khối lượng

Các chất tạothành Khối lượngdầu mazút 100 CO2=6.98938x

7 Tính toán nhiệt độ cháy lý của nhiên liệu:

a Nhiệt độ cháy lý thuyết của nhiên liệu tlt:

,o lt

-Do tổn thất nhiệt khi cháy nên nhiệt độ cháy thực tế luôn luôn nhỏ hơn nhiệt độ cháy

lý thuyết với một lượng tính bằng hệ số nhiệt η:

ttt = η x tlt

-Giá trị của η phụ thuộc loại nhiên liệu và phương pháp đốt chay nhiên liệu; với thiết

kế lò buồng đốt dầu FO ta có hệ số η = 0.7 Do đó nhiệt độ cháy thật của nhiên liệu là:

Dự kiến rằng có thể nấu luyện 2 tấn liệu cho một mẻ nấu trên 1m2 diên tích đáy lò

và mỗi ngày có thể nấu được 4 tấn liệu/1m2 diện tích đáy lò/1 ngày

Lượng liệu ứng với một mẻ nấu là 1500 tấn nấu trong 24 giờ; tức 125 tấn trong 1 giờ Ta sẽ tính toán với dung tích lò có thể chứa 750 tấn nguyên liệu �thời gian tháo một mẻ sten sẽ là 6 giờ Suy ra dung tích cần thiết là:

3

750 0.2 2 300

c

V  � �  m Tương đương:

Chiều cao cần thiết: Hc=1m

Diện tích đáy lò cần thiết: Sc=300m2

Ta có tỉ số kích thước chiều dài và kích thước chiều rộng trong khoảng từ 4 ÷ 8 Suy ra chiều dài và chiều rộng của lò có giá trị tương ứng là 8.7m x 34.5m.

Do ngoài kích thước cần thiết để có thể chứa liệu nấu ra ta còn cần có một khoảng không gian đủ để nhiên liệu có thể cháy được; khí lò có thể lưu thông và trao đổi nhiệt cung cấp đủ nhiệt cho lò để lò có thể vận hành tốt Ta chọn tỉ lệ giữa không gian trống

của lò và thể tích chứa liệu là 1

3; Tức thể tích không gian trống của lò sẽ là

-Chiều dày bên trong lò là: Lt = 34.5m

-Chiều rộng bên trong lò là: Bt = 8.7m

-Chiều cao bên trong lò là : Ht = 4m

Ta sẽ bố trí vị trí trên thoát khói ngay trên tường lò Hệ thống cống khói sẽ bố trí dưới nền xưởng và sử dụng nguồn nhiệt của khói để nung nóng không khí trước khi đưa vào

mỏ đốt

Trang 13

Chương 4

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC VÀ CHIỀU DÀY THỂ XÂY LÒ

1 Thể xây lò và kích thước thể xây lò:

- Lựa chọn thể xây lò: (vật liệu xây lò):

Vị trí thể xây Loại vật liệu Khối lượng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiêt

HÌNH BIỂU DIỂN SỰ BỐ TRÍ HỆ THỐNG THOÁT KHÓI

HỆ THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT

Thân lò

riêng kg/m3 kg/(kJ.0K) w/(m2.oK)Lớp gạch

chiệu lửa

Đianat H70 1900 ÷ 1950 0.837+0.25x10-3T 0.93+0.7x10-3Tcrom_manhezit

- Lớp tiếp theo là lớp amiăng cách nhiệt (bông thủy tinh) dày 10mm;

- Lớp tiếp theo là lớp cách nhiệt có chiều dày  t2 250mm được xây bằng gạch đôlômit

- Lớp trong cùng là lớp gạch chịu lửa:đây là thể xây có vai trò quyết định đến quá trình vận hành và sử dụng lò, lớp này có chiều dày  t3 520mm và được xây bằng gạch đianát

Đặt biệt phần tường ở chân lò phải tiếp xúc trực tiếp với sten nóng chảy nên phải xây thay một lớp gạch crom_manhezit ở trong cùng để bảo vệ tường lò và được xây cao 1.5m

Trang 15Hình thể hiện thứ tự các thể xây lò

Không gian

trong lò

b Thể xây đáy lò:

- Lớp dưới cùng là lớp đất có thể dùng đất làm khuôn(đất cát trộn với 5%

đôlômít dạng bột min)để đầm đáy lò có thể dày từ 100 đến 150mm;

- Lớp tiếp theo được xây bằng đá hộc (hoặc bê tông) có chiều dày 1.5m;

- Lớp tiếp theo là lớp gạch cách nhiệt xây bằng gạch đôlômit có chiều dày 700mm;

- Lớp tiếp theo là một lớp đất sét chịu lửa có chiều dày là 100mm;

- Lớp trên cùng được xây một lớp thạch anh dày 500mm được đầm thật kỹ

Bề rộng Bc = 700mm;

Độ cao f = 95mm;

Độ cao n = 5mm;

Chiều cao cửa Hc = 800mm

- Số lượng của tháo xỉ:

t c

Trong đó Lt là chiều dài than lò;

x là chiều dài phần đuôi lò, x5 ;m

u là khoảng cách giữa hai cửa tháo xỉ; u8 ;m

34.5 5

3.6 48

c

�Vậy số cửa tháo xỉ cần bố trí lò 4 cửa;

e Tính toán số cửa nạp liệu:

Từ số liệu thiết kế ta có lượng quặng tinh cần đưa vào lò là 125 tấn/giờ tương đương khoản 7kg/giây

Ta giả thiết rằng quặng rơi xuống long lò với vận tốc 1m/s.�tổng diện tích cửa là 7m2

Ta sẻ bố trí 20 cửa nạp liệu theo dọc hai bênh nóc lò với mổi cửa có kích thước

60x60mm

f Mạch xây: giữa các viên gạch là d 2mm

Trang 17

- Do kích thức chiều ngang lớn nên ta có thể chọn gốc ở tâm là φ=600.

2 Tính toán lượng gạch xây lò:

a Số lượng gạch cần thiết để xây nóc lò:

-Ta có do gốc ở tâm là φ=600 nên ta có tỷ số B 1

R  ; 1

7.5

f

B Trong đó R là bán kính cong của nóc lò;

R s n

b là chiều dày lớn của viên gạch vách;

d là chiều dày nhỏ của viên gạch;

φ là góc ở tâm của vòm

l n l

Trong đó L là chiều dài nóc lò;

a là chiều ngang viên gạch;

d là chiều dày mạch xây;

g

S N

(34500 520) (8700 520) 4000 34500 8700 4000

2378

235 115 65

41375 237838997

dianat dianat dianat

N N N

Vữa xây được sử dụng ở đây là vữa điatônít có thành phần như sau:

bột điatônít 80% + vôi khô 10% + ximăng 10% và được hoà với một lượng nước xác định tuỳ theo vị trí sử dụng

Chương 5

TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT CỦA LÒ

1 Khái quát:

Nhiệt trong lò gồm hai dạng là nhiệt thu và nhiệt chi:

- Nhiệt chi trong các quá trình công nghệ và thất thoát:

+ Nhiệt mất mát dùng để nung nóng chảy sten đồng;

+ Nhiệt mất mát dùng để nung nóng chảy xỉ lò;

+ Nhiệt mất mát qua tường lò,đáy lò, nóc lò;

+ Nhiệt mất mát do tường lò tích nhiệt;

+ Nhiệt mất mát do bức xạ nhiệt qua cửa thao tác, cửa tháo xỉ, …

+ Nhiệt mất do khí lò lọt qua cửa tháo xỉ và khe hở;

+ Nhiệt mất do sản phẩm cháy mang ra ngoài;

+ Nhiệt mất do có các phản ứng thu nhiệt;

+ Nhiệt mất do cháy không hoàn toàn cơ học;

+ Nhiệt mất do cháy không hoàn toàn hóa học;

- Nhiệt thu cung cấp nhiệt cho các quá trình vận hành lò đảm bảo cung cấp đủ nhiệt cho lò hoạt động, bao gồm:

+ Nhiệt sinh ra trong quá trình đốt cháy dầu mazut;

+ Nhiệt vật lý do không khí được nung nóng;

+ Nhiệt vật lý do nhiên liệu (dầu mazut được nung nóng trước);

+ Nhiệt lượng sinh ra do các phản ứng tỏa nhiệt;

a Nhiệt sinh ra do đốt cháy nhiên liệu:

B Q

Q  �

Trong đó: B là lượng tiêu hao nhiên liệu (kg/h);

Qt là lượng nhiệt tỏa ra khi đốt 100kg nhiên liệu

Trang 21

f là lượng không khí được nung nóng trước;

L là lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy một đơn vị nhiên liệu;

Ckk là nhiệt dung riêng của không khí ở nhiệt độ nung tkk, kJ/m3.độ

C t  i hàm nhiệt của không khí ở nhiệt độ nung, kJ/n.m3

c Nhiệt vật lý do nung nóng nhiên liệu:

Nhiên liệu có thể được nung nóng trước khi đưa vào mỏ đốt nhiên liệu nhằm tăng hiệu suất sử dụng nhiệt và cháy hoàn toàn nhiên liệu

13.6

i là nhiệt hàm của chất X trong hỗn hợp nhiên liệu, kJ/n.m3;

%X là phần trăm thể tích chất X trong hỗn hợp nhiên liệu;

d Lượng nhiệt tỏa ra và thu vào từ sten:

1

1

3 1

6 1

13,61

125 10 9603,6

 là biến thiên nội năng của sten chuyển từ dạng cám ởnhiệt độ thường thành dạng lỏng ở nhiệt độ trên 1250oC Tra phục lục biến thiên nội năng của sten ta có  i 960kJ kg/

e Nhiệt lượng cung cấp cho xỉ:

2

13,6 x x x

Trong đó Gx là khối lượng xỉ cung cấp, kg/h;

Cx là nhiệt dung riêng của xĩ ở nhiệt độ T

0.30.3 125 1037.5 10

x x x

G G

6 2

13,6

137.5 1460 103.6

f Lượng nhiệt mất do bức xạ qua cửa và khe hở:

Lượng nhiệt bức xạ qua cửa lò, cửa tháo xỉ, khe hở của lò ra môi trường xung quanh:

100

k o

T

Q C �� �� �� � �F  

� �Trong đó

Trang 23

 là hệ số thời gian mở cửa,  = 0 ÷ 1;

 là hệ số màng ngăn;

g Nhiệt mất mát do khí lò lọt ra ngoài qua cửa và khe hở:

Một phần khí lò thoát ra ngoài qua cửa tháo xỉ, khe hở nhiệt làm mất mát nhiệt lượng đáng kể, trong trường hợp áp suất trong lò cao hơn áp suất ngoài làm cho lượng khí phụt ra nhiều do áp suất cao gây mất nhiệt, đồng thời gây nguy hiểm cho người công nhân trong quá trình thao tác

C �t  i là hàm nhiệt của khí lò ở khu vực cửa mở hay khe hở, kJ/m3;

Vo là lượng khí lò lọt qua cửa và khe hở ở điều kiện tiêu chuẩn, n.m3/h;Với

 là hệ số lưu lượng:hệ số lưu lượng đối với tường dày ( chiều dày tườnglớn hơn kích thước lớn nhất của cửa 3 ÷ 5) =0.82; hệ số lưu lượng đối với tường mỏng =0.62;

h Nhiệt lượng mất do sản phẩm cháy mang ra ngoài:

Nhiệt độ khói thải cao gây tổn thất đáng kể:

� tổng lượng khí lò thoát ra ngoài theo cửa lò và khe hở,(m3/h);

tk là nhiệt độ của sản phẩm cháy thoát ra khỏi lò, oC;

Vα là lượng sản phẩm cháy tạo thành khi đốt nhiên liệu với hệ số không khí dư α, m3;

Với lò liên tục tk là nhiệt độ của sản phẩm cháy ra kênh khói;

Với lò nung không liên tục chế độ nhiệt của lò thay đổi theo thời gian nên tk là nhiệt độ trung bình của các giai đoạn

t là nhiệt độ cháy ra khỏi lò trong từng giai doạn gia nhiệt, oC;

i Nhiệt lượng mất mát do các phản ứng nhiệt:

Trong lò nấu chảy sten có các phản ứng thu nhiệt như: bốc hơi nước, oxi hóa_khử Cu

và CuO về dạng sten, …nhiệt thu từ các phản ứng này được tính:

6

13.6 thu

Q  q �G;

Trong đó:

Qthu là lượng nhiệt cần phải chi cho các phản ứng, kJ/kg;

G là khối lượng chất xảy ra phản ứng trước khi nung, kg/h;

j Nhiệt lượng mất do cháy không hoàn toàn cơ học:

Trang 25