STIINTA si INGINERIA MATERIALELOR

Proiect de an la

AGREGATE SI INSTALATII TERMICE

Tema proiectului

Proiectarea unui cuptor de rafinare termica a

cuprului de capacitate 400 t/zi.

Cuprins:

Capitolul I

1. Resursele si productia de metale ......................

1.1..Tehnica extragerii si prelucrarii metalelor.................

Capitolul II

2.Tehnologii de obtinere a cuprului......................

2.1.Resurse de materii prime si caracteristici...................

2.2.Tehnologii metalurgice de obtinere a cuprului................

2.3.Rafinarea termica a cuprului......................

Capitolul III

3.Calculul de dimensionare al cuptorului...................

3.1.Alegerea materialului.........................

3.2.Partile componente ale cuptorului....................

3.2.Vatra cuptorului...........................

3.2.1.Calculul vetrei cuptorului......................

3.2.2.Calculul baii metalice........................

3.2.3.Stabilirea tipului de caramida folosit...................

3.3.Peretii cuptorului...........................

3.4.Bolta cuptorului...........................

3.4.1.Calculul de dimensionare al boltii...................

Capitolul IV

4.Procesul de ardere al combustibililor....................

4.1.Combustibili............................

4.2.Calculul arderii combustibilului.....................

4.3.Calculul temperaturii calorimetrice...................

Capitolul V

5.Bilantul termic al cuptorului...................

5.1.Calculul caldurilor intrate in cuptor...................

5.2.Calculul caldurilor iesite din cuptor...................

CAPITOLUL I

1. Resursele si productia de metale

Descoperirea metalelor a reprezentat un pas important in istoria civilizatiei umane. De-a lungul anilor tehnologiile de extragere, rafinare si prelucrare a metalelor au cunoscut perfectionari importante reusindu-se astfel valorificarea metalelor din materii prime din ce in ce mai sarace in metal util din punct de vedere al extractiei.

In principal metalele se gasesc in minereurile din scoarta terestra, dar se gasesc si in apa de mare sau in nodulii oceanici sau marini care reprezinta resurse importante de metale pentru viitor.

Spre exemplu, magneziul poate fi extras din apa de mare, iar Mn, Ca, Mo, Fe si Cu pot fi obtinute prin prelucrarea nodulilor oceanici. Cele mai raspandite elemente din scoarta terestra sunt Al, Fe, Ca, Na, Mg si Ti in diferite proportii: Al=7,51%; Fe=4,7%; Ca=3,39%; Na=2.64%; Mg=1.94% etc. In zacamintele naturale metalele se gasesc sub forma de sulfuri sau oxizi si mai rar in forma nativa.

1.1. Tehnica extragerii si prelucrarii metalelor

In tehnologia de extragere a metalelor prima etapa o constituie prepararea minereurilor prin operatiile metalurgice cum sunt: concasarea, clasarea si concentrarea minereurilor prin flotatie pentru obtinerea concentratelor cu un continut ridicat de metale utile. Minereurile cu granulatie fina sunt supuse aglomerarii, brichetarii sau politizarii in vederea cresterii mecanice si porozitatii precum si a maririi granulatiei.

A doua etapa consta in extragerea metalelor sau aliajelor din concentrate prin procedee pirometalurgice sau electrometalurgice urmata de rafinarea acestora.

A treia etapa cuprinde deformarea plastica a acestora prin laminare, forjare si extroziune, precum si turnarea in piese si tratamentul termic sau termochimic al acestora.

CAPITOLUL II

2. Tehnologii de obtinere a cuprului

2.1. Resurse de materii prime si caracteristici

Principalele tari cu rezerve insemnate de minereuri cuprifere sunt:

- S.U.A.: 2600 mil. tone minereu cu 0,25-11,5% Cu;

- Canada : 100 mil. tone minereu cu 0,5-9% Cu;

- Chile: 300 mil. tone minereu cu 1,35-3,5% Cu;

- Polonia: 200 mil. tone minereu cu 2% Cu.

In tara noastra rezervele importante de cupru se gasesc in bazinul Maramuresului, in Moldova Noua, Rosia Poienii, Lesu Ursului etc.

Cuprul este un metal care cristalizeaza in sistem CFC si care are urmatoarele proprietati:

- greutate atomica 63,57;

- densitatea la 20^o C 8,94 kg/dm³;

- temperatura de topire 1083^o C;

- temperatura de fierbere 2325^o C

- vascozitatea la 1145^o C - 0,0341 p;

- conductibilitatea termica la 20^o C 3,87/cm∙sec∙grad C;

- conductibilitatea electrica la 20^o C 0,594∙10^-6Ω^-1∙cm^-1.

2.2.Tehnologii metalurgice de obtinere a cuprului

Cele mai raspandite tehnologii de obtinere a cuprului din minereuri sulfuroase sunt:

a) Topirea in cuptor cu reverberatie (adica in cuptoare cu vatra si flacara);

b) Topirea in suspensie (tehnologia AUTOKUMPU si INCO);

c) Lesierea acida si amoniacala.

In practica prelucrarea concentratelor sulfuroase de cupru se realizeaza conform schemei tehnologice din figura 2.2.1.

La topirea pentru mata in prealabil concentratele de cupru se supun operatiei de uscare in doua trepte: dupa prima uscare rezulta un concentrat cu 5-6% apa, iar dupa treapta a doua de uscare rezulta un concentrat cu 0,1-0,2% apa care este apoi supus operatiei de topire cand rezulta:

- mata cu un continut de 40-70% Cu;

- zgura formata din oxizi cum sunt: FeO, SiO₂, CaO, Al₂O₃, MgO etc.

Fig.2.2.1. Fluxul tehnologic de prelucrare a concentratelor

de cupru

Mata este un amestec de sulfuri de Cu₂S si FeS in proportie de 80-90%, restul fiind PbS, ZnS, Ar₂S₃, Sb₂S₃ si mici cantitati de oxizi. Continutul de cupru din mata atinge 30-70% Cu.

Zgura este un amestec de oxizi de FeO, Fe₃O₄, SiO₂, CaO in proportii de 80-90% restul fiind Al₂O₃, MgO, PbO, ZnO, Cu₂O si mici cantitati de sulfuri. Convertizarea consta in insuflarea aerului sau a oxigenului in mata lichida pentru oxidarea totala sau partiala a sulfurilor de cupru in vederea realizarii conditiilor optime a operatiei de topire cu reactie in urma careia rezulta cupru lichid sau cupru negru de convertizor. Produsele convertizarii sunt: cupru de convertizor, zgura, gazele tehnologice si prafurile volatile. Cuprul de convertizor contine 97 - 98% Cu si Pb, Zn, Ar, Sb ca impuritati. Rafinarea electrolitica are ca scop obtinerea cuprului electrolitic de puritate ridicata 99,999% Cu si recuperarea metalelor nobile si rare (Au, Ag, Se, Te, In, Pd etc).

Produsele rezultate din operatii de rafinare electrolitica sunt cuprul electrolitic si namolul anodic, acesta din urma fiind prelucrat prin operatia de afinare in vederea extragerii aurului si argintului.

2.3. Rafinarea termica a cuprului

Cuprul negru de convertizor contine o serie de impuritati care influenteaza negativ proprietatile fizico-mecanice si electrice ale acestuia. Dintre aceste impuritati se remarca Ar, Sb, Fe, Bi, Zn, Pb precum si metale nobile si rare (Au, Ag, Se, Te, Pd, Pt, In etc). Rafinarea termica se desfasoara in cuptoare cu vatra sau rotative si procesul are la baza doua operatii respectiv topirea oxidanta a cuprului prin insuflarea aerului tehnologic in baia metalica urmata de procesul de dezoxidare (persaj). Schema tehnologica de rafinare termica a cuprului este redata in figura 2.3.1.

Fig.2.3.1 Schema tehnologica de rafinare termica a cuprului

Cuptoarele cu vatra pentru rafinarea termica a cuprului au capacitati de prelucrare care pot ajunge pana la 400t/zi si durate ale procesului de rafinare de 12 pana la 20 ore. Temperatura procesului in perioada de topire poate atinge 1500^o C, iar in perioada de dezoxidare si turnare anozi este cuprinsa in intervalul 1250-1350^o C. La insuflarea aerului in baia metalica prin intermediul lancilor de insuflare din otel au loc urmatoarele reactii:

2Cu+½O₂=Cu₂O

Cu₂O+Me'=2Cu+Me'O

in care, Me' reprezinta impuritatile cu afinitate mai mare fata de oxigen decat cuprul (Ar, Sb, Fe, Zn, Pb, Bi etc.). Continutul de O₂ la sfarsitul operatiei de oxidare este practic de 0,9 - 1%. La temperatura de 1150 - 1200^o C o parte din impuritati se zgurifica prin adaos de fondanti cum este cuartul sau calcarul, iar o parte trece in prafuri volatile in special Ar₂O₃ si Sb₂O_3. Dupa evacuarea zgurii are loc operatia de dezoxidare cu lemn de mesteacan sau gaze reducatoare (CH₄, NH_3, propan, butan). Cuprul astfel obtinut este evacuat printr-un orificiu situat in peretele longitudinal al cuptorului opus peretelui in care se afla usa de alimentare a cuptorului.

Turnarea cuprului in anozi se realizeaza prin intermediul unui jgheab de turnare, iar de aici pe masa de turnare tip carusel care dupa solidificare sunt preluati de un mecanism extractor si se introduc in bazinul de racire (cu apa).

Compozitia chimica a cuprului rafinat termic are la baza cuprul 99,96%; Se 0,05%; Te 0,1%; Ar 0,08%; Sb 0,01%; Bi 0,008%; Pb 0,1%; Fe 0,07%.

Anozii turnati din cupru au caracteristicile din tabelul urmator:

Tabelul 1

Zgura de rafinare termica reprezinta 2 - 3% din greutatea cuprului si contine aproximativ 20 - 40% Cu, fiind ulterior recirculata in procesul de convertizare, iar gazele care rezulta de aici sunt supuse desprafuirii in camera de desprafuire (cicloane montate in amonte de filtrele electrice), iar apoi trec in filtrele electrice iar gazele desprafuite trec mai departe la cosul de dispersie.

CAPITOLUL III

3. Calculul de dimensionare al cuptorului

Cuptorul de rafinare termica cu vatra este un agregat termic in care au loc operatiile metalurgice respectiv operatia de oxidare a baii metalice cu ajutorul aerului tehnologic si operatia de reducere cu ajutorul lemnului de mesteacan, CH₄, NH₃, propan, butan.

Elementele constructive de baza ale cuptorului sunt:

1) Fundatia cu rol de a prelua fortele de greutate ale intregii constructii a carui forma este in functie de constructia si dimensiunile cuptorului ;

2) Armatura sau constructia metalica se sprijina pe fundatie si este realizata din profile metalice si tabla. Rolul acesteia este de a prelua eforturile care apar la dilatarea captuselii refractare si rol de suport pentru instalatiile auxiliare ale cuptorului.

3) Captuseala cuptorului este formata din vatra, pereti si bolta si se executa din caramida refractara asezata in diferite pozitii si anumite succesiuni.

3.1. Alegerea materialului

La constructia cuptorului un punct cheie il constituie materialele refractare si folosirea rationala a acestora.

La alegerea materialului trebuie sa se tina cont de urmatoarele aspecte :

a) Conditiile la care sunt supuse materialele refractare: rezistenta la temperaturi inalte, rezistenta la compresiune, inmagazinarea caldurii, rezistenta la soc termic, uzura mecanica, durata de viata;

b) Se recomanda pe cat posibil folosirea caramizilor standardizate;

c) Materialele refractare nu se depoziteaza in aer liber si se procura de la acelasi producator;

d) Caramizile nu trebuie sa fie lovite si cioplite.

3.2. Partile componente ale cuptorului

3.2.A. Vatra cuptorului

Vatra se executa direct pe fundatie sau se interpune intre vatra si fundatie, profile laminate peste care se aseaza tabla din otel pentru a preveni supraancalzirea partii superioare a fundatiei. La constructia vetrei se folosesc materiale din cromomagnezit si samota foarte densa deoarece au rezistenta la compresiune buna, refractaritate mare si reactioneaza foarte slab intre ele la contactul direct.

3.2.1. Calculul vetrei cuptorului

Cuptoarele cu vatra pentru rafinare termica au capacitati de prelucrare care pot ajunge pana la 700t/zi.

Aria vetrei (A) respectiv latimea (B) si lungimea (L) se determina in functie de capacitatea cuptorului (C):

A=LxB=, [m²](1)

in care, C este capacitatea de prelucrare a cuptorului;

- densitatea topiturii;

k - coeficient care tine seama de abaterea spatiului de lucru = 0,80,87;

h_m - inaltimea medie =0,40,8m;

=1,53,5 (2)

Densitatea topiturii () este in functie de temperatura si este redata in tabelul urmator:

Tabelul 2

Pentru calcule am ales k=0,85, =7,78 la temperatura de 1400^o C, h_m=0,8 m , C=400t/zi. ffff

Durata unui ciclu de rafinare termica este de 15 ore si prin urmare capacitatea va fi:

C==16,66 t/h

iar capacitatea reala va fi:

C_r=C^, x15

C_r=16,6x15=249,9 t/h

Revenind la relatia (2) avem:

=2 L=2B

A=LxB A=2B²B=

L=2

A= =34,12 m²

A=34,12 m²

L=2B; L=2x4,13=8,26 m   

L=8,26 m

B===4,13 m

B=4,13 m

3.2.2. Calculul baii metalice

Adancimea maxima a baii metalice se stabileste in functie de forma acesteia. Baia metalica este formata dintr-un ansamblu de 3 sau 5 corpuri geometrice in functie de capacitatea cuptorului, de conditiile de amplasare in sectie etc. Baia metalica este construita dintr-un paralelipiped, doua prisme si doi segmenti de cilindru.

Volumul total va fi:

V_t=V₁+2V₂+2V_3, [m³]

iar inaltimea maxima:

h_max=h₁+h₂+h₃, [m]

Calculul paralelipipedului

V_t = L∙B∙h_m, [m³]

V_t = 8.26 x 4.13 x 0.8=27.29 m³

V_t = m³

V₁ = LBh₁ h₁ = , [m]

Calculul prismei

Unghiul are valori intre 1,2 2^o.

Am ales pentru calcul =1,5^o.

tg 1,5^o=0,026

tg = h₂ = ∙tg

h₂ = m

h₂ = 0,10 m

V₂ = ∙B

V₂ = m³

V₂ = 1,70 m³

Calculul segmentului de cilindru

h₃ = r-a [m]

V₃=L′ ; [m³]

L′=h₂²+

n - numặrul de laturi

n=3

sin

sin30^o=

2r=2B

r=B

r=4,13 m

a²=r²-

a²=4.13² - =17.05 - 4.26 = 12.79 a=3,57 m

h₃=r-a

h₃=4,13-3,57=0,56 m

h₃=0,56 m

L′²=

L′=4,13 m

V₃=L′, [m³]

V₃=

V₃=4.13 x 1.55

V₃=6,40 m³

V_t=V₁+2V₂+2V₃

V₁=V-2V₂-2V₃

V₁=27.29 - (2 x 1.7 + 2 x 6.40) = 27.29 - 16.2

V₁=11,09 m³

h₁=

h₁=

h₁=0,32 m

V_t=11.09 + 2 x 1.7 + 2 x 6.4 =11.09+3.4+12.8 m³

h_max=h₁+h₂+h₃

h_max= m

3.2.3.Stabilirea tipului de caramida folosit

Pentru constructia vetrei cuptorului am ales caramida de cromomagnezita tip pana pentru primele doua straturi si caramida de samota pentru cele doua straturi din mijloc, iar pentru stratul din exterior material izolator si anume diatomit.

Caramida tip pana are formatul de baza conform STAS-131/91 L6 cu urmatoarele caracteristici:

l=230 mm

b=114 mm

g=67 mm

g₁=61 mm

R=2415 mm

V=1,68 dm³

g

g_r

b L₆

l

g₁

Fig.4

R

	g1

R - raza cercului interior prin inzidirea cu un rost de 2 mm pentru obtinerea unei curburi corespunzatoare a vetrei

1^o. Calculul arcului interior al vetrei

a=

a= = m

a=4,32 m

2^o. Calculul arcului mediu al vetrei

a_m=

a_m=m

a_m=4,56 m

r_m=r+0,23m= m

3^o. Calculul arcului exterior al vetrei

a_e=

r_e=r+0,46=4.13 +2 x 0.23 = 4.59 m

a_e=m

a_e=4,80 m

r - raza exterioara (a se vedea calculul elementului de cilindru)

r_m=r+0,23m

r_e=r+0,46m

4^o. Calculul numarului de caramizi din primul strat al vetrei

n₁=

in care a este arcul interior al vetrei

d - dimensionarea rostului, d=0,002 m=2 mm

g₁ - piciorul caramizii, g₁=0,061 m=61 mm

n₁=bucati

5^o. Calculul numarului de caramizi din al doilea strat al vetrei

n₂=

n₂=bucati

   

3.3. Peretii cuptorului

La construirea peretilor cuptorului se acorda o atentie deosebita rostului de dilatatie. Distanta intre aceste rosturi nu trebuie sa depaseasca 4 - 6 mm. Latimea rostului se calculeaza pe baza coeficientului de dilatatie si a temperaturii care exista in cuptor.

In cazul cuptoarelor cu dimensiuni mari trebuie prevazute rosturi de dilatare care se pot executa usor prin practicarea din 3 in 3 m a unui strat de 5mm din polistiren expandat care la incalzirea cuptorului arde si se creeaza astfel rostul.

La constructia peretilor trebuie avute in vedere caracteristicile materialelor refractare utilizate la constructia vetrei fapt pentru care am optat pentru folosirea caramizilor de cromomagnezita, samota si diatomit.

Ordinea de inzidire este redata in figura de mai jos:

 

Conform STAS 131/91 caramida de samota are forma rectangulara cu urmatoarele dimensiuni:

d=2 mm

l=250 mm

g=64 mm

b=124 mm

V=1,98 dm³; V=lbg

Latimea peretelui va fi:

l_t= l+g+b+2d

l_t=250+64+124+2∙2=442mm

3.4. Bolta cuptorului

Bolta este partea cea mai importanta si cea mai expusa la coroziune chimica si socuri termice. Bolta se sprijina pe caramizile de reazem, iar acestea pe constructia metalica constituita din tiranti legati intre ei prin ancore. La alegerea caramizilor pentru bolta, trebuie avut in vedere inaltimea H a spatiului de lucru.

H==

V_t= V_mat= m³

H=m

La constructia boltii se recomanda folosirea caramizilor de silica bine arse care formeaza o glazura de cristobalit ceea ce confera o rezistenta pana la temperatura de 1700^o C.

Din standard am ales caramida de silica 2LG.

g

g_r

b L₆

l

g₁

R

Fig.7

d=2 mm - rost de inzidire

l=250 mm

b=124 mm

g=67 mm

g₁=61 mm

R=2625 mm

V=1,98 dm³

3.4.1. Calculul de dimensionare al boltii

1^o.Calculul sagetii boltii

f=(0,0080,12) B

f - sageata boltii

B - latimea spatiului de lucru (egala cu diametrul)

Am ales f=0,10 B

f=0.10 x 4.13 = 0.413 m

Fig.8

2^o. Calculul razei interioare a boltii

r_i=

r_i= m

r_i= m

	Fig.9

g₁ - grosimea boltii

g₁₌61mm=0,061m

3^o. Calculul razei medii

r_m=r_i+

r_m=m

r_m=5,39 m

4^o. Calculul razei exterioare

r_e=r_i+g₁

r_e= m

r_e=5,421 m

5^o. Calculul unghiului de racordare

sin

φ = 2arcsin ; 2arcsin 22.5⁰

6^o. Calculul arcului interior al boltii

a_i=

a_i = = m

a_i=4,2 m

7^o. Calculul arcului mediu al boltii

=

a_m = = m

a_m=4,23 m

8^o. Calculul arcului exterior al boltii

a_e=m

a_e=4,25 m

9^o. Calculul numarului de caramizi dintr-un sir al boltii

n=

n=bucati

10^o. Dimensionarea umerilor pentru bolta (caramizile de reazem)

64