Обжиг (металлургия) — Roasting (metallurgy)

Обжиг (металлургия) — Roasting (metallurgy)

Обжиг — это процесс нагрева сульфидной руды до высокой температуры в присутствии воздуха. Это этап обработки определенных руд . В частности, обжиг — это металлургический процесс, включающий реакции газа и твердого вещества при повышенных температурах с целью очистки металлических компонентов. Часто перед обжигом руда уже частично очищена, например, с помощью пенной флотации . Концентрат смешивают с другими материалами для облегчения процесса. Эта технология полезна, но также является серьезным источником загрязнения воздуха .

Обжиг состоит из термических реакций газ-твердое тело, которые могут включать окисление, восстановление, хлорирование, сульфатирование и пирогидролиз. При обжиге руду или рудный концентрат обрабатывают очень горячим воздухом. Этот процесс обычно применяется к сульфидным минералам . Во время обжига сульфид превращается в оксид, а сера выделяется в виде диоксида серы , газа. Для руд Cu ₂ S ( халькоцит ) и ZnS ( сфалерит ) сбалансированными уравнениями обжига являются:

2 Cu ₂ S + 3 O ₂ → 2 Cu ₂ O + 2 SO ₂ 2 ZnS + 3 O ₂ → 2 ZnO + 2 SO ₂

Газообразный продукт обжига сульфидов, диоксид серы (SO ₂ ), часто используется для производства серной кислоты . Многие сульфидные минералы содержат другие компоненты, такие как мышьяк, которые выбрасываются в окружающую среду.

Вплоть до начала 20 века обжиг начинали сжиганием дров поверх руды. Это повысит температуру руды до такой степени, что содержащаяся в ней сера станет источником топлива, и процесс обжига может продолжаться без внешних источников топлива. Раннее обжигание сульфидов практиковалось таким образом в обжиговых печах с «открытым подом», которые перемешивались вручную (практика, называемая «рыхление») с использованием инструментов, похожих на грабли, чтобы подвергать необожженную руду воздействию кислорода по мере протекания реакции.

В результате этого процесса высвободилось большое количество кислотных, металлических и других токсичных соединений. Результатом этого являются области, которые даже спустя 60–80 лет все еще остаются в основном безжизненными, часто точно соответствующие площади жареного слоя, некоторые из которых имеют ширину в сотни метров и длину на километры. Обжарка — экзотермический процесс.

Обжиг известняка осуществляется в промышленных печах. Эти установки существуют в 2 вариантах: вращающиеся и шахтные.

Вращающиеся печи универсальны с точки зрения агрегатного состояния сырья: допустимы работы как с твердыми, так и с мягкими породами. Это установки длиной от 30 до 100 м и диаметром от 2 до 4 м. Они установлены под углом в 3-4 и вращаются с частотой 0,5-1,2 об/мин. Суточная производительность составляет 500-700 кг/м 3 обжигательного барабана. С увеличением длины установки возрастает производительность, и сокращается расход топлива за счет увеличения площади контакта.

Разработано несколько способов сокращения расхода топлива, одновременно подходящих для утилизации высокотемпературных газов, образующихся в процессе реакции. Один из них – предварительный нагрев сырья. Он предполагает установку перед печью нагревателя, обеспечивающего разогрев материала до 500-800°C.

Таким образом, в общем виде одна из типовых схем вращающейся установки для обжига извести выглядит как нагреватель – печь – холодильник. Расход теплоты при такой технологии составляет 4600-5030 кДж/кг извести.

Шахтные печи подходят только для обжига твердых пород. Они подразделены на несколько вариантов. К настоящему времени в производстве остались только газовые установки, а полугазовые и пересыпные варианты устарели и сохранили актуальность только на небольших предприятиях. Газовые печи отличаются от этих аналогов большей производительностью и лучшим качеством продукта. Такие установки могут быть выполнены в разных конфигурациях. Функциональные зоны здесь те же, что и во вращающихся печах. Под шахтой устанавливают выгрузочное устройство, и под ним – бункер охлаждения. Недопустимость использования мягкого сырья объясняется возможностью его зависания.

Шахтные печи

Рассмотрим теперь шахтные печи для обжига извести. Типологически они подразделяются на пересыпные, полугазовые и газовые. Пересыпные и полугазовые печи в настоящий момент строятся на небольших предприятиях и с небольшой производительностью. Можно сказать, что конструкции данных устройств устарели и производимая известь не удовлетворяет современным критериям. Данные типы уходят в прошлое, и поэтому нет смысла уделять время анализу их конструкции.

Несколько слов о газовых печах для обжига извести. При обжиге в шахтных конструкциях на природном газе качество извести заметно улучшается. Также увеличивается производительность и улучшаются условия труда. Рационализация производства часто прибегает к переводу действующих пересыпных и полугазовых шахтных печей на газовое топливо. При переводе важно создать условия для равномерного распределения газа по поперечному сечению шахты. В печах диаметром менее 1,8 м газ подается в печь с помощью горелок, введенных в специальные проемы в стенках печи. При большем диаметре осуществляется периферийная и центральная подача газа, а при щелевидном сечении — только периферийная подача на двух уровнях и более. Центральную подачу газа производят с помощью вертикального керна или диаметрально расположенных металлических балок, охлаждаемых водой, с подбалочными горелками. Это позволяет ввести дополнительное газообразное топливо в центр шахты. Водоохлаждаемые балки затрудняют эксплуатацию печи и вызывают потери теплоты с охлаждающей водой. Для замены испортившейся балки необходимо останавливать и разгружать печь. Поэтому вместо этих балок устанавливают воздухоохлаждаемые консольные фурменные горелки, которые можно заменять без остановки.

Рабочее пространство шахтной печи подразделяют на три зоны — зону подогрева, обжига и охлаждения материала (оксида кальция). Зона подогрева составляет 35% полезной высоты шахты, что позволяет снизить температуру отходящих газов до 300—3500С (без учета подсосов холодного воздуха) и подогреть кусковой материал в конце зоны до температуры 9000С. Выходящие из зоны подогрева печные газы при рациональном режиме обжига содержат 24—26% углекислого газа (СО2) и 3—4% кислорода (О2). Зона обжига известняка занимает 40% полезной высоты шахты. В зоне обжига происходит сжигание природного газа и диссоциация известняка. Среднюю температуру газов в зоне обжига поддерживают 1100—1200° С. При такой температуре происходит обжиг доломита. Печь шахтная подходит не только для прокаливание извести, но и для обжига неорганических вещест и дунита, например.

Равномерность температуры газового потока по поперечному сечению шахты в зоне обжига зависит от равномерности распределения газа и воздуха по сечению шахты и условий их перемешивания. Поскольку условия смешения газа и воздуха неидеальны, приходится подавать в печь дополнительный объем воздуха (расход на 20-30% выше стехиометрического), то есть коэффициент избытка воздуха поддерживается в пределах 1,2-1,3.

Зона охлаждения занимает четверть полезной высоты шахты и служит для охлаждения оксида кальция, до 80—1200С, после материал поступает на выгрузочный механизм. В нижней части печи под выгрузочным устройством устанавливают бункер охлаждения извести объемом 2-3 м3, что позволяет дополнительно охладить материал до 50-800С и подогреть воздух, поступающий снизу в шахтную печь.

При эксплуатации печи чрезвычайно важна равномерная подача газообразного топлива и предотвращение местного перегрева материала. В противном случае нарушение процесса приводит к возникновению спёков (“козлов”,сваров), которые резко ухудшают газодинамику и могут привести к ее остановке.

Достоинства шахтных печей:
1) низкая металлоемкость;
2) умеренные капиталовложения;
3) меньший расход топлива (по сравнению с вращающимися);
3) низкий расход электроэнергии(по сравнению с вращающимися).

Недостатки:
1) недостаточно высокая степень декарбонизации сырья (как правило, не более 93-97%);
2)неравномерность обжига, которая возрастает с увеличением диаметра и уменьшением высоты печей;
3) достаточно высокие требования к однородности сырья по качеству и гранулометрии, а также степени загрязнения его глинистыми примесями;
4) ограниченная производительность (производительность 100 т/сут является критической для шахтных печей из-за риска получить непрожженную центральную зону).

Резюме.Применение шахтных печей будет оправдано при стабильно высоком качестве исходного сырья. Это позвоволяет экономить электроэнергию и топливо на прокаливание извести. Однако, при получении извести во вращающихся печах данные расходы могут быть скомпенсированы более высоким качеством извести и её конечной ценой. Конечно, последний момент может применяться на предприятиях, где маркетинговые планы и мероприятия точно отслеживаются и четко выполняются.

Зачем нужен высокотемпературный обжиг

Глина — хрупкий материал. Изделия из нее легко бьются, прочность им придают с помощью обжига. Первую керамическую посуду обжигали на кострах при 600 0С, поэтому она требовала бережного обращения. На современных заводах керамику помещают в печи, в которых поддерживается температура 1200 0С. Созданные таким способом предметы прочны, износостойки, долго служат. Их можно мыть в посудомоечной машине, они не царапаются металлическими ножами и вилками. И они при каждом неосторожном движении не разбиваются на черепки, которыми так легко порезаться.

Таким образом, керамическая посуда, изготовленная из натурального сырья с соблюдением всех норм, абсолютно безопасна для человека.

Способы обжига

1. Муфельная печь, оснащённая специальным механизмом, который регулирует температуру внутри. Зачастую обладают специальными программами для различных типов обжига.
2. Костёр/неэлектрическая печь. Изделие стоит поместить в ёмкость с песком, затем в костёр: так эффект резкого нагревания минимизируется.
3. Обжиг глины в домашних условиях, используя газовую или электрическую печь. Наиболее опасный метод. На сковородку из чугуна необходимо насыпать речной песок, затем поставить необходимое изделие и накрыть его кастрюлей или глиняным горшком. Важно следить за процессом и периодически проветривать помещение.

Если вам необхлодимо гончарное оборудование предлагаем обратиться в интернет-магазин Колокол Мануфактура.

Восстановительная среда при обжиге кирпича

Печи серии ТермоГаз ® (камерные тупиковые, камерно-проходные, туннельные), работающие на температурах до 1550 °C с использованием многослойной волокнистой теплоизоляции и до 1600 °C с использованием жесткой теплоизоляции.

В зависимости от поставленных задач и технических требований Заказчика, готовые печи могут быть снабжены:

• системой пропорционального или импульсного управления горением;
• средне- и высокоскоростными трехпроводными горелками с автономной подачей вторичного воздуха;
• системой автоматического или ручного регулирования среды в печи: окислительная-восстановительная-нейтральная;
• системами подачи холодного воздуха под свод печи;
• системой автоматического регулирования температуры в борове;
• системой автоматического регулирования температуры ВЭР (вторичные энергетические ресурсы).

Камерные печи.

Применяются универсальные газовые камерные печи тупикового типа серии ТермоГаз ® объёмом от 5 до 10 м 3 с рабочими температурами от 1000 до 1420 °C с фиксированным набором функций. Печи разработаны специально для скоростного обжига изделий из твердого и мягкого фарфора, фаянса, терракоты, керамики, майолики, а также могут использоваться для обжига других изделий, технологический процесс обработки которых обеспечивается техническими параметрами данного типоразмера печей.

Печи камерные с газовым нагревом серии ТермоГаз ® объемом 5 м 3

Печи данной группы футерованы волокнистой теплоизоляцией. Печные вагонетки имеют комбинированную футеровку — жесткую и волокнистую. Управление процессом горения — пропорциональное. Контроль процесса обжига осуществляется микропроцессорными программируемыми контроллерами, которые обеспечивают автоматическое регулирование: температуры в печи; разрежения/давления в печи (отдельная опция); среды в печи (отдельная опция). Дымоотвод от печи продуктов горения осуществляется естественной тягой через отверстия в вагонетках в боров, расположенный в задней стенки печи.

Печи представлены тремя конструктивными исполнениями:

Исполнение Д1 предполагает:

• перемещение и смена печных вагонеток вручную по рельсовым путям с помощью передаточной тележки;
• подъём двери электромеханическим приводом;
• расположение горелок по боковым поверхностям печи.

Исполнение Д2 предполагает:

• перемещение и смена печных вагонеток вручную по рельсовым путям с помощью передаточной тележки;
• дверь распашную;
• расположение горелок в двери и задней стенке.

Исполнение Д3 предполагает:

• перемещение и смена печных вагонеток вручную без помощи передаточной тележки и рельсовых путей;
• дверь распашную;
• расположение горелок в двери и задней стенке печи.

* — в зависимости от типа садки

Печи камерные с газовым нагревом серии ТермоГаз ® объемом 10 м 3

Печи данной группы футерованы волокнистой теплоизоляцией. Печные вагонетки имеют комбинированную футеровку — жесткую и волокнистую. Управление процессом горения — пропорциональное. Контроль процесса обжига осуществляется микропроцессорными программируемыми контроллерами, которые обеспечивают автоматическое регулирование: температуры в печи; разрежения/давления в печи (отдельная опция); среды в печи (отдельная опция).

Печи представлены двумя конструктивными исполнениями:

Исполнение Д1 предполагает:

• перемещение и смена печных вагонеток вручную по рельсовым путям;
• подъём двух дверей электромеханическим приводом;
• расположение горелок по боковым поверхностям печи.

Исполнение Д2 предполагает:

• перемещение и смена печных вагонеток вручную по рельсовым путям с помощью передаточной тележки;
• дверь распашную;
• расположение горелок в двери и задней стенке печи.

* — в зависимости от типа садки

Печи камерные с газовым нагревом для обжига электрокерамики
(фарфоровых изоляторов)

Технические и технологические новации, применяемые в печах поволяют:

Можно ли сделать дома?

Дома можно самостоятельно изготовить саман, не прибегая к его обжигу.

В домашних условиях возможно не только обжечь кирпич, но и изготовить самодельный стройматериал. Однако при таком процессе количество кирпичных блоков с дефектами будет больше. Излишне закаленные материалы будут непригодны для повторного использования. Существует 3 вида материалов:

• саман — без обжига с добавлением соломы;
• кирпич-сырец;
• обожженный.

Для получения самодельного кирпича нужно наличие брусчатой формы. Ее тоже можно сделать своими руками. Для этого понадобятся фанера и доски толщиной 25 мм. Из этих материалов вырезают элементы формы и соединяют их гвоздями длиной 5—6 мм так, чтобы размер будущего кирпичного блока соответствовал стандартному, а именно 250×120×65. Самодельные необожженные кирпичи изготавливают из смеси тощей и жирной глины с добавлением соломы в пропорции 1:1:5, разведенной водой до однородной консистенции. Готовый раствор плотно укладывают в предварительно смоченные и присыпанные цементом формы и закрывают съемной крышкой. После высыхания в течение 7—14 суток готовое изделие вынимают. Чтобы получить кирпич-сырец, проделывают такую же процедуру, добавляя вместо соломы песок.

В промышленном производстве используют специальные печи для обжига глины. В домашних условиях подойдет самодельная печь в виде бочки из металла объемом около 200 л с вырезанным днищем. В нее укладывают блоки для обжига, накрывают металлической крышкой и устанавливают на печь с открытым верхом. При отсутствии таковой, она крепится на ножках высотой 20 см над ямой, в которой на глубине 0,5 м разводят костер. Для обеспечения необходимой температуры для обжига, огонь должен постоянно поддерживаться в течение 20 часов. На завершающем этапе процесса, его делают более слабым. По истечении 6 часов крышку снимают и дают кирпичу остыть.