吨每炉天然气铜精炼回转炉系统设计

1、 中南大学课程设计说明书 课 题400吨/炉天然气铜精炼回转炉系统设计 学 院 能源科学与工程学院 学生姓名 指导教师 * * * 老师 专业班级 * * * * 班 学 号 2014年 9月15日铜作为日常生活中重要的生产生活资料，与人类的生活息息相关。它不仅影响着人类文明的发展，也影响着世界的发展格局。中国铜总的消费量位居世界第一，但是国内铜矿资源紧缺。我国长期以来缺铜，国内生产满足不了需求的快速增长。中国精铜需求维持着稳定的增长势头，2013年中国全年铜消费量近896万吨，同比上涨幅度超过9.5%。若回顾历史，中国的精铜需求由2000年以来平均增长速度达到13%（全球精通需求增长率约为3

2、%），这带动了中国的年度需求总量由2000年的188万吨大幅上涨至2013年的896万吨（取自安泰科统计数据），拉动中国铜消费占世界消费比例由12%升至48%。随着社会的进步和经济的不断发展，铜的应用水平已成为一项新的经济衡量指标，炼铜业的发展也必将有着十分广阔的前景。1985年前国内粗铜火法精炼均采用固定式反射炉, 不适合液态粗铜的精炼。为改变我国炼铜工业面貌,我国引进了回转式阳极精炼炉技术。国内铜火法精炼过去采用固定反射炉, 炉料从侧面加料门加入, 冷料通过加料机加料, 而熔融铜则需用移动的流槽加入,操作繁琐。氧化、还原是由人工持管作业,精炼渣由人工扒除。出铜人工烧眼、堵眼,劳动强度大,

3、也不安全。回转式精炼炉可转动, 停在加料位置对熔融铜液可直接从炉口用包子加入, 取消加料流槽, 简化了进料作业，采用喷咀氧化还原,取消了黑铁管的弯管、包泥、干燥、堆存。氧化还原时炉体转动, 喷咀转到铜液下, 避免了反射炉人工抬管、插管；炉口转到渣面下即可倒渣, 避免了反射炉人工扒渣；将铜眼转到液下即可往外放铜, 避免了反射炉人工烧孔出铜。综上所述,回转式精炼炉对的炉体设备的变革, 实际是对整个铜火法精炼工序工艺操作的革新。课程设计任务书 课程设计题目：400吨/炉年天然气铜精炼回转炉系统设计课程设计起止时间：2014.9.7-2014.9.27指导教师：学生姓名：课程设计要求：1. 设计参数设

4、计产能：400吨粗铜/炉，粗铜品位90%，含SiO2 10%设计燃料：天然气（：92.80、：3.50、：0.30、：0.50、：1.00、：1.5、：0.3）设计排烟温度：2002. 设计内容设计说明书： 设计方案：回转式铜精炼原理烟气余热回收方法铜精炼节能减排新技术 设计已知条件 精炼炉设计计算：冶金造渣计算、燃烧计算、热平衡表、精炼炉主要尺寸计算、单位产品能源消耗指标 精炼炉结构设计：筒体、滚圈、水冷炉口、托轮、摇臂支承架、托轮轴承、耐火保温层 精炼炉筑炉：砖砌体估算，筑炉技术要求 精炼炉烘炉热工制度：烘炉操作要求，烘炉炉温曲线 烟气余热回收：空气-烟气对流换热系数热平衡传热面积换热器结

5、构尺寸 设计汇总3. 设计图纸回转式铜精炼炉砖砌体总图、烟气余热回收器结构总图4. 设计进度第一阶段调研收集资料第二阶段设计计算第三阶段数据整理与结果分析，绘制工程图纸第四阶段设计说明书第一稿第五阶段设计说明书第二稿第六阶段答辩准备、答辩、答辩成绩评定目 录1.设计方案11.1铜制备的目的和意义11.2铜精炼炉结构特点11.3回转式铜精炼原理2氧化过程2还原过程31.4技术优势41.5铜精炼节能减排新技术41.5.1 烟气余热发电技术41.5.2 阳极炉稀氧燃烧技术51.5.3 粗铜无氧化掺氮还原火法51.5.4 透气砖充气搅拌技术6烟气余热回收技术61.6设计方案图82.设计已知条件92.1

6、设计产能92.2设计燃料92.3设计温度93.精炼炉设计计算103.1冶金造渣计算103.1.1炉渣相系10渣型选择123.2燃烧计算13天然气燃烧计算13燃烧温度计算14炉子初步热平衡计算及燃料消耗量153.3热平衡表173.4最终热平衡及燃料消耗量核算183.4.1 热收入183.4.2 热支出183.4.3 热平衡方程203.5 主要结构参数及工作指标的验算20燃烧空间释热率（）203.5.2 炉气流速验算213.5.3 床能率213.6单位产品能源消耗指标214.精炼炉结构设计234.1筒体23炉膛尺寸确定24耐火保温层25筒体钢板计算274.2滚圈29滚圈材料29滚圈硬度29滚圈与筒

7、体的联接30滚圈尺寸314.3水冷炉口324.4托轮324.5摇臂支承架33从受力角度分析对比34从制造角度分析对比34从选材及成本角度分析对比34从结构上分析对比344.6托轮轴承354.7天然气燃烧器36天然气烧嘴365.精炼炉筑炉385.1砖砌体估算385.2筑炉技术要求385.3砌筑精度38砌筑施工38筑炉砌砖方法39砌体技术要求395.4膨胀缝39砌体砖缝厚度39膨胀缝设计方法395.5运行调试40调试渣型406.精炼炉烘炉热工制度416.1烘炉方法416.2烘炉炉温曲线416.3烘炉操作要求426.4烘炉成本核算437.蓄热体计算457.1热平衡45回转型陶瓷蜂窝体蓄热式换热器的热

8、力计算46流量和温度的修正468.设计汇总52参考文献531.设计方案1.1铜制备的目的和意义铜是与人类关系非常密切的有色金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上，用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻，开关以及印刷线路板等；在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交

9、换器和泵等；在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等；在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需用铜13-14吨。铜还是一种重要的生产和生活资料，其需求的变化主要取决于制造业的兴衰和生活质量的变化，也就是国家经济的好坏。衡量一个国家的经济发展状况，国内生产总值GDP是一个重要指标。分析数据表明，当西方国家GDP的增长率超过2.4时，铜的消费量才会增长，且GDP每变化l，则铜的消费量变化3.24。铜的消费水平，在一定程度上反映了一个国家的发展程度，理论上可以通过对铜的消费量做定性分析，来把握经济的走势。1.2铜精炼炉结构特点图1-1 废紫杂铜精炼炉400t回转

10、式精炼炉由炉体、炉口、水冷装置、炉盖启闭装置、托轮装置、驱动装置、主令控制器、润滑系统、液压系统、电气操作控制系统等组成。废紫杂铜精炼炉如图1-1所示。吊车将粗铜包内的粗铜溶液经铜精炼炉炉口倒人炉体, 然后炉盖启闭装置将炉口关闭, 进行精炼。造渣时, 炉盖开启，驱动装置驱动炉体倾转, 铜渣经过炉口溢出。炉内铜水进行氧化还原反应时, 可根据不同作业周期的要求, 将炉体倾转至不同的角度。放铜时, 炉体随着铜水液面的改变而不断改变炉体的倾转角度, 产出的阳极铜铜水经炉体上设置的出铜口流出。炉体倾转的角度由主令控制器进行控制。炉体倾转具有快速、慢速及事故转速等不同转速, 可根据操作要求的不同进行选择。

11、1.3回转式铜精炼原理回转式精炼炉为周期性作业，按过程物理化学变化特点和操作程序整个周期由加料、熔化、氧化还原、浇铸等阶段组成，其中以氧化期和还原期为主要阶段。杂质除去的程度主要取决于氧化过程，而铜中氧的排除程度则决定于还原过程。在精炼液态粗铜时，可免去熔化期。氧化过程氧化精炼的基本原理是铜中多数杂质对氧的亲和力都大于铜对氧的亲合力，而且杂质氧化物在铜液中的溶解度很小。当空气鼓入铜熔体时，杂质优先被氧化除去，铜成为粗铜的主体，杂质浓度较低。根掘质量作用定理，铜将被优先氧化：4 +=2生成的立即溶于铜液中，在与杂质接触的情况下又将杂质氧化：+ =2+()式中表示金属杂质。由于铜液中铜的浓度很大，

12、可以认为=1，则上式平衡常数为：因为，则杂质在铜液中的极限浓度为：由此可见，铜中残留杂质的浓度与铜液中的活度、该杂质的活度系数以及平衡常数成反比，这就要求在铜中始终保持饱和状态和大的K值。由于杂质氧化为放热反应，温度升高时K值变小，所以氧化精炼时温度不宜太高，一般在11501170，查-系状态图、铜液中的溶解度表 (见表1-1)可知，在此温度下铜液中的饱和度约为8。表1-1铜液中的溶解度表温 度/1100115012001250溶解度/58.312.413.1铜液中的溶解度如表1-1所示，铜中残留杂质的浓度还与渣中该杂质氧化物活度成正比。为此须选择适当的熔剂使粗铜熔体造渣和及时扒渣，以降低渣中

13、该杂质氧化物活度。另外，氧化过程还与炉气分压、杂质及其氧化物的挥发性、比重、造渣性能及熔池搅动情况等因素有关。在氧化精炼中起着氧化剂或氧的传递作用。1.3.2还原过程铜火法精炼的还原在我国较多采用重油作还原剂，如江西铜业公司、金隆铜业公司等，也有采用天然气、氨、液化天然石油气、丙烷以及插木法进行还原的嘲。我国云南铜业公司则是采用粉煤作为还原剂，这是我国也是当今世界上第一家成功运用煤粉作为还原剂的。重油的主要成分是各种碳氢化合物，高温下分解为氢和碳，而碳燃烧后成为，所以重油还原实际上是和对的还原：+=2+=2+氢还原温度始于248，在精炼温度下进行得非常激烈。在饱和铜液中可视=l，得：可见，混合

14、气体中只要有极少的还原即可进行。还原的平衡常数可写为：1100下的理论计算值如表1-2所示，从中可以发现也是很容易被还原的。表1-2 还原反应的浓度值铜液中的浓度+总和中的，Pa，质量，mol3.311.5-4.640.0022.00.230.1-3.640.03534.70.10.004-2.810.850813.3还原过程中用木炭或焦炭覆盖铜液表面，以防再氧化。精炼后的火精铜一般含铜99.5以上可铸成电解精炼所用的铜阳极或铜锭，精炼炉渣含铜较高，可返回转炉处理。火精铜中常含有金、银等贵金属和少量杂质，通常要进行电解精炼，电解精炼是以火法精炼的铜为阳极，以电解铜片为阴极，在含硫酸铜的酸性溶液

15、中进行。电解产出含铜99.95以上的电铜，而金、银、硒、碲等富集在阳极泥中，因此回转式精炼炉又称阳极炉。 1.4技术优势回转式精炼炉(又称阳极炉) 是铜冶炼厂用于将转炉生产的熔融态粗铜溶液在炉内经过造渣、氧化、还原而产出阳极铜的专用设备。回转式精炼炉主要用于液态粗铜的精炼。精炼作业一般有加料、氧化、还原、浇铸四个阶段，产品是为铜电解精炼提供合适的阳极板，因此，回转式精炼炉一般又称回转式阳极炉。回转式精炼炉的主要优点是结构简单、炉容量大，机械化自动化程度高、可控性强、密封性好以及能耗比较低；其缺点是投资高、冷料低（一般不超过15%）、浇铸初期铜液落差大、精炼渣含铜比较高。与反射炉相比较, 回转式

16、铜精炼炉具有密封性好、生产能力大、所占空间小、结构紧凑、熔炼速度快、生产效率高、燃烧消耗低、环保条件好、机械自动化程度高等优点。1.5铜精炼节能减排新技术1.5.1 烟气余热发电技术1.冷却槽 2.汽包 3.集尘器 4.蒸发器 5.过热器 6.省煤器 7.汽轮机 8.发电机 9.风机高温烟气从冷却槽上层分离出来首先进入集尘器除尘，除尘后导入过热器。过热器吸收大量的烟气热量用来推动与之相连的汽轮机工作产生蒸汽推动发电机发电。过热器中降低温度但温度依旧较高的烟气被送入汽包供蒸发器使用，烟气热量可以通过蒸发器传热层传到蒸发器表面蒸发新燃料中的水分。通过蒸发器的低温烟气重新打回汽包送入省煤器，省煤器中

17、的低温烟气被风机从冷却槽下层送来的高温燃气重新加热成高温烟气送到汽轮机供发电机发电。1.5.2 阳极炉稀氧燃烧技术1.5.3 粗铜无氧化掺氮还原火法图1-5 透气砖1.5.4 透气砖充气搅拌技术阳极炉作业时，由于混合气是从炉侧部吹入，熔体的搅拌性受到限制，冶炼反应效率不高。因底吹搅拌性优于侧吹，结合生产实际情况，在炉底增设透气砖装置，氮气从底部鼓入，以增强搅动，提高熔体中杂质硫与氧以及还原剂与氧化亚铜碰撞几率，从而大大改善反应动力学条件，加快反应速度，提高生产效率，降低还原天然气消耗，增加公司效益。按透气砖气体通道形式主要有三种类型，即弥散型、直通定向型、狭缝定向型。弥散型结构气孔细小贯通，气

18、孔率高，气体的流动和分布合理，同等条件下吹出的氮气泡多，但制造工艺较复杂；直通定向型由数量不等的细钢管埋入砖中而制成，孔径一般在0.6mm1.0mm之间，较大，底吹效果较好，使用寿命高，但在后期易堵塞，影响吹成率；狭缝定向型透气砖在成型过程中，与镶嵌材料整体成型，在高温烧成过程中镶嵌材料受热熔化挥发而形成狭缝，狭缝宽度选在0.18mm左右，惰性气体介质通过狭缝进入熔池，容易堵；铜冶炼行业，国外大部分企业采用弥散型透气砖（如瑞典Boliden，Ronnskar公司、美国Kennecot公司等）。透气砖如图1-5所示烟气余热回收技术换热器主要分为四种：管壳式、板式、热管以及蓄热式。板式换热器如图1

19、-2所示。 图1-2 板式换热器 板式换热器板片 和板式换热器密封垫片固定压紧板活动压紧板夹紧螺栓上导杆下导杆后立柱 蓄热式加热炉实质上是高效蓄热式换热器与常规加热炉的结合体，主要由加热炉炉体、蓄热室、换向系统以及燃料、供风和排烟系统构成。蓄热室是蓄热式加热炉烟气余热回收的主体，它是填满蓄热体的室状空间，是烟气和空气流动通道的一部分。在加热炉中，蓄热室总是成对使用，一台炉子可以用一对，也可以用几对，甚至几十对。在国内的一些大型加热炉上，最多用到四十几对。在蓄热式加热炉中，换向阀起到了至关重要的作用。为配合换向阀安全准确地工作，必须配备一套可简可繁的控制系统。蓄热体通常采用直径1215mm的质陶

20、瓷球或壁厚1mm以下的陶瓷蜂窝体。传统的燃烧方式是空气和煤气预混和扩散燃烧，在燃烧器周围存在一个局部高温区，造成炉温不均匀，影响加热质量。同时，在高温区内，氮气参与燃烧反应，导致烟气中含量高，造成大气污染。蓄热式燃烧则完全不同，在蓄热式炉中，整个炉膛为一个反应体，空气和煤气充满炉膛，在这个炉膛内弥散燃烧，不存在局部高温区，氮气几乎不参与燃烧反应。与传统燃烧方式相比，其优势表现在下面几个方面：炉温更加均匀；燃料选择范围更大；大幅度节能；生成量更低；金属氧化烧损低；适应范围广，可保留原炉基础及钢结构不动，施工简单，技术先进成熟；项目投资不大，节能效益显著，投资回收期短。图1-3 固定床型蓄热式换热

21、器蓄热式高温空气燃烧技术HTAC（High Temperature Air Combustion）是目前国内外开始流行的一种革命性的全新燃烧技术，它通过高效蓄热材料将助燃空气从室温预热至前所未有的800高温，同时大幅度降低排放量，使排烟温度控制在露点以上、150以下范围内，最大限度地回收烟气余热，使炉内燃烧温度更趋均匀。HTAC技术针对燃料种类或热值的不同，有单蓄热与双蓄热之分。一般认为油类、高热值煤气及含焦油粉尘的热脏发生炉煤气则只需或只能采用助燃空气单蓄热方式；清洁的低热值燃料（高炉煤气、转炉煤气）可采用双蓄热方式。固定床型蓄热式换热器如图1-3所示。烟气的余热利用还可以采用“气气”换热方

22、式从高温废烟气中提取热量，产生新的热空气用于生产或者供暖需要。其核心设备为可拆卸热管式换热器。也可以采用“气水”换热方式从高温废烟气中提取热量，产生热水，热水用来锅炉补水或者生产工序，也可以作生活洗浴热水。其换热单元采用模块化组合，可以根据需要增减换热单元。1.6设计方案图图1-7 铜精炼回转炉设计方案图该废铜精炼回转炉系统包括精炼回转炉、烟气余热回收蓄热器、天然气烧嘴口、风机、烟囱等部分。2.设计已知条件2.1设计产能400吨粗铜/炉，粗铜品位902.2设计燃料表2-1 天然气成分分析组分i92.803.500.300.501.001.50.3其中环境温度45，水分忽略不计。2.3设计温度表

23、2-2 温度设计表项目温度/回转炉离炉烟气温度1350回转炉排烟温度200蓄热器空气入口温度45蓄热器空气出口温度800回转炉空气入口温度8003.精炼炉设计计算3.1冶金造渣计算炉渣是火法冶金的必然产物，其组成主要来自矿石、熔剂中的脉石和燃料中的灰分。炉渣主要是由各种氧化物组成的共熔体。冶金炉渣的主要作用是使矿石和熔剂中的脉石、燃料中的灰分集中，并在高温下与主要的冶炼产物金属、硫等分离。在炉渣中发生金属液滴或镏液滴的沉降分离，沉降分离的完全程度对金属在炉渣中的机械夹杂损失起着决定性的作用。在金属和合金的熔炼和精炼时，炉渣与金属熔体的组分相互进行反应，从而可以通过炉渣对杂质的脱除和浓度加以控制

24、。在某些情况下，炉渣可用来覆盖在金属或合金之上作为一种保护层，以防止金属熔体受炉气的饱和和氧化。在某些情况下，炉渣不是冶炼厂的废弃物，而是一种中间产物。用矿热式电炉冶炼时，炉渣是电阻发热体，可用调节电极插入炉渣中深度的方法来调节电炉的功率。用反射炉冶炼时，炉渣是传热介质，通过它把热量传递给金属熔体。要使炉渣在冶炼过程中发挥其有利的作用，就必须根据各种有色金属冶炼过程的特点，合理地选择炉渣成分，使之具有合适要求的物理化学性质，如适当的熔化温度和酸碱性、较低的粘度和密度等。图3-1 -二元系炉渣相系（1）-二元系（如图3-1所示）各种硅酸钙盐熔点都很高，熔点<1600的硅酸钙位于含3259的

25、狭窄组成范围内，在含59时再增加，则渣熔点将急剧升高。钙硅酸盐在熔化温度上不适于作有色冶炼渣。能使炉渣密度降低，且钙硅酸盐溶解重金属硫化物能力比较小.（2）-二元系（如图3-2所示）不是一个固定组成的化合物，而是溶有的固熔体，将看成·,因而有一部分系以形态存在。当含量30时，渣熔点最低1200，与有色冶炼温度(1150-1300)相近。就熔点而言，用接近2·炉渣造硫或还原熔炼可行。图3-2 -二元系渣密度较大(含70)，与锍或金属分离效果不好。硅酸盐中含量愈高，其对硫化物溶解能力愈大，导致金属损失增大。不单独用铁硅酸盐作炉渣，须加以改善炉渣性能。（3）-三元系（如图3-3所

26、示）以上分析说明铁硅酸盐或钙硅酸盐都不适宜于单独有色冶炼炉渣。图3-3 -三元系在实践中，能符合有色冶金过程要求的炉渣是铁钙硅酸盐的熔合体，其中基本组成部分为、和。故-三元系是有色冶金炉渣的主要造渣系。因炉渣成分系-三元系，在熔融体中加入少量可造出熔点1100的适合工艺要求的炉渣。建议熔剂量为炉料量的5-8加入。加碱性熔剂（、），可使得渣粘度降低，渣熔点降低，但会使渣比重升高，渣含铜升高，而适中，故要首选。加酸性辅料（如），虽然会使渣比重降低，渣含铜量降低，但渣粘度与熔点均会升高，需要高的炉温方可保证渣流动性。相图曲线是等熔点曲线，就是将熔点相同的各三元成分的点连接起来的曲线。其中最低熔点为9

27、75，它的成分大致是：47%、30%、23%。在此成分的炉渣中增加三元系的任何一种成分，都会升高炉渣的熔点，但出升高的幅度各不相同。可以通过熔点最低的成分D点与三角形三个顶点分别作三条连线，由这些连线可看出各成分对熔点影响的幅度。例如由D点分别增加三种组分的含量时，以对熔点升高的影响最大，次之，最小。图3-4 -三元系图3-4渣型选择为了降低炉渣熔点，本设计采用-三元系造渣，其中最低熔点为975，在图上做各线的平行线，交点如图3-4所示，它的成分大致是：47、30、23计算过程如下：400×10=40t：23/47×40=19.57t：30/47×40=25.53

28、t由此可知，每炉造渣需加入19.57t以及25.53t。3.2燃烧计算天然气燃烧计算表3-1 天然气成分分析组分i92.803.500.300.501.001.50.3其中环境温度45，水分忽略不计。根据表3-1计算得到：（1）天然气低发热量 Q低=4.187（3046×CO%+2580×H2%+8550CH4%+14100×C2H4%+5520 H2S%） =127.54×0.30+108.02×0.5+357.99×92.8+590.37×3.5 =35310kJ/m3（2）理论干空气量 理论氧量= =（0.5×

29、;0.30+0.5×0.5+2×92.8+3×）×0.01 =1.96 m3/m3理论空气需要量=4.76×=4.76×1.96=9.33/（3）实际空气需要量取空气系数n=1.1，实际空气消耗量=n=1.1×9.42=10.26 /（4）理论湿空气量（按供风温度45计算）查得g=84=(1+0.00124g)n=(1+0.00124×84)×10.26=11.33 /=(1+0.00124g)=(1+0.00124×84)×9.33=10.30 /（5）实际炉气成分（）： （6）实际

30、炉气量 所以：=/×100=1.01/12.41×100=8.14=/×100=8.2/12.41×100=66.08=/×100=0.2/12.41×100=1.61=/×100=3.03/12.41×100=24.17（7）实际炉气密度 燃烧温度计算（1）燃烧产物理论含热量：查得：空气比热容=1.30 则： （2）燃烧产物中过剩空气含量=（-）/=(11.33-10.30)/12.41=8.30（3）理论燃烧温度据16P60内插值近似法每干燃烧产物初始热含量P=/=35310/(12.41-3.00)=3752

31、.39 每湿燃烧产物初始热含量=R=/=35310/12.41=2845.29 假设燃烧温度为1700，查16附表7a，得=0.0814×4087.1=332.68=0.6608×2486.28=1642.93=0.0161×2632.09=42.38=0.2417×3203.05=774.18=2792.17假设燃烧温度为1800，查16附表7a，得=0.0814×4360.67=354.96=0.6608×2646.74=1748.97=0.0161×2800.48=45.09=0.2417×3429.9=82

32、9.00=2978.02解得：=1771（4）实际燃烧温度t（取高温=0.85） 则 t=0.85×1771=1505炉子初步热平衡计算及燃料消耗量按热负荷最大的加料熔化阶段考虑，设此阶段内平均小时燃料消耗量为x m3/h。（1）热收入1）天然气燃烧热x 2）空气物理热3）铜料氧化热 假定加料熔化阶段有2.4的铜被氧化成，其生成热为1298 kJ/kg，8.5h为加料/熔化周期。4）造渣反应热查工业炉窑热平衡表得：=23880/8.5=2809.41 总的热收入：=35310x+662.81x+1465976+2809.41=35972.81x+1468785.41 kJ/h（2）热

33、支出1）炉料吸收热（查19）=0.42×（1083-45）+170+0.45×（1350-1083）×300×/8.5=34169.88× kJ/h2）不完全燃烧热损失机械性不完全燃烧热损失为1。=K=1×35310x=353x kJ/h化学性不完全燃烧，设炉气中的含量为0.5： kJ/h=12.41×58.5/35310×100x=2.06x kJ/h3）炉气带走热损失（） kJ/h4）通过砖砌体及炉门的各项散热损失，根据经验先假定为总消耗量的5%5）炉渣带走热=68068/8.5=8008 kJ/h则总热支出为

34、： kJ/h由=，得：解得x=1054.22最大天然气消耗量按1055 考虑。3.3热平衡表表3-2热平衡表热收入热支出项目KJ项目KJ天然气热燃烧3725205094.5炉料吸收热3416988086.73空气物理热6992641.77不完全燃烧热损失机械性3724150.950.96铜料氧化热14659763.71化学性27430.01造渣反应热28090.01炉气带走热损失28725017.29-炉渣带走热80080.02-其他散热损失19692465.00合计39420099100.0-39394793100.0本设计铜精炼回转炉热平衡计算结果如表3-2所示，根据能量守恒定律分析炉窑热

35、能利用状况。传热计算和燃烧计算后，计算进入炉内的总热量和支出的所有热量，比较热量的有效利用部分和各项损失部分所占比例，据此判断炉子工况的好坏，进而考虑减少热损失的措施 。3.4最终热平衡及燃料消耗量核算按加料及熔化阶段计算。3.4.1 热收入（1）天然气燃烧热 =35310x kJ/h（2）空气物理热 =662.81x kJ/h（3）金属氧化反应热 =1465976 kJ/h（4）造渣反应热 =2809.41 kJ/h=35972.81x+1468785.41 kJ/h3.4.2 热支出（1）炉料吸收热 = 34169.88×kJ/h（2）不完全燃烧 =353.10x kJ/h（3）

36、炉门逸气带走热炉门开启时逸气量 其中 ， =5268 炉门开启时间率为0.177，则逸气带走热： =1.59×1316×5268×0.177=1951066 kJ/h炉门关闭时的漏气量约为开启时的10%，即： =1.59×1316×0.1×5268×(1-0.177)= 907190 kJ/h总的逸气带走热=195066+907190=2858256 kJ/h（4）炉气带走热炉门逸出炉气量： =5000×0.177+0.1×5000×(1-0.177)=1298 =1.59×1250&

37、#215;(13.19x-1298)=26215x-2579775 kJ/h（5）通过砖体及炉门散热（如表3-3所示）表3-3 通过砖体及炉门散热损失部位材质厚度/m内表面积/计算面积/内表面温度/散热量/备注炉顶镁铝砖0.320.9720.971374988-渣线以上炉墙镁 砖粘土砖0.350.2316.2517.881374235-渣线以下炉墙同上同上7.458.2117088-炉底镁 砖毛炉底粘土砖钢 板0.380.060.4650.01522.536.5外表温度180339q=9293工作门-0.61.04×2开启系数0.1771374322遮蔽系数=0.6总散热量-1972

38、-（6）其他热损失（包括水冷拱脚梁、水冷炉门及不可预计的项目）设为燃料燃烧热的2%，即=0.02×35702x=714.04x kJ/h（7）炉渣带走热=8008 kJ/h=26984.65×+3250.93x kJ/h3.4.3 热平衡方程由热平衡方程=，得：35972.81x+1468785.41=3250.93x +26984.65×加料与熔化阶段的平均小时耗燃料量： x=1051 /h燃料消耗量与最初热平衡计算基本相符。最终热平衡如表3-4所示：表3-4 加料与熔化阶段热平衡表项目%项目%燃料燃烧热炉料吸收热805121.09空气物理热不完全燃烧热3840

39、.97-炉门逸气带走热27897.07铜氧化反应热14650.9炉气带走热2603865.99-通过砖体及炉门散热19224.88合计100.00合计100.003.5 主要结构参数及工作指标的验算燃烧空间释热率（）式中：x各工艺阶段的石油焦粉消耗量，kg/h，根据工厂经验，各阶段燃料消耗量与加料熔化期的平均消耗量（x）有如下关系：加料期： =（0.70.85）x=768.51873.42 kg/h焖烧期： =（0.91.05）x=886.741034.53 kg/h 熔化前期： =（11.15）x=985.261133.05 kg/h熔化后期： =（1.11.25）x=1083.791108

40、.42 kg/h炉膛燃烧空间容积，当熔池深度为650 mm时，=20.62 m3，当熔体面达750 mm时，=18.59 。加料熔化阶段炉膛燃烧空间释热率的波动范围：=（22802529）×（W/）最大炉膛燃烧空间释热率（熔化后期）:=3363××1.163=3911× W/因炉膛燃烧空间释热率很大，除要求选用优质耐火材料以外，还应强化燃烧过程。3.5.2 炉气流速验算按最大炉气量：V炉气=1412.5×12.44×(1+1316/273)/3600=28.41 /s表3-5 按设计确定炉膛各处横截面积及流速部位横截面积/流速/炉头2

41、.1813.81炉中3.219.38炉尾1.5020.07出口流速较大，要求排烟系统抽力作相应考虑。按设计中炉膛各处横截面积及流速如表3-5所示。3.5.3 床能率按装料量与每炉冶炼周期验算：=7.8×0.9×3.2=22.46 a=24G/=24×300/（22.46×14.5）=22.1 验算表明，按经验确定的炉子主要尺寸是适宜的。3.6单位产品能源消耗指标（1）按氧化、还原、浇铸阶段热平衡得该期内的平均燃料消耗x=1055 /h（2）每炉总的燃料消耗量加料熔化期消耗天然气：8.5×1280.84=10887.14 氧化、还原、浇铸期消耗天

42、然气：6.0×1055=6330每炉总耗天然气：V=17217 （3）每吨炉料耗天然气：13067/300=43.56 /tGB 212482007表3-6 铜冶炼企业单位产品能耗限额准入值铜冶炼企业单位产品能耗限额准入值如表3-6所示，与表3-6中单耗限额300kgce/t时的数据相比较，本设计天然气单耗远小于铜冶炼企业单位产品能耗限额准入值，设计合理。4.精炼炉结构设计图4-1 回转式精炼炉1-排烟口；2-壳体；3-砖砌体；4-炉盖；5-氧化还原口；6-燃烧器；7-炉口；8-托辊；9；传动装置；10-出铜口回转式精炼炉的主体设备是由炉体、支承装置和驱动装置三大部分组成，相关的其它

43、设备包括各种工艺管道（燃料、助燃风、氧化剂、还原剂、压缩空气、冷却水等的供应）的连接、燃烧装置、排烟装置、氧化还原装置、润滑装置和冷却装置、各种检测及控制装置等。炉子工作为周期性作业，理论上可以在360°范围内旋转，因此，所有与其连接的相关设施均应考虑挠性连接后再敷设刚性设施。回转式精炼炉的规格及容量目前还没有具体规范，一般是以炉体圆筒壳体的内径和长度表示其规格，而名义容量是以炉膛容积的一半(即回转中心)所容液态粗铜的质量(t)来定义。实际容量与名义容量之间有所差异，此差异大小依精炼工艺作业要求而定。回转式精炼炉的大致结构如图4-1所示：4.1筒体回转式精炼炉的筒体是一个卧式圆筒形容

44、器（如图4-1），内砌约500mm厚的耐火材料，在筒体上开有加料口、出铜口、氧化还原口、排烟口、取样口等各种孔口。设计筒体时除了要考虑具有足够的强度和刚度外，还应考虑到筒体材料的选择及温度对其允许应力的影响，另外如何保证筒体的制造质量也是关键。根据筒体受力情况我们可以通过强度计算来来间接反映变形情况，并用较低的许用应力来限制变形条件。炉膛尺寸确定回转式精炼炉的炉膛是一个回转圈柱体，其容积()可按下式计算:式中炉膛直径，m； 炉膛长度，m；K与/有关的系数，表中是指颅内熔体深度(m)。系数K取值如图4-1所示。表4-1 系数K值/K/K/K0.200.1420.320.2760.440.4240

45、.220.1630.340.3000.460.4490.240.1850.360.3240.480.4750.260.2070.380.3490.500.5000.280.2290.400.374-0.300.2520.420.399-炉膛直径的确定主要是根据实际生产过程中的经验公式，其公式如下：式中：Q炉子容量，t； 炉内熔体的密度(一般按粗铜液态密度并考虑适当的夹渣量取其等效密度计算)，t/。炉膛长度与直径的关系为：300吨回转式铜精炼炉的炉膛设计计算：设计参数如下： t，并取带入上述公式，可得：由于其中含47，30，23的炉渣，其比重为：2.3×0.47+5.0×0.

46、30+3.3×0.23 = 3.34 因此其密度为 =5.41炉膛直径为：炉膛长度为：设定熔体液面为炉膛中心下0.2m，则查表4-1，取k值 炉膛容积为：最大装容量为：由上述计算可知，设计计算的炉膛容量为435t，工艺要求的炉膛容量为520t，设计值大于要求值，此设计尺寸能够满足要求。耐火保温层（1）材料选择回转式精炼护的炉膛温度高于1350，与固定式炉不同的是没有固定的熔池线，炉渣的侵蚀和熔融金属的冲刷几乎涉及2/3以上的炉膛内表面；其次，由于炉子需要经常转动。砌体与钢壳间必须紧密接触，以加大砌体与钢壳间的静摩擦而克服转动扭拒以保持砌体的稳定性。因此一般不设轻质隔热层；另外，为了减

47、轻砌体荷重.在钢壳表面沮度允许(小于300)的条件下，尽量减薄砌层厚度。根据以上三个特点，回转式精炼炉的筒体内衬选用350450厚的镁铬质耐火材料，64114mm厚的黏土质耐火材料；两端墙选用425450mm厚的镁铬质耐火材料，加64mm厚的黏土质耐火材料和10mm厚的耐火纤维板。回转式精炼炉对耐火材料的品质要求比较严格，内衬镁铬砖的含量应大于22，风口区（氧化还原口）、出铜口部位大于30，气孔率小于16，一般为直接结合或电熔再结合砖。（2）砖型及筑护回转式精炼炉由于形伏简单，涉及的砖型不多。除炉口、氧化还原口、出铜口等部位有少量的异型砖外，大都是标准型砖。圆形筒体采用竖锲形砖环砌，与钢壳相接

48、处64mm厚的砌层，用230mm×114mm×64mm的标准黏土砖平砌：内衬镁铬砖砖缝小于1.5mm，根据镁铬砖的线膨胀率用马粪纸留设环向和纵向膨胀缝。端墙镁铬砖内衬用425mm×150 mm×100mm(或类似规格)的直形砖平砌，外层64mm厚砌层用230mm×114mm×64mm的标准黏土砖平砌，与筒体内衬相接触的环形部位的端墙内衬（镁铬砖）应向炉膛内伸进50mm(砖后打结50mm的镁铬质捣打料)。图4-2 贵冶300t回转式精炼炉砌体图出铜口和氧化还原口因经常需要检修，宜采用组合砖组成孔口。燃烧口一般采用镁铬质捣打料打结。贵冶3

49、00t回转式精炼炉砌体如图4-2所示。1）耐火砖设计计算端墙镁铬砖内衬用460mm×150mm×75mm(或类似规格)的直形砖平砌大于380mm取2mm，小于380mm取1mm使用1层镁铬砖=4.62 m=4.62+（0.50+0.002）×2=5.624 m已知：通过砖砌体及炉门的各项散热损失为1476344 kJ，密度2.07 g/=×4.62=14.507 m块数=14.507/(0.15+0.001)×11.55/（0.075+0.001）=14600块 买14600块=14600×2.07×0.50×0.

50、15×0.075=170.00 t2）保温砖设计计算外层64mm厚砌层用230mm×114mm×64mm的标准黏土砖平砌=70已知：通过砖砌体及炉门的各项散热损失为1476344 kJ，黏土砖导热系数为0.5 W/（m·k）, 密度1 g/由传热学公式可知代入数据得2×0.5×11.55×(1350-70)/In（/5.624）=1476344解得=7.702 m=5.624+(0.064+0.001)×2=5.754 m=×5.624=17.659 m块数=17.659/(0.23+0.001）

51、5;11.55/（0.114+0.001）=7678块 买7700块=7678×1×0.23×0.114×0.064=12.884 t筒体钢板计算炉体结构设计的关键点之一是筒体钢板。筒体钢板厚度主要与炉子支承跨距的大小及刚度有关，即不但应有足够的刚度防止径向变形；而且应有足够的强度防止筒体产裂断。材料的选择要求做到既正确又合理，以达到产品的最佳技术性能、工作寿命和制造成本。筒体设计一般遵循安全寿命设计或损伤容限设计的指导思想。计算前进行几项基本的假设：不计筒体所受扭矩；按静载荷计算；将筒体视作圆环截面水平连续梁，不计截面变形后对截面模数的影响。查阅相关文

52、献，可知相关的计算参数为：筒体内径4244 mm、筒体壁厚50 mm，轮带下壁厚55 mm，耐火砖460 mm，保温砖64 mm；炉体自重200 t、耐火砖110 t、保温砖10 t、所装铜液435 t；托轮支反力方向与垂直方向成30度角；滚圈宽度590 mm，两档支承跨距7860 mm。根据已有相关研究认为，400吨回转铜精炼炉筒体钢板材料采用16Mn是既经济又合理的较佳选择。根据国内外回转式精炼炉应用实践经脸的分析与研究归纳得出壳体厚度的经验计算公式:式中：P壳体内所有物体的质量，t； l一两滚圈中心线之间的距离，m； L一筒体的长度，m； d一筒体的内径，m。计算得出的结果为壳体允许的最

53、小厚度尺寸，应在此基础上考虑壳体在使用年限内的腐蚀减薄。当以上两个厚度之和仍小于壳体内径的1时，取=0.01D的圆整值。400t回转式精炼炉的筒体钢板厚度的计算。设定参数为：P=750 t，l=9.26 m，L=11.55 m，d=4.75 m代入公式可知： 这仅仅是筒体允许的最小厚度要求，考虑到腐蚀减薄应适当加厚。因计算厚度都非常小，再按=0.01D进行计算： 圆整后，取： 滚筒下钢板应该加厚，则取： =5.624+(0.064+0.001)×2=5.754 m=S×L=20.959 查资料得M=20.959×7.85=164.53 t为达到更好的安全效果，可在钢板