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1、 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 前言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%），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
2、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, 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,
3、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、：
4、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
5、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21.3.1氧化过程21.3.2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61.5.5烟气余热回收技术61.6设计方案图82.设计已知条件92.1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
6、相系103.1.2渣型选择123.2燃烧计算133.2.1天然气燃烧计算133.2.2燃烧温度计算143.2.3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203.5.1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234.1.1炉膛尺寸确定244.1.2耐火保温层254.1.3筒体钢板计算274.2滚圈294.2.1滚圈材料294.2.2滚圈硬度294.2.
7、3滚圈与筒体的联接304.2.4滚圈尺寸314.3水冷炉口324.4托轮324.5摇臂支承架334.5.1从受力角度分析对比344.5.2从制造角度分析对比344.5.3从选材及成本角度分析对比344.5.4从结构上分析对比344.6托轮轴承354.7天然气燃烧器364.7.1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385.3.1砌筑施工385.3.2筑炉砌砖方法395.3.3砌体技术要求395.4膨胀缝395.4.1砌体砖缝厚度395.4.2膨胀缝设计方法395.5运行调试405.5.1调试渣型406.精炼炉烘炉热工制度416.1烘炉方法416
8、.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457.1.1回转型陶瓷蜂窝体蓄热式换热器的热力计算467.1.2流量和温度的修正468.设计汇总52参考文献53II1.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
9、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
10、，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,
11、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。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。1.3.1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
12、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，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
13、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
14、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
