四章冶金设备设计与选择课件.ppt

第 四 章,冶金工厂设备的选型与设计,第 四 章冶金工厂设备的选型与设计,第一节 概述,第一节 概述,冶金工厂使用的设备多种多样，按使用功能可分为如下几种：(1)动力设备。如：蒸汽锅炉或余热锅炉(常配发电机组)等；(2)热能设备。如：煤气发生炉、热风炉等；(3)起重运输设备。如：皮带运输机、吊车，斗式提升机等；,冶金工厂使用的设备多种多样，按使用功能,(4)备料设备。如：各种破碎机、圆盘配料机、调湿与混合机、制粒机、压团机等；(5)流体输送设备。如：各种类型的泵、空压机、通风排气设备等；(6)电力设备。如：各种电动机、变压器、整流设备等；(7)冶炼设备。如：鼓风炉、高炉、转炉等各种冶金炉；,(4)备料设备。如：各种破碎机、圆盘配料机、调湿与混合机、,(8)收尘设备。如：旋风收尘器、袋式收尘器和电收尘器等；(9)湿法冶金设备。如：浸出槽、高压釜等；(10)液固分离设备。如：浓缩槽、抽滤机、压滤机等；(11)电冶金设备。如：矿热炉、电弧炉、水溶液电解槽、熔盐电解槽等。,(8)收尘设备。如：旋风收尘器、袋式收尘器和电收尘器等；,上述11类设备按其在冶金过程中所起的作用，前6种可称为辅助设备，后5种可称为主体设备。辅助设备并不是它们的作用是次要的，如:电解车间的整流器，无论是对电解过程的顺利进行，还是节约电能，都起着极为重要的作用，设计时必须高度慎重选用。,上述11类设备按其在冶金过程中所起的作用，,冶金工厂设备虽然复杂，但在选型与设计计算中一般将其分为两大类。即： 1、定型设备（即标准没备），在冶金工厂多为辅助设备； 2、非定型设备（即非标设备），在冶金工厂多为主体设备。,冶金工厂设备虽然复杂，但在选型与,冶金工厂是由一系列定型或标准设备、非标准设备、冶金炉、工艺管道、控制系统以及公用工程设施等组成，它的核心是标准和非标准设备。,冶金工厂是由一系列定型或标准设备、非标准设,冶金工厂设备设计的任务,1、精心设计冶金主体设备； 2、正确选用辅助设备； 3、设备能力平衡统计。,冶金工厂设备设计的任务,冶金设备的设计计算：,冶金设备的设计计算是指在设计过程中对设备的数量、规格的计算。冶金设备的设计计算一般有两种处理方法。,冶金设备的设计计算： 冶金设备的设计计算,1. 设计计算 对于冶炼的主体设备，如鼓风炉、高炉、热风炉、转炉、电炉等各种冶金炉，要进行较详细的设计计算。主体设备的设计计算一般都采用“以炉建炉”的方式进行。 “以炉建炉”的方式首先收集大量现有同类行业中正在进行生产的炉子的参数，分析其优、缺点，通过总结、归纳，得到设计的“经验公式”，再用“经验公式”进行设计计算。,1. 设计计算,经验方法的最大优点是设计计算较容易，并切实可靠； 经验方法的缺点是它固有的保守性，使设备设计工作局限于该设备的现状，难于有较大的发展。 冶金工厂使用的主体设备，几乎全是非标准产品，应根据冶金过程的要求及原料特性等具体条件进行精心设计。对于某些收尘设备及液固分离设备，在有专门厂家生产时，亦可以选用为主，以减少设计投资费用。,经验方法的最大优点是设计计算较容易，并,2. 选型计算 对于冶金工厂所需的各种辅助设备，如动力设备、热能设备、起重运输设备、备料设备、流体输送设备、电力等，通常采用选型计算的方法。其步骤为： 生产规模计算设备大小选标准系列校核,2. 选型计算,也就是说，由于冶金工厂使用的辅助设备大都是定型产品，应尽量从定型产品中选用，在迫不得已的条件下，才按冶金过程的特殊要求订购。 “选用”对于具体设计工作来说，看起来好像是处在次要的地位。,也就是说，由于冶金工厂使用的辅助设备大,冶金设备设计资料： 根据冶金设备的设计计算的要求，为完成冶金设备设计任务，应该掌握的资料包括：1.全冶金过程的物料衡算与能量衡算数据；2.厂外的供电、供水及交通条件，水文气象资料；3.冶金过程的有毒气体与含尘气体的排放，热辐射等条件；4.冶金过程的高温熔体、腐蚀流体的产生情况。,冶金设备设计资料：,第二节 冶金主体设备设计,第二节 冶金主体设备设计,冶金工厂的主体设备类型繁多，形式多样，规模不一。进行冶金主体设备的设计是冶金工艺设计的重要组成部分，它是在冶金过程衡量计算的基础上，进一步具体完成冶金过程的工艺设计，将为整个冶金过程的顺利投产打下可靠的基础。因此冶金主体设备的设计，是冶金工厂设计的重要内容，也是主要内容。,冶金工厂的主体设备类型繁多，形式多样，规,设计内容,1、设备选型与主要结构的分析研究； 2、主要尺寸的计算与确定； 3、某些结构的改进； 4、相关设备的配备； 5、主要结构材料的选择与消耗； 6、对外部特殊条件的要求。,设计内容 1、设备选型与主要结构的分析研究；,一、冶金主体设备的选择,冶金主体设备的选择包括冶金主体设备的选型和设备结构的研究和改进两部分工作 。,一、冶金主体设备的选择 冶金主体设备的,在进行冶金主体设备设计时，首先应该对冶金过程的主要目的、发生的主要物理化学反应及其特点有很深入的了解，并要开展广泛的调查研究，了解完成某一冶金过程曾经采用过什么设备，发展过程如何，目前国内工厂通用哪一种设备，国外还有哪些更为先进的设备与技术等。,在进行冶金主体设备设计时，首先应该,选择设备的基本要求是： (1) 满足生产工艺要求； (2) 设备的先进性； (3) 操作的稳定性和安全性； (4) 设备的操作弹性； (5) 技术经济指标； (6) 操作控制的有效性和先进性； (7) 加工、安装和运输的可能性； (8) 材质选择经济合理。,1. 设备的选型,选择设备的基本要求是：1. 设备的选型,堆烧法是硫化矿最古老的焙烧脱硫法，虽然在偏僻山区仍可见到，但是随着富块矿的减少，加上选矿技术的进步，产出的细小硫化精矿完全不能采用这种严重污染环境的简易方法脱硫。随后相继出现了人工翻动的单层或多层的反射炉焙烧、机械耙动的多膛炉焙烧，飘悬焙烧炉焙烧，这些焙烧炉都能处理细小的硫化精矿，究竟选用哪种类型的焙烧炉？,例1：硫化锌精矿焙烧脱硫设备的选择,堆烧法是硫化矿最古老的焙烧脱硫法，虽然,这是一个气固多相反应，根据多相反应动力学，在高温下进行的焙烧反应，主要受扩散条件的限制。因此在选用焙烧设备时，必须有利于改善扩散过程的进行，而上述的多种焙烧炉都不能很好地满足这个要求，这就是为什么现今的有色冶金工厂，对于硫化物料的焙烧脱硫，都乐意采用沸腾焙烧炉的原因。,这是一个气固多相反应，根据多相反应动力学，在高温下进,沸腾炉的生产率要比其它焙烧设备高好几倍，沸腾炉还易于大型化与机械化，并实现了电子计算机控制，这是其它焙烧设备难以实现的。 随着科学技术的不断进步，沸腾炉本身也有了许多改进，炉型也在不断发展，现在工业上采用的沸腾炉炉型见图。,沸腾炉的生产率要比其它焙烧设备高好几倍，沸腾炉还易,第四章-冶金设备设计与选择课件,（a）矩形沸腾焙烧炉,优点： 简易、易于砌筑，焙烧时可防止物料出现“短路”时未经充分焙烧的物料外溢。缺点： 炉子的四角易产生死角，造成炉结。,（a）矩形沸腾焙烧炉优点：,现状： 很少工厂采用。秘鲁、比利时两家电锌厂的制粒锌精矿采用该炉型。,现状：,(b)直筒型（又称Dorr型）沸腾炉,优点： 该炉子直径上下一样，可直接处理含水2025%甚至更高的矿浆。 缺点： 生产率与热效率均较低，烟气中水份含量高，成为难处理的高酸、高尘、高泡烟气。,(b)直筒型（又称Dorr型）沸腾炉 优点：,应用状况： 该炉型曾被日本各湿法冶炼厂所采用，目前巳遂渐被（d）型炉所取代。但是，如果要在选厂附近建冶炼厂时可以考虑选用该炉型,应用状况：,(c) 带加热前室的直筒型沸腾焙烧炉,缺点：加料前室的风帽易堵塞，常需短时停炉处理；炉内气相成份分布不均，至使排料口附近的沸腾炉面积没有充分发挥沸腾焙烧反应的作用。,(c) 带加热前室的直筒型沸腾焙烧炉 缺点：加料,应用情况： 此炉型在我国与前苏联的湿法炼锌厂中曾被广泛采用过。,应用情况：,（d）扩大型（又称鲁奇型）沸腾焙烧炉,优点： 进料均匀； 烟尘率低； 有利于提高炉内的气流速度，改善气固反应的扩散条件； 可提高生产率； 克服了前室加料的缺点。,（d）扩大型（又称鲁奇型）沸腾焙烧炉 优点：,应用状况： 该炉型是目前国内、外广泛采用的炉型。结论：国外各湿法炼锌厂相继采用，或将其它焙烧炉改为此种炉型（VM型沸腾炉）。,应用状况：,例2：硫化矿物浸出设备选择,硫化矿物原料的浸出，高压氧浸设备可以产出元素硫，常压加氧化剂浸出往往是使硫转变为硫酸根离子SO42-，因此生产元素硫必须选用高压浸出设备，要产出溶于水的硫酸盐，在加入氧化剂的条件下则采用常压浸出设备。,例2：硫化矿物浸出设备选择 硫化矿物原料的浸出，高压氧浸,2. 设备结构的研究和改进 当设备类型选定之后，就应该详细研究这种设备的具体结构了。这种研究的特点，主要是对设备使用过程中的运转情况、生产指标及产生的问题的调查，经过充分研究之后做出改进设计的方案，必要时还要委托科研院所与有关厂矿做一些模拟试验，才能在正式设计中采纳。,2. 设备结构的研究和改进,设备选型与设计主体设备的尺寸 计算及台数确定,设备选型与设计主体设备的尺寸 计算及台数确定,计算方法可分为三类：1.按设备主要反应带的单位面积生产率计算；2.按设备的有效容积生产率计算；3.按设备的负荷强度计算。,计算方法可分为三类：,1、按单位面积生产率计算,几乎所有火法冶金炉都可以按此方法进行计算，求出设备的炉床面积。 其计算公式如下：,1、按单位面积生产率计算 几乎所有火法冶金炉都可,计算公式如下： F=A/a（m2）式中：F所需设备的有效面积；（m2） A日处理的物料数量；（t） a单位面积生产率。（t/m2.d）,计算公式如下：,例： 设计一座日处理180吨锌精矿的沸腾焙烧炉。已知焙烧锌精矿时其单位面积生产率（a）为 7 t/m2.d时，问需要多大炉床面积的沸腾焙烧炉？,例：,解： 根据设备的有效面积计算公式： F = A / a 已知： A = 180 t， a = 7 t/m2.d 并将其代入公式，得： F = 180 / 7 = 25.7 m2 答：需要建一座炉床面积为25.7 m2的沸腾焙烧炉。,解：,2、按单位容积生产率计算,对湿法冶金中的浸出槽、净化槽、贮液槽、分解槽等类型的设备计算时多采用此计算方法。,2、按单位容积生产率计算 对湿法冶金中的浸出槽、,第一步：根据产量计算确定所需设备的 容积（体积）； 第二步： 计算确定所需设备的数量； 第三步：计算确定单个设备的尺寸。 下面以常压与高压两种作业条件和高炉有效容积的设备进行计算说明。,第一步：根据产量计算确定所需设备的,(1)常压设备的计算 精矿或经磨碎后的其它有色金属物料，大都采用搅拌浸出与溶液净化，搅拌方式常用机械搅拌或空气搅拌。,(1)常压设备的计算,这种设备的设计首先是计算确定设备的容积，其计算式如下： V总=V液t24式中 V总设备的总容积，m3； V液每天需处理的矿浆或溶液的总体积，m3； t矿浆在槽内停留的总时间，h； 设备容积的利用系数。,这种设备的设计首先是计算确定设备的容积，其,每天需处理的矿浆或溶液的体积，是根据物料衡算来确定的，对于固体物料的浸出，在物料衡算时，往往只知道物料的处理量，需要根据该冶金生产过程的液固比及矿浆的密度来计算出V液，其计算式如下：,每天需处理的矿浆或溶液的体积，是根据物料衡算来确定的,V液= （m3）式中 Q日处理的固体物料量，td； LS液体与固体物料的重量 比，简称液固比； 液体与固体混合浆料的密度， tm3。,当V液求出之后，需要计算所需槽数N，计算式如下： 式中： N所需槽数，台； V0选定的单个槽的几何容 积， m3； n备用槽数，台； 槽体容积的利用系数。,当V液求出之后，需要计算所需槽数N，计算式,(2)高压湿法冶金容器的设计计算 高压湿法冶金近年来有所发展，在有色冶金中使用最普遍的是氧化铝的生产。矿浆在压煮器中用过热的新蒸汽（280300）最终加热到232，在计算压煮器的尺寸与台数时，除了必须知道单位时间内有多少矿浆量通过压煮器之外，还需知道用新蒸汽加热矿浆时产生的冷凝水。所以计算的物料平衡数据中的矿浆量，必须再加上加热用蒸汽冷凝的水量，才是压煮器流出的矿浆总量。,(2)高压湿法冶金容器的设计计算,(3)高炉有效容积的设计计算。 高炉有效容积的计算，根据高炉有效容积的利用系数和日产量确定，其计算式如下 式中 V有高炉有效容积，m3； P高炉的日产量，td； 高炉有效容积利用系数， t(m3d)。,(3)高炉有效容积的设计计算。,高炉有效容积利用系数是衡量高炉生产强化程度的重要指标,越高，说明高炉生产率越高，每天所产生铁越多。目前我国大中型企业的平均利用系数约1.82.0，高的达到2.5甚至3.0以上。,高炉有效容积利用系数是衡量高炉生产强化程度的重要指标,3、按设备的负荷强度进行计算,此类计算主要用于电解精炼的设备计算，它们都是按电流强度，即设备通过的电流大小来进行设备计算的。,3、按设备的负荷强度进行计算 此类计算主要用于电解精炼的设备,有色冶金的电化冶金过程，如铜、铅的电解精炼，硫酸锌水溶液的电积，铝的熔盐电解，钢铁冶金的电解金属锰生产，这些过程所用的电解槽，都是按电流强度，即按通过电解槽的电流大小来设计计算。而电流强度是与选定的电流密度和生产规模等许多因素有关，只有通过调查研究之后才能正确地决定。,有色冶金的电化冶金过程，如铜、铅的电解精炼，硫酸锌水溶,冶金辅助设备的选择与设计,冶金辅助设备的选择与设计,一、辅助设备选择的基本原则,1、满足生产过程的要求 例如高炉、沸腾炉的鼓风机，其风压与风量必须满足物料正常沸腾的需要。若风压太小不能克服空气进入沸腾空间的阻力，就不能保证所需的风量鼓入炉内，物料便不能达到沸腾状态，也会延缓反应过程的进行。又如收尘过程的抽风机抽力不够，便不能保证收尘设备在负压下工作，造成含尘烟气外逸，从而恶化了车间的劳动条件，并污染了环境。,一、辅助设备选择的基本原则 1、满足生产过程的要,2、适应工作环境的要求 火法冶金车间多数设备往往是在高温与含尘气体下工作，而湿法冶金车间的工作环境，往往又是潮湿与含有各种酸、碱雾。所以冶金工厂选用的辅助设备，在许多情况下是需要耐高温与耐腐蚀的。,2、适应工作环境的要求,3、容量应在满负荷条件下工作； 这就要求在设计计算过程中准确地提出容量数据。但是应该指出，冶金工厂的生产过程是连续运转的，必须保证设备有一定的备用量，在设备计划检修和发生临时故障时，应能及时更替，不致因此而中断生产。当然，备用量必须适当，否则大大增加建厂投资。,3、容量应在满负荷条件下工作；,在计算设备容量时，还必须注意到生产条件的变化。例如：根据原料来源与市场情况，需要增加产量时，设备应有一定的富余能力。又如：为了节约电费，某些地区已规定晚间(08时)电费比日间高峰电费低许多，铁合金、工业硅生产和铝电解是耗电多的高耗能生产过程，在不影响生产正常进行的条件下，可以在晚间采用高电流密度，而在日间高峰用电时采用低电流密度操作。这样选用的变压器、整流设备应能满足这种负荷变化的要求。,在计算设备容量时，还必须注意到生产条件的变化。,4、满足节能的要求； 选用的辅助设备大都是电力拖动，设备所需功率必须认真算好，绝不可用大功率电动机带动小生产率设备，应该使电动机在接近满负荷的条件下工作。同时应该充分利用工厂本身的能量。例如：余热锅炉所产生的蒸汽不能充分利用来发电时，则可用蒸汽透平来传动其他辅助设备。 5、为扩大生产留有余地。,4、满足节能的要求；,辅助设备应尽量选用定型产品，但是在许多情况下却选不到，需要重新设计。这种设计可分为两种类型。 第一类：可由冶金工艺设计人员提出要求，向有关厂家定做；冶金工厂特殊用途的机电产品属于这种类型。有一些辅助设备承担厂家，一时难于接受这种特殊设计，可由有关厂家与冶金工艺设计人员合作研制设计。如目前冶金工厂使用的余热锅炉，多是由锅炉厂与冶金厂合作设计制造的。 第二类：非定型辅助设备，如物料的干燥用具，在全厂生产过程中它只起辅助作用，往往是由冶金设计者当做主体设备自行设计。又如新研制成一种过滤设备，当然只能由冶金研制人员承担设计任务，在某种情况下也可与专门生产厂家合作。,辅助设备应尽量选用定型产品，但是在许多情况,二、选用、设计辅助设备的基本方法,选择的方法有三条： 其一是从产品目录上选用。这主要是对定型产品。如：电机、鼓风机、各种类型的泵、起吊装置、天车、皮带运输机等等。 但是有些设备选用好之后，设计者还应根据配置设计的要求，绘制设备安装图，如：皮带运输机。,二、选用、设计辅助设备的基本方法选择的方法有三条：,其二是设计计算加工。主要是一些非定型产品。 如：各种矿仓及料斗。 冶炼厂一般在单位时间内处理的物料量大，同时又是连续生产，所以物料的贮备是很重要的。这类设备一般需要进行设计，考虑的主要因素是贮存时间与贮备量、物料的特性等。贮存时间的长短，对于厂外原材料应考虑供应者的地点、生产条件及运至厂内的交通情况；对于厂内的物料，则应考虑设备的生产情况和班组生产的需要量。某些工厂矿仓储存物料量和储存时间列于表4-3，可供参考。,其二是设计计算加工。主要是一些非定型产品。,第四章-冶金设备设计与选择课件,矿仓与料斗的设计计算是按容积来考虑的。有效容积的计算式如下：式中 V有效容积，m3； G需要储存的物料量，t； 物料的堆积密度，tm3。； K有效容积的利用系数，一般取 0.80.9。,矿仓与料斗的设计计算是按容积来考虑的。有,其三是有特殊要求的辅助设备的设计 有许多冶金过程往往对辅助设备有特殊要求，如矿热炉的变压器、高温含尘烟气用的排风机等。这些设备本是定型产品，但是所属型号的特性不能满足冶金生产过程的要求。这样一来，在冶金工厂的设计中要对这些设备进行初步设计，提出具体要求向生产厂家定货。,其三是有特殊要求的辅助设备的设计,例如： 对电炉用变压器的选择主要应考虑其总功率（P）问题，一般可用下公式计算：,例如：,AQ P = 24K1 K2 cos式中： A 电炉的单位耗电量，kWh/t料； Q 处理固体炉料量，t / d ； K1功率利用系数，一般为0.91.0； K2时间利用系数，一取为 0.920.96； cos功率因素，一般为0.90.98。,三、冶金工厂专门使用 的辅助设备设计,该类设备有： 干燥窑； 收尘器； 过滤设备等。,三、冶金工厂专门使用 的辅助设备设计 该类设,