Особенности тепловой работы печи.

При движении шихты в рабочем пространстве печи навстречу горячим газам материал термически обрабатывается и образуется спёк, который поступает далее в холодильник.

Нагрев материала производится продуктами горения топлива, основное требование к которому – низкое содержание серы. С горячего конца печи вдувается технологическая пыль, поступающая через питатель и служащая для регулирования температурного режима в зоне спекания.

Из общего количества пыли 65 % образуется в цепной зоне на участке подсушивания материала, 10 % - в зоне подогрева, 25 – 30 % в зоне кальцинации. В цепной зоне на участке влажного материала 50 % общего количества образовавшейся пыли задерживается. Примерно 25 % пыли, возвращается в горячий конец печи, осаждается в зоне спекания, 40 % в зоне кальцинации и около 30 % в цепной зоне.

Рис. 2. Кривые изменения температуры газов (1) и шихты (2) по длине печи.

В зависимости от температуры горячих топочных газов, нагревающих шихту, и изменений, происходящих в шихте, печь по длине можно разделить на четыре зоны (рис. 2.).

Первая зона – сушки и обезвоживания – в верхней части печи и имеет температуру топочных газов 200 – 1250 ⁰С, шихты – от 20 до 700 ⁰С. В данной зоне удаляется вся влага.

Вторая зона – кальцинации (разложения) – имеет температуру топочных газов 1250 – 1400 ⁰С и шихты от 700 до 1000 ⁰С. В этой зоне происходит полное разложение СаСО₃.

Третья зона – спекание – имеет наивысшую температуру газов 1600 – 1650 ⁰С и температуру шихты 1200 – 1250 ⁰С. Здесь завершается процесс спекания и полностью разлагается Na₂CO₃. Эта зона находится в пределах факела горения топлива.

Четвёртая зона – охлаждения – расположена в самой нижней части печного барабана, за огневым факелом. Здесь температура составляет 1500 – 1550 ⁰С, а у шихты 110 ⁰С. Спёк поступает в холодильник через бункер, и он охлаждается до 60 –70 ⁰С.

Процесс спекания характеризует температура отходящих газов, состав данных газов, движение материалов в печи и внешний вид, получаемого спёка. При нормальной работе температура отходящих газов в борове печи 180 – 200 ⁰С, что обеспечивает правильный режим спекания.

В отходящих газах количество СО и О₂ не должно превышать 0.4 – 0.6 %, а СО₂ должно быть в пределах 25 – 27 %.

Основные химические реакции процесса спекания.

Спекание – важнейшая операция в технологической схеме сухого щелочного способа. При проведении этой операции необходимо создать такие условия, которые способствовали бы образованию растворимых соединений алюминия, сводили бы к минимуму возможность перехода в раствор кремнезёма, а также исключили бы протекание реакций, вызывающих потери Al₂O₃ и щёлочи с красным шламом.

В процессе спекания участвуют Al₂O₃, Na₂O, Fe₂O₃, SiO₂, CaO, а также TiO₂, и примеси некоторых силикатов. При нагреве до 550 ⁰С происходит обезвоживание гидроокиси алюминия, входящей в состав боксита. При температурах выше 700 ⁰С две параллельные реакции: взаимодействие окиси железа с содой и окиси алюминия с содой. Причём сначала преобладает первая реакция, при повышение же температуры до 900 ⁰С начинается образование алюмината натрия в результате прямого вытеснения окисью алюминия окиси железа из феррита натрия. Образование алюмината завершается при температуре 1150 ⁰С.

При температуре 800⁰С энергично протекает реакция между кремнезёмом и содой с образованием силиката натрия, который с повышением температуры до 1200 ⁰С взаимодействует с алюминатом натрия, давая алюмосиликат натрия. Однако в присутствии извести большая часть его разлагается.

В температурном интервале 1000 – 1100⁰С при малых количествах соды в шихте оксид алюминия взаимодействует с оксидом кальция, образуя метаалюминат кальция, оксид кальция взаимодействует с оксидом железа (3), что приводит к образованию некоторых количеств феррита кальция.

При температуре 1100⁰С начинается реакция между оксидом кальция и кремнезёмом, в результате которой при дальнейшем нагревании образуется двукальциевый силикат.

Спёк при температуре 1200⁰С, состоит из метаалюмината натрия Na₂O*Al₂O₃, метаферррита натрия Na₂O*Fe₂O₃ и двукальциевого силиката 2CaO*SiO₂. Количество соды в шихте должно обеспечивать превращения всех окислов в соответствующие метасоединения. На практике соду вводят в шихту с избытком (около 5 %).

Соотношение компонентов будет следующим:

                              1 молекула Na₂CO₃ на 1 молекулу Al₂O₃;

                              1молекула Na₂CO₃  на 1 молекулу Fe₂O₃;

                              2 молекулы Na₂CO₃  на 1 молекулу SiO₂;

Шихта, в которой количество соды берётся из расчёта полного связывания глинозёма с окисью железа в алюминат и феррит натрия, называется сиехиометрически насыщенной содо-известковой шихтой. Если количество соды в шихте не обеспечивает полного превращения в алюминат и феррит натрия глинозёма и окиси железа, то это ненасыщенная шихта. Преимущество насыщенной шихты перед не насыщенной – в наиболее полном превращении глинозёма в алюминат натрия, в большем диапазоне спеккообразования (150 – 200 ⁰С) и в получении пористого спёка. Однако при выщелачивании спека, полученного из ненасыщенной шихты, потери щёлочи будут ниже.

Соотношение в спеке основных составляющих определяется составом применяемого боксита и колеблется в следующих пределах:

                              50 – 60 % Na₂O*Al₂O₃;

                              15 – 20 % Na₂O*Fe₂O₃;

                              25 –30 % 2CaO*SiO₂;