1、第 四 章冶金工廠設(shè)備的選型與設(shè)計(jì)第一節(jié) 概述 冶金工廠使用的設(shè)備多種多樣，按使用功能可分為如下幾種：(1)動(dòng)力設(shè)備。如：蒸汽鍋爐或余熱鍋爐(常配發(fā)電機(jī)組)等；(2)熱能設(shè)備。如：煤氣發(fā)生爐、熱風(fēng)爐等；(3)起重運(yùn)輸設(shè)備。如：皮帶運(yùn)輸機(jī)、吊車，斗式提升機(jī)等； (4)備料設(shè)備。如：各種破碎機(jī)、圓盤配料機(jī)、調(diào)濕與混合機(jī)、制粒機(jī)、壓團(tuán)機(jī)等；(5)流體輸送設(shè)備。如：各種類型的泵、空壓機(jī)、通風(fēng)排氣設(shè)備等；(6)電力設(shè)備。如：各種電動(dòng)機(jī)、變壓器、整流設(shè)備等；(7)冶煉設(shè)備。如：鼓風(fēng)爐、高爐、轉(zhuǎn)爐等各種冶金爐； (8)收塵設(shè)備。如：旋風(fēng)收塵器、袋式收塵器和電收塵器等；(9)濕法冶金設(shè)備。如：浸出槽、高壓釜等

2、；(10)液固分離設(shè)備。如：濃縮槽、抽濾機(jī)、壓濾機(jī)等；(11)電冶金設(shè)備。如：礦熱爐、電弧爐、水溶液電解槽、熔鹽電解槽等。 上述11類設(shè)備按其在冶金過程中所起的作用，前6種可稱為輔助設(shè)備，后5種可稱為主體設(shè)備。輔助設(shè)備并不是它們的作用是次要的，如:電解車間的整流器，無論是對(duì)電解過程的順利進(jìn)行，還是節(jié)約電能，都起著極為重要的作用，設(shè)計(jì)時(shí)必須高度慎重選用。 冶金工廠設(shè)備雖然復(fù)雜，但在選型與設(shè)計(jì)計(jì)算中一般將其分為兩大類。即： 1、定型設(shè)備（即標(biāo)準(zhǔn)沒備），在冶金工廠多為輔助設(shè)備； 2、非定型設(shè)備（即非標(biāo)設(shè)備），在冶金工廠多為主體設(shè)備。 冶金工廠是由一系列定型或標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、冶金爐、工藝管道、控

3、制系統(tǒng)以及公用工程設(shè)施等組成，它的核心是標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。冶金工廠設(shè)備設(shè)計(jì)的任務(wù) 1、精心設(shè)計(jì)冶金主體設(shè)備； 2、正確選用輔助設(shè)備； 3、設(shè)備能力平衡統(tǒng)計(jì)。冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算： 冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算是指在設(shè)計(jì)過程中對(duì)設(shè)備的數(shù)量、規(guī)格的計(jì)算。冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算一般有兩種處理方法。 1. 設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)于冶煉的主體設(shè)備，如鼓風(fēng)爐、高爐、熱風(fēng)爐、轉(zhuǎn)爐、電爐等各種冶金爐，要進(jìn)行較詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算。主體設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算一般都采用“以爐建爐”的方式進(jìn)行。 “以爐建爐”的方式首先收集大量現(xiàn)有同類行業(yè)中正在進(jìn)行生產(chǎn)的爐子的參數(shù)，分析其優(yōu)、缺點(diǎn)，通過總結(jié)、歸納，得到設(shè)計(jì)的“經(jīng)驗(yàn)公式”，再用“經(jīng)驗(yàn)公式”進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 經(jīng)

4、驗(yàn)方法的最大優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)計(jì)算較容易，并切實(shí)可靠； 經(jīng)驗(yàn)方法的缺點(diǎn)是它固有的保守性，使設(shè)備設(shè)計(jì)工作局限于該設(shè)備的現(xiàn)狀，難于有較大的發(fā)展。 冶金工廠使用的主體設(shè)備，幾乎全是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，應(yīng)根據(jù)冶金過程的要求及原料特性等具體條件進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。對(duì)于某些收塵設(shè)備及液固分離設(shè)備，在有專門廠家生產(chǎn)時(shí)，亦可以選用為主，以減少設(shè)計(jì)投資費(fèi)用。 2. 選型計(jì)算 對(duì)于冶金工廠所需的各種輔助設(shè)備，如動(dòng)力設(shè)備、熱能設(shè)備、起重運(yùn)輸設(shè)備、備料設(shè)備、流體輸送設(shè)備、電力等，通常采用選型計(jì)算的方法。其步驟為： 生產(chǎn)規(guī)模計(jì)算設(shè)備大小選標(biāo)準(zhǔn)系列校核 也就是說，由于冶金工廠使用的輔助設(shè)備大都是定型產(chǎn)品，應(yīng)盡量從定型產(chǎn)品中選用，在迫不得已的條

5、件下，才按冶金過程的特殊要求訂購(gòu)。 “選用”對(duì)于具體設(shè)計(jì)工作來說，看起來好像是處在次要的地位。 冶金設(shè)備設(shè)計(jì)資料： 根據(jù)冶金設(shè)備的設(shè)計(jì)計(jì)算的要求，為完成冶金設(shè)備設(shè)計(jì)任務(wù)，應(yīng)該掌握的資料包括：1.全冶金過程的物料衡算與能量衡算數(shù)據(jù)；2.廠外的供電、供水及交通條件，水文氣象資料；3.冶金過程的有毒氣體與含塵氣體的排放，熱輻射等條件；4.冶金過程的高溫熔體、腐蝕流體的產(chǎn)生情況。第二節(jié) 冶金主體設(shè)備設(shè)計(jì) 冶金工廠的主體設(shè)備類型繁多，形式多樣，規(guī)模不一。進(jìn)行冶金主體設(shè)備的設(shè)計(jì)是冶金工藝設(shè)計(jì)的重要組成部分，它是在冶金過程衡量計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步具體完成冶金過程的工藝設(shè)計(jì)，將為整個(gè)冶金過程的順利投產(chǎn)打下可靠

6、的基礎(chǔ)。因此冶金主體設(shè)備的設(shè)計(jì)，是冶金工廠設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是主要內(nèi)容。設(shè)計(jì)內(nèi)容 1、設(shè)備選型與主要結(jié)構(gòu)的分析研究； 2、主要尺寸的計(jì)算與確定； 3、某些結(jié)構(gòu)的改進(jìn)； 4、相關(guān)設(shè)備的配備； 5、主要結(jié)構(gòu)材料的選擇與消耗； 6、對(duì)外部特殊條件的要求。一、冶金主體設(shè)備的選擇 冶金主體設(shè)備的選擇包括冶金主體設(shè)備的選型和設(shè)備結(jié)構(gòu)的研究和改進(jìn)兩部分工作 。 在進(jìn)行冶金主體設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該對(duì)冶金過程的主要目的、發(fā)生的主要物理化學(xué)反應(yīng)及其特點(diǎn)有很深入的了解，并要開展廣泛的調(diào)查研究，了解完成某一冶金過程曾經(jīng)采用過什么設(shè)備，發(fā)展過程如何，目前國(guó)內(nèi)工廠通用哪一種設(shè)備，國(guó)外還有哪些更為先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)等。 選擇

7、設(shè)備的基本要求是： (1) 滿足生產(chǎn)工藝要求； (2) 設(shè)備的先進(jìn)性； (3) 操作的穩(wěn)定性和安全性； (4) 設(shè)備的操作彈性； (5) 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)； (6) 操作控制的有效性和先進(jìn)性； (7) 加工、安裝和運(yùn)輸?shù)目赡苄裕?(8) 材質(zhì)選擇經(jīng)濟(jì)合理。1. 設(shè)備的選型 堆燒法是硫化礦最古老的焙燒脫硫法，雖然在偏僻山區(qū)仍可見到，但是隨著富塊礦的減少，加上選礦技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)出的細(xì)小硫化精礦完全不能采用這種嚴(yán)重污染環(huán)境的簡(jiǎn)易方法脫硫。隨后相繼出現(xiàn)了人工翻動(dòng)的單層或多層的反射爐焙燒、機(jī)械耙動(dòng)的多膛爐焙燒，飄懸焙燒爐焙燒，這些焙燒爐都能處理細(xì)小的硫化精礦，究竟選用哪種類型的焙燒爐？ 例1：硫化鋅精礦焙燒

8、脫硫設(shè)備的選擇 這是一個(gè)氣固多相反應(yīng)，根據(jù)多相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，在高溫下進(jìn)行的焙燒反應(yīng)，主要受擴(kuò)散條件的限制。因此在選用焙燒設(shè)備時(shí)，必須有利于改善擴(kuò)散過程的進(jìn)行，而上述的多種焙燒爐都不能很好地滿足這個(gè)要求，這就是為什么現(xiàn)今的有色冶金工廠，對(duì)于硫化物料的焙燒脫硫，都樂意采用沸騰焙燒爐的原因。 沸騰爐的生產(chǎn)率要比其它焙燒設(shè)備高好幾倍，沸騰爐還易于大型化與機(jī)械化，并實(shí)現(xiàn)了電子計(jì)算機(jī)控制，這是其它焙燒設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，沸騰爐本身也有了許多改進(jìn)，爐型也在不斷發(fā)展，現(xiàn)在工業(yè)上采用的沸騰爐爐型見圖。 （a）矩形沸騰焙燒爐優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)易、易于砌筑，焙燒時(shí)可防止物料出現(xiàn)“短路”時(shí)未經(jīng)充分焙燒的物

9、料外溢。缺點(diǎn)： 爐子的四角易產(chǎn)生死角，造成爐結(jié)。 現(xiàn)狀： 很少工廠采用。秘魯、比利時(shí)兩家電鋅廠的制粒鋅精礦采用該爐型。(b)直筒型（又稱Dorr型）沸騰爐 優(yōu)點(diǎn)： 該爐子直徑上下一樣，可直接處理含水2025%甚至更高的礦漿。 缺點(diǎn)： 生產(chǎn)率與熱效率均較低，煙氣中水份含量高，成為難處理的高酸、高塵、高泡煙氣。 應(yīng)用狀況： 該爐型曾被日本各濕法冶煉廠所采用，目前巳遂漸被（d）型爐所取代。但是，如果要在選廠附近建冶煉廠時(shí)可以考慮選用該爐型(c) 帶加熱前室的直筒型沸騰焙燒爐 缺點(diǎn)：加料前室的風(fēng)帽易堵塞，常需短時(shí)停爐處理；爐內(nèi)氣相成份分布不均，至使排料口附近的沸騰爐面積沒有充分發(fā)揮沸騰焙燒反應(yīng)的作用。

10、 應(yīng)用情況： 此爐型在我國(guó)與前蘇聯(lián)的濕法煉鋅廠中曾被廣泛采用過。（d）擴(kuò)大型（又稱魯奇型）沸騰焙燒爐 優(yōu)點(diǎn)： 進(jìn)料均勻； 煙塵率低； 有利于提高爐內(nèi)的氣流速度，改善氣固反應(yīng)的擴(kuò)散條件； 可提高生產(chǎn)率； 克服了前室加料的缺點(diǎn)。 應(yīng)用狀況： 該爐型是目前國(guó)內(nèi)、外廣泛采用的爐型。結(jié)論：國(guó)外各濕法煉鋅廠相繼采用，或?qū)⑵渌簾隣t改為此種爐型（VM型沸騰爐）。 例2：硫化礦物浸出設(shè)備選擇 硫化礦物原料的浸出，高壓氧浸設(shè)備可以產(chǎn)出元素硫，常壓加氧化劑浸出往往是使硫轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩岣x子SO42-，因此生產(chǎn)元素硫必須選用高壓浸出設(shè)備，要產(chǎn)出溶于水的硫酸鹽，在加入氧化劑的條件下則采用常壓浸出設(shè)備。 2. 設(shè)備結(jié)構(gòu)的研

11、究和改進(jìn) 當(dāng)設(shè)備類型選定之后，就應(yīng)該詳細(xì)研究這種設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)了。這種研究的特點(diǎn)，主要是對(duì)設(shè)備使用過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、生產(chǎn)指標(biāo)及產(chǎn)生的問題的調(diào)查，經(jīng)過充分研究之后做出改進(jìn)設(shè)計(jì)的方案，必要時(shí)還要委托科研院所與有關(guān)廠礦做一些模擬試驗(yàn)，才能在正式設(shè)計(jì)中采納。設(shè)備選型與設(shè)計(jì)主體設(shè)備的尺寸 計(jì)算及臺(tái)數(shù)確定 計(jì)算方法可分為三類：1.按設(shè)備主要反應(yīng)帶的單位面積生產(chǎn)率計(jì)算；2.按設(shè)備的有效容積生產(chǎn)率計(jì)算；3.按設(shè)備的負(fù)荷強(qiáng)度計(jì)算。1、按單位面積生產(chǎn)率計(jì)算 幾乎所有火法冶金爐都可以按此方法進(jìn)行計(jì)算，求出設(shè)備的爐床面積。 其計(jì)算公式如下：計(jì)算公式如下： F=A/a（m2）式中：F所需設(shè)備的有效面積；（m2） A日處

12、理的物料數(shù)量；（t） a單位面積生產(chǎn)率。（t/m2.d）例： 設(shè)計(jì)一座日處理180噸鋅精礦的沸騰焙燒爐。已知焙燒鋅精礦時(shí)其單位面積生產(chǎn)率（a）為 7 t/m2.d時(shí)，問需要多大爐床面積的沸騰焙燒爐？解： 根據(jù)設(shè)備的有效面積計(jì)算公式： F = A / a 已知： A = 180 t， a = 7 t/m2.d 并將其代入公式，得： F = 180 / 7 = 25.7 m2 答：需要建一座爐床面積為25.7 m2的沸騰焙燒爐。2、按單位容積生產(chǎn)率計(jì)算 對(duì)濕法冶金中的浸出槽、凈化槽、貯液槽、分解槽等類型的設(shè)備計(jì)算時(shí)多采用此計(jì)算方法。 第一步：根據(jù)產(chǎn)量計(jì)算確定所需設(shè)備的 容積（體積）； 第二步： 計(jì)

13、算確定所需設(shè)備的數(shù)量； 第三步：計(jì)算確定單個(gè)設(shè)備的尺寸。 下面以常壓與高壓兩種作業(yè)條件和高爐有效容積的設(shè)備進(jìn)行計(jì)算說明。 (1)常壓設(shè)備的計(jì)算 精礦或經(jīng)磨碎后的其它有色金屬物料，大都采用攪拌浸出與溶液凈化，攪拌方式常用機(jī)械攪拌或空氣攪拌。 這種設(shè)備的設(shè)計(jì)首先是計(jì)算確定設(shè)備的容積，其計(jì)算式如下： V總=V液t24式中 V總設(shè)備的總?cè)莘e，m3； V液每天需處理的礦漿或溶液的總體積，m3； t礦漿在槽內(nèi)停留的總時(shí)間，h； 設(shè)備容積的利用系數(shù)。 每天需處理的礦漿或溶液的體積，是根據(jù)物料衡算來確定的，對(duì)于固體物料的浸出，在物料衡算時(shí)，往往只知道物料的處理量，需要根據(jù)該冶金生產(chǎn)過程的液固比及礦漿的密度來計(jì)

14、算出V液，其計(jì)算式如下： V液= （m3）式中 Q日處理的固體物料量，td； LS液體與固體物料的重量 比，簡(jiǎn)稱液固比； 液體與固體混合漿料的密度， tm3。 當(dāng)V液求出之后，需要計(jì)算所需槽數(shù)N，計(jì)算式如下： 式中： N所需槽數(shù)，臺(tái)； V0選定的單個(gè)槽的幾何容 積， m3； n備用槽數(shù)，臺(tái)； 槽體容積的利用系數(shù)。 (2)高壓濕法冶金容器的設(shè)計(jì)計(jì)算 高壓濕法冶金近年來有所發(fā)展，在有色冶金中使用最普遍的是氧化鋁的生產(chǎn)。礦漿在壓煮器中用過熱的新蒸汽（280300）最終加熱到232，在計(jì)算壓煮器的尺寸與臺(tái)數(shù)時(shí)，除了必須知道單位時(shí)間內(nèi)有多少礦漿量通過壓煮器之外，還需知道用新蒸汽加熱礦漿時(shí)產(chǎn)生的冷凝水。所

15、以計(jì)算的物料平衡數(shù)據(jù)中的礦漿量，必須再加上加熱用蒸汽冷凝的水量，才是壓煮器流出的礦漿總量。 (3)高爐有效容積的設(shè)計(jì)計(jì)算。 高爐有效容積的計(jì)算，根據(jù)高爐有效容積的利用系數(shù)和日產(chǎn)量確定，其計(jì)算式如下 式中 V有高爐有效容積，m3； P高爐的日產(chǎn)量，td； 高爐有效容積利用系數(shù)， t(m3d)。 高爐有效容積利用系數(shù)是衡量高爐生產(chǎn)強(qiáng)化程度的重要指標(biāo),越高，說明高爐生產(chǎn)率越高，每天所產(chǎn)生鐵越多。目前我國(guó)大中型企業(yè)的平均利用系數(shù)約1.82.0，高的達(dá)到2.5甚至3.0以上。3、按設(shè)備的負(fù)荷強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算 此類計(jì)算主要用于電解精煉的設(shè)備計(jì)算，它們都是按電流強(qiáng)度，即設(shè)備通過的電流大小來進(jìn)行設(shè)備計(jì)算的。 有色

16、冶金的電化冶金過程，如銅、鉛的電解精煉，硫酸鋅水溶液的電積，鋁的熔鹽電解，鋼鐵冶金的電解金屬錳生產(chǎn)，這些過程所用的電解槽，都是按電流強(qiáng)度，即按通過電解槽的電流大小來設(shè)計(jì)計(jì)算。而電流強(qiáng)度是與選定的電流密度和生產(chǎn)規(guī)模等許多因素有關(guān)，只有通過調(diào)查研究之后才能正確地決定。 冶金輔助設(shè)備的選擇與設(shè)計(jì)一、輔助設(shè)備選擇的基本原則 1、滿足生產(chǎn)過程的要求 例如高爐、沸騰爐的鼓風(fēng)機(jī)，其風(fēng)壓與風(fēng)量必須滿足物料正常沸騰的需要。若風(fēng)壓太小不能克服空氣進(jìn)入沸騰空間的阻力，就不能保證所需的風(fēng)量鼓入爐內(nèi)，物料便不能達(dá)到沸騰狀態(tài)，也會(huì)延緩反應(yīng)過程的進(jìn)行。又如收塵過程的抽風(fēng)機(jī)抽力不夠，便不能保證收塵設(shè)備在負(fù)壓下工作，造成含塵煙

17、氣外逸，從而惡化了車間的勞動(dòng)條件，并污染了環(huán)境。 2、適應(yīng)工作環(huán)境的要求 火法冶金車間多數(shù)設(shè)備往往是在高溫與含塵氣體下工作，而濕法冶金車間的工作環(huán)境，往往又是潮濕與含有各種酸、堿霧。所以冶金工廠選用的輔助設(shè)備，在許多情況下是需要耐高溫與耐腐蝕的。 3、容量應(yīng)在滿負(fù)荷條件下工作； 這就要求在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中準(zhǔn)確地提出容量數(shù)據(jù)。但是應(yīng)該指出，冶金工廠的生產(chǎn)過程是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的，必須保證設(shè)備有一定的備用量，在設(shè)備計(jì)劃?rùn)z修和發(fā)生臨時(shí)故障時(shí)，應(yīng)能及時(shí)更替，不致因此而中斷生產(chǎn)。當(dāng)然，備用量必須適當(dāng)，否則大大增加建廠投資。 在計(jì)算設(shè)備容量時(shí)，還必須注意到生產(chǎn)條件的變化。例如：根據(jù)原料來源與市場(chǎng)情況，需要增加產(chǎn)量時(shí)

18、，設(shè)備應(yīng)有一定的富余能力。又如：為了節(jié)約電費(fèi)，某些地區(qū)已規(guī)定晚間(08時(shí))電費(fèi)比日間高峰電費(fèi)低許多，鐵合金、工業(yè)硅生產(chǎn)和鋁電解是耗電多的高耗能生產(chǎn)過程，在不影響生產(chǎn)正常進(jìn)行的條件下，可以在晚間采用高電流密度，而在日間高峰用電時(shí)采用低電流密度操作。這樣選用的變壓器、整流設(shè)備應(yīng)能滿足這種負(fù)荷變化的要求。 4、滿足節(jié)能的要求； 選用的輔助設(shè)備大都是電力拖動(dòng)，設(shè)備所需功率必須認(rèn)真算好，絕不可用大功率電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)小生產(chǎn)率設(shè)備，應(yīng)該使電動(dòng)機(jī)在接近滿負(fù)荷的條件下工作。同時(shí)應(yīng)該充分利用工廠本身的能量。例如：余熱鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽不能充分利用來發(fā)電時(shí)，則可用蒸汽透平來傳動(dòng)其他輔助設(shè)備。 5、為擴(kuò)大生產(chǎn)留有余地。 輔

19、助設(shè)備應(yīng)盡量選用定型產(chǎn)品，但是在許多情況下卻選不到，需要重新設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)可分為兩種類型。 第一類：可由冶金工藝設(shè)計(jì)人員提出要求，向有關(guān)廠家定做；冶金工廠特殊用途的機(jī)電產(chǎn)品屬于這種類型。有一些輔助設(shè)備承擔(dān)廠家，一時(shí)難于接受這種特殊設(shè)計(jì)，可由有關(guān)廠家與冶金工藝設(shè)計(jì)人員合作研制設(shè)計(jì)。如目前冶金工廠使用的余熱鍋爐，多是由鍋爐廠與冶金廠合作設(shè)計(jì)制造的。 第二類：非定型輔助設(shè)備，如物料的干燥用具，在全廠生產(chǎn)過程中它只起輔助作用，往往是由冶金設(shè)計(jì)者當(dāng)做主體設(shè)備自行設(shè)計(jì)。又如新研制成一種過濾設(shè)備，當(dāng)然只能由冶金研制人員承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)，在某種情況下也可與專門生產(chǎn)廠家合作。二、選用、設(shè)計(jì)輔助設(shè)備的基本方法選擇的方法有三條： 其一是從產(chǎn)品目錄上選用。這主要是對(duì)定型產(chǎn)品。如：電機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、各種類型的泵、起吊裝置、天車、皮帶運(yùn)輸機(jī)等等。 但是有些設(shè)備選用好之后，設(shè)計(jì)者還應(yīng)根據(jù)配置設(shè)計(jì)的要求，繪制設(shè)備安裝圖，如：皮帶