Классификация металлургических процессов

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 16Следующая ⇒

В основе любого металлургического процесса лежит принцип перевода обрабатываемого сырья в гетерогенную систему, состоящую из двух, трех, а иногда и более фаз, которые должны отличаться друг от друга составом и физическими свойствами. При этом одна из фаз должна обогащаться извлекаемым металлом (илиметаллами) и обедняться примесями, а другие фазы, наоборот, должны обедняться основным компонентом. Различие некоторых физических свойств получающихся фаз (агрегатного состояния, плотности, взаимной смачиваемости, летучести и. т. п.) должно обеспечивать хорошее отделение их друг от друга простейшими приемами: отстаиванием или фильтрованием.

В практике металлургического производства наиболее часто встречающимися комбинациями фаз являются: г+ж; г+т; ж+ж; ж+т; г+ж+ж; г+ж+т, где буквами «г», «ж» и «т» соответственно обозначают газовую, жидкую и твердую фазы.

Все используемые при производстве цветных металлов процессы подразделиютси на две группы: пирометаллургические и гидрометаллургические. Пирометаллургические процессы проводитси при высоких температурах чаще всего с полным и реже с частичным расплавлением материалов, гидрометаллургические процессы — в водных средах при температурах максимально до 300° С. Выделяемые иногда в отдельную группу электрометаллургические процессы могут быть как пиро-, так и гидрометаллургическими. Отличительной особенностью этих процессов является использование электроэнергии в качестве движущей энергетической силы дли их протекании.

Пирометаллургические процессы по характеру поведении участвующих в процессе компонентов и их конечным результатам можно разделить на три группы: обжиг, плавка и дистилляции.

Обжиг — металлургический процесс, проводимый при высоких температурах (500—1200° С) с целью изменении химического состава перерабатываемого сырья. Обжиговые процессы, за исключением обжига со спеканием, являются твердофазными.

В цветной металлургии применяют следующие виды обжига:

1. Кальцинирующий обжиг (прокалку) проводят с целью разложения (диссоциации) нагревом неустойчивых химических соединений — гидроксидов, карбонатов и др. В общем виде этот вид обжига описывается следующими уравнениями:

Me(ОН)₃→ Ме₂О₃+ Н₂О; (192)

МеСО₃ МеО + СО₂. (193)

2. Окислительный обжиг применяют для подготовительной обработки сульфидных руд и концентратов с целью полного или частичного
перевода сульфидов в оксиды:

2MeS+ 3О₂-> 2МеО + 2SО₂. (194)

Разновидностью окислительного обжига является сульфатизирующий обжиг:

MeS + 2О₂→ MeSO₄. (195)

К окислительному процессу относится и агломерирующий обжиг (обжиг со спеканием). Последний имеет целью одновременно окислить и спечь материал. Спекание происходит за счет образования некоторого количества жидкой фазы, которая при застывании связывает (сваривает) тугоплавкие мелкие частицы в кусковой пористый продукт— агломерат.

3. Восстановительный обжиг проводят для восстановления высших
оксидов некоторых металлов до низших, например:

3Fe₂О₃ + CO→ 2Fe₃О₄ + СО₂. (196)

Магнетит FезО₄, обладающий высокой магнитной восприимчивостью, может быть отделен от пустой породы магнитной сепарацией.

4. Хлорирующий и фторирующий обжиг проводят с целью перевода
оксидов или сульфидов в водорастворимые или летучие хлориды (фто-
риды).

Плавка — пирометаллургический процесс, нроводимый при температурах, обеспечивающих в большинстве случаев полное расплавление перерабатываемого материала. Различают две разновидности плавок — рудные и рафинировочные. По характеру протекающих основных химических реакций рудные плавки разделяются на следующие виды:

1. Восстановительная плавка. Ее проводят с целью получения металла за счет восстановления его оксидных соединений углеродистыми восстановителями и перевода пустой породы в шлак (сплав оксидов). В общем виде восстановительная плавка описывается следующей схемой:

(МеО, SiО₂, СаО, Fe₂О₃) + С + О₂, N₂→ Мe ++ (SiО₂, СаО, FeO) + CО₂, N₂

руда дутье → металл шлак газ

В цветной металлургии методом восстановительной плавки получают, например, свинец и олово.

2. Плавка на штейн. Ее применяют с целью извлечения металла в полупродукт, называемый штейном (сплав сульфидов). Вторым продуктом плавки является шлак, концентрирующий в себе оксидные компоненты. Этот вид плавки может проводиться в нейтральной, восстановительной или окислительной атмосфере. В последнем случае плавку часто называют концентрационной, так как плавка в окислительных условиях позволяет получать штейны с большей концентрацией (содержанием) извлекаемого металла. Плавку на штейн широко используют при производстве меди и никеля. Схема концентрационной плавки медного сырья на штейн:

(CuFeS₂, FeS₂, SiО₂, CaO) + (SiО₂, CaO)+(О₂, N₂)→ (197)

руда или концентрат флюс дутье

(Cu₂S, FeS) + (FeO, SiО₂, CaO) + (SО₂, N₂).

штейн шлак ' газы

К окислительной плавке относится также процесс конвертирования штейнов.

3. Электролиз расплавленных солей ведут при воздействии постоянного тока на расплавленную среду, состоящую из оксидов или хлоридов. Процесс описывается следующей схемой

МеО (MeCl₂)→ We²⁺ + О^2—(2С1~), (198)

на катоде

Мe²⁺+ 2е^-→ Ме,

на аноде

О^2— — 2е→ О₂ или 2С1^- — 2е→ С1₂.

В результате на катоде выделяется металл (в жидком или твердом состоянии), а на аноде—газ. Электролиз расплавленных солей можно применить для получении любого металла, но вследствие относительной дороговизны он находит применение только тогда, когда другие, более дешевые виды плавок не могут быть использованы. Электролиз расплавов широко применяют при получении алюминия, магния и ряда других легких и редких металлов.

4. Металлотермическая плавка. Ее применяют для по-
лучения трудновосстановимых металлов, склонных в случае применения
углеродистых восстановителей к образованию карбидов (Ме_хС), придающих им хрупкость. В основе этой плавки лежит принцип вытеснения одного металла из его соединений другим, более активным:

Ме'О (Ме'С1₂) + Ме" -+Ме' + Ме" 0(Ме" Сl₂) (199)

Металлотермическую плавку используют при получении ряда легких и редких металлов.

5. Реакционная плавка. Основана на получении металла за
счет взаимодействия его оксида и сульфида:

2МеО + MeS-+3Me+ SО₂. (200)

Примером реакционной плавки служат процессы получения металлического свинца или меди.

PbS+2PbO=3Pb+SO₂(201)

2Cu₂O+Cu₂S=6Cu+SO₂(202)

Рафинировочные плавки проводят с целью очистки полученных металлов от примесей. В основе их лежит различие в физико-химических свойствах основного металла и металлов-примесей. Существуют следующие разновидности рафинировочных плавок:

1. Окислительное (огневое) рафинирование. Основано иа различии в сродстве к кислороду основного металла и примеси. Образующиеся при этом оксиды примесей всплывают на поверхность рафинируемого металла, образуя шлак. Типичным примером такого процесса является огневое рафинирование черновой меди.

2. Ликвационное рафинирование. В основе этого процесса лежит принцип образования и разделения по плотности (ликвация) двух фаз, -одна из которых является рафинируемым металлом. Примесь при этом должна концентрироваться в другой, нерастворимой в основном металле фазе. В зависимости от плотности она будет всплывать иа поверхность или погружаться иа дно расплава. Образование второй фазы является следствием снижения растворимости примеси в основном металле при снижении температуры. При ликвации одна из фаз обязательно должна быть жидкой, а вторая может быть как жидкой, так и твердой. Процесс широко используют в металлургии свинца.

3. Сульфидирующее рафинирование используют для очистки металлов от примесей, обладающих повышенным сродством к сере. При этом также образуются две несмешивающиеся фазы, отделяющиеся друг от друга ликвацией. Примером такого процесса может служить рафинирование свинца от меди.

4. Хлорное рафинирование. Основано на различии сродства к хлору металла и примесей. Образовавшиеся хлориды примеси будут всплывать на поверхность металла или улетучиваться.

Дистилляция— процесс испарения вещества при температуре несколько выше точки его кипения, дающий возможность разделить компоненты обрабатываемого материала в зависимости от их летучести. Дистилляционные процессы могут использоваться как для первичной переработки рудного сырья, так и для удаления легколетучих примесей при рафинировании металлов или разделении металлических сплавов. Дистилляция с целью рафинирования называется ректификацией.

Дистилляционные процессы используют в металлургии цинка и при получении ряда легких и редких металлов.

Гидрометаллургические процессы проводятся при низких температурах иа границе раздела чаще всего твердой и жидкой фаз. Любой гидрометаллургический процесс состоит из трех основных стадий: выщелачивания, очистки растворов от примесей и осаждения металла из раствора.

Выщелачивание — процесс перевода извлекаемых металлов в раствор (растворение) при воздействии растворителя иа перерабатываемый материал (руду, концентрат, полупродукты металлургического производства и т.п.) часто в присутствии газового реагента — кислорода, водорода и др.

В результате выщелачивания получают два продукта: раствор извлекаемого металла, загрязненный примесями, и нерастворимый остаток, состоящий в основном из пустой породы.

В качестве растворителей используют воду, растворы кислот, щелочей или солей. Растворитель должен быть доступным, дешевым и обладать селективным действием по отношению к компонентам обрабатываемого материала, по возможности регенерироваться в ходе технологического процесса.

Очистку растворов от примесей проводят с целью предотвращения нх попадания в извлекаемый металл при последующем его осаждении в виде химического соединения или в свободном состоянии.

Для очистка растворов выщелачивания от примесей используют методы химического осаждения неорганическими или органическими реагентами, кристаллизацию или цементацию. В основе последнего процесса лежит принцип вытеснения из раствора одного металла другим, более электроотрицательным. Примерами цементационной очистки могут служить процессы выделения меди из сернокислых цинковых растворов цинком (CuSО₄+Zn→ ZnSО₄+Cu) или из никелевого электролита никелем (CuSО₄+Ni→ NiSО₄+Cu).

Осаждение металлов из очищенных растворов от выщелачивания может быть проведено электролизом водных растворов, цементацией или восстановлением газообразными восстановителями под давлением.

В гидрометаллургии цветных металлов, особенно при производстве редких и благородных металлов, все большее распространение приобретают сорбционные (ионообменные) и экстракционные процессы. Применение этих процессов направлено на решение следующих задач:

1)перевод ценного металла из раствора после выщелачивания в
другой раствор, более удобный по солевому составу для последующей
переработки;

2)концентрирование металлов из разбавленных растворов и пульп;

3)селективное разделение металлов и очистка растворов от примесей;

4)выщелачивание, совмещенное с сорбцией.

Ионообменные процессы основаны иа способности некоторых твердых веществ (ионитов) при контакте с растворами поглощать ионы из'. раствора в обмен на ионы того же знака, входящие в состав ионита.

В качестве ионитов чаще всего используют твердые синтетические высокомолекулярные вещества, обладающие высокой обменной емкостью (ионообменной способностью), химической стойкостью и механической прочностью.

По знаку заряда обменивающихся ионов различают катиониты и аниониты. Существуют также амфотерные иониты —амфолиты, способные одновременно осуществлять как катионный, так и анионный обмен. В общем виде действие ионообменных смол.можно выразить уравнениями:

2RH + K²↔ R₂ К + 2Н+ или 2RС1 + А²→ R₂А + 2С1-

где R—радикал с фиксированными ионами; К—катион; А—анион.

Экстракцией (жидкостной экстракцией) называется процесс извлечения растворенных химических соединений металлов из водного раствора в жидкую органическую фазу, не смешивающуюся с водой. Последующей реэкстракцией из органической фазы экстрагированный металл извлекают в водный раствор.

В качестве экстрагентов используют органические кислоты и их соли, соли аминов и аммониевых оснований, спирты, эфиры, кетоны.

В заключение следует отметить, что, пожалуй, ни в одной другой отрасли нет такого обилия технологических процессов и разнообразия технологических схем, как в цветной металлургии. Характерным для этой отрасли является, обязательное сочетание пиро- и гидрометаллургических процессов. Эта тенденция постоянно расширяется и уже сейчас позволяет более успешно, чем одной группой металлургических процессов, решать задачи повышения степени извлечения ценных компонентов, комплектности использования перерабатываемого сырья, создания малоотходных и безотходных технологий, охраны окружающей среды.

Металлургия меди

Медь очень хорошо проводит электричество и тепло. Удельное сопротивление меди равно 0, 018 Ом *мм²/м, а теплопроводность при 20 °С составляет 385 Вт/(м - К). По электропроводности медь лишь немного уступает серебру. Ее электропроводность в 1, 7 раза выше, чем у алюминия, и примерно в 6 раз выше, чем у платины и железа. Медь обладает ценными механическими свойствами — ковкостью и тягучестью.

В присутствии воздуха, влаги и сернистого газа медь постепенно покрывается плотной зеленовато-серой пленкой основной серно-кислой соли, предохраняющей металл от дальнейшего окисления. Поэтому медь и ее сплавы находят широкое применение при строительстве линий электропередач и устройстве различного вида связи, в электромашиностроении и приборостроении, в холодильной технике (производство теплообменников охлаждающих устройств) и химическом машиностроении (изготовление вакуум-аппаратов, змеевиков). Около 50 % всей меди расходует электропромышленность. На основе меди создано большое число сплавов с такими металлами, как Zn, Sn, Al, Be, Ni, Mn, Pb, Ti, Ag, Au и др., и реже с неметаллами Р, S, О и др. Область применения этих сплавов очень обширна. Многие из них обладают высокими антифрикционными свойствами. Сплавы применяют в литом и кованом состоянии, а также в виде изделий из порошка.

Например, широко применяют сплавы типа оловянных (4— 33 % Sn), свинцовых (~ 30 % Рb), алюминиевых (5—11 % А1), кремниевых (4—5 % Si) и сурьмяных бронз. Бронзы применяют для изготовления подшипников, теплообменников и других изделий в виде листа, прутков и труб в химической, бумажной и пищевой промышленности.

Сплавы меди с хромом и порошковый сплав с вольфрамом идут на изготовление электродов и электроконтактов.

В химической промышленности и машиностроении также широко применяют латунь — сплав меди с цинком (до 50 % Zn), обычно с добавками небольших количестве других элементов (Al, Si, Ni, Мп). Сплавы меди с фосфором (6—8 %) используют в качестве припоев.

Свойства, применение, сырье

Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1—6 % меди. Горную породу, содержащую меньше 0, 5 % Си, не перерабатывают, так как при современном уровне техники извлечение из нее меди нерентабельно.

В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит CuFeS₂, халькозин Cu₂S, ковелин CuS), оксидов (куприт Cu₂О, тенорит СиО) или гидрокарбонатов [малахит СuСО₃ * Сu(ОН)₂, азурит 2СuСО₃ * Сu(ОН)₂].

Пустая порода руд состоит из пирита FeS₂, кварца SiO₂, карбонатов магния и кальция (MgCO₃ и СаСО₃), а также из различных силикатов, содержащих А1₂О_э, СаО, MgO и оксиды железа наряду с SiO₂.

Руды разделяют на сульфидные, оксидные и смешанные. Сульфидные руды обычно бывают первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления минералов сульфидных руд. В сульфидных рудах медь находится в виде сернистых соединений, в этих рудах всегда много пирита FeS₂. Окисленные руды состоят главным образом из оксидов.

Сульфидные руды содержат обычно 1—6 % Си, 8—40 % Fe, 9-46% S, 1-6% Zn, 5-55% SiО₂, 2-12% А1₂О₃, 0, 3-4% СаО, 0, 3—1, 5 % MgO, а в окислительных рудах обычно находится около 2% Си, около 1%Fe, 0, 1-0, 2% S, 60-68% SiO₂, 10-16% А1₂О₃, 0, 3-0, 7% СаО и 0, 3-0, 7% MgO. В небольших количествах встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится в свободном виде.

Нередко руды являются комплексными, т.е. они содержат заметные количества других металлов: цинка, свинца, никеля, золота, серебра, селена, таллия и др.

Известны два способа извлечения меди из руд и концентратов: гидрометаллургический и пирометаллургический. Первый из них не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных оксидных и самородных руд. Этот способ в отличие от пирометаллургического не позволяет извлекать попутно с медью драгоценные металлы. Большую часть меди (85—90%) производят пирометаллургическим способом из сульфидных руд. Одновременно решается задача извлечения из руд помимо меди других ценных сопутствующих металлов. Пирометаллургический способ производства меди является многостадийным. Основные стадии этого производства: подготовка руд (обогащение и иногда дополнительно обжиг), плавка на штейн (выплавка медного штейна), конвертирование штейна с получением черновой меди, рафинирование черновой меди (сначала огневое, а затем электролитическое).

Подготовка руд к плавке

Сульфидные медные руды обогащают преимущественно методом пенной флотации. Предварительно руду измельчают до частиц крупностью ОД—0, 5 мм. После флотации получают медный концентрат, содержащий 8—35 % Си, 40—50% S, 30—35% Feи пустую породу, главными составляющими которой являются Si0₂, А1₂О₃и СаО. Медь в концентрате находится в виде сернистых соединений, железо — в основном в виде пирита FeS₂. Концентрат содержит 8-10% влаги.

Обжиг медных концентратов. Большую часть концентратов (богатые концентраты, содержащие 25—35 % Сu) переплавляют на штейн без обжига, а незначительную часть (бедные концентраты, содержащие 10—25 % Си) предварительно подвергают обжигу. Основная цель обжига — частичное окисление содержащихся в концентрате серы и железа с тем, чтобы в последующем обеспечивалось получение штейна с достаточно высоким (~ 25—30 %) содержанием меди. Обжиг осуществляют преимущественно в печах кипящего слоя. Печь представляет собой футерованную шамотным кирпичом вертикальную шахту высотой до 9 м со сводом и подом, в котором расположены сопла (30—50 сопел на 1 м² площади пода), через которые в печь снизу вдувают воздух, иногда обогащенный кислородом. Над подом печи имеется окно, через которое непрерывно загружают шихту, а с противоположной стороны печи— отверстие для непрерывной выгрузки продукта плавки (огарка). Загружаемая в печь шихта состоит из медного концентрата, флюсов (измельченных известняка и кварцита) и оборотной пыли. Расход воздуха поддерживают таким, чтобы зерназагружаемой шихты находились во взвешенном состоянии, совершая в потоке воздуха непрерывное возвратно-поступательное движение (движение, похожее на кипение жидкости). В процессе обжига происходят: нагрев шихты; термическая диссоциация высших сульфидов (FeS₂→ FeS + l/2S₂ и 2CuS→ Cu₂S + l/2S₂); окисление образующихся паров серы до S0₂ с выделением тепла; горение сульфида железа 2FeS + 3, 5О₂ = Fe₂О₃ + 2SО₂ с выделением тепла. Этого тепла с избытком хватает для требуемого нагрева шихты (700— 850 °С). Температура в печи не должна превышать 850 °С во избежание спекания шихты; чтобы избежать перегрева, в шихту вводят флюсы, иногда в печь вдувают воду или в кипящий слой вводят трубчатые холодильники. Продукт обжига — огарок состоит из низших сульфидов Cu₂S и FeS и различных оксидов. Отходящие из печи газы, содержащие 7—13 % SО₂, используют для производства серной кислоты. Чтобы уменьшить вынос мелкой шихты отходящими газами, иногда перед обжигом медный концентрат подвергают окомкованию. Широко распространенный в прошлом обжиг медных концентратов в многоподовых печах с механическим перегребанием материалов применяется в настоящее время редко.

Медный штейн состоит в основном из сульфидов меди и железа (Cu₂S + FeS = 80—90 %) и других сульфидов, а также оксидов железа, кремния, алюминия и кальция. Плавку на штейн или выплавку штейна осуществляют для того, чтобы путем расплавления шихты получить два жидких продукта — штейн и шлак и тем самым отделить медь, переходящую в штейн от оксидов шихты, которые образуют шлак. Выплавку штейна производят несколькими способами: в отражательных, шахтных и электродуговых печах и автогенными процессами.

Плавка на штейн.

Плавка в отражательных печах. Отражательная плавка — наиболее распространенный процесс получения медного штейна.

Отражательные или пламенные печи делают длиной 30—40, шириной 8—10, высотой от пода до свода 3, 5—4, 5 м. Под печи, опирающийся на фундамент, выполняют из динасового кирпича либо путем наварки из кварцевого песка, толщина пода составляет 0, 6—1, 5 м. Стены выкладывают из магнезитохромитового или магнезитового кирпича. Свод печи делают арочным из динасового кирпича, распорно-подвесным в форме арки или подвесным, который может быть плоским или трапециевидной формы (два последних свода — из магнезитохромитового кирпича). На рисунке 140 показана печь с подвесным сводом трапециевидной формы. Для выпуска штейна служат шпуры периодического действия, которые после окончания выпуска закрывают глиняной пробкой; иногда для выпуска штейна предусматривают сифонные устройства. Для выпуска шлака служат шлаковые окна в конце печи. Высота расположения порога шлакового окна определяет высоту слоя расплава в печи, она равна 0, 8—1, 2 м, в том числе высота слоя штейна 0, 4—0, 6 м. Отапливают печь природным газом, мазутом или угольной пылью. Горелки или форсунки обычно располагают в один ряд в передней торцовой стенке. Воздух, подаваемый для горения, нагревают до 200—400 °С и обогащают кислородом до 28—30 %. Газообразные продукты сгорания проходят до задней стенки и через газоход уходят в боров. Температура газов на небольшом расстоянии от передней стенки достигает 1550—1600 °С, а в хвостовой части снижается до 1250—1300 °С. Шихту загружают через несколько отверстий в своде печи, расположенных близ боковых стен по длине печи.

Как отмечалось, основную часть штейна выплавляют из сырых (необожженных) концентратов. В шихту при этом вводят немного флюсов—известняка и кварца. Загружаемая шихта ложится (рис. 141) откосами вдоль стен (при плавке огарка она растекается по поверхности шлака). Шихта и поверхность жидкой ванны нагреваются факелом, образующимся при сгорании топлива.

По мере нагрева шихта плавится и стекает с откосов в слой шлакового расплава, где протекает разделение штейновой и шлаковой фаз — капли штейна опускаются через слой шлака. Происходит это поскольку штейн и шлак нерастворимы

друг в друге, а плотность штейна (4, 2—5, 2 г/см³) заметно выше плотности шлака (2, 6—3, 2 г/см³).

Основными химическими реакциями в ванне являются: разложение (термическая диссоциация) высших сульфидов (реакции приведены выше при описании обжига концентратов), окисление образующейся при разложении сульфидов серы и окисление части FeS за счет реагирования с оксидами железа.

1 - фундамент; 2 - под; 3 -запасный шпур; 4 — загрузочные отверстия; 5 — шлаковое окно; 6 — шпуры; 7 — свод; 8 — стена; 9 — окна для горелок

Рисунок 140. Отражательная печь с подвесным сводом

При этом удаляется 45—55 % серы, содержавшейся в шихте. (При переплаве огарка, не содержащего высших сульфидов, основными реакциями являются: окисление части FeS оксидами железа и восстановление Cu₂О: Cu₂О + FeS = Cu₂S + FeO; при этом из шихты удаляется менее 20-25 % серы.) Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти полностью переходят в штейн.

Штейн отражательной плавки на 80—90 % (по массе) состоит из сульфидов меди и железа Cu₂S и FeS. Остальная часть представляет собой оксиды других металлов. Штейн содержит 15-55% Си, 15-50% Fe, 20-30% S, 0, 5-1, 5% SiО₂, 0, 5-3, 0% А1₂О₃, 0, 5-2, 0% (СаО + MgO), около 2% Zn и небольшие количества Аu и Ag. Шлак состоит в основном из Si0₂FeO, СаО и А1₂О_э и содержит 0, 1-0, 5 % Сu. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96—99, 5 %. Количество шлака составляет примерно 1, 1— 1, 5 т/т штейна. Недостатки процесса — необходимость расходования топлива и то, что не используется теплотворная способность сульфидов.

Плавка в электрических руднотермических печах

Плавка в руднотермических печах является близким аналогом отражательной плавки. Выплавку медного штейна ведут в прямоугольных закрытых сводом электрических печах с тремя или шестью расположенными в линию угольными электродами, концы электродов погружены в шлак. Шихту загружают в печь через отверстие в своде вблизи электродов. Тепло, необходимое для плавления шихты выделяется при прохождении тока от электродов через шлаковый расплав, толщину слоя шлака в печи поддерживают в пределах 1, 4—1, 8 м.

Процесс в руднотермической печи аналогичен процессу в отражательной печи — происходит плавление шихты и разделение расплава на штейн и шлак. Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Штейн и шлак выпускают из печи периодически через шпуры. Расход электроэнергии изменяется от 380 до 600 кВт* ч/т шихты. Существенным недостатком процесса, как и процесса отражательной плавки, является необходимость постороннего источника тепловой энергии, и то, что не используется теплотворная способность сульфидов шихты (тепло, которое могло бы быть получено при их сжигании в печи).

Плавка в шахтных печах

Шахтная печь имеет вытянутое по вертикали рабочее пространство. При плавке загружаемые сверху шихтовые материалы опускаются вниз, а им навстречу движутся горячие газы, образующиеся внизу у фурм, где происходит горение сульфидов шихты и топлива (кокса) и где плавится шихта, разделяющаяся затем на штейн и шлак. Для обеспечения газопроницаемости столба шихты необходимо применять кусковые материалы Крупностью 20—100 мм, поэтому мелкие концентраты и руды предварительно подвергают брикетированию или агломерации.

Известны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная, полупиритная и медно-серная. В восстановительной плавке, применявшейся для переработки окисленных руд, тепло для плавления шихты получалось за счет сжигания кокса. В пиритной плавке необходимое тепло выделялось при сгорании в печи сульфидов шихты; руда для такого процесса должна содержать не менее 75 % пирита FeS₂. В настоящее время применяют две разновидности процесса: медно-серную и полупиритную плавку, при которых тепло получается как от горения в печи сульфидов шихты, так и топлива (кокса).

Медно-серная плавка. Ее особенностью является то, что помимо штейна в качестве продукта получают элементарную серу, выделяемую из отходящих газов. В качестве шихты применяют кусковые высокосернистые руды и высокосернистые окускованные концентраты.

Шахтная печь для медно-серной плавки показана на рисунке 142. В поперечном (горизонтальном) сечении печь имеет прямоугольную форму. Нижнюю часть шахты (ее стены) собирают из плоских полых водоохлаждаемых коробок — кессонов. На внутренней стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как футеровка. Кессонированная часть шахты сделана сужающейся книзу. В нижней ее части установлены фурмы для подачи воздуха, а ниже фурм имеется желоб с порогом для выпуска штейна и шлака.

Верхнюю часть печи выкладывают из шамота и для герметизации заключают в железный кожух. В своде шахты печи находятся двухконусные загрузочные устройства. Они обеспечивают герметизацию рабочего пространства печи в процессе загрузки шихты; при загрузке очередной порции шихты вначале опускают верхний конус при поднятом нижнем, а затем опускают нижний конус при поднятом верхнем. Это исключает попадание в печь воздуха и тем самым предотвращает окисление паров серы в отходящих из печи газах. Газы отводят через отверстия (рис. 142) в продольной стенке и газоход. Штейн и шлак выпускают из печи через желоб непрерывно в отстойный горн (на рис. 142 не показан). Он представляет собой футерованное внутри железное корыто с двумя—четырьмя шпурами для периодического выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака.

1 — фурмы; 2 — кессоны; 3 — газоотвод; 4 — загрузочное устройство; 5 — газоотводящие отверстия; 6 — желоб

Рисунок 142. Шахтная печь для медно-серной плавки

Шихта медно-серной плавки состоит из высокосерных окускованных концентратов и кусковых медных руд, флюсов (известняка и кварца) и 10—12 % мелкого кокса. Через фурмы вдувают воздух, иногда с добавкой кислорода, расход дутья такой, чтобы весь кислород расходовался в нижней части печи. В нижней части шахты при медно-серной плавке формируется окислительная зона (среда), а в верхней — восстановительная. В окислительной зоне, где есть кислород поступающий из фурм дутья, происходит горение кокса (С + О₂ = СО₂) и сернистого железа (2FeS + 3О₂ = 2FeO + + 2SО₂) с выделением тепла, благодаря чему температура в зоне составляет 1000—1100 °С, а у фурм достигает 1500 °С. При таких температурах плавятся сульфиды и остальная шихта с образованием штейна и шлака. По мере их выпуска из печи шихта опускается навстречу потоку горячих газов. В поднимающихся газах кислород постепенно расходуется на перечисленные реакции горения и вверху формируется восстановительная зона (зона без кислорода). Здесь происходит восстановление SO₂ и СO₂ углеродом:

2SO₂ + 2С = S₂₍_nap₎ + 2СO₂; СO₂ + С = 2СО. (203)

Протекают также другие побочные процессы с образованием газообразных CS₂, COS, H₂S. Формирующийся из продуктов этих реакций колошниковый газ дополнительно обогащается в восстановительной зоне парами элементарной серы в результате термической диссоциации высших сульфидов CuS и FeS₂. Для сохранения серы в парообразном состоянии в процессе дальнейшей обработки газа температура газа на выходе из печи должна быть не менее 450—500 °С. Из газа сначала осаждают пыль, а затем из него извлекают серу (около 80 % ее общего количества в газе).

В результате медно-серной плавки получают бедный штейн, содержащий 6—15 % меди. Чтобы повысить содержание меди этот штейн подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких же шахтных печах. Штейн загружают кусками размером 30—100 мм вместе с кварцевым флюсом, известняком и коксом. Расход кокса составляет 7—8 % от массы шихты. При этом железо переходит в шлак, а содержание меди в штейне повышается до 25—40 %. Несмотря на сложность такого двустадийного процесса он окупается за счет получения элементарной серы.

Полупиритная плавка схожа с медно-серной, но ее проводят без улавливания серы из отходящих газов. Шахтная печь для полупиритной плавки отличается от показанной на рисунке 145 тем, что шахта по всей высоте выполнена из водоохлаждаемых кессонов и верх печи не герметизирован, а шихту загружают через шторы (дверцы) в стенах расположенного над шахтой шатра (колошника), служащего для отвода газов. Шихтой служат кусковые концентраты и руды, известняк, кварц и 5—10 % кокса. К шихте предъявляют менее жесткие требования, руда может содержать меньше серы (пирита) и больше пустой породы; в шихту вводят оборотные материалы (шлак, бедный штейн). Расход дутья поддерживают таким, чтобы по всей высоте печи была окислительная атмосфера (был избыток кислорода).

Содержание меди в штейне в зависимости от состава перерабатываемого сырья составляет 15—50 %. Вся сера в отходящих газах находится в виде S0₂.

Автогенные процессы

Дефицит энергетических ресурсов, неиспользование теплотворной способности сульфидов шихты, необходимость расходования дополнительного топлива при низком тепловом к.п.д. отражательной плавки и электроплавки, невозможность выделения серы из отходящих газов вследствие ее низкого содержания в газах привели к тому, что начиная с 50-х годов начался постепенный переход к автогенным процессам выплавки штейна из медных сульфидных руд.

Автогенной называют плавку без затрат топлива, осуществляемую за счет тепла, получаемого при окислении составляющих шихты. При переплаве сульфидного сырья автоген-ность обеспечивается за счет сгорания сульфидов шихты. В последние годы в нашей стране и за рубежом разработаны, внедрены и внедряются ряд автогенных процессов переработки сернистых медных руд. Сжигание сульфидов при этом может производиться в факеле или в расплаве.

Плавка в жидкой ванне (ПЖВ). Процесс плавки в жидкой ванне, разработанный А.В.Ванюковым, осуществляют в шахтной печи (рис. 143), стены которой выполнены из медных водоохлаждаемых плит, а под и свод из огнеупоров. Длина печи составляет 10—30, ширина 2, 5—3 и высота 6—6, 5 м. Фурмы для подачи дутья расположены в боковых стенах в ряд по всей длине печи на высоте 1, 5—2 м от пода. Шихту загружают через расположенные в своде воронки. Выпуск штейна и шлака происходит непрерывно и раздельно через сифоны, расположенные в противоположных торцах печи.

Процесс малочувствителен к качеству шихтовых материалов, можно переплавлять как кусковые руды крупностью до 50 мм, так и мелкие концентраты без их сушки. Дутьем служит обогащенный кислородом воздух, для обеспечения автогенности процесса содержание кислорода в дутье должно составлять 40—45 % при влажности шихты 1—2 % и 55—65 % при влажности 6—8 %.

Процесс ПЖВ непрерывный. Дутье подают в объем расплава и в расплаве, что отличает этот процесс от других, происходит окисление сульфидов за счет реагирования с кислородом дутья. Расплав в печи условно делится на две зоны: зону выше фурм, где идет интенсивный барботаж (перемешивание поднимающимися пузырями газа) и подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии. В верхней (надфурменной) зоне протекают процессы окисления сульфидов с выделением тепла, нагрева и плавления шихты за счет этого тепла, укрупнения мелкой сульфидной взвеси в шлаковом расплаве. Крупные капли сульфидов, как более тяжелые, движутся через слой шлака вниз, образуя на поду печи слой штейна.

В получаемом штейне содержание меди достигает 45—55 %. Достоинством процесса является то, что его удельная производительность (удельный проплав шихты, 60—80 т/(м²сут)) значительно выше, чем у других процессов выплавки штейна; так этот удельный проплав более чем в 12 раз превышает проплав отражательной плавки. Процесс пригоден для плавки на штейн медно-никелевых, никелевых и других сульфидных руд.

1 — шихта; 2 — дутье; 3 — штейн; 4 — шлак; 5 — газы; б — огнеупорная кладка; 7 — медные литые кессоны; 8 — фурмы; 9 — загрузочная воронка; 10 — шлаковый сифон; 11 — штейновый сифон

Рисунок 143. Схема устройства печи ПЖВ

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 121314 15 16 Следующая ⇒