Плавка на штейн в отражательных и электрических печах.

 

Плавку медных концентратов на штейн в отражательных печах начали применять в конце XIX столетия в связи с привлечением в металлургическую переработку все более бедных руд и разви­тием методов их предварительного обогащения. Отражательные печи пригодны для переработки лишь мелких материалов и являлись в свое время наиболее подходящими плавильными аппаратами для плавки на штейн тонкодисперсных флотационных концентратов.

Основной целью плавки в отражательных печах, как и любого другого вида плавки медных концентратов на штейн, является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов - штейна и шлака. При этом ставятся задачи как можно полнее перевести в штейн медь и ряд других ценных элементов, напри­мер благородных металлов, а пустую породу ошлаковать.

Сущность отражательной плавки заключается в том, что загру­женная шихта плавится за счет теплоты от сжигания углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве печи. Факел, образующийся при горении топлива, располагается над поверхностью расплава.

При плавке влажных и подсушенных концентратов загружен­ная шихта образует откосы вдоль боковых стен печи; при плавке огарка она растекается по поверхности зеркала шлакового расплава.

Шихта и поверхность расплава в отражательных печах нагре­ваются за счет непосредственного лучеиспускания факела горя­чих топочных газов и тепловых лучей, отраженных от внутренней поверхности свода. Участие свода в передаче теплоты отражением теплового излучения послужило причиной названия печей отра­жательными.

Передача теплоты внутри слоя шихты может осуществляться только за счет теплопроводности. Отсутствие в отражательных печах массообмена внутри расплава также предопределяет пере­нос теплоты в нижние слои расплава только за счет теплопровод­ности. При этом следует иметь в виду, что теплопроводность ших­ты и шлакового расплава низкая.

Механизм плавки в отражательной печи можно представить следующим образом. Нагрев шихты, лежащей на поверхности откосов, за счет теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и термической диссоциацией высших сульфидов и других неустойчивых соединений. По мере нагрева в поверхност­ных слоях шихтовых откосов начинают плавиться легкоплавкие составляющие шихты - сульфидные и оксидные эвтектики. Обра­зующийся при этом первичный расплав стекает по поверхности откосов, растворяет в себе более тугоплавкие компоненты и попа­дает в слой шлакового расплава. С этого момента фактически начинается разделение шлаковой и штейновой фаз; капли оксидной фазы растворяются в обшей массе шлака, имеющегося постоянно в печи, а капли штейна проходят через слой шлака и образуют в нижней части ванны самостоятельный штейновый слой.

Скорость отстаивания капель штейна будет тем выше, чем больше их размеры. Очень мелкие штейновые включения в условиях отражательной плавки (спокойная ванна) далеко не полностью успевают отстояться за время пребывания расплава в печи (10-14 ч) и выносятся со шлаком.

При переработке в отражательной печи обожженных концентратов, уже прошедших термическую подготовку, механизм плавки будет иным.

Частицы огарка, растекаясь по поверхности шлаковой ванны, контактируют с ней, в результате чего оксидные пленки на частицах растворяются в шлаке, а сульфидные зерна оседают на дно расплава, образуя штейн.

Различным при плавке сырых и обожженных концентратов будет и химизм плавки. При плавке сырых концентратов основными химическими процессами являются разложение высших сульфидов и взаимодействие сульфидов железа с магнетитом, поступающим в печь с оборотным конвертерным шлаком, по реакции

FeS + 3Fe₃0₄ + 5Si0₂ = 5(2FeO ∙ SiO₂)+ S0₂.

Суммарная десульфуризация в этом случае обычно составляет 45-55 %.

Плавка огарка (поскольку разложение высших сульфидов практически полностью закончилось при обжиге) сводится главным образом к химическому взаимодействию между оксидами и сульфидами. Основными в этой плавке являются реакции:

Cu₂0 + FeS = Cu₂S + FeO;

10Fe₂O₃ + FeS= 7Fe₃O₄+SO₂,

а также взаимодействие FeS с Fe₃0₄ в присутствии кремнезема по вышеуказанной реакции.

Десульфуризация при плавке обожженных медных концентратов не превышает 20 - 25 %.

Отражательная печь для плавки медных концентратов -плавильный агрегат с горизонтальным рабочим пространством. Внутренние размеры современных отражательных печей следующие: длина 28-35 м, ширина 6-10 м, высота от свода до пода 4-4, 5 м. Площадь пода таких печей колеблется от 180 до 350 м².

Конструктивно отражательная печь состоит из фундамента, стен, подины (лещади), свода, каркаса, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов плавки, горелок (форсунок) для сжигания топлива.

Фундамент - основу печи - изготавливают из литого шлака, бетона, кирпича или бутового камня. На фундаменте размешена наварная лещадь. Наварку проводят оплавлением кварцевого песка на нескольких слоях строительного и огнеупорного кирпича. Лещадь может быть полностью выложена из динасового кирпича в виде обратной арки. Общая толщина лещади 0, 6- 1, 5 м.

Стены печей выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового или магнезитохромитового кирпича. Толщина стен в верхней части печи составляет 0, 5-0, 6 м, а у лещади 0, 75-1 м. Для придания кладке достаточной механической прочности ее скрепляют металлическим каркасом, состоящим из ряда колонн и тяг.

Срок службы стен отражательных печей зависит от способа загрузки шихты и ее качества. При плавке (сырой) шихты вдоль боковых стен печи образуются устойчивые шихтовые откосы, которые защищают огнеупорную кладку от быстрого разрушения. Стойкость стен из огнеупорных кирпичей можно повысить путем установки наружных или закладных кессонов, размещаемых обычно на уровне зеркала расплавленной ванны.

Одним из самых ответственных элементов конструкции отражательных печей является свод. По конструктивному исполнению своды отражательных печей бывают арочными, подвесными и распорно-подвесными.

Динасовые арочные своды применяют лишь при небольшой ширине печи (до 6 м). Арки свода набирают секциями длиной 3, 7-7, 5 м. Секции опираются на пятовые кирпичи, закрепленные с обеих сторон печи в швеллерных балках, которые удерживаются общим каркасом.

В странах СНГ арочные своды имеют только отражательные печи Красноуральского медеплавильного комбината. Расширение отражательных печей ведет к повышению их производительности вследствие увеличения относительной площади откосов. Однако при большой ширине печи прочность арочного свода мала и он может разрушиться под действием собственной массы.

Для отражательных печей большой ширины применяют только подвесные или распорно-подвесные своды. Подвесной свод делают плоским или трапециевидным. Для монтажа свода на несущих конструкциях каркаса печи устанавливают швеллерные балки, к которым с помощью тяг подвешивают кирпичные блоки. Подвесные своды позволяют проводить их горячие ремонты без остановки печи путем замены прогоревших блоков.

Распорно-подвесные своды, так же как и подвесные, собирают из отдельных блоков, подвешенных на арках дугообразной формы.

На большинстве заводов шихту загружают через свод печи с помощью загрузочных устройств, расположенных вдоль боковых стен печи. Такой способ загрузки шихты сопровождается большим ее пылевыносом и быстрым разъеданием свода печи, особенно вблизи загрузочных отверстий. Наибольшая химическая коррозия свода при таком методе загрузки наблюдается при плавке обожженной шихты. Более рациональным признано считать подачу шихты непосредственно на поверхность шлакового расплава через боковые стены печи с помощью течек или специальных загрузочных устройств.

Продуктами отражательной плавки являются штейн, шлак, пыль и газы. Выпуск и удаление их осуществляются через специальные устройства.

Заводские медные штейны отражательной плавки в зависимости от состава перерабатываемого сырья и метода плавки (без обжига или с обжигом) содержат, %: Си 15-60; Zn до 6; Ni до 0, 5; РЬ до 1; Fe 30-40; S 23-26. Кроме того, они содержат благородные металлы, селен, теллур и ряд других ценных и вредных примесей. Выпуск штейна проводится со дна ванны над лещадью печи через шпуры периодического действия или через сифонные устройства, работающие по принципу сообщающихся сосудов. Штейновый сифон может работать в непрерывном режиме. Закрывают шпур глиняной пробкой, а сифон — с помощью глиняной плотники.

Состав шлаков отражательной плавки по содержанию отдельных шлакообразующих компонентов может изменяться в очень широком диапазоне. Он зависит от целого ряда местных условий — состава и вида перерабатываемого сырья, наличия дешевых и доступных флюсов, ряда технологических факторов. Как правило, стремятся работать при минимально допустимом расходе флюсующих добавок, не удаляясь, однако, намного от оптимального для данного предприятия состава отвального шлака. Содержание отдельных шлакообразующих компонентов в реальных шлаках отражательной плавки может изменяться в следующих пределах, %: Си 0, 3-0, 8; SiO₂ 32-46; Fe0 35-55; СаО 1, 5-10; А1₂О₃ 1-7; прочие 0, 5-1, 5.

Отвальные шлаки из отражательных печей выпускают через шлаковые окна, размещенные в конце печи, чаще всего на обеих боковых сторонах печи. Общий уровень расплава в печи определяется высотой расположения порога шлакового окна. Глубина расплава обычно составляет 0, 8-1, 2 м, в том числе 0, 4-0, 6 м приходится на долю штейна. Выход шлака при плавке в отражательных печах зависит от состава и вида перерабатываемой шихты и от количества заливаемого в печи конвертерного шлака и по массе превышает выход штейна в 1, 2-2 раза. В свою очередь от количества получающихся при плавке шлаков зависят потери с ними меди, а также расход флюсов и топлива.

Отходящие газы отражательных печей представляют собой смесь технологических и топочных газов. Технологические газы при отражательной плавке образуются в результате термического разложения неустойчивых химических соединений (высших сульфидов, карбонатов и др.) и взаимодействия сульфидов с высшими оксидами железа. Объем технологических газов относительно невелик. Основную массу отходящих газов составляют топочные газы, образующиеся при сжигании топлива. По этой причине отходящие газы отражательных печей содержат всего 0, 5- 1, 5 % S0₂. Использовать такие слабые газы в сернокислотном производстве нельзя, и их чаще всего выбрасывают в атмосферу, нанося огромный вред окружающей среде. Для современных условий обязательным является обезвреживание газов с попутным извлечением из них серы. Трудности реализации этого в условиях отражательной плавки делают необходимым замену ее более совершенными видами плавки.

Пыли при отражательной плавке образуются в результате уноса газовым потоком частиц перерабатываемой шихты и возгонов. Возгоны при отсутствии должной системы пылеулавливания вместе с газами выносятся в атмосферу. Наибольший пылевынос имеет место при переработке в отражательных печах обожженной

шихты.

Отражательные печи являются пламенными. Для создания в печи необходимых температур сжигают топливо. Газ или угольную пыль сжигают с помощью горелок, а мазут - в форсунках. Топочные устройства (4- 8 шт.) размещают в специальных окнах на передней торцовой стенке печи. Воздух для вдувания, распыления и сжигания топлива подогревают до 200- 400 °С.

Наиболее распространенным в настоящее время топливом для отражательных печей является природный газ. Он наиболее дешев, легко транспортируется и не требует предварительной подготовки. К числу недостатков газообразного топлива следует отнести лишь образование при его горении несветящегося пламени с малой излучающей способностью. Для подсветки пламени при сжигании природного газа в горелках одновременно распыляют мазут.

Сжигание топлива в отражательных печах проводят при коэффициенте избытка воздуха не более 1, 05. Следовательно, в отражательных печах будет слабо окислительная, почти нейтральная атмосфера. Химическая инертность атмосферы в рабочем пространстве отражательных печей делает невозможным регулирование степени десульфуризации (состава получающихся штейнов) в этом виде плавки. Именно по этой причине для получения более богатых по содержанию меди штейнов из бедных концентратов приходится проводить их предварительный окислительный обжиг.

На большинстве современных отражательных печей регулирование температуры в фокусе горения топлива печи в конце рабочего пространства производится автоматически, а для сжигания топлива используют дутье, обогащенное кислородом до 28 - 30 %.

Рабочая температура в отражательной печи на расстоянии 3 - 10 м от передней стенки достигает 1550-1600 °С. Эта зона наиболее высоких температур по существу является плавильной зоной, здесь преимущественно производят загрузку перерабатываемой шахты. По мере удаления от зоны плавления температура снижается и в конце печи не превышает 1150-1200 °С. Фактически вторая половина печи работает как отстойник.

Необходимость иметь высокую температуру в хвостовой части отражательной печи обусловлена тем. что в этой части печи выпускают отвальный шлак, имеющий температуру плавления около 1200 °С.

Тепловой коэффициент полезного действия отражательных печей из-за высокой температуры и большого объема отходящих газов очень низок и не превышает 30 %

С отходящими газами теряется около 50 - 55 % теплоты, получаемой при сжигании топлива. Для повышения эффективности тепловой работы отражательных печей за ними устанавливают котлы-утилизаторы в результате чего суммарное использование теплоты повышается до 60 - 70 %. Отражательные печи, отличаясь достаточно высокой универсальностью, могут работать на шлаках практически любого состава. Содержание шлакообразующих компонентов в промышленных шлаках этого типа плавки может изменяться в широких пределах: 30 - 40 % Si0₂; 32 - 46 % FeO; до 15 % CaO; до 12 % А1₂О₃. Выход шлаков по массе приблизительно превышает выход штейна в 1, 1-1, 5 раза. От количества получающегося шлака зависят потери с ним меди, а также расход топлива и флюсов.

Отражательная плавка отличается очень высокой универсальностью; она пригодна для переработки многих видов флотационных концентратов в широком диапазоне их составов. Это является основной причиной ее широкого распространения в медной промышленности до настоящего времени. Несмотря на это ее нельзя считать совершенным процессом, так как она имеет многочисленные недостатки, главными из которых являются:

1)самая низкая из всех плавильных процессов удельная производительность;

2)высокий расход углеродистого топлива для плавки сульфидных материалов, которые сами являются топливом;

3)низкий тепловой к.п.д.;

4)невозможность регулирования состава получаемых штейнов;

5)трудности использования бедных серусодержащих газов,

что приводит к загрязнению окружающей среды;

6} низкая степень комплексности использования сырья;

7) высокий расход дорогостоящих огнеупоров.

Близким аналогом отражательной плавки сульфидных материалов является плавка в электрических печах или руднотермическая плавка. Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Основным принципиальным отличием руднотермической плавки является метод нагрева — при электроплавке шихта плавится за счет теплоты, выделяющейся при пропускании электрического тока через шлаковый расплав

Для плавки медного сырья используются шестиэлектродные печи. По сравнению с отражательной руднотермическая плавка имеет несколько более высокую удельную производительность (до 10-12 т/(м² ∙ сут)], меньше потери теплоты с отходящими газами вследствие небольшого объема отходящих газов (нет топочных газов) и их низкой температуры (500-600 °С), более высокой тепловой к.п.д. (до 70 %) возможность перерабатывать тугоплавкую шихту вследствие большего перегрева расплавов, меньше потери меди со шлаками

Расход электроэнергии при руднотермической плавке медных концентратов в зависимости от их состава и влажности колеблется от 380 до 500 кВт ч/т шихты Однако в целом руднотермическая плавка также не удовлетворяет большинству современных требований и в первую очередь необходимости исключить посторонние источники тепловой энергии для переработки сульфидного сырья

Руднотермические печи для плавки сырых медных концентратов применяются на Джезказганском горно-металлургическом комбинате (Казахстан)

 

Контрольные вопросы

1. Реакции, протекающие при обжиге медных концентратов

2.Чем определяются верхний и нижний температурные пределы окислительного обжига медных концентратов?

3. Устройство многоподовой обжиговой печи и организация ее работы

4. Устройство печи КС и организация ее работы

5. Огнеупоры, используемые в металлургии

6. Продукты металлургической плавки

7. Основные недостатки получения штейна в отражательных печах

8. Принципиальное различие газоходов отражательной и электрических печей

9. Степень десульфуризации ковеллина CuS на Cu₂S и S₂ при термическом разложении

10. Степень десульфуризации пирита FeS₂ на FeS и S₂ при термическом разложении

11. Степень десульфуризации халькопирита CuFeS₂ на FeS, Cu₂S и S₂ при термическом разложении

12. Сущность отражательной плавки

13. Сущность подвесных и распорных сводов печи

14. Сущность непрерывного выпуска шлака из печи

15. Основные реакции, протекающие при выплавке из сырых концентратов штейна в электропечах и отражательных печах

16. Основные реакции, протекающие в отражательных и электрических печах при плавке на штейн обожженного концентрата (огарка)

17. Устройство отражательной печи

18. Устройство электротермической печи

19. Конструкция подвесного свода

20. Преимущества и недостатки отражательной плавки

21. Преимущества и недостатки электротермической плавки

22. Почему подину плавильных печей выкладывают в виде обратной арки?

23. Принципиальное отличие электротермической печи от отражательной

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно-контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
2. Cистемы зажигания двигателей внутреннего сгорания, контактная сеть электротранспорта, щеточно–контактный аппарат вращающихся электрических машин и т. п..
3. Алгебраическая сумма всех электрических зарядов любой замкнутой системы остается неизменной (какие бы процессы ни происходили внутри этой системы).
4. АНАЛИЗ И РАСЧЁТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
5. Анализ опасности поражения током в различных электрических сетях
6. В ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
7. В.З. Классификация электрических машин
8. Возможности снижения потерь в электрических сетях
9. Все не так просто: модели Вселенной от Эйнштейна до теории струн
10. Выбор электрических аппаратов
11. Глава №1. Усиление электрических колебаний.
12. ЗАЩИТА ЦЕХОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ