Лекции 3. Плавка на штейн в шахтных печах.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 12Следующая ⇒

Шахтная плавка медных руд является наиболее старым способом плавки на штейн, существовавшим несколько столетий и сохранившим свое практическое значение до настоящего времени.

Шахтная печь представляет собой плавильный аппарат с вертикальным рабочим пространством, похожим на шахту. В поперечном сечении шахтные печи цветной металлургии имеют прямоугольную форму. Шихту, состоящую из руды и флюсов, и топливо периодически загружают на колошниковой площадке отдельными порциями, называемыми колоши. В нижней части печи через фурмы вдувают воздух. В области фурм топливо (кокс или сульфиды перерабатываемой шихты) сгорает, и там развиваются самые высокие температуры (до 1300-1600^оС). Зона высоких температур называется фокусом печи. За счет выделяющейся теплоты в фокусе печи происходит плавление шихты и завершается образование продуктов плавки.

Жидкие продукты плавки (шлак и штейн) стекают во внутренний горн, откуда они совместно выпускаются по сифонному желобу в передний горн на отстаивание. Раздельный выпуск штейна и шлака осуществляется из переднего горна.

По мере плавления шихта опускается вниз, а на ее место загружают новые порции. Газы, образовавшиеся в области фурм и выше, поднимаются вверх, пронизывают столб опускающейся шихты и отдают ей свою теплоту. Теплообмен между газами и шихтой по принципу противотока обеспечивает самый высокий коэффициент использования теплоты, наблюдающийся в металлургических печах и достигающий в шахтных печах 80-85 %.

По сравнению с большинством других плавильных печей в шахтных печах можно плавить только кусковой материал крупностью 20-100 мм. В случае переработки мелкой шихты (руды или концентратов) ее необходимо подвергать предварительному окускованию методами агломерации или брикетирования.

Применительно к переработке медных руд и концентратов возможны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная (окислительная), полупиритная и усовершенствованная пиритная или медно-серная. В современной металлургии меди сохранили свое практическое значение при переработке рудного сырья только два последних метода. Восстановительную шахтную плавку используют до настоящего времени как основной метод получения черновой меди из вторичного сырья.

При восстановительной плавке, пригодной для переработки окисленного или вторичного сырья, вся необходимая для процесса теплота получается за счет сжигания кокса, расход которого составляет не менее 15% от массы твердой шихты.

Пиритная плавка в противоположность восстановительной теоретически полностью может протекать за счет теплоты от

окисления (сжигания) самой сульфидной шихты, имеющей тепло ту сгорания 5000- 6000 кДж/кг. Вследствие очень напряженного теплового баланса на практике в печь вводили до 2 % кокса. Пиритная плавка, пригодная для переработки только высокосернистых руд, содержащих не менее 75 % пирита (~ 42 % серы), в чистом виде потеряла свое практическое значение.

В тех случаях, когда сульфидов в исходной шихте не хватает для автогенного ведения шахтной плавки, недостаток теплоты компенсируют сжиганием углеродистого топлива. Такой вид шахтной плавки, при которой теплота получается как от горения сульфидов, так и от сжигания топлива, получил название полу-пиритной. Расход кокса при этом виде шахтной плавки изменяется от 5 до 12%. Таким образом, полупиритная плавка занимает промежуточное место между восстановительной и пиритной плавками.

Основные процессы, определяющие ход и характер полупиритной плавки, развиваются в фокусе печи, где достигаются максимальные температуры (до 1600 ^оС) и протекают процессы горения кускового кокса и сульфидов (в твердом и жидком состояниях), плавления компонентов шихты, штейно- и шлакообразования. Основные реакции этой зоны печи следующие:

С + О₂ = СО₂ + 393780 кДж;

2FeS + 30₂ = 2FeO + 2SO₂ + 937340 кДж;

2FeO+ SiO₂ = 2FeO ∙ Si0₂ + 92950 кДж.

Для успешного и быстрого завершения этих реакций плавку нужно вести форсированно с большим избытком дутья - до 100% от теоретически необходимого. Интенсификации процесса полупиритной плавки способствуют обогащение дутья кислородом и его подогрев.

При большом избытке воздуха кислород дутье не успевает израсходоваться в фокусе печи и в большом количестве выносится в верхние слои шихты, в подготовительную зону. В результате этого и верхней части столба шихты наряду с обычными для этой зоны процессами нагрева, сушки и термической диссоциации кисших сульфидов и карбонатов происходит горение твердых сульфидов.

Шахтная печь для полупиритной плавки покоится на массивном фундаменте. Основание печи - прямоугольную чугунную плиту - устанавливают на стальных колоннах или домкратах. Стены шахты собирают из водоохлаждаемых плоских железных коробок - кессонов. На внутренней (огневой) стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как огнеупор.

Кессонированнал часть печи в горизонтальном сечении имеет прямоугольную форму, а в вертикальном - форму трапеции с меньшим основанием внизу. В области фурм ширина печи составляет 1, 4 м, длина - от 4 до 12 м; высота (от лещади до колошника) - до 7 м. Фурмы для вдувания воздуха закреплены на кессонах.

Жидкие продукты плавки - штейн и шлак - выпускаются непрерывно через желоб с порогом в передний горн с овальным поперечным сечением. Отстойник представляет собой железное корыто, футерованное изнутри огнеупорным кирпичом и оборудованное 2-4 шпурами для выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака. Свода передний горн не имеет -им служит корка застывшего шлака. В последнее время на некоторых заводах отстойные горны шахтных печей оборудуют электрообогревом, осуществляемым пропусканием через слой жидкого шлака электрического тока с помощью погруженных в него угольных электродов.

Содержание меди в штейнах в зависимости от состава перерабатываемого сырья изменяется от 15 до 50%, шлаки содержат, %: Si0₂ 35- 40; FeO 45-60; CaO 3 и Си 0, 3-0, 35.

Полупиритным процессом можно плавить богатую кусковую руду и агломерат, полученный агломерирующим обжигом флотационных концентратов.

Шахтная плавка является сравнительно дешевым технологическим процессом. Для ее осуществления требуется мало огнеупоров; применяются простые и дешевые конструкции печей, занимающие небольшие производственные площади. Достоинствами этого вида плавки являются пригодность процесса для малых масштабов производства, так как шахтные печи могут быть построены любой длины, и высокая удельная производительность.

Ограниченность применения шахтной плавки обусловлена почти полным отсутствием пригодного для этого вида плавки рудного сырья и низкой степенью комплексности его использования.

Медно-серная плавка в классическом варианте по своему существу представляет собой пиритную плавку высокосернистых руд, содержащих не менее 40-42% серы, в комбинации с усовершенствованным методом обработки печных газов с целью получения серы в элементарном состоянии. Для этого сульфидную руду в смеси с кварцевым флюсом и увеличенным количеством кокса (до 12%) плавят в герметизированной шахтной печи с увеличенной высотой.

Характерным для медно-серной плавки является существование в печи по высоте трех четко выраженных зон: окислительного плавления (нижняя), восстановительной (средней) и подготовительной (верхней).

В зоне окислительного плавления, расположенной в области фурм и имеющей очень ограниченные размеры, развиваются самые высокие в печи температуры (1200-1450 ^оС). Необходимая для плавки теплота выделяется в результате протекания основной реакции пиритной плавки:

2FeS + 30₂ +Si0₂ = 2FeO ∙ Si0₂ + 2S0₂ + 1030290 кДж.

В классической пиритной плавке не допускается никаких отклонений от стехиометрии реагентов реакции. Избыток или недостаток любого из исходных реагентов приводит к нарушению теплового режима плавки, сокращению или растягиванию фокуса печи. Теоретически при пиритной плавке весь кислород дутья должен обязательно полностью расходоваться в области фурм, и до фурм не должен доходить кокс. В противном случае пиритный эффект пропадает и печь замерзает с образованием " козла".

Жидкие продукты пиритной плавки стекают во внутренний горн печи и далее - в наружный отстойник, а газы, состоящие почти полностью из сернистого ангидрида и азота, устремляются вверх и поступают в среднюю, восстановительную зону, заполненную раскаленным коксом.

Основным процессом этой зоны является восстановление сернистого ангидрида до паров элементарной серы по реакциям:

2S02 + 2C = S₂(nap) + 2CO₂;

2SO₂+ 4C0 = S₂(nap) + 4CO₂.

Для наиболее полного восстановления SO₂ в средней зоне на этом участке печь резко расширяется вверх, что снижает скорость движения газового потока и увеличивает за счет этого время контакта между реагентами. В восстановительной зоне, кроме указанных реакций протекают другие побочные процессы, приводящие к образованию CS₂, COS, H₂S и др. Газы восстановительной зоны, пронизывая верхние слои шихты, обогащаются парами элементарной серы, образующимися при термической диссоциации высших сульфидов.

Специфика процесса медно-серной плавки требует применения для ее осуществления печей специальной конструкции.

Для того, чтобы сохранить серу в парообразном состоянии, нужно в верхней части печи иметь температуру не ниже 500-550 ^оС. Это достигается уменьшением потерь теплоты через стенки печи, которые в верхней части представляют огнеупорную кладку, закрепленную в железном кожухе. В печах медно-серной плавки кессонируется только фурменный пояс.

Чтобы избежать обратного окисления серы, печь герметизируют и внутри нее поддерживают положительное давление. Герметизация загрузки достигается установкой затворов колокольного типа. При загрузке шихта сначала поступает на верхний колокол, затем перепускается в межколокольную емкость, откуда только после закрытия верхнего колокола разгружается в печь.

Продуктами медно-серной плавки являются медный штейн, шлак и серусодержащие газы. Вследствие относительно низкой десульфуризации первичные штейны содержат обычно не более 10-15% Си. Такие штейны для повышения эффективности последующего процесса их конвертирования необходимо подвергать повторной, так называемой концентрационной (сократительной) плавке в отдельной шахтной печи по методу полупиритного процесса, что повышает концентрацию меди в штейнах до 40-42%. Штейн и шлак печей первичной плавки после отстаивания в переднем горне разливают н чушки на ленточных разливочных машинах, что чрезмерно загромождает плавильный пролет и затрудняет обслуживание печей.

Газы, состоящие почти полностью из образовавшихся в плавильной печи паров элементарной серы и азота дутья и содержащие S0₂, H₂S, CS₂, COS и другие ядовитые серусодержащие соединения, по выходе из печи направляются в химический цех для получения из них элементарной серы.

Медно-серная плавка характеризуется следующими основными технико-экономическими показателями: Удельный проплав - 40 – 50 т/(м²∙ сут); Расход кокса - 9, 5-12, 0 % от руды; Выход продуктов плавки, % от руды: штейна 22-36; шлака 67-85. Извлечение, %: меди в штейн 90- 94; серы в газы 65-75; серы из газов в элементарную серу 85-90. Содержание серы в товарном продукте, %: 99, 6 -99, 95.

До недавнего времени по схеме медно-серной плавки работал Медногорский медно-серный комбинат на Южном Урале. Практика работы этого комбината и ряда зарубежных предприятий выявила ряд существенных недостатков процесса и технологических трудностей в его осуществлении: ограниченность запасов высокосернистых руд, удовлетворяющих требованиям плавки; пригодность для окускования рудной мелочи только метода брикетирования, сохраняющего в составе сырья необходимую для плавки серу; сложность, громоздкость и дороговизна подготовительных операций; сложность конструкции герметизированной плавильной печи и трудности ее обслуживания в цехе, загроможденном разливочными машинами; получение бедных первичных штейнов, требующих дополнительно концентрационной переплавки; вследствие пониженной десульфуризации низкое извлечение серы в газы и товарную продукцию

В Гинцветмете на базе медно-серной плавки разработан новый процесс - автогенная шахтная плавка (АШП). Он предназначен для переработки обычного сульфидного сырья с использованием дутья, обогащенного кислородом до 26-30 %, и природного газа для внутрипечного восстановления диоксида серы. Сульфидная часть поступающей в плавку шихты может быть представлена кусковой рудой, брикетами или окатышами, приготовленными из рудной мелочи, флотационных концентратов и промежуточных продуктов, или их смесями. Процесс испытан для переработки медной пиритной, медно-цинковой н медно-никелевой пирротиновой руд.

Процесс АШП внедрен на Медногорском медно-серном комбинате взамен классической медно-серной плавки. При плавке кусковой медной пиритной руды состава, %: Си 1, 6-2, 3; Zn 1, 2- 2, 5; S 44-48; Fe 35-37; Si0₂ 2- 6 без расхода углеродистого топлива на обогащенном дутье проплав по руде составил до 62 т/(м² ∙ сут), содержание меди в штейнах при десульфуризации до 90-95% достигало 30 %. Прямое извлечение серы в элементарную серу без внутрипечного восстановления составило 40-42 %. При внутрипечном восстановлении диоксида серы природным газом оно возросло до 58 %, а при восстановлении вводимым в шихту коксом при его расходе около 10 % - до 65 %.

Однако форсированный ход печей при осуществлении АШП сделал невозможным глубокое внутрипечное восстановление S0₂. По этой причине Медногорский медно-серный комбинат, освоивший в промышленном масштабе этот вид шахтной плавки, вынужден был отказаться от производства элементарной серы и перешел на переработку печных газов в серную кислоту.

Результаты опытно-промышленных испытаний АШП показали ее несомненные преимущества по сравнению с другими разновидностями шахтной плавки сульфидного медного сырья, осуществляемыми с использованием металлургического кокса.

Контрольные вопросы

1. Принципиальное отличие требований к сырью и ходу работы шахтной печи

2. Преимущества выплавки штейна в шахтных печах

3. Основные реакции получения медного штейна в шахтной печи

4. Устройство шахтной печи

5. Преимущества и недостатки шахтной плавки

6. Почему ширина шахтной печи выбрана в пределах 1, 2 – 1, 5 м?

7. Организация работы шахтной печи

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒