Лекция 5. Автогенные процессы плавки.

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 12Следующая ⇒

Рассмотренные в предыдущих разделах традиционные, наиболее распространенные до настоящего времени в металлургии меди технологические схемы и их аппаратурное оформление характеризуются многочисленными недостатками. Основным их недостатком следует считать многостадийность переработки рудного сырья, что приводит к размазыванию ценных компонентов по различным продуктам и полупродуктам технологии. В результате этого они не обеспечивают достаточной комплексности использования перерабатываемого сырья и высокого извлечения из него всех полезных составляющих. Кроме того, существующие пирометаллургические процессы, и в первую очередь рудные плавки, связаны с большими энергетическими затратами и способствуют сильному загрязнению окружающей среды. Многие из применяемых процессов можно назвать просто устаревшими, полностью не удовлетворяющими требованиям современности.

Одним из важнейших направлений научно-технического прогресса в цветной металлургии является внедрение в металлургическое производство ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих одновременно высокую степень комплексности использования сырья и надежную охрану окружающей среды от вредных выбросов. Как показывает опыт развития металлургии тяжелых цветных металлов, в последние несколько десятилетий технология переработки медных, никелевых и некоторых свинцово-цинковых руд совершенствуется на основе автогенных процессов.

В понятие высокая степень комплексности использования перерабатываемого сырья в первую очередь включается максимально высокое извлечение всех его ценных составляющих: меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов, редких и рассеянных элементов, а также обязательное использование силикатной части рудной массы, т.е. пустой породы. Кроме того, когда переработке подвергаются сульфидные руды и концентраты, необходимо иметь в виду, что они обладают достаточно высокой теплотой сгорания, которую необходимо также использовать для технологических нужд. Следовательно, сульфидное сырье должно рассматриваться не только как источник получения ценных компонентов, но и как энергетическое топливо. Использование его теплоты сгорания, т.е. его внутренних энергетических ресурсов, должно также включаться в понятие комплексности использования природных материальных ресурсов.

Теплота сгорания высокосернистых руд и концентратов может достигать 6000 кДж/кг, что соответствует 0, 2 кг условного топлива. Если учесть, что сульфидных руд в настоящее время добывают и перерабатывают не менее 100 млн. т в год, то количество теплоты, которое может быть получено при технологическом сжигании сульфидов, будет эквивалентно десяткам миллионов тонн условного топлива.

Кроме огромного экономического значения устранение расхода даже на ряде металлургических предприятий остродефицитных источников тепловой энергии - топлива и электричества - даст значительный дополнительный народно-хозяйственный эффект, позволив использовать их для других, более рациональных целей.

Экономическую эффективность использования теплоты сгорания для технологических нужд при плавке медного концентрата проиллюстрируем расчетным примером замены отражательной плавки на автогенный процесс.

Автогенными в металлургическом производстве называют технологические процессы, которые осуществляются за счет внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты. При переработке сульфидного сырья автогенность пирометаллургического процесса достигается за счет теплоты экзотермических реакций горения (окисления) сульфидов перерабатываемой шихты и реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента может использоваться воздух, обогащенное кислородом дутье или технологический кислород (95- 98 % 0₂).

Принцип автогенности хорошо известен современным металлургам. Теплота сгорания сульфидов уже почти 100 лет используется при окислительном обжиге многих сульфидных материалов и при конвертировании штейнов. Еще в конце прошлого и начале текущего столетий плавка сплошных сульфидных руд осуществлялась практически полностью за счет теплоты реакций окисления сульфидов железа. Этот вид рудной плавки, получивший, как уже отмечалось ранее, название пиритная плавка, являлся типичным автогенным процессом, К сожалению, до последнего времени это важное качество сульфидного сырья использовалось лишь частично.

Идея использования принципа автогенности для переработки мелких флотационных концентратов плавкой на штейн возникла и впервые была опробована в начале 30-х годов в СССР и получила в дальнейшем достаточно широкое развитие во всем мире. В настоящее время можно перечислить не менее двух десятков освоенных промышленностью, внедряемых или разрабатываемых автогенных процессов плавки сульфидного рудного сырья.

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных медных, медно-цинковых, медно-никелевых и других концентратов и руд лежат экзотермические реакции окисления сульфидов перерабатываемой шихты, и в первую очередь сульфидов железа. Реакция, лежащая в основе многих окислительных процессов и описываемая уравнением

2FeS + 30₂ + Si0₂ = 2FeO ∙ SiO₂ + + 2S0₂ + 1030290 кДж, суммирует основные химические процессы автогенной плавки.

Таким образом, любая автогенная плавка является окислительным процессом. При ее осуществлении степень десульфуризации можно менять в любых заданных пределах, изменяя соотношение между количествами перерабатываемого сульфидного материала и подаваемого в печь с дутьем кислорода. Это позволяет в широком диапазоне варьировать составом получающихся штейнов вплоть до получения черновой меди.

Все автогенные плавки являются совмещенными процессами. Они объединяют в одном металлургическом аппарате процессы обжига, плавки и частично или полностью конвертирования. Это позволяет наиболее рационально и концентрированно (в одном месте) переводить серу шихты в газы. При этом в зависимости от содержания кислорода в дутье можно получать газы с различным содержанием S0₂ вплоть до чистого сернистого ангидрида.

Применительно к флотационным концентратам автогенные металлургические процессы могут быть организованы по-разному как технологически, так и аппаратурно. С технологической точки зрения такие процессы в первую очередь различаются методом сжигания сульфидов, которое может быть проведено в факеле или в расплаве.

При сжигании сульфидов в факеле мелкий хорошо высушенный концентрат вдувается в разогретое до высоких температур плавильное пространство вместе с кислородсодержащим дутьем. Сульфидные частицы, находясь во взвешенном состоянии, окисляются кислородом дутья и в зависимости от температуры частично или полностью расплавляются. Основная вышеуказанная реакция в этих условиях не может получить большого развития, и в факеле возможно переокисление FeO до Fe₃0₄.

Образовавшиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава падают на поверхность спокойной шлаковой ванны, где продолжаются основные физико-химические взаимодействия и превращения, включая процессы шлако- и штейнообразования и отстаивания. При таком методе автогенной плавки первичные шлаки характеризуются повышенным содержанием извлекаемых металлов в форме растворенных оксидов и тонкой механической взвеси сульфидов.

Факельное сжигание сульфидов используют во всех видах плавок во взвешенном состоянии и частично в кивцэтном процессе.

Автогенные процессы, осуществляемые в расплавах, имеют особый механизм плавки. Его элементарные стадии: плавление загруженной шихты и растворение ее компонентов в первичном, хорошо перегретом сульфидно-оксидном расплаве, окисление сульфидов, процессы штейно- и шлакообразования. Последовательность их протекания в этом случае выделить невозможно. Фактически все они идут одновременно в определенном объеме расплава.

При осуществлении указанных процессов физико-химические превращения начинаются с момента загрузки шихты в интенсивно перемешиваемый расплав, шихту можно подавать как на поверхность расплава, так и вдуванием в него вместе с окислительным реагентом. Подаваемое в расплав дутье обеспечивает его интенсивный барботаж, что способствует ускорению всех физико-химических процессов. Однако разделения и отстаивания жидких продуктов плавки в условиях интенсивного барботажа происходить не может; эта стадия плавки должна проводиться в отдельной зоне или в специальном аппарате.

К настоящему времени предложено большое количество технологических и аппаратурных вариантов автогенных плавок в расплавах. Среди них особый интерес представляют процесс плавки Ванюкова (плавка в жидкой ванне), разработанный в СССР, и зарубежные процессы - " Норанда" (Канада) и " Мицубиси" (Япония), внедренные в промышленном масштабе.

В настоящее время к числу наиболее технологически и аппаратурно отработанных автогенных процессов относится плавка во взвешенном состоянии во всех ее разновидностях. Сейчас этот процесс применяют более чем на 30 предприятиях во многих странах мира для переработки медных, никелевых и пирротиновых концентратов.

Плавка во взвешенном состоянии на холодном воздушном дутье имеет очень напряженный тепловой баланс и практически невозможна. Для устранения дефицита теплового баланса можно применять подогрев воздуха, обогащение дутья кислородом или использовать в качестве дутья технологический кислород (95-98 % О₂). Подогрев дутья позволяет ввести в плавильную печь дополнительно физическую теплоту, а применение обогащенного дутья или технологического кислорода сокращает потери теплоты за счет уменьшения объема горячих отходящих газов.

На основе подогретого до 450-500 ^оС воздушного дутья была разработана плавка во взвешенном состоянии финской фирмой " Оутокумпу" и внедрена в 1949 г. на заводе " Харьявалта" печь имеет три основных рабочих узла: вертикальную плавильную камеру (шахту), горизонтальную отстойную камеру и газоход с котлом-утилизатором.

Шахта печи изготовлена из листовой стали и футерована изнутри магнезитовым кирпичом. Для удлинения срока службы шахты в кладку заложены водоохлаждаемые медные кессоны. На своде шахты установлена шихтовая горелка, предназначенная для образования шихто-воздушной смеси и ее вдувания в печь. Перед подачей а печь шихту сушат до содержания влаги - 0, 2%. В шахте печи осуществляется факельное горение сульфидной шихты. Образовавшиеся в факеле капли падают на поверхность шлакового расплава, расположенного в отстойной камере, а раскаленные газы перемещаются к газоходу по верхней части отстойника, подогревая находящиеся е нем расплавы.

Подогрев дутья до 450... 500 *С проводится за счет теплоты отходящих газов в специальных воздухоподогревателях, установленных после котла-утилизатора. В последние годы на заводе " Харьявалта" начали применять обогащение воздуха кислородом до 31 %, что позволило уменьшить температуру подогрева дутья до 200 ^оС. Температура в реакционной шахте достигает 1350-1400 ^оС, в отстойнике 1250-1300 ^оС.

Плавку ведут на штейн с содержанием меди - 60%. Получающиеся при плавке шлаки содержат до 1, 2% Си и подвергаются после их застывания и измельчения обеднению флотацией. Пылевынос шихты при плавке достигает 6%. Отходящие газы, содержащие 14-15 % SO₂, используют для получения элементарной серы. Удельная производительность, отнесенная к площади отстойной камеры, колеблется от 6 до 8 т/(м² ∙ сут).

На японском заводе " Тамано" обеднение шлаков плавки во взвешенном состоянии проводят в основном агрегате, для чего в отстойной камере размещены три погруженных в шпак электрода.

Плавка во взвешенном состоянии на подогретом и обогащенном кислородом дутье является в настоящее время самым распространенным в цветной металлургии автогенным процессом.

Плавку во взвешенном состоянии на кислородном дутье -кислородно-факельную (взвешенную) плавку (КФП или КВП) -применяют только на двух заводах: " Коппер-Клифф" (Канада) и Алмалыкском ГМК.

В печах КФП сухую сульфидную шихту сжигают в горизонтальном факеле, для чего на одной из торцовых стен печи установлены специальные горелки. Образовавшиеся при плавке капли сульфидно-оксидного расплава падают на поверхность шлаковой ванны, в которой происходит разделение жидких продуктов плавки и отстаивание штейна от шлака.

На противоположной стороне печи могут быть установлены горелки для факельного сжигания в кислороде пиритного концентрата, что сопровождается образованием бедного по содержанию меди сульфидного расплава, служащего для промывки шлака с целью обеднения его медью. Обедненный шлак содержит 0, 6- 0, 65 % Си. При плавке получают штейн с 47-50 % Си.

Газы плавильной и обеднительной зон удаляются через общий газоход, размещенный в центре печи. Они содержат до 80 % SO₂ и используются для получения жидкого сернистого ангидрида или в производстве серной кислоты. Производительность печи составляет 10 - 12 т/(м² ∙ сут).

Плавка характеризуется выделением в самой печи большого количества избыточной теплоты, оказывающей сильное воздействие на конструкцию печи. Рациональное использование этой теплоты затруднено. Отвод избытка теплоты от стен, свода и газохода осуществляют с помощью водоохлаждаемых устройств.

Во ВНИИцветмете (г. Усть-Каменогорск) разработаны принципиально новый способ и агрегат для комплексной переработки медных, медно-цинковых и других коллективных концентратов, получивший название кивцэтного процесса (КИВЦЭТ).

Кивцэтная плавка - сокращенное название очень сложного по своей структуре пирометаллургического процесса. Это название расшифровывается следующим образом: кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка. Процесс основан на сочетании принципов взвешенной и циклонной плавок и рационального использования технологического кислорода и электроэнергии. Стадии обжига и плавки, разделения фаз, обеднения шлаков и при необходимости конденсации паров цинка протекают в одном объединенном агрегате.

В кивцэтном процессе тщательно высушенный до влажности менее 1 % концентрат поступает в циклонную горелку сверху. Технологический кислород с большой скоростью (до 150 м/с) подается в циклон тангенциально. Вследствие большой скорости дутья газы получают быстрое вращательное движение, благодаря которому частицы шихты, находящиеся в начальный момент во взвешенном состоянии, отбрасываются на стенки циклонной камеры. При горении сульфидов в чистом кислороде в циклоне развиваются высокие температуры, шихта плавится, образуя тонкую вращающуюся пленку на внутренней стенке камеры, в которой и протекают основные процессы плавки. Перегретый расплав стекает в отстойную камеру, где происходит разделение штейна и шлака.

Шлаковый расплав по мере накопления в отстойной камере перетекает в электротермическую часть кивцэтного агрегата, где атмосфера носит сильно восстановительный характер. Зона восстановления от окислительной зоны отделена перегородкой, погруженной в шлак, что предотвращает разбавление сернистых газов восстановительными. Восстановительная обработка шлака в электропечи позволяет отогнать цинк и частично свинец в возгоны, которые в виде парогазовой смеси направляются в конденсатор. Цинк в этом случае получают в виде жидкого чернового металла, требующего дорогого и сложного рафинирования. При необходимости цинк в кивцэтном агрегате может быть также получен в виде твердых оксидных возгонов, содержащих до 60 % ZnO.

Газы плавильной зоны после охлаждения и очистки от пыли поступают в сернокислотное производство.

Удельная производительность КИВЦЭТного агрегата, отнесенная ко всей его рабочей площади, составляет 3-5 т/(м² ∙ сут).

Основными достоинствами плавок во взвешенном состоянии и кивцэтного процесса, полностью распространяющимися и на все другие виды автогенных плавок, являются: использование для технологических нужд теплоты от сжигания сульфидов, высокая регулируемая степень десульфуризации и высокое извлечение серы в богатые по содержанию S0₂газы. Главнейшие недостатки плавок по взвешенном состоянии сводятся к следующим относительно низкая удельная производительность, возможность переработки только тонкоизмельченных, практически полностью сухих материалов и высокое содержание извлекаемых металлов в первичных шлаках.

Окислительные плавки в расплавах в значительной степени устраняют отмеченные недостатки. Именно поэтому принцип окислительного плавления сульфидного сырья в расплавах следует признать наиболее перспективным направлением развития автогенных процессов. К настоящему времени уже предложено много различных вариантов технологического и аппаратурного оформления плавок в расплавах, предусматривающих в ряде случаев прямое получение черновой меди.

Рассмотрим только три процесса, получивших промышленное применение и существенно отличающихся по целому ряду признаков, - " Норанда", " Мицубиси" и плавку Ванюкова.

Непрерывную плавку сухих медных концентратов по методу " Норанда" осуществляют в горизонтальном цилиндрическом поворотном аппарате длиной 21, 3 м и диаметром 5, 18 м. Дутье, обогащенное кислородом до 37%, вводят через фурмы, расположенные на участке загрузки шихты.

Плавку ведут на штейн, содержащий 70- 75% Си. При этом получают шлаки с 3.8 % Си, которые после их охлаждения и измельчения подвергают флотации, с получением обедненных медью до 0, 35% отвальных хвостов и оборотных концентратов (40 % Си). От запланированного вначале прямого получения черновой меди очень быстро отказались, так как при плавке получались шлаки, содержащие до 8-12% Си, требующие сложной дополнительной переработки Газы, содержащие 16-20 % SO₂. по выходе из печи используют для производства серной кислоты

Процесс " Мицубиси" является непрерывной автогенной плавкой, предназначенной для прямого получения черновой меди. Все основные стадии технологии - плавку, конвертирование и обеднение шлаков проводят в трех отдельных стационарных печах овальной формы. Промежуточные продукты непрерывно перетекают из одной печи в другую.

Сухой сульфидный концентрат в смеси с флюсами вдувают в плавильную печь через вертикальные фурмы (сопла) вместе с обогащенным кислородом воздухом. Нижние концы фурм расположены непосредственно над поверхностью расплава, что обеспечивает интенсивное его перемешивание.

Штейн и шлак из плавильной печи самотеком переливаются в электропечь, где происходит их расслаивание и обеднение шлака до 0, 4... 0, 5 % Си. Разогрев расплава в ней проводится электричеством, пропускаемым через слой жидкого шлака с помощью погруженных в него угольных электродов. Отстоявшийся штейн через сифон непрерывно перетекает в печь конвертирования.

Черновая медь поступает в миксер и оттуда на огневое рафинирование. Конвертерный шлак, содержащий 13- 18 % Си, возвращают в плавильную печь. Выход пыли при плавке составляет 3... 5 % от массы твердой шихты. Отходящие газы всех трех печей (12- 15% S0₂) объединяют и направляют в сернокислотное производство.

Фирма " Мицубиси" намеревается существующий промышленный комплекс дополнить еще одной (четвертой) печью для непрерывного огневого рафинирования черновой меди. В этом случае промышленная установка позволит перерабатывать исходные концентраты непосредственно на анодную медь, предназначенную для электролитического рафинирования.

Процесс плавки Ванюкова - оригинальный метод автогенной плавки сульфидных медных, медно-цинковых, медно-никелевых и других концентратов тяжелых цветных металлов - начал разрабатываться в 1951г. под названием плавка в жидкой ванне. В настоящее время процесс внедрен на Норильском и Балхашском горно-металлургических комбинатах. Он заменил полностью отражательную плавку. Предполагается также освоение этого процесса на ряде других предприятий цветной металлургии СНГ и за рубежом. Процесс плавки Ванюкова запатентован в ряде зарубежных стран.

Для промышленного осуществления процесса плавки Ванюкова предложено использовать печь шахтного типа.

Оптимальная длина печей Ванюкова определяется потребной единичной мощностью (производительностью) агрегата и может изменяться от 10 до 30 м и более. Ширина печей с учетом возможностей дутьевых машин и свойств получающихся при плавке расплавов составляет 2, 5 -3, 0 м; общая высота шахты 6, 0- 6, 5 м. Отличительной особенностью печи Ванюкова является высокое расположение дутьевых фурм над подиной (от 1, 5 до 2 м).

Содержание кислорода в дутье для обеспечения автогенного режима при плавке шихты с влажностью 1-2% составляет 40.-45%, а при 6-8% влаги – 55- 65 %. В печах Ванюкова можно плавить как мелкие материалы типа флотационных концентратов, так и кусковую шихту.

Плавление шихты и окисление сульфидов в процессе плавки Ванюкова осуществляется непосредственно в слое готового перегретого расплава. Горизонтальной плоскостью, проходящей по осям фурм, расплав в печи делится на две зоны: верхнюю (надфурменную), находящуюся в состоянии интенсивного барботажа, и нижнюю (подфурменную), в которой расплав находится в относительно спокойном состоянии.

В верхней надфурменной зоне осуществляются процессы нагрева и плавления шихты, окисления сульфидов и укрупнения мелкой сульфидной взвеси. Крупные капли сульфидов оседают в слое расплава и перемещаются в подфурменную зону, где они, двигаясь сверху вниз, многократно промывают (обедняют) шлаковый расплав. Выпуск штейна и шлака из печи Ванюкова производится непрерывно и раздельно с помощью двух самостоятельных сифонов, расположенных на противоположных торцах. Шлак, отделенный от штейна, может перед выпуском из печи подвергаться дополнительно восстановительной обработке с целью глубокого обеднения и отгонки цинка и других летучих компонентов. Штейн в свою очередь можно непрерывно конвертировать (додувать) до черновой меди в том же аппарате.

Характерной особенностью процесса плавки Ванюкова, отличающей его принципиально от всех рассмотренных ранее процессов, является то, что плавление шихты и окисление сульфидов происходит в объеме шлакового расплава, а не в штейне, продукты плавки при этом движутся в печи не в горизонтальном направлении, как это имеет место во всех известных методах плавки, а в вертикальном - сверху вниз. Эти особенности процесса плавки Ванюкова обеспечивают, в частности, получение шлаков в самой плавильной печи с содержанием меди, позволяющим выводить их из технологического цикла без дополнительного обеднения.

Промышленная эксплуатация печей Ванюкова уже в начальной стадии освоения процесса выявила его несомненные достоинства по сравнению не только с традиционными методами плавки на штейн, но и с другими автогенными процессами, о чем свидетельствуют сравнительные технико-экономические показатели ряда процессов плавки медных концентратов.

Удельная производительность печей Ванюкова более чем в 15 раз превышает проплав отражательных печей и в 4-8 раз удельную производительность других автогенных плавок. Процесс плавки Ванюкова превосходит рассмотренные в ней процессы и по многим другим показателям.

Контрольные вопросы

1. Какие металлургические процессы называются автогенными?

2. Принципиальное отличие процесса «Мицубиси» от остальных автогенных процессов

3. К какому виду печей относится печь Ванюкова для плавки концентратов в жидкой ванне (ПВ)?

4. Каково расположение видов плавок концентратов на штейн по уменьшению удельного проплава?

5. В чем заключается суть окислительного рафинирования металла?

6. В чем заключается достоинства получения медного штейна в печи ПВ?

7. Какие реакции протекают при переработке медного концентрата методом кислородно-факельной плавки?

8. Устройство печи Ванюкова

9. Устройство печи «Мицубиси» (Япония)

10. Устройство печи «Норанда» (Канада)

11. Устройство печи КИВЦЭТ

12. Устройство печи фирмы «Оутокумпу» (Финляндия)

13. Устройство кислородно-взвешенной (факельной) плавки

14. Преимущества и недостатки финской плавки (процесс «Оутокумпу»)

15. Преимущества и недостатки канадской плавки (процесс «Норанда»)

16. Преимущества и недостатки японской плавки (процесс «Мицубиси»)

17. Принципиальная схема организации противотока шлака и штейна при автогенных процессах

18. Каким непрерывным процессом целесообразно получать черновую медь?

19 В каких аппаратах КИВЦЭТ-процесса происходит формирование медного штейна.

20. Организация работы печи Ванюкова

21. Организация работы печи «Мицубиси» (Япония)

22. Организация работы печи «Норанда» (Канада)

23. Организация работы печи КИВЦЭТ

24. Организация работы печи фирмы «Оутокумпу» (Финляндия)

25. Организация работы печи кислородно-взвешенной (факельной) плавки

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒