Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 5 )

Для интенсификации процесса может быть использовано дутьё, обогащённое кислородом. Обогащение может достигать 25%. В этом случае несколько снижается вынос пыли из печи, увеличивается содержание SO2 в отходящих газах до 17%, увеличивается производительность печи.

Состав огарка обжиговых печей колеблется в следующих пределах, %:

17-20 Cu, 25-36 Fe, 16-18 S, 3- 4 Al2O3, 14-15 SiO2.

Ниже приведены некоторые технико-экономические показатели процесса обжига в печах кипящего слоя.

Производительность, т/(м2·сутки):

по шихте 55-57

по концентрату 41-42

по сере 10-11

Десульфуризация, % 54-57

Температура в слое, оС 870-890

Содержание SO2 в газах , % 13-15

1.4 Плавка сульфидных медьсодержащих материалов на штейн

1.4.1 Плавка на штейн в отражательных печах и электропечах

Основной целью отражательной плавки является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов - штейна и шлака. При этом ставиться задача, как можно полнее перевести в штейн медь и другие ценные элементы, а пустую породу перевести в шлак.

Сущность отражательной плавки заключается в том, что загруженная шихта плавится за счёт теплоты от сжигания углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве. 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 она растекается по поверхности зеркала шлакового расплава.

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

Передача теплоты внутри слоя шихты в отражательной печи осуществляется только за счёт теплопроводности. Отсутствие в отражательных печах массообмена внутри расплава обуславливает перенос теплоты в нижние слои расплава только за счёт теплопроводности. Следует отметить, что теплопроводность шихты и шлакового расплава весьма низка. Схема плавки в отражательной печи сырых (необожжённых) концентратов приведена на рисунке 1.3.

1- загрузка шихты; 2- горящий факел; 3 - направление потоков теплоизлучения от факела; 4 - стекающий поверхностный расплавленной слой шихты;

5 - тяжёлая фракция расплава, обогащённая сульфидами и оксидами железа;

6 - лёгкая фракция расплава, обогащённая кварцем;

7 - штейновая фаза; 8 - шихтовый откос.

Рисунок 1.3 - Схема плавления шихты на откосах отражательной печи.

Механизм плавки в отражательной печи можно представить следующим образом. Нагрев шихты, лежащий на поверхности откосов за счёт теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и диссоциацией высших сульфидов. По мере нагрева в поверхностных слоях шихтовых откосов начинают плавиться легкоплавкие составляющие шихты - сульфидные и оксидные эвтектики. Образующийся первичный расплав стекает по поверхности откосов, растворяет в себе более тугоплавкие компоненты и попадает в слой шлакового расплава. С этого момента начинается разделение шлаковой и штейновой фаз. Капли оксидной фазы растворяются в общей массе шлака, который постоянно имеется 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 крупнее капли. Очень мелкие штейновые включения в условиях отражательной плавки не всегда успевают отстояться за время пребывания расплава печи, которое составляет 10-14 часов. Эти капли выносятся вместе со шлаком.

При переработке в отражательных печах обожжённых концентратов, уже прошедших термическую обработку в печах кипящего слоя, механизм плавления будет другим. В этом случае частицы огарка растекаются по поверхности шлака и контактируют с ней. В результате этого оксидные плёнки растворяются в шлаке, а сульфидные зёрна оседают на дно расплава, образуя штейн.

При плавке в отражательной печи сырого и обожжённого концентрата будет иметь место различный химизм процесса плавки.

При плавке сырых концентратов основными химическими процессами являются процессы термической диссоциации высших сульфидов и взаимодействие сульфидов железа с магнетитом, поступающим в печь с оборотным конверторным шлаком.

2FeS2 = 2FeS + S2 (1.28)

2FeS2+5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 (1.29)

10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (1.30)

3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO· SiO2) + SO2 (1.31)

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

В огарке высшие сульфиды отсутствуют, так как они уже разложились при обжиге в печи кипящего слоя. Поэтому плавка огарка главным образом сводится к химическому взаимодействию между оксидами и сульфидами:

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (1.32)

10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (1.33)

Образующийся магнетит взаимодействует с сульфидом железа, как и в случае плавки необожжённого концентрата:

3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO· SiO2) + SO2 (1.34)

Десульфуризация при плавке обожжённых концентратов составляет 20 -25%.

Состав заводских штейнов отражательной плавки в зависимости от состава перерабатываемого материала и метода плавки (без обжига и с обжигом) колеблется в следующих пределах, %: Сu - 15-60; Fe-30-40; S-23-26; Pb - до 1; Zn-до 6; Ni - до 0,5. Кроме того, в них содержатся благородные металлы, селен, теллур и ряд других ценных и вредных примесей.

Состав реальных шлаков отражательной плавки колеблется в следующих пределах, %: Cu - 0,3-0,8; FeO-35-55; CaO-1,5-22; Al2O3-3,0-10,0; Zn - до - 8;

S - 0,5-1,5.

Отходящие газы отражательных печей представляют собой смесь технологических и топочных газов. Технологические газы образуются в результате термической диссоциации высших сульфидов и карбонатов, а также в результате взаимодействия сульфидов с высшими оксидами железа. Объём отходящих газов относительно невелик. Основную массу отходящих газов составляют топочные газы, образующиеся в результате сжигания топлива. Поэтому отходящие газы содержат незначительное количество сернистого ангидрида. Его содержание в отходящих газах колеблется в пределах 0,5-1,5%. Такие газы непригодны для производства серной кислоты. Их чаще всего выпускают в атмосферу, что, естественно, наносит огромный вред окружающей среде. Практическая невозможность утилизации отходящих газов отражательных печей является серьёзным недостатком отражательной плавки.

Пыли отражательной плавки образуются в результате уноса газовым потоком частиц перерабатываемого материала и возгонов. Возгоны при отсутствии должной системы пылеулавливания вместе с газами попадают в атмосферу. Наибольший вынос пыли наблюдается при плавке обожжённых концентратов.

В качестве топлива в отражательных печах может быть использованы угольная пыль, мазут, природный газ. Наиболее распространённым топливом в настоящее время является природный газ, который сжигается в горелках с избытком воздуха 1,05. Это позволяет поддерживать в печи слабо окислительную атмосферу. Химическая инертность атмосферы отражательных печей делает невозможным регулировать степень десульфуризации, а, следовательно, и состав штейна. Именно поэтому для получения богатых по меди штейнов из бедных концентратов приходится проводить их предварительный окислительный обжиг.

Рабочая температура в отражательной печи на расстоянии 3-10м от передней стенки составляет 1550-1660оС. Эта зона высоких температур является плавильной зоной. По мере удаления от зоны плавления температура снижается до 1150-1200оС. Эта зона в печи работает как отстойник расплава.

Необходимость поддержания температуры порядка в конце печи обусловлена выпуском отвального шлака в этой части печи, которая имеет температуру плавления порядка 1200оС.

Тепловой коэффициент полезного действия отражательных печей очень низок и не превышает 30%. Около 50-55% тепла теряется с отходящими газами. Поэтому для повышения эффективности тепловой работы печей за ними устанавливают котлы-утилизаторы. В результате суммарное использование теплоты составляет 60-70 %.

Отражательная печь для плавки медных концентратов представляет собой плавильный агрегат с горизонтальным рабочим пространством. Современные отражательные печи имеют следующие внутренние размеры: длина 28-35 м, ширина - 6-10 метров, высота от свода до пода - 4-4,5м. Площадь таких печей колеблется от 180 до 350 м2.

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

Фундамент изготавливают из литого шлака или бутового камня. На фундаменте размещается наварная лещадь. Наварка осуществляется оплавлением кварцевого песка на нескольких слоях строительного и огнеупорного кирпича. Лещадь может быть полностью выложена из динасового кирпича. Толщина лещади 0,6-1,5 м.

Стены печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового или магнезитохромитового кирпича. Толщина стен составляет 0,5-0,7м, а у лещади 0,75-1 м. Кладку скрепляют металлическим каркасом.

Для большинства печей применяют подвесные или распорные своды. Их собирают из отдельных блоков и подвешивают на арках дугообразной формы.

Загрузка шихты осуществляется через свод печи с помощью загрузочных устройств, расположенных вдоль стен печи

Для выпуска штейна предусмотрены шпуры, расположенные в боковых стенах в противоположном направлении от торца печи, в котором находятся горелки. В этом же районе печи несколько выше шпуровых отверстий находится шлаковое окно для выпуска шлака. Часто шлаковые окна располагаются с обеих сторон печи.

Общий уровень расплава определяется порогом шлакового окна. Глубина расплава составляет 0,8-1,2 м. Из неё на долю штейна приходится 0,4-0,6 м.

Выход шлака зависит от состава и вида перерабатываемой шихты, и от количества загружаемого конверторного шлака. Выход шлак превышает выход штейна в 1,2-2 раза.

Отражательная плавка отличается высокой универсальностью. Она пригодна для переработки многих видов медьсодержащих материалов в широком диапазоне их составов. Это является основной причиной её применения в настоящее время в медной промышленности.