Металлургия меди, никеля и кобальта (стр. 7 )

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 (1.38)

2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.39)

Суммирование реакций даёт основную реакцию, протекающую в окислительной зоне:

2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 + 2SO2 (1.40)

При проведении медно - серной плавки не допускается отклонений от стехиометрических соотношений реакции (1.40). Избыток или недостаток какого либо из реагентов приводит к нарушению теплового режима плавки, сокращению или растягиванию фокуса печи. Весь кислород дутья должен полностью расходоваться в области фурм. Кокс не должен достигать области фурм, так как в этом случае протекание реакции (1.40) нарушается и печь может замёрзнуть от недостаточного выделения тепла.

Жидкими продуктами медно-серной плавки являются шлак и штейн, которые стекают во внутренний, а затем в наружный отстойник.

Газовая фаза, образующаяся в области фокуса печи, практически полностью состоит из сернистого ангидрида и азота. Она поступает в среднюю восстановительную зону, которая заполнена раскалённым коксом. В этой зоне протекают химические реакции:

2SO2 + 2C = S2(пар) + 2CO2 (1.41)

2SO2 + 4CO = S2(пар) + 4СО2 (1.42)

Для обеспечения полного восстановления SO2 в средней зоне на этом участке печь резко расширяется. Это приводит к резкому уменьшению скорости газов и увеличению времени взаимодействия между реагентами.

Восстановительной зоне возможно также протекание реакций:

2CO + S2 = 2COS (1.43)

C + S2 = CS2 (1.44)

4H2O + 3S2 = 4H2S + 2SO2 (1.45)

Нагретые газы восстановительной зоны пронизывают верхние слои шихты и обогащаются парами серы за счёт термической диссоциации высших сульфидов:

2FeS2 = 2FeS + S2 (1.46)

4CuS = 2Cu2S + 5S2 (1.47)

4CuFeS2 = 2Cu2S + 4FeS + S2 (1.48)

Для осуществления медно-серной плавки применяются печи специальной конструкции. Схема устройства печи для медно-серной плавки приведена на рисунке 1.6.

1 - внутренний горн; 2 - кессонированный пояс; 3 - огнеупорная кладка;

4 - колокольный загрузочный затвор; 5- газоход.

Рисунок 1.6 - Схема устройства печи для медно - серной плавки.

Поскольку температура кипения элементарной серы составляет 441,5оС, то в верхней части печи необходимо поддерживать температуру 500-550оС. При этой температуре элементарная сера находится в парообразном состоянии. Поддержание высокой температуры обеспечивается футеровкой верхней части печи огнеупорным материалом, что значительно снижает потери тепла.

Во избежание обратного окисления серы печь герметизируют и поддерживают в ней избыточное давление. Герметизация печи обеспечивается установкой загрузочного устройства колокольного типа.

При загрузке шихта сначала поступает на верхний колокол, затем пропускается в межколокольную ёмкость и оттуда после закрытия верхнего колокола загружается в печь.

Продуктами медно - серной плавки являются медный штейн, шлак и содержащие серу газы. Поскольку десульфуризация в процессе медно - серной низка, то в результате получаются бедные по меди штейны. Содержание в них меди колеблется в пределах 10-15% .

Переработка таких штейнов экономически нецелесообразна. Поэтому они перед конвертированием подвергаются концентрационной (сократительной) плавке в отдельной шахтной печи. В результате концентрация меди в штейне возрастает до 40-42 %.

Газы, выходящие из печи, помимо N2, CO2, H2O, содержат пары элементарной серы, ядовитые компоненты SO2, H2S, CS2, COS и другие. Они направляются в химический цех для получения из них элементарной серы. Для разрушения ядовитых компонентов газа в химическом цехе создаются условия для протекания реакции:

2CS2 + 2SO2 = 2CO2 + 3S2 (1.49)

4COS +2SO2 = 4CO2 + 3S2 (1.50)

4H2S + 2SO2 = 4H2O + 3S2 (1.51)

Медно - серная плавка характеризуется следующими основными технико - экономическими показателями:

Удельный проплав, т/(м2·сут) 40 - 50

Расход кокса, % от руды 9,5 - 12

Выход продуктов плавки, % от руды:

штейна 22 - 36

шлака 67 - 85

Содержание меди в штейне, % 5 - 15

Извлечение меди в штейн, % 90 - 94

Извлечение серы в газы, % 65 - 75

Извлечение серы из газов, % 85 - 90

Содержание серы в товарном продукте, % 99,6 - 99,95

1.5 Автогенные процессы плавки медных руд и концентратов

1.5.1 Общие понятия

Рассмотренные методы переработки медьсодержащего сырья отражательная и шахтная плавки обладают существенными недостатками. Основным их недостатком является многостадийность технологических процессов, что приводит к размазыванию ценных компонентов шихты по технологическим продуктам и полупродуктам. В результате этого они не обеспечивают достаточной комплексности использования перерабатываемого сырья и высокого извлечения из него полезных составляющих. Вторым существенным недостатком традиционных методов переработки медьсодержащего сырья являются большие энергетические затраты. Кроме того, осуществление этих процессов сопровождается сильным загрязнением окружающей среды.

Поэтому одним из важнейших направлений научно - технического прогресса является внедрение в металлургическое производство ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих высокую степень комплексности использования сырья и надёжную охрану окружающей среды от вредных выбросов. В понятие высокая комплексность использования перерабатываемого сырья включается максимально высокое извлечение всех его ценных компонентов: меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов, редких и рассеянных элементов, а также использование силикатной части руды. В понятие комплексности использования следует отнести использование теплоты сгорания сульфидного сырья. Сульфидное сырье следует рассматривать не только как источник получения ценных компонентов, но и как энергетическое топливо.

Так теплота сгорания 1 кг высоко сернистых руд и материалов составляет порядка 6000 кДж. Это соответствует сгоранию 0,2 кг условного топлива. С учетом того, что объём добычи сульфидных руд достигает порядка 100 млн. тонн в год, то количество теплоты которое может быть получено при осуществлении технологических процессов будет эквивалентно десяткам млн. тонн условного топлива.

Поэтому развитие металлургии тяжёлых цветных металлов совершенствуется на основе автогенных процессов.

В металлургическом производстве автогенными процессами называются технологические процессы, которые осуществляются за счёт внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты. При переработке сульфидных материалов автогенность процесса достигается за счёт теплоты экзотермических реакций окисления сульфидов, которые содержатся в перерабатываемой шихте и реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента используются воздух, обогащённое кислородом дутьё или технический кислород.

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных материалов лежат экзотермические реакции окисления сульфидов и, в первую очередь, сульфидов железа, находящихся в перерабатываемой шихте и реакции ошлакования:

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 (1.52)

2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.53)

Суммирующей реакцией процессов окисления и ошлакования будет реакция:

2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 + 2SO2 (1.54)

Существенное количество тепла выделяется также при протекании в реакционной зоне автогенной установки:

3FeS + 5O2 = Fe3O4 + 3SO2 (1.55)

6FeO + O2 = 2Fe3O4 (1.56)

3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO·SiO)2 +SO2 (1.57)

Таким образом, автогенная плавка является окислительным процессом. При её осуществлении степень десульфуризации можно изменять в любых пределах. Это достигается изменением соотношения между количеством перерабатываемого сульфидного материала и подаваемого в печь кислорода за счёт дутья. В свою очередь это позволяет в широком диапазоне варьировать составом получающихся штейнов вплоть до получения черновой меди.

Для расчёта параметров автогенной плавки разработаны номограммы. На рисунке 1.7 приведена номограмма, позволяющая оценить удельный расход кислорода на 1 тонну шихты в зависимости от содержания меди в шихте и в штейне. На ней приведён расчёт при переработке шихты, содержащей 18% Cu.

Все автогенные процессы являются совмещёнными плавками. Они объединяют в одном металлургическом агрегате процессы обжига, плавки и частично или полностью конвертирования. Это позволяет наиболее полно и концентрировано перевести серу из шихты в газовую фазу. При этом в зависимости от количества дутья можно получать газы с различным содержанием SO2 вплоть до чистого сернистого газа.

Рис 1.7 - Номограмма для расчёта удельного расхода кислорода на 1 тонну

шихты и определённом содержании меди в штейне при автогенной плавке.

С технологической точки зрения автогенные процессы отличаются по метолу сжигания сульфидного материала. Сжигание сульфидной шихты проводится в факеле или в расплаве.

Для сжигания в факеле используется хорошо подсушенная шихта. Она вдувается в разогретое до высоких температур реакционное пространство в месте с кислородосодержащим дутьём.

Сульфидные частицы шихты, находясь во взвешенном состоянии, окисляются кислородом дутья по реакции

2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 (1.58)

и в зависимости от температуры частично или полностью расплавляются.

Реакция ошлакования оксидов железа

2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.59)

в этих условиях не получает большого развития. Поэтому в факеле возможно окисление железа до магнетита:

3FeS + 5O2 = Fe3O4 + 3SO2 (1.60)

6FeO + O2 = 2Fe3O4 (1.61)

Образовавшиеся в факеле капли сульфидно - оксидного расплава падают на поверхность спокойной шлаковой ванны в отстойной зоне. Именно здесь продолжаются и завершаются основные физико-химические превращения, включая процессы штейно - и шлакообразования. Образующиеся первичные шлаки автогенной плавки содержат значительное количество извлекаемых компонентов форме растворённых оксидов и тонкой механической взвеси сульфидов.

Факельное сжигание используют во всех видах плавок во взвешенном состоянии и частично в кивцэтной плавке.

Автогенные процессы, осуществляемые в расплаве, имеют другой механизм плавки. При осуществлении такого процесса шихта в месте с дутьём может поступать как на поверхность хорошо разогретого расплава, так и непосредственно внутрь расплава. Подаваемое в расплав дутьё обеспечивает интенсивное перемешивание расплава, что способствует ускорению всех физико-химических процессов. Все превращения начинаются непосредственно сразу после попадания шихты и дутья в расплав. Процессы плавления шихты и растворения её компонентов в первичном сульфидно-оксидном расплаве, окисление сульфидов, процессы штейн - и шлакообразования протекают здесь одновременно в определённом объёме расплава. Однако процессы разделения и отстаивания расплава в условиях его интенсивного перемешивания невозможны. Эта стадия осуществляется или в отдельно расположенной в агрегате зоне или в специальном аппарате.