книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

А К А Д Е М И Я Н А У К К А З А Х С К О Й ССР

И Н С Т И Т У Т М Е Т А Л Л У Р Г И И И О Б О Г А Щ Е Н И Я

А. М. Кунаев, С. М. Кожахметов,

И. А. Онаев,

А. В. Тонконогий

ЦИКЛОННАЯ ПЛАВКА

(Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

Ф

И з д а т е л ь с т в о «Н А У К А» К а з а х с к о й ССР

А Л М А - А Т А - 1 9 7 4

УДК 669.2

В книге обобщены материалы теоретических и экспери­ ментальных исследований циклонного спосвба переработки различного сырья цветной металлургии и других отраслей промышленности, рассматриваются физико-химические, теп­ лотехнические и технологические особенности применения циклонного процесса обжига — плавки. Освещаются также некоторые вопросы проектирования агрегатов циклонного типа, даны классификация и основные расчетные характери­ стики плавильных циклонных установок.

Книга рассчитана на инженерно-технических работни­ ков заводов, конструкторских бюро, научно-исследователь­ ских и проектных институтов, занимающихся разработкой, проектированием и эксплуатацией пирометаллургических процессов и агрегатов, а также на преподавателей, аспиран­ тов и студентов вузов металлургического профиля.

Рис. 143, табл. 52, библ. 635.

ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО З А ЛА Под общей редакцией

академика АН КазССР

А. М. КУНАЕВА

3103—020 кя__7/< м 405(07)—74

Издательство «НАУКА» Казахской ССР. 1974 г.

П Р Е Д И С Л О В И Е

решениях XXIV съезда КПСС отмечено, что основой современной научно-технической революции должны служить принципиаль­ ные преобразования в технологии производственных процессов, кото­ рые обеспечивали бы максимально эффективное использование мате­

риальных, трудовых и финансовых ресурсов.

Одним из определяющих факторов технического прогресса в об­ ласти цветной металлургии в условиях ограниченных запасов место­ рождений цветных металлов и дорогостоящей их разработки является комплексность извлечения всех ценных компонентов, содержащихся в исходной руде. Технический прогресс немыслим также без увеличе­ ния удельной и агрегатной производительности устройств и аппаратов, разрабатываемых с учетом механизации условий труда. Поэтому не случайно в научно-исследовательских и проектных организациях зна­ чительное внимание уделяется изысканию новых методов переработ­ ки сырья.

Почти все добываемые в настоящее время руды цветных металлов подвергаются флотационному обогащению, в результате чего полу­ чается порошкообразный концентрат с развитой удельной поверх­ ностью, что открывает широкие возможности для интенсификации ме­

3

Г Л А В А 1

СПОСОБЫ ПРОИЗВОДСТВА ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ, ПУТИ ИХ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ И ИНТЕНСИФИКАЦИИ. РАЗРАБОТКА НОВЫХ ПРОЦЕССОВI

раненными являются отражательная плавка, различные варианты электротермических способов, а также шахтная плавка кусковых руд или агломерированных концентратов. Технология каждого из них имеет свои особенности, зависящие от типа перерабатываемого метал­ лургического сырья. Применение каждого из указанных способов для переработки того или иного вида металлургического сырья достига­ лось в ходе длительной эксплуатации сообразно условиям получения конечного продукта с учетом преимуществ и недостатков технологи­ ческого процесса. Наиболее распространены они в металлургии тяже­ лых цветных металлов, но имеют недостаток, присущий почти всем процессам — потребляют большое количество тепла, вносимого от сжигания постороннего топлива или электроэнергии.

Поэтому усилия многих исследователей уже несколько десятиле­ тий направлены на изыскание новых способов, которые позволили бы интенсифицировать процесс плавки за счет использования теплотвор­ ной способности перерабатываемого материала.

5

ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ПЛАВКА

После освоения процесса флотационного обогащения руд плавка концентратов в отражательных печах стала основным способом про­ изводства меди. Почти все медеплавильные заводы мира, включая и построенные за рубежом после второй мировой войны (Нью-Корне­ лия, Сан-Мануэль, Хайден в США, Чуквикамата в Чили, Гаспе в Ка­ наде и др.), применяют ее для плавки медных концентратов [1—3].

Внастоящее время на медеплавильных заводах мира работает свыше 100 отражательных печей, перерабатывающих в общей слож­ ности около 15 млн. тмедьсодержащих материалов в год.

С целью интенсификации и усовершенствования процесса отра­ жательной плавки вносились различные предложения по изменению основных размеров и конфигурации печи, возведению подвесных сводов [4—10], усилению фронта топочных устройств [11—12] и изменению поперечного профиля газоотводного борова печи [13—15]. Однако большинство этих предложений не получило применения главным образом из-за трудностей технического порядка.

Вотличие от процессов окислительной плавки сульфидных руд

вшахтных печах и бессемерования медных штейнов, где имеют место реакции окисления сульфидов, сопровождающиеся выделением боль­ шого количества тепла, при отражательной плавке в слое шихты и на откосах печи идут преимущественно процессы, связанные с его по­ глощением. Вследствие этого фактический расход топлива при совре­ менном состоянии техники его сжигания в 3—4 раза превышает тео­ ретически необходимый для плавления шихты со всеми ее химиче­ скими превращениями.

Теоретический анализ и изучение работы отражательных печей, выполненные советскими учеными [16—19], значительно расширили научную основу тепловой работы печи и оказали существенное влия­ ние на развитие исследований, связанных с повышением производи­ тельности печи за счет увеличения тепловой мощности и улучшения некоторых оптимальных параметров. В последнее время тепловая мощность отражательных печей, например Красноуральского и Бал­ хашского медеплавильных заводов, повысилась от 130—150 до 300—

330тыс. ккал/м2 пода печи в час [20, 21].

Встоимости отражательного передела топливо составляет 70— 80% без учета использования тепла газов в котлах-утилизаторах и 50—60% с учетом его использования. Оценка экономичности процес­ са затрудняется скрытыми в нем противоречиями: снижение стои­ мости передела достигается за счет увеличения производительности печи, а увеличение производительности — за -счет увеличения расхода топлива, т. е. основной доли стоимости передела. Поэтому дальней­

6

шее усовершенствование процесса отражательной плавки основыва­ ется на нахождении оптимального соотношения между приведенны­ ми зависимостями. Проявилось это главным образом в увеличении площади сечения печи и газоходов, в подборе наиболее рациональ­ ного теплового режима работы отражательных печей в результате:

—интенсивного сжигания топлива и концентрации высокой температуры на ограниченном пространстве по длине печи (обычно

вголовной части печи);

—распространения зоны влияния умеренно высоких темпера­

тур на всю длину печи, чтобы увеличением фронта загрузки повы­ сить проплав шихты и обеспечить необходимый перегрев шлака (применение этого режима отчасти связано с практикой интен­

в основном работают по второму режиму. Однако наблюдается тен­ денция сочетания обоих упомянутых режимов, т. е. распространения максимальной температуры на всю длину печи с целью повышения производительности и одновременного использования отходящих га­ зов под котлами-утилизаторами.

За последние два-три десятилетия теплотехническая сторона про­ цесса отражательной плавки привлекает к себе все большее внима­ ние: появился ряд оригинальных исследований количественной теп­ ловой характеристики продуктов плавки, в которых анализируются условия теплообмена в отражательной печи, обобщаются данные за­ водской практики.

За рубежом, судя по научно-технической литературе, подобные исследования почти не проводились.

В практике отражательной плавки особое внимание уделяется вопросу экономичности и технологической эффективности плавки сульфидных материалов в предварительно обожженном или подсу­ шенном состоянии. В отечественной и зарубежной литературе этот вопрос обсуждался широко [23, 24]. Было установлено, что приме­ нительно к бедным по меди концентратам, прямая плавка которых не обеспечивает получения штейна, содержащего 20—25% меди, предварительный обжиг необходим и вполне целесообразен. Перера­ ботку богатых по меди, но бедных по сере концентратов следует осу­ ществлять непосредственно в отражательных печах без предваритель­ ного обжига.

При обосновании рентабельности того или иного способа отме­ чалось, что обжиг концентратов со значительной степенью десуль­ фуризации, способствует образованию большого количества магне­ тита в огарке, что повышает потери меди в отвальных шлаках. По

7

мнению авторов работ [22, 25], возможны также значительные поте­ ри благородных металлов.

Сравнение плавки подсушенных и обожженных концентратов показывает, что оба метода имеют свои недостатки и преимущества. Так, плавка подсушенного концентрата проводится в один рабочий процесс, причем по более простой аппаратурной схеме, чем плавка огарков. К числу недостатков этого процесса следует отнести:

—большой расход топлива (200—240 кг/г шихты), что отвечает 1,5—1,8 • 10® ккал/т шихты, или с вычетом тепла, использованного котлами-утилизаторами, около — 0,8 • 10® ккал/т;

—низкий удельный проплав (2—4 т/м2 площади пода в сутки);

—содержание меди в штейне не регулируется и практически лишь в 1,25—1,3 раза больше содержания меди в концентрате, что приводит к необходимости увеличения объема конвертерного пере­ дела.

Плавка с предварительным обжигом концентрата проводится в две стадии и требует применения обжиговой аппаратуры и связан­ ных с ней устройств для тонкой очистки газов, но зато обеспечивает значительную экономию топлива, расход которого не превышает

120—150 кг/г шихты (0,8—1,1 ■10® ккал/т шихты).

Удельный проплав на современных отражательных печах, рабо­ тающих на обожженной шихте с применением подогретого до 200—

250° дутья, составляет 7,5—8,5 т/м2 площади пода печи, т. е. в 1,5— 2 раза выше, чем при плавке подсушенной шихты.

Эффективность применения кислорода и подогретого воздуха при плавке обожженной и подсушенной шихты в отражательной печи достаточно подробно описана в работах [26—32].

Из краткого обзора состояния некоторых основных вопросов по переработке медного сырья способом отражательной плавки следует, что на подавляющем большинстве медеплавильных заводов наблю­ дается общая тенденция усовершенствования конструкции отража­ тельной печи в сторону увеличения объема и расширения полезной площади и технологии процесса плавки со стремлением к более ин­ тенсивному сжиганию топлива и резкому увеличению производитель­ ности печи.

Однако при всех достижениях отражательная печь в своем сов­ ременном состоянии остается все еще несовершенным плавильным агрегатом. К основным недостаткам ее относятся:

—низкий коэффициент использования тепла от горения топлива,, что составляет 30—35% при расходе условного топлива 0,22—0,24 кг на 1 кг твердой шихты;

—ограниченная возможность комплексного извлечения из кон­

центратов всех ценных элементов;

8

—низкая степень десульфуризации (для получения богатых по меди штейнов при высоком содержании серы в шихте необходим ее обжиг); вследствие невозможности регулирования состава продуктов плавки недостаточно используется теплотворная способность суль­ фидов;

—большой выход газов на тонну проплавляемого материала, ограниченная возможность использования их для сернокислотного

производства из-за крайне низкого содержания в них сернистого ангидрида.

Из практики работы заводов видно, что отражательная печь экономически выгодна при больших масштабах производства. На заводах малого масштаба, как показывают опыты некоторых зару­ бежных предприятий, более рентабельно применение других способов плавки.

Современное направление развития отражательной плавки для переработки медного сырья заключается не только в масштабе ее применения, но и в рациональном использовании этого агрегата для максимального и наиболее полного извлечения ценных элементов из исходного сырья. Поэтому внимание большинства заводов, применяю­ щих отражательную плавку, направлено главным образом на совер­ шенствование конструкции и технологии этого плавильного агрегата за счет применения подогретого воздуха и кислорода, а также за счет использования отходящих газов для сернокислотного производства.

Помимо указанных мероприятий, вполне возможны использова­ ние специальных приемов загрузки подсушенного концентрата с целью увеличения поверхности соприкосновения отдельных его ча­ стиц 'с окислительной газовой средой печи, работа печи на оптималь­ ном составе шлака, вывод конвертерных шлаков из процесса и при­ менение высоко калорийного топлива.

ЭЛЕКТРОПЛАВКА

Электротермический способ плавки различных материалов свя­ зан прежде всего с наличием энергетических ресурсов, дающих деЩевую электроэнергию, и является одним из новых металлургиче­ ских методов плавки руд и концентратов.

Преимущества применения электроэнергии взамен топлива ши­ роко известны [33—35]. Принципиальное отличие этого способа плавки заключается в высокой концентрации тепла на единицу пло­ щади плавильного агрегата и быстром достижении достаточно высо­ ких температур. Нагрев материала с поверхности шихты заменяется нагревом изнутри, так как перерабатываемый материал обычно уча­ ствует в процессе нагрева как тело электросопротивления.

9