книги / Медеплавильщик
..pdfОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ПЛАВКА МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Как в СССР, так и за рубежом отражательная плавка в на стоящее время является основным видом плавки концентратов на штейн. В отражательную печь шихту загружают’ через отвер стия в своде или! боковых стенах. Шихта образует вдоль стен от косы, на которых и идет процесс плавления.
Печь отапливается твердым (угольная пыль), жидким (нефть, мазут) или газообразным (натуральный газ) топливом, при сжи гании которого в печи развивается высокая (до 1500° С) тем пература, достаточная, чтобы частицы шихты расплавились, стекли по откосу вниз и образовали жидкую ванну, в которой из сульфидных частиц образуется штейн, а из частиц пустой по роды — шлак.
Отражательная печь представляет собой прямоугольную ка меру с арочным оводом и имеет длину 30—36 ж, ширину 7—10,5 м и высоту 2,5—3,5 м.
Одной из основных особенностей отражательной плавки яв ляется то, что газы, образующиеся в результате сжигания топ лива, соприкасаются только с поверхностью шихты, находящей ся на откосах. Поэтому, чем выше температура газов, тем интенсивнее идет плавление и тем выше производительность.
Кроме тепла газов, шихта 'получает еще тепло, отражающее ся от раскаленных 'стен и свода печи, откуда и возник термин «отражательная плавка». Сжигание топлива в печи идет при небольшом избытке воздуха. Свободного кислорода в газах мало и реакции окисления идут благодаря взаимодействию меж ду отдельными составляющими шихты и за счет имеющихся в ней окислов (так называемого «твердого» кислорода). Недоста ток свободного кислорода понижает и степень десульфуризации, которая при отражательной плавке в среднем составляет 25%. Однако увеличение подачи воздуха, способствуя увеличению вы жига серы и получению более богатых штейнов в то же время снижает температуру газов, а следовательно, и производитель ность печи.
По сравнению с шахтной плавкой, которая в отечественной практике занимает второе после отражательной место, отража тельная плавка имеет следующие преимущества:
1 ) в отражательной печи можно перерабатывать любые мел кие содержащие медь и золото материалы (а в шахтной печи — только сравнительно богатые кусковые материалы);
2 ) процесс протекает более просто, легче поддается контро лю и регулированию, за отдельными элементами печи возможно систематическое наблюдение, что крайне затруднено при шахт ной плавке;
3) может быть применено менее дефицитное и менее доро гостоящее топливо (в то время как при шахтной плавке — толь ко кокс);
4)имеет место небольшой расход воздуха (для шахтной плавки требуется сооружение мощных воздуходувных уст ройств) ;
5)при переработке однородной по составу шихты содержа ние меди в штейне более постоянно;
6)при отражательной плавке меньше выход шлаков и мень ше абсолютные потери меди, несмотря на более повышенное со держание меди в шлаках.
Но несмотря на указанные преимущества, отражательная плавка имеет и ряд недостатков:
1 ) более низкая десульфуризация и меньшая степень со
кращения, в силу чего для высокосернистой шихты требуется предварительный обжиг; по этой же причине содержание SO2 в отходящих газах не превышает 1,0—1,5%, и без предваритель ного обогащения их нельзя использовать для производства сер ной кислоты;
2 ) шихту необходимо тщательно перемешивать и подсуши вать (если нет предварительного обжига);
3 ) при загрузке в печь 'мелких материалов происходит их частичное раЬпыливание, потери меди с отходящими газами и шлаками увеличенные, кроме того, пыль постепенно разрушает кладку печи;
4)отражательная печь имеет значительно большие размеры
итребует больше затрат как на сооружение собственно печи, так и здания цеха;
5 ) при работе печи на угольной пыли требуется сооружение
специальной углепомольной установки, а при работе на жидком топливе — нефтяного или мазутного хозяйства, что увеличивает затраты на переработку 1 т шихты;
6) отражательная печь имеет значительно меньшую удель ную производительность (от 3—5 т/м2 при плавке сырой шихты, до 9—Ю т/м2 при плавке обожженной шихты, тогда как шахт ные печи плавят 50 т/м2 и более);
7)коэффициент использования тепла не превышает 33%, т. е.
в2 раза ниже, чем при шахтной плавке, и для его повышения
требуется установка за печью котлов-утилизаторов и воздухо подогревателей;
8 ) на кладку печи расходуется большое количество дорогого
идефицитного огнеупорного кирпича;
9)при капитальном ремонте печи, как правило, полностью
заменяют кладку печи и боровов; 10 ) для обеспечения 'нормальной работы печи в ней необхо
димо постоянно поддерживать определенный уровень штейна, т. е. задалживать значительное количество медт;
1 1 ) для рентабельной 'работы отражательной печи необходи мо, чтобы не было задержки в поступлении шихты, и печь дол жна работать с полной нагрузкой.
Несмотря на все эти недостатки, отражательная плавка имеет преимущественное значение в связи с широким развитием флотационного обогащения.
ПОДГОТОВКА ШИХТЫ К ПЛАВКЕ
Шихта и подготовка ее к плавке в случае предварительного обжига рассмотрены в разделе «Обжиг медьсодержащих мате риалов». В этом случае в отражательную печь загружают толь ко горячий огарок и жидкий конвертерный шлак.
При отсутствии обжига ошихтованные материалы можно на правлять в плавку как в сыром виде, так и после предваритель ной подсушки.
Сушку шихты можно производить в различных агрегатах: печах кипящего слоя, огневых барабанных сушилках и других.
Одна из возможных конструкций печи для сушки гранули рованного концентрата в кипящем слое представляет собой пря моугольную камеру длиной 3,76 ж, шириной 2,5 ж, высотой от подины до свода 2 ж и с площадью пода 9,5 ж2. Печь заключена в металлический кожух, имеет шамотовую (230 жж) и диатомитовую (24 мм) изоляцию. Подина печи провального типа, с жи вым сечением 9%. Высота кипящего слоя 300 жж, 'сопротивление слоя 350 жж вод. ст. (~3500 я/ж2), сопротивление подины 250 жж вод. ст. ( ~2500 я/ж2), скорость воздуха в слое 1,76 м/сек, расход воздуха 2200 м3/мин. Температура подогретого воздуха 300° С.
Материал загружают через прямоугольную воронку в своде; газы и пары воды отводятся через газоход диаметром 1,4 ж. Вы сушенный материал разгружается через щели провальной поди ны в бункер. Печь имеет производительность по загружаемому материалу 10 т/м2 в сутки, или 39 т/ч.
Вращающиеся на роликовых опорах (со скоростью 2— 3 об/мин) сушильные барабаны (рис. 32) имеют длину 19—25 ж, диаметр 1 ,6—2,8 ж; устанавливают их с наклоном в 1—2° Ма териал перемещается по барабану в результате вращении и на клонного положения барабана. Барабан отапливается каменным
74
углем или мазутом. Для сушки концентратов или готовой шихты обычно применяют барабаны прямоточного типа (материал и газы движутся в одном направлении, материал сразу попадает в зону максимальных температур). Для сушки угля применяют барабаны противоточного типа (материал и газы движутся на встречу друг другу, температура по ходу материала постепенно повышается).
Предварительная подсушка шихты позволяет увеличить про изводительность отражательной печи почти в два раза по срав-
Отвод газов
Рис. 32. Схема сушильного барабана:
а — противоточный; б — прямоточный
нению с плавкой сырой шихты и создает условия для эффектив ной механизации и автоматизации отражательной плавки.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ
При расплавлении шихты, в состав которой входят сульфиды и окислы различных элементов, образуется два жидких распла ва: штейн — расплав, состоящий из сульфидов меди, железа, •свинца, цинка, никеля и др. металлов, и шлак — 'расплав, состоя щий из различных окислов (кремнезем, окислы железа, кальция, алюминия, цинка, бария и др.).
Ввиду того что удельный вес штейна находится в пределах 4,8—5,3 г/см3, а шлака 3,0—3,5 г/см3, эти расплавы в ванне печи расслаиваются и штейн как более тяжелый оказывается внизу,
ашлак наверху.
Впроцессе отражательной плавки медь переходит в суль фидную форму (Cu3;S) и (концентрируется в штейне (за исклю чением той части, которая теряется со шлаками и пылью). Суль-
фиды железа, цинка, свинца, -никеля также переходят в штейн, а 'пустая порода (кремнезем, глинозем, окись кальция и др.) и окислы железа и цинка образуют шлак. Выделяющаяся элемен тарная сера окисляется до S02. Основные химические реакции, протекающие в отражательной печи, следующие’:
FeS2 FeS + V2S2*»
2CuFeS2 Cu2S -f 2FeS + 1/2S>2\
2CuS —>Cu2S -j- 2S29
10Fe2O3 + FeS = 7Fe30 4 + S02;
3Fe30 4 FeS = lOFeO -f- S02j
Cu20 FeS = Cu2S -f- FeOj
2FeO + Si02 = 2FeO • Si02 (шлак).
Наличие в штейне сульфида цинка больше 3,5% 'вызывает образование между шлаком и штейном промежуточного каше
образного слоя, который ухудшает условия |
отделения штейна |
от шлака и затрудняет выпуск штейна из |
печи, «заматывая» |
шпуры. |
|
Штейн обладает способностью растворять в себе благород ные металлы, причем растворимость их является практически полной при любом составе штейна.
В зависимости от содержания в штейне меди содержание серы меняется незначительно, содержание железа — в несколько раз. Так, в штейнах (от 10 до 60% Си) содержание серы состав ляет 25,8—23,1%, железа— 57,7—16,2%.
Экономика отражательной плавки в значительной степени за висит от количества получаемого шлака и содержания в нем ме ди, поэтому правильный выбор состава шлака и соответствующая шихтовка материалов имеют первостепенное значение.
Шлак представляет собой сплав окислов, имеющий темпера туру плавления 1100—1200° С. В то же время каждый из окис лов в отдельности имеет значительно более высокую температуру плавления (Si02 — более 1710°, FeO — около 1370°, СаО — 2570° С). Поэтому правильный подбор соотношения отдельных компонентов шлака определяет температуру его плавления и ка
чественные показатели работы |
печи. |
Окислы подразделяются на |
кислые (Si02, Fe20 3, А120 3) и |
основные (FeO, СаО, MgO, BaO, ZnO). Соединения основных окислов с Si02 называются силикатами. Если обозначить лю бой основной окисел общим знаком «RO», то соединение типа 4RO • Si02 называется субсиликатом, 2RO • Si02 — моносилика том, RO*Si02 — бисиликатом. Соединения основных окислов с
76
А120з называются алюминатами (СаО*А12Оз), с Бе20 з — ферри тами (Zn0-Fe20 3).
Значительные содержания в шлаке (более 1 0 %) А120 3, Mg.O, BaO, ZnO и др. повышают температуру его плавления, удельный вес, вязкость, усложняют процесс плавки и увеличивают потери меди. Поэтому в практических условиях шлак обычно рассчи тывается на содержание iSi02 — 37—42%, FeO — 40—45%, CaO — 5—8 %.
Наряду с удельным весом и температурой плавления харак тер шлака определяется его вязкостью, которая измеряется в пуазах специальным прибором — вискозиметром. Если вязкость воды при 0° равна 0,02 пз (0,002 н-сек/м2), то при температуре 1200° Связность очень жидкого шлака около 5 пз (10,5 н-сек/м2), •очень вязкого — до 50 пз (5 н-сек/м2). Повышение температуры снижает вязкость шлака, повышение содержания Si02, А120 3 — увеличивает, а СаО — уменьшает.
Медь в шлаках находится в виде:
1 ) механических включений частиц штейна, не успевших осесть или увлеченных выделяющимися из штейна газами (ос новной фактор);
2 ) растворенных в шлаке сульфидов и окислов меди;
3)включений металлической меди (поступающей в основ ном с конвертерными шлаками);
4)осажденных на поверхности шлака и уносимых газами частиц шихты и пыли.
Поскольку выход шлака составляет до 70% от веса шихты, снижение содержания в нем меди чрезвычайно важно и может быть достигнуто в результате:
1)повышения кислотности шлака (но не более 45% Si02,
чтобы |
не увеличить вязкость); |
2 ) |
максимального перегрева шлака для снижения вязкости; |
3 ) хорошего отстаивания (достаточный объем ванны, макси |
|
мальная продолжительность отстаивания); |
|
4) |
правильного выпуска шлака из печи. |
В отражательную печь заливают жидкий конвертерный шлак, содержащий 20—28% Si02, 1,5—3,0% Си, 60—70% FeO и Fe30 4. В печи шлак отстаивается и содержащаяся в нем в виде запу тавшихся частиц штейна медь переходит в штейн. Магнетит ча стично восстанавливается до закиси и переходит в шлак, а ча стично постепенно высаживается на лещади печи. Последнее, особенно в случае повышенного содержания в шихте цинка, рез ко ухудшает условия работы печи, так как вместе с магнетитом высаживается феррит цинка. В результате лещадь постепенно зарастает, объем ванны уменьшается, условия отстаивания шлака ухудшаются. Поэтому при плавке обожженной шихты коли чество заливаемого в печь конвертерного шлака не должно пре вышать 25% от веса шихты, а при плавке сырой малоцинковистой шихты оно может быть увеличено до 10 0 %.
ОТОПЛЕНИЕ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ
Производительность отражательной печи и эффективность ее работы в первую очередь зависят от системы отопления печи, вида топлива и полноты сжигания его при минимальном удель ном расходе. Топливо должно сжигаться интенсивно, с получе нием максимальной температуры на коротком участке печи, т. е. в зоне плавления.
За исключением реакций шлакообразования, большинствореакций в печи идет с поглощением большого количества тепла, поэтому до 90% всего необходимого для'плавки тепла должнобыть получено за счет сжигания топлива. Если же учесть, что из общего количества поступающего в печь тепла непосредствен но на расплавление шихты расходуется только около 30%, а остальное теряется с продуктами плавки и в атмосферу, то фак тический расход топлива в 3—4 раза превышает теоретическийПоэтому при теоретическом расходе тепла 250—570 кал (1000— 2280 дж) для нагрева и расплавления 1 кг шихты фактически при плавке горячего огарка расходуется 700—1000 кал/кг (2800—4200 дж/кг), а при плавке сырой шихты 1200—1750 кал/кг (4800—7000 дж/кг).
В результате увеличения газового пространства печи (рас ширения печи и подъема свода), увеличения абсолютного коли чества сжигаемого в единицу времени топлива и повышения тем пературы в плавильной зоне производительность печи может быть увеличена с одновременным снижением удельного расхода топлива. Однако пределом повышения температуры является стойкость свода печи, т. е. температура его оплавления, которая для арочного динасового свода составляет около 1600° С (для; подвесного магнезитового и арочного хромомагнезитового сводов эта температура может быть несколько увеличена).
Температура в плавильной зоне печи зависит от:
1 ) качества топлива (теплотворной способности, теоретиче ской температуры горения, для угольной пыли от зольности, то нины помола, влажности);
2 ) избытка воздуха;
3) интенсивности сжигания топлива (степени перемешивания топлива с воздухом, концентрации факела горения).
Температура горения топлива может быть увеличена в ре зультате подогрева воздуха или обогащения его кислородом. Оптимальным температурным режимом печи следует считать температуру в начале печи (5— 12 м от топочной стенки) 1500— 1550° С, а в конце печи (перед газоходом) 1200—1230° С.
Передача тепла от газов к шихте прямо зависит от скорости
газов, с которой в свою очередь связан |
и унос пыли*. Если при |
||
скорости газов 5— 8 м/сек вынос |
пыли |
составляет 1 —1,5% от |
|
веса |
шихты, то при скорости 1 2 -^ |
15 м/сек он увеличивается до |
|
10% |
и более. Поэтому для отражательных печей, особенно для |
работающих на огарке, не рекомендуется скорость газов более 7 м/сек.
Отопление печи жидким топливом дает хорошие результаты, не требует сооружения больших и сложных установок и доста точно просто в эксплуатации.
В металлургическом цехе необходимо иметь только соответ^ ствующие промежуточные емкости, в которые топливо подается с заводских хранилищ. Перед поступлением в форсунки нефть или мазут подогревают до 80—100° С (для снижении вязкости, улучшения распыливания и смешения с воздухом) и под дав лением 1 — 2 ат нагнетают в форсунки.
Форсунки- (рис. 33) представляют собой вставленные друг в друга две стальные трубы, по внутренней трубе подается топ ливо, в зазор между трубами — сжатый воздух с давлением 140—200 мм вод. ст. На входящий в печь конец трубы надевают сопло с отверстиями, через которые и производится распыление и перемешивание топлива и воздуха. В топочной стенке печи форсунки располагают в один или два ряда в количестве 6—• 10 штук. Количество подаваемого мазута регулируется вентилем.
Отопление печи натуральным газом также не требует ника ких специальных сооружений, газ можно забирать от общего газопровода. В случае перевода печи на газовое отопление всю систему подачи жидкого или пылеугольного топлива можно со хранить как резерв.
Применение натурального газа уменьшает износ свода печи и увеличивает ее кампанию без снижения производительности. Газ подается в печь через форсунки (рис. 34) диаметром 220— 280 мм под давлением 1,5—2 атм. Расход газа составляет около 100 ж3 на 1 тшихты. Необходимый для горения воздух подсасы вается в форсунки из окружающей атмосферы или подается при нудительно. Количество и установка газовых форсунок анало гичны мазутным.
Отопление печи пылеуголЬным топливом значительно слож нее'в конструктивном отношении и требует сооружения специ альных пылеприготовительных устройств. Уголь для отражатель ной печи должен иметь теплотворную способность не ниже 6500 кал/кг (30000 дж/кг), содержание золы не более 1 2 %, лету чих не менее 25%. Он должен быть размолот до такой крупно сти, чтобы не менее 85% частиц имели величину менее 0,074 мм (74 мкм). Угольная пыль должна содержать не более 1,5% влаги.
Приготовление угольной пыли. С заводского базисного скла да уголь в железнодорожных вагонах подают на склад углепо мольной установки (УПФ). Грейферным краном уголь подают в бункер над валковой дробилкой. Дробленый уголь многоков шовым элеватором подают в бункер перед сушильным бараба ном. Сушка производится в противоточном сушильном барабане длиной 12—15 ж, диаметром 1,5—2 м, вращающимся со ско ростью 1,5 об/мин. Производительность сушилок такого типа
00
о
Рис. 33. Форсунка для жидкого топлива:
1 — воздушная насадка; 2 — втулка с лопастями; 3 — Плунжер с грибком; 4 — корпус
Рис. 34. Горелка для естественного газа:
/ _ корпус; 2 — щель для воздуха; 3 — отверстие для выхода мазута; 4 — сопло Лаваля; 5 — щель для газа; 6 — кессон
6 Б, В. Мальцев