Лекция 6. Высокоэффективные технологические процессы переработки сырья в металлургическом производстве. Основные процессы автогенной плавки.

Автогенные процессы

Большой удельный вес сульфидных концентратов в производстве тяжелых цветных металлов позволяет развивать технологические процессы их переработки, основные главным образом на использовании теплотворной способности сульфидов в качестве топлива с получением богатых по содержанию металлов штейнов и концентрированных отходящих сернистых газов. Такие процессы, получившие распространение под названием автогенных, имеют ряд технико – экономических преимуществ перед используемыми в настоящее время для получения тяжелых цветных металлов.

Преимущества автогенных процессов заключается в полном отсутствии или минимальном расходе при плавке углеродистого топлива, большой единичной мощности агрегатов, высокой производительности труда и меньших капитальных затратах на последующие переделы и для переработки серусодержащих газов. Все это определяет высокую экономическую эффективность автогенных процессов и их большое значение для создания лучших санитарно – гигиенических условий при производстве меди, никеля и свинца.

В процессе отражательной плавки медных сульфидных концентратов из – за больших объемов образующихся металлургических газов низким содержанием SO₂ трудно успешно решить задачу использования серы и повышения комплексности использования сырья. Отражательные печи, плавящие сырые концентраты, имеют низкую удельную производительность, требуют большого расхода топлива и значительных затрат на капитальные ремонты. Кроме того, в связи с низкой десульфуризацией в печи штейны получаются бедными, с содержанием меди 20 – 25%. Переработка таких штейнов на черновую медь сопряжена с большим расходом воздуха, образованием значительных объемов слабоконцентрированных конвертерных газов и требует длительного времени.

Аналогичные недостатки имеет и технология электроплавки медно – никелевых концентратов с той лишь разницей, что вместо углеродистого топлива при плавке расходуется большое количество электроэнергии. Применяемый на большинстве свинцовых заводов в СССР и за рубежом способ производства свинца, включающий агломерацию шихты и плавку ее в шахтных печах, характеризуется относительно высоким расходом дефицитного металлургического кокса, большим количеством эксплуатируемого оборудования, значительным объемом слабоконцентрированных агломерационных газов и также нуждается в совершенствовании.

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 –шлакообразования.

Автогенные процессы являются прогрессивными способами переработки медьсодержащего сульфидного сырья. В соответствии с концепцией развития металлургии нашей страны доля автогенных процессов в производстве тяжелых цветных металлов будет расширяться. Нужно отметить, что и в нашей стране, и во всем мире доля сульфидного сырья в металлургии тяжелых цветных металлов возрастает, что связано с отработкой окисленных руд, добычей руд с более низких горизонтов. При переработке этих руд целесообразно применять менее энергоемкий альтернативный вариант отражательной плавки – автогенную плавку. К факельным вариантам (с образованием так называемого сульфидного факела) относятся плавки на техническом кислороде (кислородно – факельная плавка – КФП, кислородно – взвешенная циклонно – электротермическая плавка - КИВЦЭТ) и взвешенная плавка КВП (способ Оутокумпу), в которой сульфиды окисляются за счет обогащенного кислородом подогретого воздуха. Продувочные варианты автогенной плавки в какой – то мере аналогичны продувкам сталеплавильных ванн кислородом. Это плавки в жидкой ванне (ПЖВ) продувкой кислородом сбоку и снизу и плавки в конвертерах продувкой сверху. Разрабатываются варианты и шахтной автогенной плавки.

На сегодняшний день более 50 % черновой меди в мире производится с использованием кислородно – взвешенной плавки Оутокумпу.

Автогенные процессы получают все более широкое применение в СНГ 200 и за рубежом, где распространен процесс взвешенной плавки, разработанный финской фирмой «Оутокумпу». В настоящее время по лицензии и при содействии этой фирмы, построено около тридцати установок в различных странах для переработки медных и никелевых концентратов.

Процесс «Оутокумпу» - финская плавка. Схема установки приведена на Плавильная печь финской плавки имеет две вертикальные шахты — плавильную камеру и аптейк для отвода технологических газов вблизи торцов горизонтальной отстойной камеры. На своде плавильной шахты установлено от одной до четырех шихтовых горелок. Стены камеры выполнены в виде откосов, внутренняя кладка стен — из магнезитового кирпича, внешняя - из шамотного. Между этими двумя слоями кладки установлены вертикальные медные водоохлаждаемые кессоны.

Большие исследования компания «Оутокумпу» ведут по разработке одностадийной технологии получения черновой меди, бедных шлаков, повышению содержания кислорода в дутье и изысканию экономичных путей переоборудования традиционных агрегатов на печи взвешенной плавки.

Печь для плавки во взвешенном состоянии состоит из трех основных частей – реакционной шахты, отстойника и аптейка. Окислительные реакции и плавка протекают в вертикальной реакционной шахте диаметром до 5 м высотой до 10-12 м; высушенный до 0 – 0,5 % влаги концентрат, тонкозернистые флюсы и оборотную пыль подают в печь через одну или несколько вертикальных горелок, установленных в своде реакционной шахты. Горелки устроены таким образом, что шихта подается по оси горелки, а воздушное дутье поступает тангенциально. При этом обеспечивается наилучшее взаимодействие сульфидных частиц шихты окислителем, интенсивное протекание экзотермических процессов и более высокая стойкость горелок.

Рисунок 6.1 – Печь для плавки «Оутокумпу Оу»

Необходимыми условиями более полного завершения реакции окисления являются хороший контакт сульфидов с воздухом, соблюдение постоянной скорости подачи и равномерное распределение шахты в реакционной шахте. В тех частях реакционного пространства, где наблюдается недостаток воздуха, тепла выделяется меньше, и часть шихты в нерасплавленном состоянии будет поступать в отстойник. При избытке воздуха происходит переокисление части железа до магнетита, вызывающее повышение содержания меди в шлаке.

В зависимости от десульфурации содержание меди в штейне колеблется от 45 до 65 %. Шлак содержит 0,8 – 1,5 % Cu и требует дальнейшей обработки. Отходящее печные газы уносят 10 – 14 % пыли от количества подаваемой в печь шихты. Они проходят аптейк с температурой 1270 - 1300° С, поступают в котел – утилизатор и дополнительно в теплообменник, где охлаждаются сответственно до 650 - 700 ° С, и затем направляются на очистку от пыли в электрофильтры. Обычно газы взвешенной плавки перерабатывают на серную кислоту. В особых случаях, когда требуется получение из них элементарной серы, в аптейке печи производят восстановление сернистого ангидрида каким – либо восстановителем.

Плавки во взвешенном состоянии относятся к числу наиболее технологически и аппаратурно отработанных автогенных процессов. Сейчас этот процесс в нескольких разновидностях применяется более чем на 30 заводах медной промышленности мира для переработки медных, никелевых и пирротиновых концентратов.

В отличии от зарубежной практики в СССР развитие автогенных процессов направлено на применение технического кислорода, содержание которого в дутье 60 – 95 %. Такое направление более прогрессивное, так как его осуществление требует меньших капитальных затрат, обеспечивает более полное (по заводу в целом) использование серусодержащих газов и минимальное загрязнение воздушного бассейна.

В нашей стране внедряют, испытывают и разрабатывают (кроме применяемого на Надеждинском заводе) четыре основных процесса автогенной плавки для переработки медных, медно – никелевых, медно – цинковых и свинцовых сульфидных концентратов: кислородно – факельная (КФП), кивцэтная (КИВЦЭТ), плавка в жидкой ванне (ПЖВ) и автогенная шахтная плавка (АШП).

Кивцэтный процесс был разработан в полупромышленном масштабе во ВНИИцветмете в 1964 году. Основными конструктивными узлами кивцэтного агрегата являются плавильная камера и электротермическая печь, разделенные перегородкой в газовом пространстве и соединенные в зоне расплава сифонным каналом. Агрегат оснащен независимыми системами отвода и очистки газов от плавильных и электротермических частей. В своде плавильной камеры установлен циклон или вертикальная горелка для подачи шихты в зону плавления, электропечь оборудована конденсатором для конденсации паров жидкий металл.

Рисунок 6.2 – Схема агрегата «КИВЦЭТ»

Кивцетная плавка (КИВЦЭТ) – сокращенное название очень сложного по технологической структуре пирометаллургического процесса. Его название расшифровывается как кислородно – взвешенная циклонно – электротермическая плавка. Кивцетная плавка впервые была опробована на полупромышленном агрегате в 1964 году на опытном заводе ВНИИцветмета. В дальнейшем процесс прошел длительные испытания на опытно – промышленной установке Иртышского медеплавильного завода применительно к переработке медно – цинковых, медных, медно – свинцово – цинковых и других концентратов.

КиВЦЭТ совмещает в одном агрегате процессы взвешенной и циклонной плавки сульфидного концентрата с электро – термическим обеднением шлака. Подсушенный концентрат подают в циклонную камеру, а кислород вводят в нее тангенциально со скоростью до 150 м/с (рис. 6.е).

Для кивцэтного процесса требуется такая же подготовка шихты, как и для кислородно – факельной или взвешенной плавки, то есть материал должен быть сухим (< 0,5 % влаги) и тонкоизмельченным. Подготовленная с учетом этих требований шихта вдувается кислородом в реакционную зону плавильной камеры; расплав скапливается на поду и протекает через сифонный канал в электротермическую часть, а газы, пройдя охлаждающие, пылеулавливающие и очистные устройства, направляются для переработки на серную кислоту. Уловленные пыли являются оборотным материалом.

Лучшие результаты получены при плавке в кивцэтном агрегате сульфидных свинцовых концентратов. Как известно, в мировой практике основное количество свинца получают восстановительной шахтной плавкой агломерированного сульфидного концентрата.

Хотя этот способ производства свинца за последние десятилетия был существенно усовершенствован (агломерация с дутьем снизу и использованием газов для получения серной кислоты, обогащение кислородом дутье в шахтной плавке и др.), до сих пор не устранены такие его недостатки, как многостадийность переделов, сложность и трудоемкость технологических операций, большое количество оборудования и огромное количество отходящих агломерационных газов.

Кивцэтная технология заложена в проекты реконструкции ряда свинцовых заводов с учетом состава сырья. На УКСЦК и на заводе «Электроцинк» при плавке свинцовых концентратов в кивцэтном агрегате цинк будет переводиться в шлак, на производственном объединении «Дальполиметалл» - в черной металлургии. В проекте кивцэтного комплекса на УКСЦК предусмотрено повысить по сравнению с существующей технологией извлечения свинца на 0,5, цинка на 13,53, меди на 4,34 и серы на 24,7 %.

Сравнительная оценка топливо – энергетических затрат по схемам агломерации – шахтная плавка и кивцэтной технологии показала, что в последнем случае они сокращаются на 46%. Большое значение имеет при этом и экономия дорогостоящего и дефицитного металлургического кокса.

На УКСЦК осуществляется освоение построенного кивцэтного комплекса. Этот процесс и агрегат для переработки свинцового сырья запатентованы во многих странах мира. Некоторые зарубежные фирмы приобрели лицензию на его применение, а в Боливии в 1984 году введен в эксплуатацию завод, работающий по этой технологии.

В автогенных процессах взвешенной и кислородно – факельной плавок, а также в кивцэтном процессе экзотермические реакции окисления сульфидов протекают в основном в газовом пространстве плавильной зоны выше зеркала ванны и требует для своего осуществления тщательной подготовки сырья (тонкого измельчения флюсов и глубокой сушки шихты).

Лекция 7. Плавка в жидкой ванне. Автогенная шахтная плавка.

ПВ – частично кессонированная печь шахтного типа с двусторонним фурменным поясом по длинным сторонам печи с двумя сифонными устройствами для раздельного непрерывного выпуска штейна и шлака, аптейком для отвода технологических газов и сводовыми загрузочными устройствами (рис. 7.1). Оптимальная длина промышленных ПВ определяется их потребной производительностью и может изменяться от нескольких метров до > 30, ширина с учетом физико – химических свойств расплавов и мощности дутьевых устройств 2,5 – 3м, общая высота шахты (от пода до свода) 6 – 6,5м.

Характерная особенность плавки Ванюкова, отличающая ее принципиально от всех известных плавок сульфидных плавок сульфидных концентратов на штейн (кроме шахтной плавки), - плавление и окисление шихты происходит в объеме в основном шлакового расплава, а не в штейне, жидкие продукты плавки перемещаются в печи в вертикальном направлении – сверху вниз. В результате наряду с получением сразу шлаков конечного состава обеспечивается получение в самой печи шлаков, не требующих дополнительного обеднения.

Рисунок 7.1 - Печь Ванюкова

В МИСиСе разработан принципиально новый автогенный процесс плавки сульфидного сырья в жидкой ванне. Отличительные особенности этого процесса: сжигание сульфидов в шлаковом расплаве при энергичном барботаже ванны газами и вертикальное движение расплава в печи сверху вниз позволили создать наилучшие условия для протекания всех физико – химических процессов. Процесс ПЖВ имеет следующие преимущества:

1. Более тесный контакт между сульфидами и кислородом, что позволяет загружать в печь как мелкий, так и крупнокусковой материал с содержанием влаги до 6 – 8%;

2. Минимальный пылевынос при плавлении материала в расплаве, не превышающий, как правило, 1 – 1,5% от загружаемой шихты;

3. Лучшие условия для отстаивания шлака и снижения потерь с ним меди благодаря укрупнению образующихся при окислении и плавлении сульфидов мелких капелек штейна в результате непрерывного перемешивания расплава;

4. Минимальные потери тепла через стенки печи ввиду ограниченного реакционного пространства; больше тепла расходуется на плавление, удельная производительность печи 1 м² площади пода печи;

5. Подача окислителя непосредственно расплав и высокая степень использования кислорода позволяют регулировать атмосферу в печи от окислительной до восстановительной с целью создания необходимых условий для возгонки летучих компонентов шихты.

6. Для промышленной проверки процесса ПЖВ на НГМК сооружена печь с площадью сечения в области фурм 20 м² . Печь оснащена боковыми медными водоохлаждаемыми фурмами. Стены печи выложены из медных кессонов, уровень расплава в печи (при спокойной ванне) на 400 – 500 мм выше фурм. Для плавки использовали медный (медно – никелевый) концентрат с влажностью 6 – 8%, кусковую руду (-60 мм) и кварц (-50 мм). Загрузку печи осуществляли сверху непосредственно в ванну печи. Плавку вели на дутье, обогащенном кислородом до 65 – 70%. Штейн и шлак выпускали через сифонные устройства с противоположных торцов печи. Шлак в расправленном виде отвозили в отвал, штейн направляли на конвертирование.

На печи ПЖВ получены следующие показатели: удельный проплав печи ПЖВ 72,1 т/(м²·сут); содержание меди в штейне 47,5%, в шлаке 0,65%; пылеунос не превышал 0,5%, содержание SO₂ в газах 20 – 30%. Извлечение металлов с учетом возврата пыли составляло, %: Cu 97,5; Ni 94,8; Со 55,1. Расход технологического кислорода равен 164 м³/т шихты, условного топлива 38,2 кг/т шихты.

Печь ПЖВ работает на НГМК уже много лет. За это время проплавлено сотни тысяч тонн шихты. Процесс и агрегат показали себя надежными в эксплуатации. Вместе с тем выявились и отдельные недостатки: малая тепловая инерция печи, возможность быстрого переокисления оксида железа (II) до магнетита, несоответствие охлаждающей жидкости условиям работы печи и другие.

Учитывая высокие технико – экономические показатели процесса ПЖВ, в Министерстве цветной металлургии СССР принято решение о строительстве опытно – промышленных комплексов ПЖВ на медеплавильных заводах, в том числе и на НГМК, для отработки в промышленном масштабе всех технологических параметров и конструктивных узлов печи и пылегазоочистного оборудования. Агрегат ПЖВ на НГМК уже вступил в строй. В середине 1985 г. на Балхашском комбинате уже введен в эксплуатацию комплекс ПЖВ в составе печи, котла – утилизатора и пылегазоочистного оборудования. Газы используются в производстве серной кислоты.

Плавка в жидкой ванне получила и другое аппаратурное оформление. На комбинате «Североникель» по совместным разработкам с Гипроникелем и по проекту последнего в конце 1982 года. Построен стационарный автогенный агрегат с верхним кислородным дутьем, напоминающий по внешнему виду вертикальный конвертер. Агрегат предназначен для плавки сульфидной медно – никелевой руды с высоким содержанием серы (до 33%) и железа (до 44%). Для обеднения шлаков в комплексе установки включена электропечь. Отходящие из агрегата газы, содержащие до 30%, после охлаждения в котле – утилизаторе направляются на производства серной кислоты. Штейны автогенной плавки, содержащие 45 – 55% (Cu + Ni), поступают в конвертеры действующего завода для переработки на файнштейн. Шлаки после обеднения в электропечи содержат 0,1% Cu и около 0,05% (Ni + Cu). В настоящее время агрегат находится на стадии освоения.

Таблица 1

Показатель	АШП	ПЖВ	КФП	ВП	КИВЦЭТ	ОП
Удельный проплав т/(м2·сут)	65 - 70	50 - 60	10	7,5	3 - 5	4 -5
Расход топлива от шихты, %	-	-	-	-	-	20
Содержание меди в штейне, %	50	50	50	50	50	28
Содержание меди в шлаке без обеднения, %	0,4 – 0,5	0,5 – 0,6	1,0 – 1,5	1,0 - 1,5	0,4	0,5 – 0,7
Пылеунос, %	2 - 4	1,0 – 1,5	6 - 10	6 - 10	5 - 7	3 - 4
Содержание кислорода в дутье, %	30	60 - 75	96	21	96	23
Извлечение элементарной серы, %	30 - 35	-	-	-	-	-
Содержание SO2 в газах, %	16 - 18	20 - 40	50 - 75	10 - 12	50 - 75	1,0 - 1,5
Влажность шахты, %	5 - 6	6 - 8	1	1	1	6 - 8
Крупность шахты, %	20 - 150	50	0,07	0,07	0,07	0,07
Температура отходящих газов, ° С	до 450	1200 - 1300	1200 - 1300	1200 - 1300	1200 - 1300	1200

В Гвинцветмете разработан новый процесс – автогенная шахтная плавка (АШП). Опытные работы проводят на экспериментальном заводе института в Рязани. Полупромышленная шахтная печь с площадью сечения в области фурм 1х1 м² имеет высоту 6,7, два ряда фурм и повторяет в своей конструкции все основные элементы промышленных шахтных печей. Установка оснащена пылеулавливающими устройствами и конденсатором серы.

Печь предназначен для автогенной плавки сульфидного плавки сульфидного сырья с использованием кислорода и природного газа для внутрипечного восстановления сернистого газа. Процесс испытан для переработки медной пиритной, медно – цинковой и медно – никелевой пирротиновой руд.

При плавке кусковой меди пиритной руды состава, %: Cu 1,6 – 2,3; Zn 1,2 – 2,5; S 44 - 48; Al 35 - 37; SiO₂ 2 – 6 без расхода топлива на дутье обогащенном кислородом (в среднем до 30%) установлено, что путем изменения содержания кислорода в дутье можно регулировать процесс десульфурации в широком диапазоне с увеличением содержания в штейне в 30 и более раз. Степень десульфации достигает 90 % и выше. Получаемые штейны содержат 20 – 30, а шлаки 0,25 – 0,35% Cu.

Кислородно – факельная (взвешенная) плавка (КФП, или КВП) – разновидность автогенной плавки во взвешенном состоянии. Особенности КВП – применение в качестве дутья технологического кислорода и сжигание сульфидов в горизонтальном факеле, образуемом струей чистого кислорода, подаваемого в печь под давлением. Печь для плавки во взвешенном состоянии на кислородном дутье представляет собой плавильный агрегат с горизонтальным рабочим пространством с горелками для сжигания сульфидов, установленными на обоих торцах печи (рис. 7.2.). При этом на передней стенке сжигают рядовой медный концентрат, а на противоположной – пиритный, при сжигании которого будет образовываться бедный штейн, необходимый для промывки первичных шлаков и их внутрипечного обеднения.

Рисунок 7.2 - Схема кислородно – взвешенной плавки

Кислородно – факельная плавка освоена в промышленном масштабе на АГМК. Впервые этот процесс был применен на заводе «Коппер - Клифф» (Канада). В Советском Союзе научные разработки процесса были начаты в 1959 г. в Гинцветмете, ВНИИ цветмете и других организациях.

Необходимым условием успешной работы комплекса КФП является тщательная подготовка шихты – тонкое измельчение флюсов и глубокая сушка шихты до содержания влаги 0 – 0,5 %. Флюсы измельчают в шаровых мельницах в виде пульпы. Сушку шихты проводят в две стадии – барабанных сушилках и трубах – сушилках. На первой стадии содержание влаги снижается с 12 – 16 до 6 – 7 %, а на второй – с 6-7 до 0-0,5 %. Трубы – сушилки хорошо зарекомендовали себя в практике работы комбината. Выявлены следующие их преимущества: простота конструкции и обслуживания, получение сухого мелкодисперсного продукта, не требующего дополнительного измельчения, возможность совмещения с сушкой вертикального пневмотранспорта шихты к бункерам печи. Сушку проводят при скорости газов 12 – 14 м/с, начальной температуре газов 450 °С и конечной 110° С.

Транспортировка шихты к печи и ее дозировка осуществляются пневмотранспортом и аэрозольным питателем.

Печь кислородно – факельной плавки имеет прямоугольную форму длиной 20 м, шириной 6 м и высотой 5,5 м с площадью пода, равной 120 м². Аптейк расположен посередине длины печи. Отходящие газы с температурой 1300 - 1350° С поступают в котел – утилизатор, непосредственно примыкающий к печи. Газы содержат 70 – 75% сернистого ангидрида, 400 – 500 г/м³ пыли и после очистки в циклонах и электрофильтрах направляются в сернокислотное производство. Пылевынос составляет 7 – 8%.

В котле – утилизаторе газы охлаждаются с 1300 до 450° С. При этом из них осаждается 30 – 40% пыли. После прохождения системы пылеулавливания запыленность газов составляет 0,3 – 0,7 г/м³ . К.п.д. пылеулавливающих установок достигает 99,5 %. В связи с тем, что уловленная в котле – утилизаторе, циклонах и электрофильтрах пыль поступает в оборот, а в промывном отделении сернокислотного цеха газы очищаются от пыли практически нацело, потери в атмосферу при кислородно – факельной плавке минимальные. При расходе технического кислорода 220 м³/т шихты и степени десульфуризации 70 – 75% производительность печи составляет 10 т/(м²·сут), содержание меди в штейне 45%, а сернистого ангидрида в отходящих газах 65 – 70%. Благодаря высокой концентрации сернистого газа стало возможным перерабатывать часть конвертерных газов на серную кислоту путем смешения их с газами кислородно – факельной плавки.

К недостаткам кислородно – факельной плавки следует отнести довольно высокое (1,0 – 1,2%, редко ниже 1%) содержание меди в шлаках. Эти шлаки не являются отвальными и требует обеднения. В настоящее время их подвергают измельчению и флотации совместно с рудой на обогатительной фабрике. При этом около 70% Cu извлекается из шлака в концентрат, содержащий до 18% Cu.

Факельная плавка медных концентратов на техническом кислороде или на обогащенном дутье имеет по сравнению с плавкой в отражательных печах следующие преимущества: высокая степень извлечения серы из сырья за счет получения небольшого объема высококонцентрированных по сернистому ангидриду отходящих газов; получение богатых по содержанию меди штейнов за счет высокой десульфурации в печи; автогенность процесса; более высокая (в 2 раза) удельная производительность печей; более высокая степень автоматизации процесса и герметизации агрегата, что облегчает условия труда и улучшает санитарно – гигиеническую атмосферу в плавильном цехе.

Результаты исследовательских работ показывают, что процесс КФП (как и взвешенная плавка, разработанная фирмой «Оутокумпу») пригоден главным образом для переработки медного и никелевого сульфидного сырья с небольшим содержанием цинка, свинца и других «летучих» металлов. Для полиметаллического сырья при наличии в рудах и концентратах значительных количеств цинка и свинца более пригоден кивцетный процесс, совмещающий кислородно – взвешенную плавку в циклоне с доработкой расплава в электропечи.