5.1 Физико-химичекие основы процесса Ванюкова

Плавка в жидкой ванне представляет собой принципиально новый класс, эмульсионных процессов осуществляемых в энергично барботируемых шлаковых ваннах.

Ванюковым А.В. впервые были обоснованы преимущества вертикального движения эмульсии в нижней подфурменной зоне при ее расслаивании в прямоточном потоке расплава. Это позволило совместить в одном агрегате реакционную зону с движением расплава.

В условиях плавки в жидкой ванне создаются благоприятные условия для осуществления плавки как сульфидного, так и окисленного сырья, а также возгоночных процессов.

Основное достоинство возгонки барботажных процессов это большая реакционная способность контактирующих фаз (шлака, штейна, газа) из-за развитой поверхности, что обеспечивает высокие скорости масса обмена, теплообмена и всех химических и физических процессов.

6 Анализ автогенных процессов в цветной металлургии

При создании автогенного процесса плавки в жидкой ванне ставилась задача оптимизировать все важнейшие физико-химические процессы с целью удовлетворения требований современной технологии. Плавка руд и концентратов, каким бы методом она ни осуществлялась, это комплекс отдельных процессов. Среди них в случае переработки сульфидных материалов важнейшее значение имеют:

а) Нагрев шихты и диссоциация химических соединений;

б) окисление сульфидов, взаимодействие сульфидов и оксидов;

в) расплавление легкоплавких составляющих шихты с образованием первичных расплавов;

г) растворение наиболее тугоплавких компонентов в первичных расплавах;

д) разделение продуктов плавки;

е) распределение ценных компонентов между продуктами плавки.

Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры и интенсивности массо- и теплообмена, а производительность агрегатов в целом определяется временем, затраченным на завершение самой медленной стадии. Поэтому необходимо выявить наиболее медленные из них для ускорения процесса в целом.

Нагрев шихты лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев крупных кусков шихты из за сравнительно низкой теплопроводности шихтовых материалов протекает относительно медленно. В этом случае прогрев шихты лимитируется теплопроводностью и может быть ускорен лишь уменьшением размеров кусков. Однако возможно ограничение скорости нагрева и мелкодисперсной шихты в том случае, если она уложена толстым слоем как в случае отражательной плавки.

В настоящее время, когда на плавку поступает преимущественно концентрат с малыми размерами частиц (70 мкм и меньше), легко достичь очень высоких скоростей их нагрева. одним из приемов, обеспечивающих высокие скорости нагрева, является распыление шихты в нагретом до высокой температуры газовом пространстве. исключительно быстро протекает нагрев шихты также при загрузке ее в ванну расплава в условиях энергичного барботажа важно отметить, что в автогенных процессах источником тепла служат реакции окисления сульфидов концентрата. тепло выделяется на поверхности реагирующей частицы или в расплаве, т.е. там, где оно расходуется на процессы плавления. По этим причинам в современных автогенных процессах, протекающих во взвешенном состоянии или в расплаве, нагрев шихты осуществляется быстро и не лимитирует производительность плавильных агрегатов.

Реакции окисления сульфидов кислородом являются экзотермическими процессами и протекают на границе раздела фаз. С момента воспламенения окисление (горение) сульфидов идет очень интенсивно и ускоряется с повышением температуры. На это, в частности, указывает и высокий коэффициент использования кислорода (95-100%) во всех автогенных процессах при очень малом времени контакта кислорода с сульфидами.

Обширные данные, известные из литературы и практики, подтверждают, что собственно химический акт процесса окисления сульфидов нужно стремиться не столько к достижению повышения скоростей окисления, сколько к высоким показателям процесса в целом. Получению газов, богатых по содержанию SO2, высокой степени использования теплоты сгорания сульфидов и к минимальным потерям металлов с отвальным шлаком.

Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.

Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в первую очередь, температуры их плавления приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ. Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение более тугоплавких веществ в этих расплавах.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения являются диффузионными и поэтому протекают значительно медленнее процессов расплавления легкоплавких компонентов. Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций. В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.

Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.

Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака. Значительная часть меди и никеля находится в шлаках в виде эмульсии – мелких капель штейна. При восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц.

Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом. Наиболее эффективным приемом ускорения коалесценции штейновой взвеси является перемешивание шлака с получающимся при плавлении штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шлака каплями штейна заметно обедняют шлак.

Сочетание процессов восстановления и перемешивания шлака со штейном позволяет резко интенсифицировать укрупнение штейновых частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака требуется менее 1 ч вместо 8-12 ч.

Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.

Анализ переработки сульфидного сырья на штейн позволил выявить роль и взаимосвязь последовательных элементарных стадий физико-химических превращений и установить, что оптимизация технологии плавки требует определенного сочетания следующих условий:

- создание условий для высокой степени использования кислорода газовой фазы в локальной зоне металлургического реактора, отделенной от конечных продуктов плавления;

- обеспечение высокой скорости массообменных процессов в системе исходные твердые компоненты- конечные расплавы;

- создание условий для достижения заданного приближения к равновесию между конечными продуктами плавки;

- ускорение укрупнения диспергированного штейна или металла и обеспечение полноты разделения продуктов плавки.

Результаты научных разработок позволили сформулировать основной принцип новой технологии: плавление сырья и массообмен осуществляются в турбулентно перемешиваемой ванне эмульсии штейна (металла) в шлаке. Перемешивание расплава при барботаже его технологическими газами, образующимися при подаче дутья в расплав через боковые фурмы, обеспечивает требуемую степень турбулизации для ускорения металлургических превращений в зоне расплава выше уровня фурм. При этом обеспечивается коалесценция мелких штейновых капель и формирование составов фаз, близких к конечным. Расслаивание штейна и шлака организовано в прямоточном потоке вертикально движущихся расплавов. Это обеспечило совмещение в одном агрегате для непрерывного процесса реакционной зоны с высокой степенью турбулентностью движения барботируемого расплава и зоны с ламинарным движением расплава, необходимой для организации разделения и отдельного выпуска шлака и штейна (металла).