41. Шахталық пештерде штейнге балқыту

Мыс кендерін шахталық балқыту бірнеше ғасыр сақталған және қазіргі уақытқа дейін практикалық маңызы жойылмаған штейнге балқытудың ескі тәсілі болып табылады. Шахталық пеш шахтаға ұқсас тік жұмысшы кеңістігі бар балқыту аппараты болып келеді. Түсті металлургияның шахталық пештерінің көлденең қимасының формасы тікбұрышты. Кен мен флюстерден тұратын шихтаны және отынды периодты түрде салысдар деп аталатын жеке порциялармен мойындық алаңшаға жүктейді. Пештің төменгі бөлігіне үрлегіш арқылы ауа үрленеді. Үрлегіш маңында отын (қайта өңделетін шихтаның сульфидтері немесе кокс) жанады және сол жерде өте жоғары температуралар дамиды (1300-1600°С-қа дейін). Жоғары температуралар зонасы пеш фокусы деп аталады. Бөлінетін жылу есебінен пеш фокусында шихтанфың балқуы жүреді және балқыту өнімдерінің түзілуі аяқталады.

Балқытудың сұйық өнімдері (қож бен штейн) ішкі көмішке ағады, одан олар қату үшін алдыңғы көмішке сифондық астауша арқылы бірге беріледі. Штейн мен қожтың бөлек шығуы алдыңғы көміштен жүзеге асырылады. Балқыту шамасы бойынша шихта төмен түседі, ал оның орнына жаңа порциясы жүктеледі. Үрлегіш маңында және одан жоғарыда пайда болған газдар жоғары қарай көтеріледі, түсуші шихта бағанынан өтіп, оған өзінің бар жылуын береді. Қарсы ағын принципі бойынша газдар мен шихта арасындағы жылу алмасу металлургиялық пештерде байқалатын және шахталық пештерде 80-85%-ға жететін жылуды пайдаланудың өте жоғары коэффициентін қамтамасыз етеді.

Көптеген басқа балқыту пештерімен салыстырғанда шахталық пештерде тек ірілігі 20-100мм кесекті материалды балқытуға болады. Ұсақ шихтаны (кенді немесе концентраттарды) қайта өңдеу жағдайларында оны агломерация немесе брикеттеу тәсілдерімен алдын ала кесектеу қажет. Мыс кендері мен концентраттарын қайта өңдеуге шахталық балқытудың төрт түрі қолданылады: тотықсыздандыру, пиритті (тотықтандыру), жартылай пиритті және жетілдірілген пиритті немесе мысты-күкіртті. Қазіргі заманғы мыс металлургиясында кенді шикізатты өқайта өңдеуде тек екі соңғы тәсіл ғана практикалық маңызын жоғалтқан жоқ. Тотықсыздандырып шахталық балқыту қазіргі уақытқа дейін екіншілік шикізаттан қара мыс алудың негізгі тәсілі ретінде қолданылады.

Тотыққан немесе екіншілік шикізатты қайта өңдеуге жарамды тотықсыздандырып балқытуда үрдіске қажетті барлық жылу шығысы қатты шихта массасының 15%-нан кем емес болатын коксты жағу есебінен алынады.

Пиритті балқыту тотықсыздандырып балқытуға қарағанда жану жылуы 5000-6000 кДж/кг болатын сульфидті шихтаның тотығуынан (жануынан) бөлінентін жылу есебінен теориялық толығымен жүре алады. Өте шиелініскен жылулық баланс әсерінен практикада пешке 2%-ға дейіне кокс енгізілді. Құрамында 75%-дан кем емес пирит (~42% күкірт) болатын жоғары күкіртті кендерді ғана қайта өңдеуге жарамды пиритті балқыту таза күйінде практикалық мәнін жоғалтты.

Бастапқы шихтадағы сульфидтер шахталық балқытуды автогенді ендіруге жеткіліксіз болған жағдайларда жылу жетіспеушілігі көміртекті отын жағумен толықтырылады. Жылу сульфидтердің жануынан да, отын жағудан да алынатын шахталық балқытудың бұл түрі жартылай пиритті деген атауға ие болды. Шахталық балқытудың бұл түріндегі кокс шығысы 512% аралығында өзгереді. Осылай жартылай пиритті балқыту тотықсыздарып және пиритті балқытулары арасында аралық орын алады.

Жартылай пиритті балқыту барысын және сипатын анықтайтын негізгі үрдістер пеш фокусында дамиды, мұнда максимал температураға (1600^оСқа дейін) қол жеткізіледі және кесекті костер мен сульфидтердің (қатты және сұйық күйінде) жану, шихта компоненттерінің, штейндік және қожтық түзілімдерді балқыту үрдістері жүреді.

Клаасикалық нұсқадағы мысты-күкіртті балқыту күкіртті қарапайым күйде алу мақсатында пеш газдарын өңдеудің жетілдірілген тәсілімен бірге, құрамында 40-42%-дан кем емес күкірт бар жоғары күкіртті кендерді пиритті балқыту болып келеді. Ол үшін кокстың артқан мөлшерімен (12%-ға дейін) және кварцты флюспен сульфидті кенді биіктігі өсірілген герметизацияланған шахталық пеште балқытады.

Мысты-күкіртті балқыту үшін пеште биіктік бойынша үш анық көрінетін: тотықтырып балқыту (төменгі), тотықсыздандыру (ортаңғы) және дайындық (жоғарғы) зоналарының болуы тән.

Үрлегіш маңында орналасқан және өте шектелген өлшемдерге ие тотықтырып балқыту зонасында пештегі жоғары температуралар (1200-1450^оС) орын алады.Балқытуға қажетті жылу пиритті балқытудың негізгі реакциясы жүруі нәтижесінде бөлінеді:

 

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeO · SiO₂ + 2SiO₂ + 1030290кДж.

 

Классикалық пиритті балқытуда реакция реагенттерінің стехиометриясынан ешқандай ауытқуларға жол берілмейді. Кез келген бастапқы реагенттің артық болуы немесе жетіспеуі балқытудың жылулық режимінің, пеш фокусының қысқаруына немесе созылуына әкеледі. Пиритті балқытуда теория жүзінде үрілген барлық оттегі үрлегіш маңында толығымен шығындалуы қажет және фурмаға децйін кокс жетпеуі керек. Кері жағдайда пиритті эффект жоғалады және пеш «теке» түзе отырып қата бастайды.

Пиритті балқытудың сұйық өнімдері пештің ішкі көмішіне және ары қарай сыртқы тұндырғышқа ағады, ал толығымен дерлік күкірт ангидриді мен азоттан тұратын газдар жоғары ұмтылады және қызған кокспен толған ортаңғы, тотықсыздандывру зонасына келіп түседі.

Концентраттарды шағылдыру немесе электрлік пештерде штейнге балқытылады. Шағылдыру пеші ұзындығы 30-40м, ені 8-10м және табаннан күмбезге дейінгі биіктігі 3,5-4,5м болатын тікбұрышты камера болып келеді.пештің жұмысшы кеңістігі династық немесе хромомагнезиттік кірпішпен шегенделген. Күмбез династық кірпіштен жасалған аркалы немесе магнезиттен жасалған аспалы болып келеді. Пеш мазутпен, табиғи газбен немесе көмір шаңымен қыздырылады. Оттықтар немесе форсункалар пештің алдыңғы торцтық қабырғасында бір қатарда орналасады. Жанудың газ тәріздес өнімдері шихтаны шаяды, артқы қабырғаға өтеді және газ өткізгіштен пеш көмейіне жіберіледі.

Пештің бүйір қабырғаларына жақын орналасқан күмбездегі тесіктер арқылы шихта жүктеледі. Қож пен штейн пештің бүйір қабырғаларындағы арнайы есіктер арқылы периодты түрде шығарылып отырады. Штейнге балқытуда келесі реакциялар жүреді. Алдымен шихтаны қыздыру шамасына байланысты мыс оксидінің темір сульфидімен өзара әрекеттесуі жүреді:

 

6CuO + Fe = 3Cu₂O + SO₂ + FeO.

 

Түзілген мыс оксиді темір сульфидімен мына реакция бойынша өзара әрекеттеседі:

 

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO.

 

Бұл реакция штейнге балқытуда негізгі болып табылады. Бұл ретте мыс пен темір сульфидтері балқып, сұйық штейн түзеді. Бір уақытта темір силикаттары мен басқа оксидтерден сұйық қож қалыптасады.

Шағылдырып балқыту штейнінің құрамында 80-90%мыс және темір сульфидтері болады, ал олардың құрамына 15-55% Сu, 15-50% Fе, 20-30% S, 2% Zn, сонымен қатар асыл және басқа металдар кіреді. Қож кремний, темір, кальций және алюминий оксидтерінен тұрады. Мыс пен асыл металдарды штейнге шығару дәрежесі 96-99,5%-ға жетеді.