§ 8. Автогенная плавка

За последнее время широкое применение для плавки медных сульфидных концентратов получили автогенные процессы. Промышленное внедрение нашли две разновидности автогенных процессов: плавка на подогретом воздушном дутье (финская плавка), и кислородно-факельная плавка на технологическом кислороде^*. Как финская, так и кислородно-факельная плавка требуют глубокой сушки шихты с доведением ее влажности до 1% и менее.

^*В последнее время появилась смешанная плавка, проводимая на подогретом дутье, обогащенном кислородом до 40%

8.1. Плавка на подогретом воздушном дутье

Концентрат состава: 27,0% Сu, 1,2% Ni, 32,3% S, 34,5% Fe, 1,7% SiO₂, 2,3% Аl₂О₃, 1% CaO+MgO плавят на штейн, содержащий 50% Сu+Ni. Плавка ведется во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье. Рассчитать тепловой баланс плавки и температуру дутья, обеспечивающую автогенность процесса (расчет ведется на 100 кг концентрата).

Концентрат получен селективной флотацией медно-никелевых сульфидных руд на одной из обогатительных фабрик СССР. Его рациональный состав приведен в таблице 31.

ТАБЛИЦА 31. Рациональный состав медного концентрата, %

Минералы	Cu	Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO MgO	Всего
CuFe1,15S2 NiFe1,2S2 Fe12S13 Пустая порода	27,0 – – –	– 1,2 – –	27,3 1,37 5,83 –	27,3 1,3 3,7 –	– – – 1,7	– – – 2,3	– – – 1,0	81,60 3,87 9,53 5,00
Итого	27,0	1,2	34,5	32,3	1,7	2,3	1,0	100

В качестве кремнистого флюса используют песчаники следующего химического состава: 5,3% FeO, 75% SiO₂, 13,5% А1₂О₃, 5,2% CaO, 1% прочие.

Для расчета материального баланса плавки определим выход и состав штейна. По данным отечественных и зарубежных предприятий, извлечение металлов в штейн для этого вида плавки в зависимости от качества концентратов находится в пределах 97,0–98,0%. Учитывая высокое содержание металлов в концентрате, принимаем извлечение металлов в штейн для нашего случая равным 98,0%. Всего в штейн перейдет (27,0+1,2) 0,98=27,6 кг (Сu+Ni). Масса штейна при 50%-ном содержании металлов составит 27,6/0,5=55,2 кг.

По данным Б.П. Недведецкого, в штейнах с 50% металла содержится 2% О₂ и 23,7% S. В этом случае содержание железа в штейне составит 100–(50+2+23,7)=24,3%. В указанном количестве штейна содержится 27,6 кг (Сu+Ni), 13,4 кг Fe, 13,1 кг S и 1,1 кг О₂. Перейдет железа в шлак 34,5–13,4=21,1 кг.

Определив состав и количество штейна, переходим к расчету количества кварца, необходимого для получения шлака. Расчет ведем на получение шлака, содержащего 30% SiO₂, что характерно для автогенных плавок. Примем, что X – общая масса шлака, кг; Y – масса загружаемого песчаника, кг.

Составляющие песчаника указанного выше состава, переходят в шлак целиком. Тогда общая масса шлака будет, кг:

X=Y+21,1•71,85/55,85+1,7+3,3,

где 21,1•71,85/55,85 – масса FeO, образовавшаяся из железа концентрата, перешедшего в шлак;

1,7 – количество SiO₂ в концентрате;

3,3 – количество А1₂О₃+СаО+MgO в них.

Второе уравнение получим из баланса 0,30Х=1,7+Y0,75. Решая его, находим X=49,7 кг, Y=17,6 кг.

Результат проверяем подсчетом количества и состава шлака:

		кг	%
FeO SiO2 Al2O3 CaO+MgO Прочие	27,1+17,6•0,053= 1,7+17,6•0,75= 2,3+17,6•0,135= 1,0+17,6•0,052=	28,0 14,9 4,7 1,9 0,2	56,4 30,0 9,4 3,8 0,4
	Итого	49,7	100

Практика работы предприятий, применяющих финскую плавку, показывает, что содержание металлов в шлаках колеблется в пределах 0,6–1,2%. Для данного расчета примем содержание металлов и серы в шлаках равным 0,6 и 0,8% соответственно.

С учетом меди и никеля реальный состав шлака будет следующим: 55,7% FeO; 29,6% SiO₂; 9,5% А1₂О₃; 3,8% СаО; 0,6% Сu+Ni; 0,8% S.

Такие шлаки не являются отвальными, их подвергают дальнейшей переработке в электроотстойниках или флотацией на обогатительных фабриках вместе с конверторными шлаками, которые в автогенную плавку, как правило, не возвращают.

Для расчета состава и количества отходящих газов примем, что весь кислород, необходимый для осуществления реакций, поступает с подогретым дутьем. При этом необходимо учитывать, что на практике имеются неорганизованные подсосы холодного воздуха, количество которого в зависимости от конструкции печи и вида транспортировки шихты в горелки может колебаться от 2 до 6%.

При содержании в шихте 1% влаги в печь поступит ее (100+17,6)/0,99–(100+17,6)=1,2 кг. С учетом содержания серы в штейне и шлаке ее перейдет в газы 32,3–13,1–0,4=18,80 кг, что составляет 37,6 кг SO₂.

На окисление железа, переходящего в шлак, расход кислорода составит 27,1–21,1=6 кг. Общая потребность кислорода на плавку 100 кг концентрата будет, кг:

На окисление серы 18,80

На окисление железа 6,0

Переходит в штейн 1,10

Вместе с кислородом в печь поступит азота 25,9/0,23•0,77=86,7 кг.

Состав и количество получаемых газов:

	кг	м3	% (объемн)
SO2	37,6	13,2	15,8
N2	86,7	69,1	82,4
Н2О	1,2	1,5	1,8

Полученные данные сводим в таблицу 32 материального баланса. На основании данных материального баланса осуществим расчет теплового баланса плавки.

ТАБЛИЦА 32. Материальный баланс плавки концентрата на подогретом воздушном дутье, кг

Материалы баланса	Всего	В том числе
		Cu+Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO+ MgO	O2	N2	H2O
Загружено: концентрата песчаника воздуха	101,0 17,6 112,6	28,2 – –	34,5 0,7 –	32,3 – –	1,7 13,2 –	2,3 2,4 –	1,0 0,9 –	– 0,2 25,9	– – 86,7	1,0 0,2 –
Всего	231,2	28,2	35,2	32,3	14,3	4,7	1,9	26,1	86,7	1,2
Получено: штейна шлака газов	55,2 50,2 125,8	27,6 0,3 0,3	13,4 21,8 –	13,1 0,4 18,80	– 14,9 –	– 4,7 –	– 1,9 –	1,1 6,2 18,80	– – 86,7	– – 1,2
Всего	231,2	28,2	35,2	32,3	14,9	4,7	1,9	26,1	86,7	1,2

Примечание. После выбора конструкции печи и горелок следует учесть избыток воздуха (подсос) 2–6% в таблице 32 и 33.

Приход тепла

1. Окисление сернистого железа. Количество железа, окисленного до FeO, в шлаке равно 21,1 кг. По реакции

2FeS+3О₂ = 2FeO + 2SО₂ +112440 ккал

на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 112440/55,85=2013 ккал. При окислении 21,1 кг Fe из FeS до FeO получим 21,1•2013=42480 ккал. Количество железа, окисленного до Fe₃O₄, в штейне составляет 167,55/64•1,1=2,8 кг. По реакции:

3FeS + 5О₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂ +411640 ккал

на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 411640/3•55,85=2459 ккал. При окислении FeS до Fe₃O₄ выделится 2,8•2459=6885 ккал. Всего при окислении сернистого железа выделится тепла 42980+6885=49365 ккал.

2. Окисление серы. Всего в газы переходит серы 18,80 кг, в том числе от окисления FeS до FeO 21,1•32/55,85=12,1 кг, от окисления FeS до Fe₃O₄ 2,8•32/55,85=1,60 кг.

Количество серы от диссоциации составит 18,80–12,1–1,60=5,1 кг. На основании рационального состава концентрата, произведем проверку этого количества серы.

Свободная сера будет выделяться при диссоциации смеси халькопирита и кубанита по реакции

2CuFe_{1, 15}S₂→Cu₂S + 2,3FeS+ 0,7S.

При этом количество диссоциированной серы составит 27,3•0,7/4=4,78 кг. От диссоциации пентландита по реакции

3NiFe_{1, 2}S₂→Ni₃S₂+3,6FeS + 0,4S

выделится 1,3•0,4/6=0,09 кг серы, а от диссоциации пирротина по реакции

Fe₁₀S₁₁→10FeS +S

выделится 2,7•1/11=0,34 кг. Всего получим серы 4,78+0,09+0,34=5,21 кг, что соответствует точности расчета.

Количество тепла, выделяющегося при окислении 1 кг серы по реакции

S + О₂ = SO₂ + 70940 ккал,

равно 70940/32=2217 ккал. Всего тепла от горения серы 5,1•2217=11306 ккал.

3. Ошлакование закиси, железа. Тепло от ошлакования железа определим по реакции

2FeO + SiO₂ = 2FeO•SiO₂ +7000 ккал.

На 1 кг железа выделится тепла 7000/2•55,85=62,7 ккал. Всего тепла от ошлакования железа выделится 21,8•62,7=1367 ккал.

4. Ошлакование окиси кальция. По реакции

CaO +SiO₂ = CaO•SiO₂ +21500 ккал

на 1 кг СаО выделится тепла 21500/56=384 ккал, а всего 1,9•384=730,0 ккал.

Таким образом, от экзотермических реакций поступит тепла

49365+11306+1367+730=62768 ккал.

5. Физическое тепло шихты при 25⁰С составит 118,6•0,22•25=653 ккал, а весь приход тепла составит 62768+653=63421 ккал.

Расход тепла

Принимая, как и ранее, расход тепла на диссоциацию 1 моля серы равным 20 ккал, получаем весь расход на образование 5,2 кг серы равным (5200/32)•20=3250 ккал. Количество тепла, затрачиваемое на разложение 1 кмоля СаСО₃, равно 42500 ккал.

На 1 кг СаО расходуется 42500/56=766 ккал. Расход тепла на разложение СаСО₃ равен 766•1,9=1455 ккал. Всего расход тепла на эндотермические реакции составит 3250+1455=4705 ккал.

Тепло, выделяющееся при плавлении-окислении 1 кг концентрата, равно (63421–4705)/100=593 ккал, а при плавлении 1 кг шихты – соответственно 593/1,183=502 ккал.

Определим расход тепла. При нормальном ведении процесса температура продуктов плавки, т. е. штейна, шлака и отходящих газов, составит 1150, 1250 и 1300⁰С соответственно.

При этом расход тепла с продуктами плавки составит, ккал:

Со штейном 55,2•0,22•1150=13961

Со шлаком 50,2•0,29•1250=18270

С отходящими газами:

с SO₂ 13,20•715,3=9442

с N₂ 69,4•444,9=30843

с Н₂О 1,5•555,7=834

Всего расход тепла со всеми продуктами плавки равен 73350 ккал.

Примем, что потери тепла через кладку составляют 4,5% от прихода тепла. Тогда общий расход тепла составит 73350/0,955=76810 ккал.

С воздухом требуется ввести тепла 76810–59998=16812 ккал. Энтальпия 1 м³ воздуха в этом случае будет 16812/87,5=192,10 ккал. По таблице 25 это соответствует температуре нагрева, равной 616⁰С. Полученные результаты расчета сведем в таблицу 33.

ТАБЛИЦА 33 Тепловой баланс автогенной (финской) плавки

Приход тепла			Расход тепла
Статьи баланса	ккал	%	Статьи баланса	ккал	%
Химические реакции Шихта Дутье	59345 653 16812	77,3 0,9 21,8	Штейн Шлак Отходящие газы Потери через кладку	13961 18270 41119 3460	18,2 23,8 53,5 4,5
Итого	76810	100	Итого	76810	100