Металлургия цветных металлов

до 9 т шихты на 1 м2 площади пода. Наибольший про­ плав достигается при плавке горячих обожженых желе­ зистых концентратов. Кроме того, проплав зависит от качества топлива, конструктивных особенностей печей и качества их обслуживания. Расход условного топлива составляет 9—25% от массы шихты.

П р и м е р расчета необходимого числа отражательных печей и их размеров. Продолжая расчеты на стр. 120, рассчитаем отража­ тельные печи для плавки 2000 тв сутки концентрата (см. табл. И ).

Выход огарка из этого концентрата 76,7%. Суточная продолжи­ тельность по огарку

2000-76,7

= 1534 пг.

100

Кварцевого флюса потребуется в сутки

в сутки, тогда необходимая площадь ванны отражательных печей будет

2076

= 460 м2.

4,5

Обычная площадь ванны современной отражательной печи около 240 м2 при длине 28—33 м. Примем 2 печи по 230 м2 длиной 30 Тогда ширина каждой из них будет

230

= 7,67 м.

30

В точных расчетах при более обоснованном выборе удельной производительности необходимо учитывать простой печей на ремонте около одного месяца в году.

Другие способы плавки медных концентратов

П л а в к а м е д н ых к о н ц е н т р а т о в во в з в е ­ ше н н о м с о с т о я и и и

Агрегат для плавки во взвешенном состоянии сочета­ ет в себе обычную отражательную печь и печь для обжи­

га во взвешенном состоянии. Главное преимущество это­ го устройства состоит в наилучшем использовании тепла, выделяющегося при обжиге, что позволяет работать с малым расходом топлива. В настоящее время этот спо­ соб плавки, разработанный впервые в нашей стране, применяется на двух зарубежных заводах. На одном из них для обжига используют технический кислород; плав­ ку ведут, не расходуя топлива. Отходящие газы содержат до 75% SO2, который сжижают и направляют на бумаж­ ные фабрики.

П л а в к а о б о ж ж е н н ы х м е д н ых к о н ц е н т р а т о в в э л е к т р и ч е с к и х п е ч а х

Плавка концентратов в электрических печах имеет ряд достоинств, но пока находит ограниченное примене­ ние из-за высокой стоимости электроэнергии.

Возможность достижения высоких температур в элек­ трических печах позволяет значительно ускорить плавку, получать высококремнистые шлаки, обладающие малой плотностью и хорошей жидкотекучестью при перегреве.

Расход электроэнергии на тонну проплавляемой ших­ ты составляет 400—500 кет - ч, показатели по проплаву примерно такие же, как и для отражательных печей.

Устройство и работа электрически* печей описаны да­ лее (см. стр. 167) применительно к плавке сульфидных медно-никелевых руд и концентратов.§

§ 16. Выплавка штейна из руд

Чтобы выплавить из медной руды, содержащей 2—3% Си, достаточно богатый штейн, нужно перевести в шлак почти все железо, а для этого необхо#имо окислить свя­ занную с ним серу, т. е. иметь высокую степень десульфу­ ризации. Предварительный обжиг руАы невыгоден: руду

пришлось бы для этого измельчать, п0ЭТ0МУ сеРУ из РУД выжигают во вр'бмя плавки. Пригодна16 Для этого шахт­ ные печи имеют высоту, значительно превышающую их поперечное сечение.

Устройство шахтной печи

Печь для плавки медных руд (риС35) представляет собой высокую шахту, заполняемую сМесью кусковой ру-

ды, флюсов и кокса. В нижнюю часть ее через фурмы вдувается воздух, необходимый для горения топлива и окисления сульфидов. Стены шахтных печей сделаны из кессонов — плоских железных коробок, сваренных из ли­ стов котельного железа, охлаждаемых проточной водой. Огнеупором при этом служит слой проплавляемого ма­ териала, настывающий на обращенной в печь поверхно-

Рис. 35. Шахтная печь для плавки медных руд:

1 — кессоны; 2 — фурмы; 3 — воздушный коллектор; 4 — ко­ лошниковая площадка; 5 — шатер: 6 — загрузочные окна; 7 — газоход; 8 — осадительная камера для пылн; 9 — подовая плита; 10 — спускной желоб; // — фундамент; 12 — Передний

горн

сти кессонов, — гарниссаж. Основанием печи служит прямоугольная чугунная плита, укрепленная на сталь­ ных колоннах или домкратах, установленных на фунда­ менте.

Кессонированиая часть печи имеет в вертикальном се­ чении форму трапеции, обращенной меньшим основани­ ем вниз. Торцовые кессоны установлены попарно верти­ кально, каждый из них имеет форму прямоугольной тра­ пеции.

Для вдувания в печь воздуха имеются патрубки — фурмы; они укреплены на кессонах и соединены с возду­ хопроводом.

Шихту, состоящую из руды и флюса, а также кокс загружают сверху до уровня, несколько ниже верхнего

края кессонов. Высокий столб шихты должен быть хо­ рошо проницаем для газов, поэтому руду, флюсы и кокс подают в печь в виде крупных кусков (от 25 до 100 мм

впоперечнике).

Вшахтной печи главным источником тепла служит

тепло от горения пирита (FeS2), содержащегося в мед­ ной руде. Но этого тепла не всегда достаточно для плав­ ки, поэтому в печь приходится добавлять немного кокса.

В присутствии кварца пирит сгорает по реакциям: 2FeS2 + 502 2FeO + 4S02 + 1379 кдж (330 ккал)

2FeO + Si02-^F e2Si04 + 35 кдж (8,4 ккал)

2FeS2 “F 502 -|- Si02—>■Fe2Si0 4 -f- 4 SO2 -f- + 1414 кдж (338,4 ккал).

От сгорания 1кг пирита выделяется, кдж:

1414--12°°- = 5890,

2*120

социирует с выделением паров серы, а часть FeO окис­ ляется до Fe20 3 и Fe30 4 ; однако для приближенной оцен­ ки теплотворности пирита это можно опустить. Тепла от сгорания пирита достаточно для плавления руды, если его в руде больше 75%* Такие^руды редки, поэтому до­ полнительным источником тепла служит углерод кокса,

сгорающий по реакции

С -f- о2—со2.

В фокусе горения (в нижней части печи около фурм) температура достигает 1400—1450° С, тепло передается газами вверх по шахте.

Плавление начинается в слоях шихты, где темпера­ тура достигает приблизительно 1000° С. Еще не сгорев­ шие сульфиды железа и меди начинают здесь вытапли­ ваться из кусков руды, оставляя после себя пористый скелет из кварца и окислов железа, кальция магния и алюминия.

Наиболее легкоплавкие сплавы Si02, СаО и FeO пла­ вятся при 1100° С. Стекая вниз, они постепенно растворя­ ют в себе другие окислы пустой породы.

Пористая масса из твердых окислов, образовавшая­ ся в результате вытапливания легкоплавких составляю­ щих, играет существенную роль в плавке. В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих кислородсодержащих га­ зов. На большой поверхности контакта и при высокой температуре интенсивно протекают важнейшие реакции плавки:

2CU20 -f-2FeS -j-Si02—>■Fe2Si0 4 2Cu2S.

Расплавленная смесь сульфидов и силикатов, стекая вниз, непрерывно сливается в передний горн.

Передний горн в плане имеет овальную форму, ось его перпендикулярна длинной оси печи. Горн выкладывают из хромомагнезита или талькового камня в кожухе из листового железа. За время пребывания в переднем гор­ не происходит расслаивание штейна и шлака. Шлак сте­ кает по желобу в конце горна, противоположном месту поступления расплавленной массы. Штейн .выпускают через отверстия — летки, расположенные в боковых стен­ ках'на уровне лещади горна.

Газы отводятся из печи через шатер из шамотного кирпича, укрепленный металлическим каркасом и пере­ крывающий печь над колошниковой площадкой. В боко­ вых стенках шатра сделаны окна для загрузки, закры­ ваемые шарнирно подвешенными дверцами. К своду шатра подходят железные газоотводные трубы, футеро­ ванные внутри огнеупорным кирпичом. Через эти газохо­ ды газы отводятся в пылевую камеру.

Шихта всегда содержит некоторое количество мелких частиц; кроме того, по мере плавления столб ее опускает­ ся, а куски при этом истираются и измельчаются. Посту­ пающие снизу газы с большой скоростью пронизывают сыпь и уносят с собой мелкие ее частицы.

Вынос пыли во время шахтной плавки достигает 5% массы шихты. Пыль оседает в газоходах и осадительной пылевой камере, а более мелкие частицы ее улавливают­ ся электрофильтрами. Состав пыли обычно близок к со­ ставу руды, поэтому ее перерабатывают в отражатель­ ных печах вместе с медными концентратами.

Извлечение меди в штейн при шахтной плавке 78— 85%. Такое сравнительно низкое извлечение объясняется большим выходом шлака на единицу массы штейна. Су­ точный проплав шихты относят к 1 м2 сечения печи в об­ ласти фурм, он колеблется в пределах 50—70 т/м2 в сут­ ки. При малом расходе кокса проплав более низкий, так, например, при 2—3% кокса от массы шихты он не пре­ вышает 60 т/ж2.

Загрузка шихты и уборка продуктов плавки теперь повсюду механизированы. Задача ближайших лет — ав­ томатизация управления работой печей, например авто­ матическое регулирование давления дутья в зависимости от высоты сыпи и температуры отходящих газов.

Содержание меди в штейнах шахтной плавки колеб­ лется в пределах 15—25%; в отдельных случаях из бога­ тых руд получаются штейны с 45—50% Си. Содержание меди в шлаках 0,25—0,45%, чаще всего около 0,3%.

Кампания шахтной печи длится от 4 месяцев до 1,5 лет, в среднем 10—12 месяцев.

Расчет шихты для шахтной плавки сходен с таковым для плавки в отражательных печах, однаКо возможность выбора состава шлаков для него значительно ограниче­ на. Из-за сравнительно меньшего прихода тепла количе­ ство флюсов в шихте приходится по возможности умень­ шать. Шлаки шахтной плавки содержат 30—39% Si02, 40—55% FeO и 4—12% СаО.

Извлечение меди в штейн здесь значительно ниже, чем при отражательной плавке. Кроме того, отсутствие предварительного обогащения не позволяет использовать иные ценные составляющие комплексных руд — цинк, свинец, молибден и другие спутники меди, теряющиеся в шлаках и с газами. Отходящие газы шахтных печей бедны сернистым газом, поэтому получать из них сер­ ную кислоту обычно невыгодно. Вместе с тем для шахт­ ной плавки требуется меньше топлива и дорогих огне­ упоров, а цеховая площадь, занимаемая шахтными печами, из-за значительно большей их удельной произво­ дительности меньше занимаемой отражательными пе­ чами.

Улучшение процесса шахтной плавки возможно при предварительном подогреве воздуха, подаваемого через фурмы, и обогащении его кислородом.

Так называют один из способов шахтной плавки, поз­ воляющий использовать часть серы и получить ее из ру­ ды в элементарном виде. Элементарная сера — ценный продукт для многих отраслей промышленности.

Печи для медносерной плавки несколько выше обыч­ ных шахтных печей (8—8,5 м) и кессонированы только в нижней половине. Верхняя часть шахты выложена из шамотного кирпича в железном кожухе. Печь не имеет шатра, а перекрывается сводом с герметичным загрузоч­ ным устройством в центре его. Поверхность кессонов, обращенная в печь, футерована тонким слоем огнеупор­ ного кирпича.

Расслаивание штейна и шлака происходит в нижней части печи (внутренний горн) (рис. 36) и заканчивается в наружном — переднем горне. Все это позволяет поддер­ живать нейтральную или слабовосстановительную газо­ вую среду в шахте.

Процесс медносерной плавки характеризуется уже из­ вестными нам химическими реакциями (см. стр. 124—125).

В области фурм углерод кокса сгорает до С02, здесь же выгорает часть серы, внесенной в печь с сульфидами. Газы, содержащие SO2, СОг, избыток кислорода и азот, поднимаются, пронизывая сыпь; избыток кислорода по­ степенно расходуется на окисление сульфидов и горение углерода. Углекислота, взаимодействуя с углеродом, ча­ стично превращается в СО; вода, внесенная дутьем и шихтой, либо разлагается углеродом, либо взаимодейст­ вует с сульфидами, образуя сероводород:

С02 + С = 2СО, Н20 + С = СО + Н2. FeS + Н20 = FeO + H2S.

Таким образом-, состав газа по мере движения его вверх изменяется: содержание С02, 0 2 и Н20 в нем уменьшается за счет образования окиси углерода, сер­ нистого газа и сероводорода. Часть сернистого газа при движении его вверх по шахте восстанавливается до серы:

2S02 + 4СО S2 + 4С02.

Дальнейшее взаимодействие паров серы с углеродом и окисью углерода частично дает сероокись углерода и сероуглерода-'

2CO + S2-*2COS, С -j- s2 c s 2.

В верхних горизонтах сыпи в газы переходят также пары серы, полученные в результате диссоциации пирита и дру­ гих высших сульфидов.

Колошниковые газы имеют примерно следующий со­ став, г/м3: 290 $2; 28 S02; 20 H2S; 19 (COS + CS2).

Газы должны выходить из печи при сравнительно вы­ сокой температуре (430—450°С), чтобы их можно было очистить от пыли до начала конденсации паров серы. Га­ зы отводят в газосборник, обеспечивающий перемешива­ ние и постоянство состава. В газосборнике и газоходах осаждается основная масса наиболее крупной пыли, окончательная же очистка газов от пыли происходит в электрофильтрах.

Очищенный газ подается в контактные камеры, за­ полненные пористой массой катализатора, состоящего из глиноземного цемента и гидроокиси алюминия. В присут­ ствии катализатора при температуре около 450° С между составляющими газовой смеси протекают реакции с об­ разованием паров элементарной серы:

2S02 + 2CS2 -v 2С02 + 3S2,

2S02 + 4H2S + 4H20 + 3S2, 2SOz + 4COS 4C02 + 3S2.

Далее газы направляют под водотрубные котлы. Сера конденсируется на трубках и стекает в сборник; тепло, выделяющееся при ее конденсации, используется для по­ лучения пара низкого давления.

При конденсации газы охлаждаются примерно до 120° С. Для улавливания тонких взвешенных в газе ка­ пель серы применяют оросительные башни, в которые газ подается снизу навстречу стекающей по насадке рас­ плавленной сере.

В контактной камере и в оросительных башнях уда­ ется извлечь только часть серы, поэтому газ, охлажден­ ный до 120° С, вновь подогревают до 450° С и направля­

ют во вторую аналогичную цепь аппаратов. После этого газы дожигают и получают из них серную кислоту.

Штейны медносерной плавки содержат всего 5— 10% Си. Для облегчения дальнейшей переработки эти штейны обогащают медью, подвергая их сократительной плавке в обычной шахтной печи. Сократительная плавка подобна рудной полупиритной плавке: железо из штейна окисляется и переходит в шлак, а содержание меди в штейне за счет этого повышается до 25—40%.

В сравнении с обычной шахтной плавкой медносерная плавка менее производительна и требует большего расхо­ да кокса. Проплав здесь не превышает 35—40 т/м2 сече­ ния в области фурм, а расход кокса достигает 10—12% от массы шихты. Худшие показатели выплавки штейна окупаются за счет получающейся элементарной серы, извлечение которой из газов достигает 88,5%.

§ 17. Выплавка меди из штейнов

Независимо от способа, которым выплавлен штейн из руды или концентрата, дальнейшая переработка его оди­ накова. Разные штейны отличаются друг от друга только содержанием меди и железа.

Примеры состава штейнов приведены в табл. 12.

Т а б л и ц а 12

Примеры состава штейнов, выплавленных из руд и концентратов

Устройство конвертера

Современный медеплавильный конвертер (рис. 37) имеет форму горизонтально установленного цилиндра, по образующей которого расположены фурмы.

Бочка конвертера (кожух) футерована изнутри маг­ незитовым кирпичом. На бочке установлены два гладких