1236

11,4 моля N2 и двух молей S02; всего 14,4 моля и в них 4 атома S.

Изобретатель процесса норвежский инженер Ленандер пред­ ложил два пути: уплотнить колошник шахтной печи, не допуская сгорания серы в подсасываемом воздухе; осуществить в шихте внутри печи реакцию S02 + C = C02+ 72S2. Для выполнения пер­ вого условия кирпичную кладку верха печи окружают плотным кожухом из стальных листов, а шихту загружают не в окна шатра, а через двойной затвор сверху. Второе условие обеспечивается тем, что в печь грузят мелкий кокс (10—25 мм, иногда подают и более крупный кокс 25—40 мм.)

Для медно-серной плавки шихту готовят так же, как для пиритной (чистая богатая колчеданная руда, обороты, чистый кварц, известняк), но с добавлением 8—10% мелкого кокса. В отечест­ венной практике принято вместе с кусковой рудой подавать бри­ кеты (диаметр 80 мм, высота 80 мм) из мелкой руды и медного концентрата. Подача в печь брикетов из концентратов увеличи­ вает ее производительность по выплавке меди.

Из-за подачи кокса печь имеет меньшую сократительную спо­

серы, содержащейся в шихте. Проплав на 1 м2 за сутки составляет 45—50 т шихты. Полученный бедный штейн подвергают сократи­

тельной плавке в шахтных печах.

Печные газы прежде всего очищают от пыли в камерах и элек­ трофильтре. Далее они поступают на специальную переработку в химический цех, а пыль перерабатывают в редкометаллическом цехе, где из нее извлекают рений и германий. Общее извлечение серы на заводе может достигать 80"~85%. На 1 т выплавленной меди можно получить при переработке бедной колчеданной руды

6—8 т серы и серную кислоту.

Технические показатели медно-серной плавки могут быть су­ щественно улучшены при обогащении дутья кислородом.

Восстановительная плавка вторичного сырья. Этот вид шахт­ ной плавки в ближайшее время сохранит большое значение. В печь (см. рис. 9) в случае плавки промышленных отходов по­

жат ее 60—80 %; более бедные (биметалл, литейные и рафини­ ровочные шлаки) 10—35%. В биметалле содержится около 90% железа. В других материалах имеются типичные для медных сплавов компоненты: цинк, олово, свинец, алюминий, никель. Таким образом, медьсодержащие промышленные отходы, так же как и руды, являются комплексным сырьем. Часть металлов-спут­

ников следует извлекать во время конвертирования. Для переработки особенно ценных оловосодержащих материалов желательно иметь еще и электропечи.

Главная задача шахтной плавки — максимальное извлечение меди в черновую медь, ошлакование железа и по возможности полная отгонка цинка. Шихту рассчитывают на получение шлака с низким содержанием Si02 (22—26 %). Содержание FeO в шлаке поддерживают на уровне 36—44 %. Известняк добавляют из рас­ чета содержания СаО в шлаке 8—12%. Доля оборотов в шихте достигает 50 %.

Подготовленная шихта характеризуется тем, что в ней нет сульфидов. Во время плавки будут окисляться и давать тепло только железо биметалла и алюминий из сплавов. Окислится (сгорит) и часть цинка. Но тепла от окисления металлов обычно недостаточно для плавки. Поэтому на каждую тонну шихты по­ дают 130—150 кг кокса. Расход воздуха на 1 т шихты составляет, 1100—1200 м3 (около 8 м3 на 1 кг кокса). Кокс у фурм печи дол­

2—3 Pb, 0,5—1,0 Ni, 1—2 Fe. В черновую медь извлекают около 97% Си, 12—15% Zn, по 60—65 % РЬ и Sn. Остальная часть цинка главным образом переходит в товарную окись цинка.

Газы подвергают грубой и затем тонкой очистке от пыли. После тонкой очистки в рукавных фильтрах получают товарную окись цинка. Шахтные печи, перерабатывающие вторичное сырье, работают обычно очень интенсивно. Удельный проплав шихты составляет 80—90 т/(м2*сут). Небольшая шахтная печь может выплавить за сутки до 200 т меди. Дальнейшая интенсификация

в промышленно развитых странах, в том числе в Советском Союзе и США. Основным достоинством отражательной плавки является большая единичная производственная мощность и высокое извле­ чение меди. Современная отражательная печь (см. рис. 15) в сутки может проплавить 1000—2000 т шихты, содержащей 14— 25 % меди. При этом в штейне будет получено 150—500 т меди, а извлечение ее в штейн достигнет 94—97 %. Также хорошо извле­ каются серебро и золото. Вместе с тем отражательная плавка имеет существенные недостатки: производительность печи в рас­

сульфидов используется незначительно; в печи образуется очень много газов, отвод и очистка которых затруднены; с отходящими печными газами теряется сернистый ангидрид, концентрация ко­ торого в них ниже, чем требуется для использования в сернокис­ лотном производстве. Эти газы наносят большой вред окружаю­ щей среде; теряются, кроме серы, и многие другие металлы (цинк, свинец, рений, германий и др.).

Основные требования к проведению плавки и ее тепловой режим. На плавку в отражательные печи подают мелкую, хорошо перемешанную шихту, составленную по расчету на заранее вы­ бранные шлак и штейн.

Шихта может быть подсушенной (сырой) или горячей обож­ женной. Кроме того, в печь сливают расплавленный конвертерный шлак.

Во время отражательной плавки требуется провести ряд хими­ ческих реакций; получить жидкие шлак и штейн; хорошо их раз­ делить и раздельно выдать из печи. Эти основные задачи можно решить только при правильно организованном сжигании топлива (см. гл. V).

В Советском Союзе отражательные печи принято отапливать главным образом природным газом. В ряде случаев дутье обога­ щают кислородом и подогревают. Загруженная в печь шихта плавится на откосах вследствие излучения тепла горячими газами на их поверхность.

При соблюдении оптимальных условий горения топлива в отра­ жательной печи можно получить температуру факела на неболь­ шом участке до 1600—1700°С. На выходе из печи газы должны иметь температуру, на 50—100°С превышающую температуру жидкотекучести шлака. Чаще всего это 1300—1350 °С. Отсюда следует, что тепловой коэффициент отражательной печи невысок и равен 20—25 %. Слив в печи жидких шлаков конвертеров повы­ шает его до 30—35 %.

По длине печи можно выделить три зоны:

1. Зона загорания топлива. Ее длина зависит от вида топлива, качества его подготовки, типа горелок и составляет 4—6 м. Шихта на этом участке не плавится.

2. Зона горения топлива. Длина зоны довольно постоянна и составляет .12—15 м. В этой зоне развивается наиболее высокая температура и проплавляется около 80 % загружаемой в печь шихты.

3. Зона разделения шлака и штейна. При полной длине печи 30—32 м длина отстойной части составляет 12—14 м. Здесь про­ плавляют остальные 20 % шихты, выпускают из печи шлак и штейн, отводят газы.

Внутри печи газы движутся со скоростью 8—10 м/с. Время пребывания их в печи составляет всего 3—4 с. За такое короткое время между газами и шихтой осуществляется теплообмен и про­ исходят некоторые химические реакции. Отдача тепла газами при общем теплопотоке около 290 млн. кДж/ч составляет 57—

70 млн. кДж/ч. Удельная отдача тепла на некоторых участках откосов равна 840 000 кДж/ч.

Химические реакции, протекающие в отражательной печи, можно разделить на три типа:

1. Реакция диссоциации известняка и высших сульфидов. Урав­ нения этих реакций были приведены ранее. Удаление серы диссо­ циацией более развито при плавке сырой шихты и достигает 40—45 %. Во время плавки обожженной шихты диссоциацией удаляется 15—20 % серы. Простые сульфиды с магнетитом обра­ зуют штейн: Cu2S + FeS + MeS + Fe30 4 -

2. Реакции между сульфидами и оксидами железа, например

магнетит, поступивший в печь с конвертерным шлаком и образо­ вавшийся в ней по реакциям второго типа, может выделиться из штейна и образовать на подине печи настыль. Обогащение дутья кислородом и организация автоматического управления режимом горения позволяют предупредить настылеообразование.

Жидкие продукты плавки накапливаются в ванне и разде­ ляются в ней на два слоя: нижний — штейн и верхний — шлак.

Общую глубину ванны в печи поддерживают около 1000— 1100 мм, в том числе глубину штейна и шлака по 500 мм. Штейн выпускают через сифонное устройство по графику, а шлак — в окно через порог из огнеупорной глины. При этом важно вы­ пускать шлак широкой и тонкой струей.

Капли штейна размером, несколько большим, чем 50 мкм> теряются.

Основные показатели отражательной плавки. Содержание меди в штейне 20—45 %, в шлаке 0,4—0,6 %; извлечение меди в штейн 94—97 %, золота и серебра — около 96%; удельный проплав сырой шихты 4—5, обожженной шихты 6,9 т/(м2-сут); расход условного топлива на плавку сырой шихты 18—22 %, обожженной шихты 12—14 %.§

§ 10. Автогенная плавка медьсодержащего сырья

Первой автогенной плавкой, протекающей периодически без рас­ ходования топлива при среднем расходе его 2—3 % от шихты, была пиритная плавка. Основой теплового баланса печи тогда служили две реакции: 2FeS2 = 2FeS + S2 — 180 кДж и 2FeS+

чески 860—880 кДж, поскольку сернистый газ восстанавливался

и штейн до 1400 °С, а газы до 250—300 °С. Выход газов в расчете на 1 моль пирита составлял 7—8 молей (0,15—0,18 м3).

Попытки плавить концентрат за счет теплотворной способности долго не удавались. На освоение теории плавки ушло около 20 лет. Дело в том, что тепловой баланс автогенной плавки кон­ центрата значительно отличается от баланса пиритной плавки. Это отличие заключается в следующем:

1.В концентрате намного меньше пирита. Так, в 20% -ном медном концентрате, состоящем из пирита, халькопирита и 5 % кварцита, на долю пирита приходится всего 36,5%.

2.При сжигании концентрата в факеле газы нагреваются по меньшей мере до температуры плавления шлака, т. е. до 1250— 1300 °С, тогда как при пиритной плавке температура их составляет всего 250 °С. Вследствие этого с ними отводится в пять раз больше тепла.

3.Пары серы сгорают в факеле, что увеличивает приход тепла, но одновременно возрастает и количество газов, и, следовательно, потери тепла с ними.

Основные реакции автогенной плавки: 2FeS2 = 2FeS + S2 —

Приход тепла в расчете на 2 моля пирита (240 г) увеличился по сравнению с пиритной плавкой примерно в 1,5.раза. Но выход газов возрос с 14 молей практически до 25—26 молей, т. е. почти удвоился. Учитывая, что температура газов в 4—5 раз больше, отвод тепла с ними возрастает в 8—9 раз. Расход воздуха на основ­ ные реакции в нашем примере составил 1,34 м3. В табл. 9 приведен тепловой баланс в расчете на 1 кг концентрата.

Масса шихты на 1 кг концентрата составила 1,3 кг, ее тепло­ творная способность 2510 кДж/кг. Недостаток тепла на плавку составил 4200 — 3276 = 924 кДж. Для восстановления теплового

баланса нужны следующие условия:

1. Плавление только сухой шихты (кроме случая проведения плавки в жидкой ванне) во избежание затрат тепла на парообра­ зование.

2. Получение более богатого штейна. Как правило, чем богаче

получают 50 %-ный штейн, хотя можно получать и более богатые штейны и даже черновую медь.

3.Сжигание топлива. Этот путь нежелателен вследствие раз­ бавления печных газов продуктами горения.

4.Подогрев воздуха. Без изменения материального баланса плавки и химизма процесса подогрев улучшает тепловой баланс.

Внашем примере недостаток тепла, равный 935 кДж при рас­ ходе воздуха 1,34 м3 (все — в расчете на 1 кг концентрата), может быть покрыт подогревом воздуха на х°С. Составляем, принимая ср

воздуха равным 1,32, уравнение: д:* 1,32-1,34 = 935; л: = 530°С. Если в концентрате меньше серы, чем в нашем случае, то дутье нагревают до 800—1000 °С или обогащают его кислородом. На основе подогрева дутья развивался так называемый финский способ плавки (в Советском Союзе — процесс КВП), получивший

внастоящее время широкое распространение во всем мире.

5.Замена воздуха технологическим кислородом. Технологиче­ ский кислород содержит около 95 % кислорода и 5 % азота. Поэтому в отходящих газах количество азота снижается примерно

в25 раз. Вследствие этого и потери тепла с газами снижаются на 75—80 %. Это значит, что в приведенном выше балансе с газами

расход тепла с газами вместо 2310 кДж будет равен всего 460 кДж. Экономия тепла составит 1840 кДж, а необходимое на проведение плавки тепло составит 4200— 1840 = 2360 кДж. Таким образом, вместо дефицита мы будем иметь избыток тепла в коли­ честве 1840 — 920 = 920 кДж. По этой причине продукты плавки сильно перегреваются. Снизить температуру факела можно кессонированием стен циклона, стен печи, разбавлением технологиче­ ского кислорода воздухом, добавкой флюсов.

Содержание кислорода в дутье, обеспечивающее нормальный ход плавки, называется точкой автогенности. Обычно автогенность достигается при 32—45 % кислорода в дутье. Для определения размеров сжигающего устройства важно знать, что в подогретом воздушном дутье шихта сгорает на пути, равном 8—10 м, а в кис­ лороде— на пути около 1—2 м.

и отгонку цинка.

На кислородном дутье работают плавильные комплексы КФП, КИВЦЭТ, на воздушно-кислородном — некоторые печи финской плавки, опытно-промышленные печи .с погруженным факелом.

Большим преимуществом автогенных плавок считается умень­ шение выхода газов по сравнению с отражательной плавкой в 20— 40 раз, лучшее вследствие этого извлечение серы и меди, оздоров­ ление окружающей среды. В табл. f0 приведены основные пока­ затели автогенных плавок.

§ П. Конвертирование медных штейнов

На конвертирование (см. рис. 20) поступают штейны в расплав­ ленном и частично твердом виде; обороты, богатые медью; золото­ содержащий кварцит; подсушенный и окатанный медный концент­ рат, иногда богатая руда. Основная задача процесса конвертиро­ вания — получение черновой меди. Кроме того, при конвертирова­ нии получают газ, пригодный для производства серной кислоты, а также золото из кварцита и возгон некоторых редких металлов (рений, германий).

Процесс конвертирования делится на период набора и период варки.

Период набора. Чтобы залить штейн, конвертер наклоняют горловиной в сторону кранового пролета цеха для того, чтобы поднять фурменные отверстия выше предполагаемого уровня рас­ плава. Затем включают дутье п поворачивают конвертер назад так, чтобы горловина подошла под напыльник, а фурмы погрузи-

лись в штейн и воздух начал проходить через расплав. В то же время на поверхность штейна засыпают кварцит. В пустой 40-т конвертер заливают 3—4 ковша штейна, т. е. 18—30 т. На следую­ щих подачах заливают по одному ковшу штейна, загружают порцию кварца, 30—45 мин продувают расплав воздухом, сливают шлак и повторяют операцию. После каждой продувки в конвер­ тере остается обогащенный штейн (его называют массой). Содер­ жание меди в массе нарастает постепенно от содержания в штейне до конечного содержания (78—80 %). Перед двумя-тремя послед­ ними продувками оно достигает 55—60 %.'Таким образом, «наби­ рают» (отсюда и название периода) столько массы, сколько нужно, чтобы получить, скажем, 50 т меди.

Период варки. После набора приступают к варке. Она начи­ нается с двух-трех холостых продувок, во время которых в кон­ вертер подают кварц и сливают шлак, но не заливают штейн. Цель последних продувок — полное ошлакование железа. Этими продувками заканчивается первый период конвертирования, т. е. удаление железа. После него в конвертере остается белый штейн, т. е. почти чистый сульфид меди, и начинается второй период — получение черновой меди, характеризующийся удалением серы. Конец выгорания железа можно заметить по четырем признакам: пробы штейна кипят, пузырятся, слышен характерный шум (кон­ вертер «шипит»); цвет пламени бледнеет; газоанализаторы пока­ зывают увеличение содержания в газах SO2 на 4—5%, проба штейна имеет серый цвет.

Первый период конвертирования, т. е. период удаления сернис­

допустить быстрого износа футеровки, температуру в конвертере

литую медь), богатые вторичные материалы, цементную медь и гранулированный концентрат. По первой реакции образуется шлак и сернистый газ (13% S).

Реакции (2) и (3) показывают, что пока в конвертере есть сульфид железа, в шлак переходит мало меди. Содержание ее в шлаке составляет 1,0—1,5%. К концу периода в начале варки шлаки резко обогащаются медыо — до 5% и более. В среднем они содержат около 2 % меди.

Очень важны реакции (4) и (5). По реакции (4) образуется магнетит, когда конвертер идет холодно. При пуске конвертера это используют для получения в конвертере «обмотки», т. е. тон­ кой настыли, приваривающейся к футеровке и защищающей ее от воздействия шлака. Но в дальнейшем образования магнетита сле­ дует избегать, так как он тугоплавок и создает настыли, закрывает фурмы, горловину, затрудняет слив шлака из отражательной печи.

Реакция (5) характеризуется снижением содержания магне­ тита. Для этого в конвертер бесперебойно и в достаточном коли­ честве подают кварцит кусками размером 8—40 мм (более мелкие частицы выдуваются из конвертера, более крупнее медленно реа­ гируют), и ведут конвертер горячо (1250°С), так как это способ­ ствует протеканию эндотермической реакции (правило Ле-Ша- телье). Нормальным считается содержание Si02 в шлаке около 25%.

Продолжительность первого периода в значительной степени зависит от содержания меди в штейне, подачи воздуха и органи­ зации работы. При богатом штейне (35—45 %) первый период продолжается 6—9 ч, при бедном (20—30 %) 16—24 ч. По соот­ ношениям веществ, вступающих в реакцию (1), можно опреде­

конвертера на сливе шлака и наборе штейна в лучших случаях составляют 20—22 %. Если к ним добавляются простои из-за несвоевременной подачи штейна, отсутствия ковшей для слива шлака, то использование конвертера под дутьем снижается до 70—75 %.

Второй период обычно продолжается 2—3 ч. При богатом 40—45 %-ном штейне можно за час работы 40-т конвертера выдать до 4—5 т меди. Большие конвертеры выдают 10—11 т/ч меди, хотя коэффициент использования их под дутьем снижается при 40— 45 %-ном штейне до 60.

На заводах в конвертер часто подают не чистый, а загрязнен­

Никаких остановок во время варки не требуется. Выделение тепла по основной реакции второго периода примерно в 8 раз меньше, чем по реакции первого периода. Конец операции определяют пробой на ломок, взятой через фурмы. Готовая черновая медь дает на ломке гладкую корочку.

Подача воздуха в конвертер. При постоянном составе штейна производительность конвертера зависит в основном от поступле­ ния воздуха. Поэтому во время конвертирования систематически

чистят фурмы. Фурмовку ведут при помощи пневматической фурмовочной машины. Фурмы быстро закрываются при холодном ходе конвертера. Чтобы избежать выбросов и в то же время интенси­ фицировать работу конвертера, по мере возможности в первом периоде подают воздух, обогащенный кислородом до 30%.

Техника безопасности на конвертерном переделе. Основные источники опасности — брызги во время фурмовки, брызги через горловину, выбросы массы (очень опасно) и хлопки-выбросы при загрузке сырых материалов. Опасные выбросы возможны при сливе шлака в сырой ковш. Во избежание этого необходимо пра­ вильно использовать спецодежду (очки во время фурмовки, костюм). В конвертер следует загружать только сухие материалы, так же как и сливать шлак только в сухие ковши.

Использование конвертерных газов. Газы выносят из конвер­ тера ценную пыль, содержащую свинец, кадмий, цинк, рений, гер­ маний, индий. Очистку газов от пыли ведут в две стадии. Пер­ вую— грубую — пыль возвращают в конвертер. Тонкую пыль второй стадии передают на специальный передел для извлечения ценных металлов. После очистки конвертерные газы содержат 4—4,5 % SO2. Их следует использовать для производства серной кислоты. Если дутье конвертеров обогащают кислородом, напыльники хорошо уплотнены и правильно сконструированы, то содер­ жание S02 в газах повышается до 6—8 %. При работе на конвер­ тере типа «Норанда» получают газ с 12—15 % S 02.

Качество конвертерной меди. По отраслевому стандарту кон­ вертерную черновую медь выпускают шести марок. В меди первых марок суммарное содержание меди, золота и серебра должно быть не менее 99,2—99,4 %. В ней ограничено содержание сурьмы, мышьяка, никеля и висмута. Обычно в меди первых марок содер­ жится также 0,3—0,5 % 6 2 . В остальных марках содержание меди последовательно снижается до 96%, менее строго лимитируется количество примесей.

Наиболее высокая отпускная цена установлена на медь МЧ-1. Предприятию поэтому выгодно повышать качество продукции. Розлив конвертерной меди удобнее всего вести через миксер на разливочную машину.

Извлечение меди при конвертировании в черновую медь из штейнов с 20—40 % меди достигает 90—96 %. Около 1% меди улавливают в виде пыли и 3—8 % переходит в шлак. Расход воз­ духа в расчете на 1 т меди составляет 4000—9000 м3.

§ 12. Огневое рафинирование меди

Цель операции огневого рафинирования — подготовить черновую медь к электролитическому рафинированию (см. гл. III, § 7). Для этого необходимо удалить по возможности вредные примеси (часто это — кислород, сера, железо, никель, кобальт; реже — цинк, сви­ нец, мышьяк) и разлить медь в виде плотных пластин с ушками —