книги из ГПНТБ / Клушин Д.Н. Применение кислорода в цветной металлургии

в штейне. Однако балансы по сере показали, что с увеличением рас­ хода пирита десульфуризация возрастает. Так, при замене гипса пиритом в количестве 45% от массы шлака содержание никеля в штейне снизилось с 11 до 6,6%, а при расходе пирита 68% — д о 4,7%, десульфуризация в последнем случае превышала 60%. Плавка никелевого агломерата на бедный штейн (6—8% Ni) при содержании кислорода в дутье 22,3% требует расхода 25—30% пирита при вы­ соком расходе кокса порядка 25—30%. При этом десульфуризация превышает 70% [120].

Трудность регулирования состава штейна пиритом может быть проиллюстрирована примером плавки на горячем дутье с расходом

При рядовой плавке никелевого агломерата замена гипса, расход которого составлял 12—16% от массы агломерата, на 4—6% серного колчедана позволила снизить содержание никеля в штейне с 20—22 до 15—17%. Хотя это произошло при одновременном действии еще двух факторов (снижении расхода кокса и уменьшении содержания никеля в руде), влияющих в противоположных направлениях, обед­ няющее действие колчедана очевидно.

Отсутствие прямо пропорциональной зависимости между удель­ ным расходом пирита и степенью обеднения штейна, десульфуриза­ ция более 50% серы пирита и повышение содержания железа в шлаке при большом расходе пирита доказывают, что при плавке отщеп­ ляется не только один из двух атомов серы из FeS2 . но и что часть серы из FeS. также может переходить в газовую фазу. Исследования в шахте печи [122, 282] подтвердили наличие процесса частичного сульфидирования через газовую фазу при плавке с пиритом.

Таким образом, регулирование состава штейна добавкой пирита, хотя и применяется на практике, однако требует принятия мер, ана­ логичных тем, которые необходимы при плавке с гипсом — обеспе­ чения условий восстановления некоторой части окислов железа. Тем не менее при плавке на дутье, обогащенном кислородом, и при других режимах плавки, связанных с низким расходом кокса и уменьшением восстановительной способности печи, добавка пирита позволяет получать более бедные штейны, чем при плавке с гипсом.

Как видно из рис. 38 и табл. 17, плавка на комбинате «Южурал­ никель» на печи сечением 1,3 ж2 с применением серного колчедана в количестве до 11 % от массы агломерата позволила снизить содер­ жание никеля в штейне до 13—15%. Содержание серы в штейне уве­ личилось при воздушном дутье до 25,7% (на гипсе до 17—18% S). С повышением концентрации кислорода в дутье росла металлизация штейна, но даже при 43,4% О 2 штейн содержал 15,9% S, что предо­ храняло от выпадения ферроникеля и обеспечивало сохранение от­ носительно большого объема ванны печи. Следовательно, при добав­ ках колчедана получались лучшие результаты, чем при введении гипса для плавок с обогащенным кислородом дутьем.

100

Учитывая высокую десульфуризацию пирита и серного колчедана нежелательность введения с пиритом дополнительного количества железа и возрастающую растворимость сульфида железа в желези­ стых шлаках, рекомендовать пирит для плавки на обогащенном кис­ лородом дутье и для получения более бедных штейнов, можно лишь пока не будут найдены надежные пути регулирования состава штейна безжелезистыми сульфидизаторами.

Как видно из рис. 38 и табл. 16, при плавке никелевого агломерата на МБЛЗ содержание никеля в шлаке поднялось с 0,22 до 0,26% при 31-—35% 0 2 в дутье. Условная константа равновесия при этом увеличилась с 0,041 до 0,049, что характеризует ухудшение разде­ ления никеля между штейном и шлаком. В связи с этим при 39% 0 2 попытки плавить с минимальным расходом кокса были прекращены, расход кокса немного увеличен и содержание никеля в шлаках со­ ставило в среднем 0,23%.

В отличие от никеля содержание кобальта в шлаках снижалось по мере обогащения дутья кислородом. Уменьшение условных кон­ стант равновесия подтверждало улучшение разделения кобальта» Содержание никеля в шлаках повысилось при плавке никелевого агломерата в печи сечением 7,2 м2 с расходом кокса 22,4% от 0,20 до 0,26 при 25,7% 0 2 в дутье, а в печи сечением 1,3 ж2 , несмотря на применение колчедана вместо гипса и стабилизацию концентрации никеля в штейне, до 0,28% при 43,4% 0 2 в дутье. Содержание ко­ бальта в шлаке также несколько увеличилось. При плавке в печи сечением 6,2 мг при 23,7% 0 2 в дутье концентрация никеля в шлаке возросла с 0,18 (при воздушном дутье) до 0,21% [33, с. 113].

Таким образом, во всех опытных плавках была установлена тен­ денция к повышению содержания никеля в шлаках по мере увели­ чения концентрации кислорода в дутье и уменьшения удельного расхода кокса. Потери кобальта при сопоставимых условиях ока­ зывались неизменными, а в некоторых случаях даже снижались.

На основе закономерностей, вытекающих из закона действующих масс, можно сделать следующие рекомендации по увеличению извле­ чения никеля и кобальта при плавке.

1. Для достижения равновесия необходимы перегрев расплавов, обеспечивающий снижение вязкости и достаточную жидкотекучесть шлака, перемешивание и выдержку, при которых успевают завер­ шиться обменные реакции и расслаивание.

Однако излишний перегрев шлака вреден, так как повышение температуры сдвигает равновесие в сторону повышения содержания никеля и кобальта в шлаках. Считают, что для быстрого расслаива-

101

ния штейно — шлакового расплава необходимо нагреть шлак до тем­ пературы, при которой вязкость его ниже 20 пз. Дальнейшего пере­ грева шлака следует избегать, если это не требуется для осуществле­ ний каких-либо реакций, например восстановления.

2. Значительно повысить извлечение никеля и кобальта можно за счет взаимодействия шлака со сплавом с низким содержанием ни­ келя и кобальта, т. е. в результате плавки на бедный штейн или

а, по крайней мере, в две операции. Один из способов — плавка при первой операции на бедный штейн с получением бедного отвального шлака и обогащение штейна во второй операции, в которой выделяют из штейна железо и направляют в оборот образующиеся железистые шлаки, богатые никелем и кобальтом. Согласно расчетам при сло­ жившихся технологических схемах переработки окисленных нике­ левых руд наивысшее прямое извлечение никеля в файнштейн дости­ гается при плавке на штейны с содержанием 14—15% Ni . Другой способ — плавка на богатый штейн и получение богатого шлака,

азатем обеднение богатого шлака бедным штейном, идущим в оборот,

иполучение при этом бедного отвального шлака.

3.При условиях, обеспечивающих достаточную жидкоплавкость шлаков можно работать в широком диапазоне их состава. Снижение содержания железа в шлаке прямо пропорционально уменьшает кон­ центрацию в нем Ni и Со. Однако извлечение этих металлов возрастает только, если выводить часть железа из сырья. Снижение содержания Fe в шлаке разбавлением его флюсами при неизменной температуре мало влияет на потери со шлаками, так как пропор­ ционально возрастает выход шлака. Введение железистых флюсов ухудшает извлечение, сдвигая равновесие в сторону обратного пере­ хода никеля и кобальта в шлак. Вместе с тем состав шлака не безразличен для результатов плавки, так как, регулируя состав

кобальта и железа плавка на металлический сплав или металлизиро­ ванный штейн дает более высокое извлечение кобальта, чем плавка на высокосернистый штейн, в определенной мере полезно повышать восстановительную атмосферу при плавке.

При плавке на штейн извлечение никеля выше, а потери его со шлаками меньше, чем кобальта, потому, что реакция сульфидиро­ вания закиси никеля в силикатном расплаве протекает полнее, чем реакция сульфидирования закиси кобальта. Распределение каждого из этих металлов между продуктами плавки идет независимо и под­ чиняется закону действующих масс, выражаемому соответствующими константами равновесия. Значения условных констант для никеля

102

на порядок меньше, чем для кобальта. Наличие восстановительной среды и металлизация штейна положительно влияют на повышение извлечения никеля в штейн, но в меньшей степени, чем это наблю­ дается для кобальта.

Накопленные знания и опыт не позволяют пока дать исчерпы­ вающий анализ закономерностей изменения содержания металлов в шлаках при плавках на дутье, обогащенном кислородом. Однако некоторые из них уже известны, а пути их устранения намечены.

Отмеченная в опытных плавках тенденция к повышению содер­ жания никеля в шлаках по мере обогащения дутья кислородом может быть объяснена следующими причинами.

1. Изменением состава штейна: повышением содержания никеля и кобальта и уменьшением серы при шахтной плавке с гипсом. По­ лучение более богатых штейнов вызывает увеличение содержания никеля и кобальта в шлаке; повышенная металлизация штейна про­ тиводействует этому. В результате, концентрация кобальта в шлаках может снижаться или оставаться примерно на постоянном уровне, содержание никеля в шлаках растет, так как влияние металлизации штейна для никеля менее существенно, чем для кобальта.

2. Повышением температуры в фокусе печи и, соответственно, получением более горячих шлаков. С повышением температуры вяз­ кость шлаков уменьшается, что должно улучшать отстаивание суль­ фидных частиц и уменьшать потери. Однако при этом равновесие реакций сульфидирования настолько сдвигается в сторону перехода никеля и кобальта в шлак, что суммарный результат повышения температуры шлаков сказывается неблагоприятно для извлечения.

3. Уменьшением восстановительной способности в шахте печи, приводящим к получению более богатых штейнов, уменьшением вы­ соты коксовой постели или плавкой на минимально допустимом по тепловому балансу удельном расходе кокса, что снижает степень металлизации штейна. Однако минимальный расход кокса отрица­ тельно влияет и непосредственно на распределение никеля между продуктами плавки вследствие повышенного окислительного по­ тенциала шлаков: в окислительной атмосфере условные константы равновесия имеют более высокие значения.

4. Ускорением плавки и сокращением времени отстаивания в горне шахтной печи. Ускорение плавки уменьшает степень проте­ кания реакций восстановления и сульфидирования в шахте печи. В результате при повышении проплава отмечалась тенденция обога­

продуктов плавки в горне печи не оказало заметного влияния на степень расслаивания при нормальном ходе печи.

дутья кислородом до 23,7% повышение содержания никеля и кобальта

103

в шлаках связано в первую очередь с увеличением отношения С 0 2 : : СО, т. е. вызывается ухудшением условий восстановления в печи. Были также подтверждены зависимости содержания никеля и ко­ бальта в шлаках от концентрации этих металлов в штейне и железа в шлаке.

На основании изложенного для уменьшения потерь никеля и кобальта со шлаками при плавке на дутье, обогащенном кислородом, следует:

1)не повышать чрезмерно содержание никеля в штейне (при плавке с гипсом это может быть достигнуто в определенной мере сохранением некоторого избытка кокса в печи, при плавке с пири­ том — увеличением расхода пирита и также поддержанием опреде­ ленного уровня коксовой постели в нижней части печи);

2)не допускать излишнего перегрева шлака (в условиях интен­ сивного горения кокса и высокой температуры в фокусе печи пре­

получить внепечным обеднением расплавленного шлака. Как пока­ зали проведенные опытно-промышленные плавки в электрогорне мощностью 1000 ква с добавкой кокса и сульфидизатора, при перио­ дическом процессе обеднения можно получить отвальные шлаки, содержащие всего 0,05% Ni и 0,016% Со; при непрерывном процессе концентрация никеля в шлаках снижалась на 0,05—0,10% в зависи­ мости от расхода электроэнергии [124—126].

Разрабатываются процессы обеднения шлаков в электропечи с коксовой проводимостью [245], а также в электрогорне с добавкой восстановительно-сульфидирующих комплексов [127]. Применение внепечного обеднения позволяет осуществить процесс по следующей противоточной схеме: форсированная плавка с минимальным рас­ ходом кокса и сульфидизатора с получением богатых штейнов, ко­ торые могут быть продуты в конвертерах до файнштейна с меньшими потерями металлов — обработка богатых шлаков шахтной плавки в электрогорне и извлечение дополнительно никеля и кобальта в бед­ ный штейн, который в качестве сульфидизатора возвращают в шахт­ ную плавку.

П Р О М Ы Ш Л Е Н Н АЯ ШАХТНАЯ ПЛАВКА НА Д У Т Ь Е , ОБОГАЩЕННОМ КИСЛОРОДОМ

На основе проведенных и описанных выше работ на комбинате «Южуралникель» сооружена мощная кислородная станция и осу­ ществляется шахтная плавка на обогащенном кислородом дутье.

Кислородную станцию вводили тремя очередями в течение 1969— 1970 гг. При освоении процесса плавки на обогащенном дутье было обнаружено снижение стойкости кессонов с водяным охлаждением.

104

Замена их в шахте печи испарительным охлаждением обеспечила

В течение ряда лет удельный проплав агломерата на ЮУНКе оставался неизменным вследствие достижения предельно большого расхода воздушного дутья.

Использование дутья, обогащенного кислородом, повысило удель­ ный проплав агломерата на 22,5% по сравнению с воздушным дутьем, позволило впервые за последние годы увеличить количество проплав­ ляемой руды (рис. 39).

Удельный расход кокса снизился на 17%. Температура отходя­ щих газов изменилась мало. Пылевынос несколько сократился.

105

Содержание никеля в шлаках в среднем увеличилось на 0,02%. Шлаки стали более железистыми вследствие снижения расхода из­ вестняка и уменьшения их выхода. Сравнение фактического содер­ жания никеля и кобальта в шлаках с расчетным показывает, что применение обогащенного кислородом дутья в указанной концентра­ ции оказало незначительное влияние на потери металлов со шла­ ками.

полную мощность на комбинате получена экономия 4,15 млн. руб. (при этом учтены расходы на производство кислорода и возросшие потери никеля и кобальта со шлаками). Были снижены эксплуата­ ционные расходы (главным образом на кокс и известняк, а также условно-постоянные расходы) и получена дополнительная прибыль от увеличения производства никеля. Капитальные затраты окупились за 2,2 года.

В настоящее время пущена кислородная станция и идет освое­

ШАХТНАЯ ПЛАВКА МЕДНОГО, СВИНЦОВОГО

ИЦИНКОВОГО СЫРЬЯ

ШАХТНАЯ ПЛАВКА М Е Д Н Ы Х РУД И АГЛОМЕРАТА

Шахтная плавка медного агломерата на медеплавильном заводе Иртышского комбината относится к полупиритному типу. До пуска кислородной станции плавку вели на воздушном дутье с расходом кокса не более 8—9% от массы шихты. На плавку поступал агло­ мерат, содержавший до 15% Си, 12—14% S и сравнительно богатый свинцом и цинком [129].

Характерными особенностями плавки на воздушном дутье были: большой расход воздуха, высокий проплав, низкий уровень сыпи, высокая температура отходящих газов и большой унос с ними пыли и возгонов (табл. 22).

Уровень сыпи обычно составлял 2—2,5 м от уровня фурм. Вы­

постоянно наблюдались продувы. Ведение плавки с передувом под­

ставу агломерата, содержала более 10% серы и догорала в колош­ нике благодаря наличию свободного кислорода. Оплавление части-

106

107

чек пыли способствовало образованию настылей в верхней части печи, шатре и «гусиной шее» и разрушению последних. Чтобы сбить настыли, печи ежедневно останавливали, частые ремонты газоходной системы требовали больших капитальных затрат.

Из данных по распределению металлов по продуктам плавки (табл. 23) видно, что потери меди со шлаками были невелики — всего 2,3%; в шлак переходило 63,9% цинка. Переход свинца в воз­ гоны составлял всего 18,4%, несмотря на высокую температуру газов.

В 1960 г. был пущен блок кислородной станции КТ-3600. Промыш­ ленные испытания по применению кислорода начали на заводе совместно с ВНИИцветметом и вели в три этапа с различными кон­ центрациями кислорода в дутье (см. табл. 22) [129—131 ]. Одновре­ менно с увеличением содержания кислорода в дутье из-за недостатка агломерата при повышенной производительности печей был значи­ тельно снижен расход воздуха и поэтому максимальная производи­ тельность печей при плавке на дутье, обогащенном кислородом, не была установлена.

Из данных табл. 22 видно, что с повышением концентрации кисло­ рода в дутье до 25,2% удельный проплав возрос на 15% и составлял 116 ml (м2-сутки). При достаточном количестве агломерата проплав достигал иногда 135, а в отдельные смены 150 т/(м2 -сутки). С учетом выноса пыли проплав был несколько ниже и составлял при воздуш­ ном дутье 93,4, а при 25,2% кислорода в дутье 108 ml{м1 - сутки), т. е. прирост проплава от обогащения дутья составлял 16%.

В ходе испытаний расход дутья был существенно снижен. Так, при воздушном дутье он составлял 1,215 ж 3 дутья на 1 кг проплавлен­ ной шихты, при 25,2% 0 2 в дутье 0,937, при 27,3% 0 2 0,775 м31кг шихты.

Т А Б Л И Ц А 23. Р А С П Р Е Д Е Л Е Н И Е М Е Т А Л Л О В П О П Р О Д У К Т А М П Л А В К И М Е Д Н О Г О А Г Л О М Е Р А Т А П Р И В О З Д У Ш Н О М

И О Б О Г А Щ Е Н Н О М К И С Л О Р О Д О М Д У Т Ь Е , %

Р а с п р е д е л е н и е о/

/0

108

Если бы расход дутья на всех этапах исследования был неизменным, то проплав увеличивался бы больше и при содержании кислорода в дутье 27,3% составил 157% от величины проплава на воздушном дутье (рис. 40).

Увеличение содержания кислорода в дутье позволило значи­ тельно уменьшить расход кокса по сравнению с воздушным дутьем: при 25,2% 0 2 расход кокса снизился на 22,3%. Использование кислорода дутья улучшилось. Уменьшились и интервалы колебаний температуры. Изменений в составе возгонов почти не произошло. Потери меди со шлаками уменьшились и потери свинца почти не изменились, распределение цинка между продуктами плавки также мало измени­ лось.

Непрерывная эксплуата­ ция печей в течение первых лет на дутье, обогащенном кислородом, подтвердила основные выводы результатов испытаний и внесла в них коррективы. На Иртышском комбинате не пошли по пути повышения удельного про­ плава шихты, а увеличили сечение печи и плавили боль­

ше шихты при обогащении дутья кислородом до 27—30% при удельном проплаве, уменьшенном до 80—90 ml (м?-сутки).

Применение кислорода существенно изменило ход шахтных печей. В результате сокращения высокотемпературной зоны и усиления периферийного хода печи температура отходящих газов снизилась в среднем с 600 до 300—400° С и прекратилось настылеобразование. Пылевынос сократился на 15—20%, что при одновременном сниже­ нии температуры отходящих газов значительно улучшило работу пылеулавливающих устройств. Печь стала менее чувствительной к качеству загружаемых материалов и появилась возможность вво­ дить в шихту и плавить мелкий клинкер. Сроки службы газоотводящего тракта возросли, значительно сократились простои печи. Износ кессонов не изменился. Фурмы стали более светлыми, и отпала необходимость в регулярной их прочистки. Температура расплава, выходящего из печи, поднялась на 30—50° С, что позволило освоить сифонный выпуск штейна из переднего горна с применением копильника и полностью отказаться от работы с кувалдой при открывании шпуров и леток. С внедрением кислородного дутья на всех рабочих местах шахтного передела резко улучшились санитарно-гигиениче­ ские условия и почти полностью был ликвидирован тяжелый физи­ ческий труд.

При неизменной производительности экономия кокса из-за доро­ говизны кислорода не окупала расходов на его производство. Однако технологические преимущества плавки на обогащенном дутье были

109