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

получали никель с таким же содержанием серы и кислорода, как и на воздушном дутье: 93,6% никеля, 2% серы и 12% окисленного никеля. Проводили также продувку воздухом и воздухом, обога­ щенным кислородом, расплавленного никелевого концентрата, полученного от обогащения медно-никелевого файнштейна. И в том и в другом случаях был получен металл с содержанием 0,6—1,7% S

и 2—3,5% 0 2 .

Проведенные опыты, несмотря на их кратковременность и по­ исковый характер, показали возможность получения металлического никеля в конвертере при температуре —1600° С. Такая высокая температура не достижима при использовании обычного воздушного дутья.

в конвертер подавали высококалорийное топливо, например при­

США составляет 0,05%. По патенту компании ИНКО [189] процесс заканчивался при температуре 1650° С, что определяет содержание серы в металле около 0,5%.

В этот же период в СССР, в институте «Гипроникель», были продолжены лабораторные и укрупненно-лабораторные исследова­ ния [190—192] по получению металлического никеля продувкой файнштейна кислородом и газо-кислородной или мазуто-кислород­ ными смесями. Полупромышленные испытания этого способа были проведены на одном из заводов черной металлургии [193]. Установка для продувки расплава состояла из вертикального конвертера объемом 8,14 м3, фурмы для подачи дутья и пульта управления с кон­ трольно-измерительными приборами. Фурма для подачи кислорода была изготовлена из цельнотянутой водоохлаждаемой трубы дли­ ной 5560 мм со сменной медной головкой. В процессе проведения исследований были также использованы газо-кислородные и ма- зуто-кислородные горелки.

Исходные никелевые концентраты предварительно высушивали при 400° С. Часть высушенного концентрата проплавляли в электро­ печи и загружали в конвертер в виде больших кусков. Загрузку материала в конвертер в проплавленном и непроплавленном виде осуществляли порциями по 600—800 кг. После загрузки в конвертер концентрата или сплава включали газо-кислородную или мазутокислородную горелки и расплавляли материал. При достижении температуры 1300—1400° С кислородно-топливную горелку выклю­ чали и начинали продувать расплав кислородом, через 5—12 мин замеряя температуру и отбирая пробы расплава. Расход кислорода на продувку составлял 30—38 м31мин.

Для охлаждения и поддержания температуры расплава на уровне 1550—1600° С концентрат подавали в конвертер при отключенном

160

дутье порциями по 500 кг. Опыты показали, что продувка кислородом расплавленного сульфидного никелевого полупродукта позволяет снизить содержание серы до 0,5—0,6%. Дальнейшее уменьшение концентрации серы протекает значительно медленнее. Содержание кислорода в конечном продукте составляло от 3 до 19%, была уста­ новлена определенная зависимость концентрации кислорода от оста­ точного содержания серы в расплаве. Так, например, концентрация кислорода при уменьшении содержания серы в расплаве мало меня­ лась до 4% S и резко возрастала по мере дальнейшего снижения.

При продувке расплава кислородом и одновременном сжигании мазута или природного газа в токе кислорода содержание серы в ме­ талле падало до десятых долей процента. Однако было установлено, что скорость выгорания серы при этом заметно уменьшалась. В про­ цессе кислородной продувки наблюдается резкое снижение содер­ жания цинка и свинца в расплаве. Остаточное содержание в металле составляло: 0,01—0,001% Zn, 0,005—0,001% РЬ.

Для футеровки конвертера использовали магнезито-хромитовый кирпич марки ПШ, который за период проведенных исследований никаких заметных разрушений не имел. Тем не менее для оконча­ тельных суждений о стойкости этого кирпича необходимы более длительные испытания.

Дальнейшие исследования по получению анодного никеля про­ дувкой сульфидного расплава кислородом в конвертере были про­ должены в полупромышленных условиях. Были установлены основ­ ные технологические показатели и показано, что процесс продувки необходимо вести при интенсивной подаче кислорода с таким рас­ четом, чтобы в средине продувки температура была около 1700, а в конце 1750° С. Холодные присадки целесообразно подавать при температуре свыше 1700° С. Соблюдение этих условий обеспечивало переход в сплав 75—78% Ni, 70—76% Со и 86—92% Си, остальное количество металлов переходило в закись. Потери металлов в этом процессе составляли около 1 %. Технико-экономические расчеты показали высокую экономическую эффективность этого способа полу­ чения анодного никеля.

КО Н В Е Р Т И Р О В А Н ИЕ Ф Е Р Р О Н И К Е Л Я

Впроцессе восстановительной электроплавки окисленных ни­ келевых руд и при кричном способе их переработки образуется же­

больше железа и примесей. Для извлечения никеля и кобальта из

Исследования в промышленных условиях по переработке бед­ ного ферроникеля в конвертере с применением кислородного дутья были проведены в 1959—1960 гг. Гипроникелем и ЦНИИчерметом на Ново-Тульском металлургическом заводе [194, 195].

Опыты проводили в конвертере емкостью 8 м3, снабженном водоохлаждаемой фурмой для подачи кислорода и напыльником. Фурма имела длину 5,5 м и медный наконечник с соплом диаметром 30 мм. Фурму фиксировали в специальных направляющих с перемещением в вертикальном направлении. Расход воды на охлаждение фурмы составлял 9 л/сек при избыточном давлении 6—8 am. Методика про­ ведения опытов следующая: в конвертер, нагретый газовой горелкой до 1000° С, заливали 7—9 m расплавленного ферроникеля, вво­ дили на расстоянии 0,7—0,9 м от уровня расплава фурму и вклю­ чали кислородное дутье. В первом периоде происходило выгорание примесей (кремния, хрома, углерода, марганца и др.). В конце первого периода сливали шлак. Во втором периоде фурму опускали ближе к расплаву и окисляли железо. Шлака образовывалось го­ раздо больше, чем в первом периоде, и его сливали каждые 5— 10 мин.

Когда к конвертере оставалось массы 3—4 т, заливали новую порцию ферроникеля и продолжали продувку до получения массы с заданным содержанием никеля. Продолжительность первого пе­ риода составляла 10—25 мин (в зависимости от концентрации при­ месей), второго периода 45—60 мин.

Температуру расплава поддерживали на уровне 1520—1560° С, но к концу процесса она поднималась до 1620—1650° С. Температуру расплава регулировали изменением расхода кислорода, высотой расположения фурмы, а также подачей флюсов и воды. В качестве флюсов использовали известняк или известь. Расход известняка составил 0,6 кг/кг железа, удаляемого из расплава. Шлак при этом со­ держал 20% СаО.

В процессе исследования было установлено, что в результате недостаточного перемешивания расплава при подаче дутья сверху реакция взаимодействия шлака с расплавом не успевает завер­ шиться, а как следствие этого получается повышенное содержание никеля и кобальта в шлаке.

В связи с этим были проведены опыты по перемешиванию рас­ плава воздухом, азотом и аргоном. Перед сливом после перемеши­ вания шлаки отстаивали. Операцию перемешивания расплава осу­

1,5 мин подавали воздух, аргон или азот. Расход этих газов состав­ лял 5 м3/мин при избыточном давлении 2 am. Продолжительность отстаивания шлаков после этого перемешивания составляла 5—6 мин. Результаты этих исследований показаны на рис. 61.

Продолжительность кампании конвертера, отфутерованного пе- риклазо-шпинелидным кирпичом, составила 24 ч, из которых под дутьем он находился 6 ч. Наибольший износ футеровки имел место в зоне шлакового пояса. В результате опытов было доказано, что

162

основными причинами быстрого износа футеровки конвертера яв­ ляются высокая температура и агрессивные действия при этом шла­ ков, в особенности железистых второго периода конвертирования.

при разложении известняка и воды.

4. Периклазо-шпинелидная футеровка конвертера показала не­ удовлетворительную стойкость и подбор более стойких огнеупоров для этого процесса очень важен.

ПЛАВКА КОНЦЕНТРАТОВ В К О Н В Е Р Т Е Р Е

Вначале 60-х годов в развитии процесса конвертирования штей­ нов с применением воздуха, обогащенного кислородом, наметилось два основных направления. Одно направление, прошедшее стадию промышленной проверки (Балхашский комбинат) и получившее про­ мышленное внедрение в СССР на Иртышском комбинате — конвер­ тирование штейнов с применением обогащенного кислородом дутья. Второе направление, освоенное на Балхаше, — плавка окатанных медных концентратов (руд) в конвертере и последующая переработка образующегося штейна с применением обогащенного кислородом дутья [196, 127].

Впервые плавка окатанных медных концентратов на дутье, обо­ гащенном кислородом в промышленном конвертере, осуществлена на заводе Хитати фирмы Nipon Mining Со (Япония) в 1956 г. Перевод завода Хитати на плавку гранулированных концентратов в конвер­ тере с использованием дутья, обогащенного кислородом до 35%, позволил увеличить выпуск меди с 19 в 1956 г. до 60 тыс. m в 1967 г.

163

[58, 198—207]. На заводе Хитати действуют пять конвертеров (2,8 X X 6,15 м) и две шахтные печи вместо 10 прежних. Концентрат по этому способу плавят следующим образом: сначала в конвертер зали­ вают немного штейна, чтобы создать ванну, затем в него загружают

дом флотации. Содержание меди в флотохвостах составляет 0,3%. Эти хвосты, содержащие, кроме меди, 45—50% Fe; 7% Zn; 0,4% Sn и 0,7% РЬ, предполагается использовать в дальнейшем для произ­ водства стали. Извлечение меди в черновую при плавке в конвертере возросло по сравнению с плавкой в шахтной печи более чем на один процент за счет уменьшения выхода шлака, уменьшения потерь с от­ ходящими газами, которых стало меньше, и снижения механических потерь.

На заводе Коппер-Клифф (Канада) медный концентрат, получен­ ный при флотационном разделении файнштейна, плавят также в кон­ вертере на дутье, обогащенном до 30% кислородом [202]. В отличие от Хитати, на заводе Коппер-Клифф в конвертер не загружают окатан­ ный концентрат, содержащий 8% влаги. Плавка сырого, неокатанного концентрата, как показал опыт эксплуатации конвертера, хотя и увеличивает расход кислорода, но значительно упрощает схему передела. Освоение процесса плавки концентратов на кислородном дутье позволило увеличить производительность конвертеров по меди на 50%, сократить число действующих конвертеров и электрических печей.

Фирмой Kennecott Copper Corp. после предварительных опытов на промышленном конвертере и детальных экономических расчетов было принято решение о переработке в конвертерах на реконструиро­ ванном заводе Гарфилд (шт. Юта, США) смеси сырых медных кон­ центратов и цементной меди [203, 204].

Предварительные опыты, проведенные в промышленном конвер­ тере, оборудованном пушкой Горра, в течение 10 недель, в период которых было проведено 44 плавки, показали, что затруднения с за­ висанием концентрата в бункерах начинались только при содержании влаги свыше 10%. В цементной меди содержание влаги было 6— 9,6% и при ее загрузке никаких затруднений не было.

Опытами было установлено, что по сравнению с воздушным дутьем применение дутья, обогащенного кислородом до 30%, повышает кон­ центрацию сернистого ангидрида в отходящих газах с 4—4,5% до 6,5—9,5%, а температуру отходящих газов на 28—85 град. Изме­ няется в лучшую сторону и состав конвертерных шлаков: содержа­ ние кремнезема в нем повысилось с 23 до 25,7%, магнетита умень­ шилось с 23 до 20,6%. Содержание меди в шлаке при этом снизи­ лось с 4,8 до 3,21 %. По данным опытов на 1 m кислорода, вводимого в дутье, можно плавить 6,1—9,6 m сырого концентрата. Продолжи­ тельность плавки в конвертере при переработке 36—145 m сырых концентратов увеличилась в среднем на 3%, но средняя масса полу-

164

500 т/сутки количество получаемой на заводе серной кислоты (в ос­ новном из отходящих газов отражательных печей) без существенной реконструкции завода, но с переходом на эксплуатацию двух отража­ тельных печей вместо трех.

Фирма Kennecott Copper Corp. (США) с 1968 г. применяет дутье, обогащенное кислородом, в конвертере на заводах Хейден (шт. Ари­ зона) и Чино (шт. Нью-Мексико) [205]. На заводе Хейден плавят медный концентрат и получают штейн с применением дутья, обога­ щенного кислородом, в одном конвертере, а в другом конвертере этот штейн также на обогащенном дутье перерабатывают на черно­ вую медь. На заводе Чино концентрат плавят и получают черновую медь с применением воздуха, обогащенного кислородом, в одном конвертере.

На заводе Анаконда (США, шт. Монтана) были проведены иссле­ дования в промышленном конвертере по продувке штейна воздухом, обогащенным кислородом, только в первом периоде конвертирования [206]. Опыты по продувке белого штейна воздухом, обогащенным кислородом, окончились неудачно, так как в процессе продувки наблюдалось вспенивание и выбрасывание массы. Было высказано предположение, что выброс массы происходил в результате интенсив­ ного взаимодействия закиси и сульфида меди с образованием сер­ нистого газа. Одновременно было замечено, что во втором периоде конвертирования при использовании дутья, обогащенного кисло­ родом, повышалась температура ванны конвертера, а загружаемый медный скрап медленно растворялся в слое черновой меди и не успе­ вал регулировать температуру расплава.

Проведенные опыты показали, что применение дутья, обогащен­

исследования по применению дутья, обогащенного кислородом до 28%, при конвертировании медного штейна, содержащего 47% Си

что эксплуатационные расходы при этом процессе примерно такие же, как и при работе на воздушном дутье, а капитальные расходы на строительство нового завода с использованием кислородного дутья значительно меньше. На заводе Нкана (Замбия) строится кис­ лородная установка —• вторая в мире по мощности из числа исполь­ зуемых на заводах цветной металлургии (540 т/сутки 98,5%-ного кислорода). Кислород этой установки будет использован в отража­ тельных печах и конвертерах [209—214].

165

В СССР в промышленном масштабе технология приготовления гранул из медных концентратов и плавка их в конвертере на дутье, обогащенном кислородом, была впервые освоена на Балхашском горно-металлургическом комбинате [149, с. 33; 163; 196; 197]. Аппа- ратурно-технологическая схема этого процесса приведена на рис. 62.

Медный концентрат после предварительной подсушки в барабане подается в бункера шихтарника. В шихтарнике находятся также бункера хранения пылей конвертеров и отражательных печей. Хими­ ческий состав концентрата и пылей приведен ниже, %:

Каждый бункер оборудован уровнемером, тарельчатым питателем и весовым дозатором. Из этих бункеров концентрат в определенном соотношении с пылями конвертеров и отражательных печей подают в промежуточный бункер, а из него в двухвалковый смеситель. Из смесителя шихта поступает в чашевой гранулятор диаметром 4,2 м, высота борта чаши 0,6 м. Скорость вращения чаши 2—7,5 об/мин. Одновременно с шихтой в чашу гранулятора подается водный рас­ твор сульфит-спиртовой барды. Гранулированная шихта крупностью +5—20 мм из чашевого гранулятора ленточным питателем подается в сушильную печь. Сушильная печь представляет собой шахту сече­ нием 3,3 X 2,27 и высотой 5,1 м. Подина печи выполнена из перфори­ рованного стального листа толщиной 6 мм и живым сечением 20% и установлена под углом 31° к горизонту. Высота слоя гранул в нем составляет 170—300 мм. Гранулы сушат при температуре 140— 160° С газо-воздушной смесью, которую получают в топке, находя­ щейся вблизи сушильной печи. Топливо—высокосернистый мазут. Отходящие газы сушильной печи направляют на очистку. Сухие гра­ нулы элеватором подают в бункер-копильник. Из бункера-копиль- ника гранулы ленточным питателем и таким же элеватором подаются на вибрационный рессорный грохот размером 2,5X1,6 м. Мелкая

шихты, несколько отличаются от обычных шлаков по содержанию железа и других примесей в связи с повышенной концентрацией

166

этих примесей в гранулах по сравнению с кварцевым флюсом. Од­ нако значительного заметного влияния этих примесей на жидкотекучесть шлака и содержание в нем меди не обнаружено. Установ­ лено влияние порядка загрузки гранул в конвертер на содержание меди в шлаках. Загрузку гранул следует вести сразу после залива горячего штейна, а затем добавлять небольшими порциями по мере разогрева массы в конвертере. Флюсы задают перед окончательной обработкой шлака.

Вусловиях БГМК плавка гранулированной шихты в конвертере несколько ухудшила качество черновой меди: содержание свинца увеличилось на 16%, мышьяка на 33% и железа в два раза. Однако необходимо иметь в виду, что на БГМК стали перерабатывать в кон­ вертерах и черновой металл Иртышского комбината, весьма загряз­ ненный именно мышьяком и свинцом, что естественно сказалось на качестве металла.

Вработе [307] описано конвертирование медно-свинцово-висму- товых концентратов с применением кислорода в опытном конвер­ тере, имеющем внутренние размеры 500X1100X1500 мм [215]. Кон­

ходного отверстия 54 мм, через которую концентрат вдували непо­ средственно в расплав и продували его кислородно-воздушной смесью.

Сжатый воздух для продувки расплава подавали от второго ком­ прессора, а перед фурмой смешивали с кислородом, поступавшим от кислородной рампы. Содержание кислорода в дутье в период опытов изменяли от 28 до 40%. Газообразные продукты плавки на­

Данные анализа исходного концентрата и продуктов плавки по­ мещены в табл. 41.

Проведенные плавки концентрата на воздушном дутье показали, что выделяющегося в этом случае тепла недостаточно для поддержа­ ния процесса. За период плавки температура расплава падала на 150—200 град. Установлено, что автогенность процесса обеспечи­ вается при условии обогащения дутья кислородом до 30% и расходе концентрата 1,1 кгімъ дутья.

При обогащении дутья кислородом до 26—40% степень его ис­ пользования составляет 96,6—98,5%. Содержание сернистого ангид­ рида в отходящих газах составило 19—22%. Производительность конвертера по концентрату была 500 кг/ч, давление воздуха перед фурмой 0,7—1,1 am. Зарастания фурмы не наблюдалось.

При плавке концентрата пылевынос не превышал 4%. Потери висмута с отходящими газами составляли 0,7%. Применение воз­ духа, обогащенного кислородом, позволяет достичь высокой произ­ водительности конвертера по перерабатываемому концентрату без использования большого количества медного штейна и получать бога-

168

потери

тые сернистым ангидридом газы. С подачей концентрата через фурмы в расплав устраняется дополнительная операция его грануляции и обеспечивается минимальный механический пылевынос.

Н Е П Р Е Р Ы В Н О Е КОНВЕРТИРОВАНИЕ

Процесс конвертирования штейнов осуществляется в настоящее время в аппаратах периодического действия. Периодичность про­ цесса ограничивает время нахождения конвертера под дутьем, вызы­ вает непроизводительно большие потери тепла и создает неблаго­ приятные условия службы футеровки. Цикличность существующего процесса конвертирования создает известные трудности при исполь­ зовании тепла и серы разбавленных конвертерных газов.

Разработка аппаратов непрерывного действия проводится уже давно, однако до настоящего времени еще не создано агрегата до­ статочно надежной в работе конструкции.

В начале сороковых годов Н. П. Диевым и коллективом Красноуральского медеплавильного завода была сооружена полупромыш­ ленная установка и проведены исследования по непрерывному кон­ вертированию медного штейна. Установка представляла собой футе­ рованный огнеупорным кирпичом желоб длиной до 4 м, немного наклоненный к горизонту, по которому подавали штейн. С двух сторон желоба по всей его длине были расположены фурмы для по­ дачи кислорода. Над желобом были размещены бункера для подачи флюсов. По замыслам авторов исследования, штейн, подаваемый из ковша в желоб, по мере движения подвергается воздействию кисло-

169