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

рода и флюсов, при этом в желобе за время движения должны закан­ чиваться все процессы первого и второго периодов конвертирования. Из желоба расплавленная масса поступала в отстойник, откуда должна была выпускаться черновая медь и шлак. На этой установке было проведено несколько опытов, которые не удавалось закончить

сполучением конечных продуктов конвертирования.

В1959 г. Д. А. Диомидовским были опубликованы результаты исследований по разработке аппаратуры и технологии процесса не­ прерывного конвертирования медных штейнов [216]. Исследования были проведены на холодных гидравлических моделях, огневых уста-

Штейн

Рис. 63. Схема агрегата для непрерывного конвертирования

новках лабораторного масштаба и укрупненном огневом стенде, со­ оруженном на Балхашском медеплавильном заводе. Наиболее пол­ ная программа исследований была выполнена на укрупненном огне­ вом стенде производительностью 1,5 т. Схема основного агрегата для непрерывного конвертирования штейна изображена на рис. 63. Опыты проводили на воздушном и обогащенном кислородом дутье. В процессе исследований по непрерывному конвертированию медных штейнов на упомянутом стенде БГМК были получены конечные про­ дукты — черновая медь и шлак. На основании опытов был спроекти­ рован агрегат производительностью 250 т/сутки.

В дальнейшем изучение процесса непрерывного конвертирования штейнов было перенесено на Уфалейский никелевый завод, где была сооружена установка, аналогичная огневому стенду БГМК, но ем­ костью 3 m штейна [217]. Опыты проводили как на воздушном, так и на обогащенном кислородном дутье.

Была установлена принципиальная возможность ведения не­ прерывного процесса конвертирования никелевого штейна, было до­ казано, что применение дутья, обогащенного кислородом, при верх-

170

ней его подаче позволяет осуществить высокотемпературный процесс конвертирования никелевого файнштейна непосредственно до ме­ талла, так как в этом случае температура ванны без ущерба для футе­ ровки агрегата может составлять 1650—1700° С.

На основании исследований, выполненных в СССР Д. А. Диомидовским в 1960 г., в техническом университете в Кошице (Чехосло­ вакия) была смонтирована экспериментальная печь, типа отража­ тельной для непрерывного конвертирования медного штейна, про­ изводительностью 6—7 m штейна в сутки [218]. В первый период эксплуатации установки на ней перерабатывали расплавленный штейн, который подавали через отверстие в задней стенке агрегата. Затем были смонтированы вспомогательные горелки, и стали пере­ рабатывать твердый штейн, учет массы которого был налажен точ­ нее. Воздух давлением 6 am вдували в ванну конвертера с помощью трех трубок, укрепленных в своде. Отверстие в своде для загрузки кварца было сделано вблизи от места крепления трубок для подачи воздуха.

Выбранное соотношение между длиной конвертера и шириной позволяло обеспечивать хорошее разделение шлака, белого штейна и меди. Шлак непрерывно вытекал через сливное отверстие в перед­ ней стенке конвертера, а металлическая медь оседала на дно и также непрерывно выпускалась. В процессе проведения исследований уста­ новку несколько раз переделывали и совершенствовали и в итоге конструктивно она была доведена до такого состояния, по утверж­ дению исследователей, когда на ней можно было вести непрерывно процесс конвертирования.

По данным исследователей, эта установка по сравнению с обыч­ ным конвертером имеет следующие преимущества:

1. Позволяет избегать больших простоев, характерных для обыч­ ных конвертеров, и, следовательно, имеет более высокую произво­ дительность и сводит до минимума потери тепла.

2.Вредное воздействие высоких температур на огнеупорную футе­ ровку практически устранено, а образование гарниссажа на футе­ ровке указывает на практически неограниченное время использо­ вания футеровки конвертера.

3.Конвертерные газы не разбавляются воздухом, они постоянны

по концентрации сернистого ангидрида и теплосодержанию.

4. Конвертерные шлаки получаются с более низким содержанием меди.

Исследования на этой установке продолжаются.

С 1963 г. на заводе Порт-Кембл (Австралия) ведутся исследова­ ния по разработке непрерывного процесса, предложенного австра­ лийским ученым X. Уорнером, получения черновой меди из медного концентрата в одном стационарном агрегате типа отражательной печи с фурмами, расположенными вертикально над ванной [201, 219—224).

Этот процесс, получивший название Воркра (Worcra) (по первым буквам фамилии автора и названия фирмы), объединяет три зоны: плавильную, окислительную (конвертер) и обеднения шлака.

171

Медный концентрат, предварительно подсушенный, загружают в среднюю часть печи, в плавильную зону (рис. 64). Образующийся при плавке штейн стекает в левую часть печи, где расположена кон­ вертерная зона и где он подвергается продувке воздухом с получением черновой меди, содержащей до 1 % S. Черновую медь выпускают через сифон в этой же (левой) части печи. Шлак находится в отстой­ ной зоне печи (правой), где его смешивают с пиритом, углем и дру­ гими материалами и из него выделяется бедный штейн. Этот штейн

//

//

Черноеая

медь

периодически выпускают и заливают в конвертерную зону печи. Шлак, содержащий до 0,4% Си, выпускают с правой стороны печи в отвал.

Важная особенность процесса, по утверждению автора, — турбу­ лентное движение шлакоштейновой массы в ванне обеспечивает вы­ сокие скорости взаимодействия фаз. Противоположные направления движения штейно-металлической фазы и шлака приводят к обедне­ нию последнего по меди до ее содержания в шлаке отражательной плавки.

Расход топлива в данном процессе на 20—40% ниже по сравне­ нию с отражательной плавкой той же производительности, за счет тепла, выделяемого при окислении штейна и используемого в той же печи для плавки концентрата. В период полупромышленных испы­ таний (производительность печи составляла 7 т/сутки) были полу­ чены удовлетворительные результаты: содержание меди в металле 98,8%, в шлаке 0,4%.

В настоящее время рассматривается возможность строительства завода на основании этого процесса [225]. Авторы процесса Воркра считают, что по сравнению о существующими он упрощает схему производства (исключаются операции обжига и переработки конвер-

172

терного шлака), снижает расход топлива, численность обслуживаю­ щего персонала, сокращает потери меди и капитальные затраты (за счет уменьшения объема и площади здания завода). Исследования по отработке этого процесса продолжаются.

В марте 1968 г. научно-исследовательским центром фирмы Noranda Mines в Канаде были начаты испытания процесса непрерыв­ ной плавки медного концентрата на опытной установке стоимостью 1,2 млн. долл [225, 226]*. Процесс фирмы Noranda Mines отличается от процесса Воркра тем, что он осуществляется во вращающемся кон­ вертере с фурмами, расположенными сбоку. На опытном конвертере из медного концентрата, содержащего 26% Си, 30% Fe, 33% S, 4% Si0 2 , 7% влаги, была получена металлическая медь с содержа­ нием 98,6—99% Си и шлак с 0,2—0,3% Си.

Рис. 65. Схема аппарата для переработки медного концентрата на черновую медь

К 1969 г. П О Я В И Л И С Ь сообщения [227] о новых разработках аппа­ ратуры и технологии непрерывного процесса переработки медного концентрата с получением черновой меди в одном агрегате. В работе [227] описана плавка медного концентрата, содержащего 27% Си, 32% Fe, 35% S и флюса с 3% Си, 6% Fe, 4% S и 78% Si0 2 во взве­ шенном состоянии в зоне А печи (рис. 65). В процессе плавки про­ водили окисление всего железа и почти всей серы. В зоне Б печи

тами плавки FeS2 во взвешенном состоянии в зоне Г печи. Темпера­

в этот период исследования были направлены на разработку и со­ здание как аппарата для проведения непрерывного процесса кон­ вертирования штейнов, так и аппарата-комбайна для одновремен­ ного проведения процесса непосредственной плавки концентрата, кон­ вертирования штейна и получения черновой меди.

Накопленный уже определенный опыт по исследованию комбини­ рованного процесса переработки медных концентратов дает основа­ ние предполагать, что исследователи, разрабатывающие этот про­ цесс, близки к созданию промышленного агрегата.

173

Г л а в а X I

ФЬЮМИНГОВАНИЕ ШЛАКОВ

При фьюминговании шлаков металлы, окислы и сульфиды, имею­ щие значительную упругость паров, возгоняются, а нелетучие ме­ таллы и сульфиды переходят в сплав или в штейн. Данные о лету­ чести некоторых металлов и их соединений, извлекающихся при фью­ минговании в газовую фазу, приведены в табл. 42 [228 с. 7].

Как следует из табл. 42, цинк улетучивается преимущественно в виде металла; его окись и сульфид при температуре фьюмингования

наличие восстановительной атмосферы, а для олова наряду с высокой температурой большое значение имеет протекание реакций сульфи­ дирования.

174

В табл. 43 приведены расчетные значения констант равновесия, изменений изобарного потенциала и равновесных составов газовой фазы по данным А. И. Окунева, близко совпадающим с эксперимен­ тальными данными [229, с. 51].

!

I

вием высокой степени отгонки цинка из шлаков является большая величина отношения СО : (СО - | - С0 2 ) при достаточно высокой тем­ пературе.

Восстановление окиси цинка твердым углеродом рассматрива­

нута вправо (рис. 66). Это значит, что твердый углерод также вос­ станавливает окись цинка через газовую фазу и не вносит принци­

и образование окиси углерода для восстановления окислов металла, содержащихся в шлаках.

Регулирование состава газовой фазы осуществляется условиями сжигания топлива, характеризуемыми коэффициентом расхода воз­ духа a (отношение количества вдуваемого в печь воздуха к количе­ ству воздуха, необходимому для полного сжигания топлива). При различных концентрациях кислорода в дутье точнее называть а коэффициентом расхода кислорода, что не меняет, однако, его чис­ ленных значений.

По расчетам (см. табл. 44), при а = 1 теоретически достигается полное сгорание топлива до С 0 2 и получается максимальный тепло­ вой эффект. По мере снижения a в отходящих газах растет концен­ трация СО, снижается С 0 2 и, соответственно, уменьшается тепловой эффект. При a = 0,5 все топливо теоретически сгорает до СО, а тепловой эффект составляет всего 27% от максимального.

Практически при фьюминговании свинцово-цинковых шлаков под­ держивают a равным 0,85 в период разогрева и 0,67 в период восста-

176

новления. При увеличении а возрастает приход тепла и повышается температура расплава, но снижается восстановительная способность газов, при уменьшении а расплав начинает охлаждаться.

Скорость процесса фьюмингования зависит от объема газов, про­ ходящих через расплав в единицу времени и парциального давле­ ния паров цинка в объеме образующихся газов. Необходимо стре­ миться вводить в расплав в единицу времени максимально возмож­ ное количество дутья. От количества вводимого в расплав воздуха и соотношения уголь—воздух зависит температура процесса и вос­ становительная способность, определяющие парциальное давление паров цинка в газовой фазе.

На основании таких расчетов А. И. Окунев [229, с. 68] показал, что восстановительная способность печи (отношение СО/(СО -|~С02 ) оказывает большее влияние на отгонку цинка, чем повышение тем­ пературы при одинаковой активности цинка в шлаковом расплаве (рис. 67 и 68).

Исходя из представлений о состоянии, близком к равновес­ ному в промышленном процессе фьюмингования, можно выяснить влияние дутья, обогащенного кислородом. Если сохранить объем дутья и подачу угля в единицу времени неизменными, а дутье обо­

шится СО и восстановительная способность газов снизится. Одно­ временно произойдет повышение температуры за счет более полного сжигания угля до С 0 2 и уменьшения объема отходящих газов. В связи-с уменьшением концентрации азота в отходящих газах, пар­ циальное давление окиси углерода возрастет. Таким образом, по­ следние два фактора будут содействовать интенсификации процесса фьюмингования, но первый — снижение восстановительной способ­ ности — противодействовать. Очевидно, такой способ использова­ ния кислорода малоэффективен.

Если одновременно с обогащением дутья кислородом при неиз­ менном расходе воздушно-кислородной смеси увеличивать расход топлива в единицу времени, то можно снизить а и повысить восста­ новительную способность печи, регулируя соотношение кисло­ род : уголь таким образом, чтобы температура расплава не умень­ шалась. При этом скорость возгонки цинка и производительность

должны возрастать, а противодействующих факторов не будет. Воз­ можен и другой вариант процесса, когда а поддерживается неиз­ менным за счет увеличения расхода топлива, а избыток тепла рас­ ходуется на плавление холодных присадок, что также повышает производительность фьюминговой печи.

Теоретический анализ влияния кислорода на процесс фьюмингования шлаков был выполнен А. И. Окуневым [232]. В расчете был

178

ность продувки 160 мин. При обогащении дутья кислородом было поставлено дополнительное условие, чтобы температура расплава оставалась неизменной.

С этой целью необходимо было увеличить расход угля в единицу времени, чтобы при возросшей подаче кислорода уменьшить полноту

туры.

Как видно из рис. 69, особенно эффективно обогащение дутья до

28% 0 2 . Сопоставление с данными практики в Трейл и на УКСЦК показывает, что в промышленных условиях обогащение дутья кис­ лородом давало меньший эффект, чем по расчету. Это может быть вызвано различными факторами: на УКСЦК это вызывалось сниже-

Т А Б Л И Ц А 45. В Л И Я Н И Е О Б О Г А Щ Е Н И Я Д У Т Ь Я К И С Л О Р О Д О М Н А П О К А З А Т Е Л И П Р О Ц Е С С А Ф Ь Ю М И Н Г О В А Н И Я