книги из ГПНТБ / Серебряный Я.Л. Электроплавка медно-никелевых руд и концентратов

Участки печи, не имеющие собственных тепловыделений, снаб­ жаются теплом благодаря теплообмену в ванне печи, который про­ исходит в основном в результате конвекционного движения шлака, переносящего тепловую энергию из горячих зон в более холодные.

Конвекция шлака возникает в результате неравноценности в теп­ ловом отношении различных участков шлаковой ванны. Как уже

о

0,5 -

М % УроОень Ванны

О

Рис. 14. Распределение напряжения (%), тока и объемной мощности [в относительных объем­ ных единицах (о/е)] в вертикально-поперечном сечении ванны с учетом погружения шихты в расплав и формы рабочего конца электрода:

отмечалось, максимальное количество тепла выделяется в области контактов электрод—шлак. В этих участках слой шлака, прилегаю­ щий к поверхности электродов, сильно перегрет. Плотность пере­ гретого шлака значительно уменьшается, так как увеличивается объем многочисленных газовых пузырьков, растворенных в расплав­ ленном шлаке. Поэтому возникает разница в плотностях шлака в слоях, прилегающих к поверхности электрода и отдаленных от него участках ванны. Более легкие массы перегретого шлака непрерывно ■

50

всплывают около электродов на поверхность и растекаются по зер­ калу ванны во все стороны от электрода (рис. 15). Встречая на своем пути откосы плавающей шихты, потоки перегретого шлака отдают им избыток своего тепла и расплавляют шихту на поверхности кучи, погруженной в ванну. Потоки шлака, смешиваясь с холодным рас­ плавом шихты, опускаются в нижние глубинные слои ванны.

Д. А. Диомидовский, изучая вопросы конвекционного теплооб­ мена в лабораторной электропечи, показал, что на уровне концов электродов одна часть нисходящих потоков шлака разворачивается

- Д - О

ч т

к электродам, дойдя до них, перегревается в контактной зоне элек­ трод—шлак и вновь поднимается на поверхность ванны. Другая часть охлажденного шлака, смешанного с расплавленной порцией шихты, опускается в нижние слои ванны, где конвекция выражена очень слабо. Здесь происходит разделение штейна и шлака.

Таким образом, в верхней части шлаковой ванны, равной величине погружения электрода, непрерывно циркулирует шлак по замкну­ тым траекториям (см. рис. 15). Линейная скорость движения шлако­ вого потока составляет 1—2 м/с. Нижний, подэлектродный слой шла­ ковой ванны можно считать застойным, так как он почти не участвует в конвекционном движении, особенно, если ванна очень глубока.

Потоки горячего шлака по мере движения от электродов отдают избыток своего тепла более холодным частям ванны и тем самым поддерживают их тепловой баланс. Участки печи, в которые посту­ пает мало горячего шлака или он сильно охлажден, испытывают недостаток тепла (углы печи, удаленная поверхность стен). В них происходит образование настылей.

Таким образом, конвекционное движение шлака — важнейший рабочий процесс в электропечах: оно обеспечивает теплообмен в ванне и плавление шихты. Согласно Д. А. Диомидовскому, активное плавление шихты происходит в слое ванны, измеряемом глубиной погружения электродов, т. е. в зоне, где имеется энергичная цирку­

ляция конвекционных потоков. В плане печи эта зона располагается в. пределах 1,5—2 диаметров электродов от оси печи.

На глубину конвекционного теплообмена значительное влияние оказывает экранирующее действие откосов шихты, находящихся в ванне. По данным Г. М. Шмелева, в руднотермических печах Но­ рильского комбината при значительном погружении шихты в расплав интенсивная циркуляция конвекционных потоков не ограничивается зоной, расположенной в пределах заглубления электрода (/гэ), а распространяется на глубину, равную —31г3.

Так как электроэнергия преобразуется в тепловую по объему шлаковой ванны неравномерно, то и температура отдельных участков ванны неодинакова: максимальное значение температур относится к верхним слоям расплава, минимальное— к нижним. Г. С. Нус установил на модели электропечи, что температурное поле в шлако­ вой ванне в продольном и поперечном направлениях равномерно

иизменяется только в вертикальном направлении, в основном в под­ электродных слоях. Причем зона, ограниченная заглублением элек­ трода, является практически изотермической (т. е. имеет постоянную температуру), что объясняется наличием в ней интенсивного кон­ вективного теплообмена.

Г.М. Шмелев, проводя исследования на промышленной печи Норильского комбината, показал, что при плавке с глубоко погру­ женными откосами шихты величина верхней изотермической зоны равна примерно трехкратному заглублению электродов. Темпера­ тура в этой зоне приблизительно равна температуре .плавления шлака

исоставляет 1350— 1450е С. Нижняя часть шлаковой ванны харак­ теризуется довольно значительным перепадом температур в верти­ кальном направлении (примерно 2,7—4° С на 1 см высоты слоя). Вблизи границы со штейном температура шлаковой ванны сни­ жается до 1350—1300°С.

Картину теплового поля печи так же, как и электрического, опре­ деляет величина заглубления электрода. С увеличением заглубления электрода происходит перемещение в глубь ванны зон, отвечающих наиболее активному выделению энергии.

Поданным Г.М. Шмелева, при постоянной мощности печи (28 МВт)

за шчет снижения подводимого к электроду напряжения с 270 до 235 В заглубление электрода увеличилось с 290 до 450 мм (рис. 16). При этом нижняя граница верхней изотермической зоны шлаковой ванны переместилась с уровня 900 мм (от зеркала ванны) на отметку 1200 мм, а температура шлака на расстоянии 1600 мм от зеркала ванны увеличилась с 1230 до 1300° С.

В результате перемещения очага тепловыделения ближе к штейновой ванне температура последней повысилась на 110° С. В гори­ зонтальном сечении верхней и нижней части шлаковой ванны перепад температур практически отсутствует (по замерам Г. М. Шмелева он составляет 20—40° С, т. е. находится в пределах ошибки изме­ рения).

При нормальных условиях работы электропечи штейновый слой ванны всегда перегрет. Его температура находится в пределах

52

1300—1100° С. Увеличение температуры штейна может наступить при сильном перегреве шлака и резком уменьшении толщины слоя штейна. И, наоборот, при увеличении толщины шлакового и штейнового слоев температура донных слоев штейна снижается вплоть до образования настыли на подине печи.

Поскольку в тепловом отношении отдельные участки ванны не­ равноценны, то, очевидно, и скорость плавления шихты по мере

Рис. 16. Распределение температуры по высоте ванны при работе электропечи на мощности 28 МВт. Точка / расположена между электродами, точки 2, 3 — по оси электрода. Напряжение электрод—подина 260—270 В, заглубление электрода в ванну 280—290 мм

удаления от электродов будет резко снижаться. О скорости плавле­ ния шихты ■молено судить по скорости схода (плавления) откоса шихты. Замеры, выполненные Г. М. Шмелевым, показывают (рис. 17), что при мощности печи 28 МВт возле электрода скорость схода шихты

в7 раз больше, чем у боковой стенки (соответственно 0,7 и 0,1 м/ч).

Всвязи с этим основную часть (80—90%) шихты загружают в приэлектродную зону, находящуюся от оси в пределах 1,5 диаметра электрода. Интенсивное плавление шихты происходит не только на поверхности откоса, погруженной в ванну и обращенной в сто­ рону электрода, но и в объеме шлаковой ванны.

Установлено, что шихта достигает зоны плавления термически неподготовленной. Из табл. 9 следует, что при погружении тер­

53

мопары в откос на глубину 1800 мм («Печенганикель») и 1450 мм («Североникель») температура шихты не превышает 100° С. Лишь на расстоянии 200—300 мм от границы между поверхностью откоса и шлаком происходит резкий подъем температуры (до 1000—1200° С).

Расст ояние от продольной оси пени, нм

Рис. 17. Изменение скорости схода шихты по мере удаления от поверхности электрода при мощности 28 МВт (точки /, 2, 3 и т. д.), 24 МВт (точки 7', 2', 3' и т. д.), 20 МВт (точки 7", 2"). Уровень ванны 1900 — 2100 мм. В верхней части рисунка показана схема расположения шихтовых куч в ванне печи (разрез по оси электрода), в нижней — расположение точек за­ мера

Прогреву шихты потоком горячих газов, выделяющихся из рас­ плава, препятствует сплошная спеченная корка по границе расплав— поверхность откоса и малая газопроницаемость шихты. В этих усло­ виях передача тепла от тепловоспринимающей поверхности откоса к его центру протекает замедленно, так как шихта имеет низкую теплопроводность. Это обстоятельство обусловливает низкую тем­ пературу внутри откоса.

Следует отметить, что в зоне наиболее интенсивного схода шихты откосы не имеют корки на границе шихта — расплав. В этом участке

54

3.Точка замера расположена в средней части печн на расстоянии 1700 мм от оси печн («Североннкель»), 1470 мм («Печенганикель»), 1350 мм (НГМК).

4.Расстояние от поверхности откоса, граничащей с подсводовым пространством, на котором были выполнены начальные замеры температуры, 100—200 мм для всех трех заводов.

шихта пронизывается горячими газами, но вследствие большой скорости схода она не успевает прогреться до высоких температур.

При правильно выбранных электрических параметрах плавки тепловой режим ванны поддерживают заданной загрузкой шихты

впечь. Для уменьшения потерь тепла теплоизлучением зеркало ванны стремятся как можно полнее закрыть шихтой. При равномерной загрузке печи шихтой в количестве, соответствующем плавильной возможности печи, температура ванны около откосов шихты под­ держивается на постоянном уровне, равном температуре плавления шлака. При недостаточном поступлении шихты в печь имеющаяся

вней шихта расплавляется и шлаковая ванна перегревается.

Газовое пространство электропечи не оказывает большого влия­ ния на процесс нагрева и плавления шихты. Образующиеся при плавке газы смешиваются в подсводовом пространстве с холодным воздухом, который подсасывается в печь через неплотности в своде. Вследствие низкой температуры подсводового пространства и малой

55

теплопроводности шихты откосы, возвышающиеся над уровнем ванны, прогреваются очень слабо и влага из их верхних слоев пол­ ностью не испаряется.

Рассмотрим важнейшие физико-химические превращения, про­ текающие при плавлении шихты. В состав шихты для электроплавки могут входить руда, подсушенный неокускованный флотокоицентрат, агломерат, обожженные окатыши и оборотные конвертерные шлаки, углеродистый восстановитель, кварцевый флюс.

Компоненты шихты электроплавки состоят из следующих суль­

(тМеО -/zSiOo). В шихте в незначительном количестве могут при­ сутствовать также сульфаты (MeS04); карбонаты (МеС03); гидраты \Ме (ОН)2].

Физико-химические превращения шихтовых материалов и обра­ зование продуктов плавки происходит в основном в ванне печи на поверхности шихты, погруженной в шлак. Конвекционные потоки перегретого шлака, соприкасаясь с поверхностью шихты, отдают ей избыток своего тепла и нагревают шихту до температуры плав­ ления штейна и шлака. При нагревании шихты до 1000° С в ней протекают процессы термического разложения сложных сульфидов, сульфатов, карбонатов и гидратов:

Fe7S8 = 7FeS 4-V 2S2;

2CuFeS2 = CuoS -)-2FeS -j-V,S,;-

3 (Fe, Ni) S = 3FeS + Ni3S2 + V2S2;

MeS04 = MeО -f S 03;

Me C03 = MeO -J- C 02;

Me (OH)2 = MeO + H 20.

В результате этих процессов состав шихты упрощается — обра­ зуются более простые и устойчивые соединения. Наряду с процес­ сами термического разложения сложных соединений при нагреве шихты до 1000° С в ней возникают процессы взаимодействия между различными химическими соединениями, наиболее важные из ко­ торых — реакции между сульфидами и окислами. При повышении температуры шихты до 1000—1300° С эти процессы получают актив­ ное развитие. Сульфиды никеля, кобальта, меди, железа расплав­ ляются и, взаимно растворяясь, образуют основной продукт элек­ троплавки — штейн. В штейне растворяются также благородные металлы и часть магнетита. Реакции штейнообразования можно представить следующим образом:

Си,О -f- FeS = Cu,S -j- FeO; 3NiO + 3FeS = Ni3S2 + 3FeO + V2S2;

CoO -)- FeS = CoS ф- FeO; 2CU 20 -j-Cu2S = 6CÜ -|-S 0 2; 2Cu -j- FeS = Cu2S -j- Fe;

CuO - Fe20 3 ф- (Cu2S -f FeS) = 3Cu ф- Fe30 4 + S2.

56

В результате этих реакций образуется смесь жидких компонен­ тов штейна: Ni3S2, Cu2S, CoS, FeS, Fe30 4, благородные металлы.

Окисленное железо и другие основные окислы (CaO, MgO), вступая во взаимодействие c S i0 2, образуют силикаты типа тМеО-

• nSi02, которые, смешиваясь в расплавленном состоянии, образуют другой продукт электроплавки — шлак. Ниже приведены основные реакции шлакообразования:

В результате данных реакций образуется смесь компонентов шлака: (FeO)2-SiÖ2, CaO-Si02, MgO-Si02, Fe30 4. Расплавленная смесь штейна и шлака разделяется в ванне печи по плотности.

При нагреве шихты и ее плавлении, кроме жидких продуктов плавки, образуются и газообразные. Основная масса газов всплы­ вает на поверхность ванны и поступает в подсводовое пространство печи; друдая часть газов растворяется в шлаке, чем и объясняется большая его нагазованность.

Сера при электроплавке удаляется в результате термического разложения сульфидных минералов и взаимодействия высших окислов металлов с сульфидами железа. Десульфуризация при плавке руд и сырых концентратов составляет 15—18%, при плавке агломе­ рированного флотоконцентрата с восстановителем 2—5%, при плавке руды и окатышей (30% от массы шихты) 18—20%.

Следует отметить, что в химических реакциях образования продуктов плавки наряду с компонентами твердой шихты активное участие принимает жидкий злектропечной шлак, который постоянно омывает поверхность погруженных в ванну откосов. При взаимо­ действии электропечного шлака с плавящейся шихтой непосред­ ственно в районе плавления образуются конечные продукты плавки. Участие в процессе плавления шихты жидкого шлака исключает возможность накопления на поверхности соприкосновения шихта— шлак тугоплавких составляющих шихты, так как они вымываются из поверхности плавления жидким шлаком и усваиваются ванной. Поэтому в электропечах успешно перерабатывают руды и концен­ траты с повышенным содержанием таких тугоплавких составляющих, как окись магния.

Усиленное конвекционное движение шлака в электропечах соз­ дает благоприятные условия для переработки в ванне жидкого кон­ вертерного шлака, заливаемого для извлечения из него никеля, меди и кобальта. В результате-конвекции перерабатываемый кон­ вертерный шлак энергично контактирует с сульфидами, флюсами твердой шихты и с восстановителем. При этом содержащиеся в шлаке магнетит и другие ферриты восстанавливаются и перерабатываемый шлак насыщается кремнеземом. В итоге этих процессов конвертерный

57

шлак обедняется ценными металлами и дорабатывается почти до состава отвального.

При добавке в шихту углеродистого восстановителя (коксик, уголь) шлаки обедняются более эффективно, так как активизируется процесс восстановления ферритов и окислов металлов. Восстанов­ лению этих соединений способствует конвекционное движение шлака в ванне электропечи, обеспечивающее непрерывный «скользящий» контакт шлаковых масс с восстановителем. При взаимодействии восстановителя со шлаком в первую очередь будут восстанавливаться окислы меди, никеля, кобальта и железа. Но поскольку окислов железа в шлаке больше, чем окислов других металлов, то преиму­ щественно будут восстанавливаться окислы железа. В результате получается металлический сплав, состоящий в основном из железа. Этот сплав растворяется в штейне и образуется так называемый металлизированный штейн. Взаимодействие шлака с углеродистым восстановителем может быть представлено следующими взаимосвя­ занными реакциями:

(Ме0)шл + С0 = [Ме]спл + С02; С + СОо = 2СО.

Здесь символом Me обозначен любой из металлов: Ni, Си, Со, Fe. Соединения, находящиеся в шлаковой фазе, заключены в круг­ лые скобки, в штейновой и металлической — в квадратные. При прохождении капелек сплава и металлизированного штейна через шлаковый слой происходит восстановление окислов меди, никеля и кобальта металлическим железом штейна согласно реакции:

(МеО)шл + [FeCT= [Ме]спл + (FeO)mjl.

Восстановленные металлы растворяются в штейне и, реагируя с сульфидом железа, переходят в сульфидную форму согласно урав­ нению

[Ме}спл + [FeS] = [МеБ]шт + [Fe]"eT.

Таким образом, при введении в шихту электроплавки коксика восстановление цветных металлов шлака осуществляется как не­ посредственно углеродистым восстановителем, так и металлическим железом. Причем основная масса окислов восстанавливается метал­ лическим железом штейна. Наибольший эффект обеднения шлаков от добавки восстановителя в шихту электроплавки получается при переработке обожженного материала (агломерата, окатышей), со­ держащего легковосстановимые окислы железа. Вопросы обеднения шлаков более подробно изложены в § 30.

58

Г л а в а /У

П Р О Д У К Т Ы Э Л Е К Т Р О П Л А В К И М Е Д Н О -Н И К Е Л Е В Ы Х Р У Д

И К О Н Ц Е Н Т Р А Т О В

Продуктами электроплавки сульфидных медно-никелевых руд и концентратов являются штейн, шлак, газы и пыль. Штейн — про­ межуточный продукт металлургического производства, направляе­ мый на дальнейшую переработку в конвертерный передел; шлак — отвальный продукт, поскольку содержание металлов в нем незначи­ тельно. Газы очищают от пыли и выбрасывают в атмосферу, а улов­ ленную пыль возвращают в плавку.

§ 10. Штейн

Штейн электроплавки сульфидно-никелевых руд и концентратов состоит в основном из сульфидов никеля (Ni3S2), сульфидов меди (Cu2S) и сульфидов железа (FeS). Кроме того, в состав штейна вхо­ дит сульфид кобальта и некоторое количество свободных металлов или их сплавов. В заводских штейнах, как правило, растворено не­ значительное количество золота, серебра, платиноидов. В штейне могут частично растворяться и компоненты шлака: окислы железа, кремния, магния и т. д.

Суммарное содержание никеля и меди в штейнах электроплавки составляет 13—25%, серы— в пределах 22—27%. Этого количества серы недостаточно для связывания в сульфидную форму всех содер­ жащихся в штейне металлов. Из-за недостатка серы часть металлов (главным образом железо) растворена в штейне в элементарном виде или в виде окислов типа Fe3Ö4.

Содержание свободных металлов в штейне зависит от состава шихты. При электроплавке необожженного сырья без добавки вос­ становителя в медно-никелевых-щтейнах дефицит серы незначителен, поэтому в них очень мало металлического железа (1—2%). Прак­ тически можно считать, что такие штейны не металлизированы. При электроплавке руды и обожженных окатышей (30% от массы шихты) с добавкой восстановителя (2—2,5%) содержание металли­ ческого железа в штейне составляет 8— 10%. Особенно значителен дефицит серы в штейне, полученном при электроплавке малосерни­ стого (4—6% S) агломерата с добавкой 1,5—2% восстановителя. В этом случае содержание растворенного в штейне металлического железа возрастает до 17% (при содержании серы —23%). Такой штейн сильно металлизирован. При плавке агломерата с содержа­ нием серы 8— 10% степень металлизации штейна составляет 8—12%.

Химический состав заводских медно-никелевых штейнов элек­ троплавки приведен в табл. 10.

При электроплавке сульфидных медно-никелевых руд и концен­ тратов полнота разделения штейна и шлака зависит от разницы их плотностей. Чем больше эта разница, тем совершеннее разделение.

59