книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

В современных электротермических печах эффективность исполь­ зования тепла достаточно высокая (70—75%). Поток тепла в электро­ печи распространяется снизу вверх по схеме шлак — шихта — газы. Обычно электроды погружены на глубину шлакового слоя, благодаря чему температура штейна (металла) в электропечи на 50—100° выше по сравнению с температурой расплава в нижних слоях ванны отра­ жательной печи.

Преимущества электроплавки особенно заметны при переработ­ ке тугоплавкой шихты. Количество газов на 1 т шихты при этом в 10—12 раз меньше объема газов, покидающих отражательную печь. Злектроплавка, несмотря на высокий тепловой к. п. д., связана с большим расходом электроэнергии. Однако эту энергию можно полу­ чать при сжигании низкосортных углей, в то время как для отопления отражательной печи требуется высокосортное топливо.

В производстве тяжелых цветных металлов электротермический способ плавки нашел широкое применение в металлургии никеля [36]. В наиболее крупных масштабах электроплавка сульфидных никеле­ вых руд и концентратов ведется на советских заводах Заполярья и на заводе «Томпсон» в Канаде; особенно большие достижения в этой области имеет комбинат «Североникель». Высокие технологические показатели электроплавки объясняются не только освоением процес­ са, но и переводом электропечей на глубокую ванну, увеличением мощности трансформаторов, изменением соотношения толщины сло­ ев жидких шлака и штейна, изменением метода загрузки печи и со­ става шлака.

Глубина ванны в электропечах заводов СССР доведена до 2,5 м, а отношение между высотой слоев шлака и штейна увеличено до 2,4 : 1. Переход на глубокую ванну и измененный метод загрузки шихты с добавлением небольшого количества углерода заметно повы­ сил удельную производительность печи, которая увеличилась более чем в 2 раза, тогда как удельный расход электроэнергии уменьшился до 700 квт-ч/тшихты.

Первая промышленная электропечь с самоспекающимися элект­ родами, предназначенная для переработки медных концентратов, по­ строена в Сулительме (Норвегия). Печь мощностью 3000 ква успешно проработала около пяти лет, перерабатывая медные концентраты с содержанием 20—25% меди при расходе электроэнергии 584 квт-ч на 1 тшихты [37, 38]. На основе этого опыта в Финляндии построили большую печь диаметром 10 м и мощностью 9000 ква для плавки кон­ центратов, содержащих 20 % меди. При переработке в этой печи смеси обожженных и сырых концентратов содержание меди в штейне коле­ балось от 38 до 45%, а в отвальном шлаке — от 0,3 до 0,6% ; расход

Ю

электроэнергии составлял 475—500 квт-ч на 1 г твердой шихты, термический к. п. д. печи — 68,5 %.

Наиболее крупным предприятием, перерабатывающим медные концентраты электротермическим способом, является завод «Роншер» в Швеции [38, 39, 40]. Завод перерабатывает в основном мед­ ные мышьяксодержащие концентраты, которые обжигаются в много­ подовых печах для удаления основной части мышьяка и получения огарка с определенным содержанием серы для последующего полу­ чения штейна оптимального состава.

В Болгарской Народной республике на заводе в Пирдопе медный концентрат обжигается в печах кипящего слоя и подвергается плав­ ке в электропечи с площадью пода 30 м2. Проплав около 6 т/м2 ■сут­ ки, удельный расход электроэнергии 394 квт-ч/т. Содержание меди в штейне 36 %, в шлаке — 0,3—0,35 %.

По данным [41, 42], смесь сырых концентратов, огарка и цемент­ ной меди перерабатывается электротермическим способом на заводе «Джинджа» (Уганда), производительность которого по черновой меди около 10 тыс. тігод. На заводе «Коппер-Клиф» [43] в электропечах плавят богатый медный концентрат, получаемый после флотацион­ ного разделения медно-никелевого файнштейна.

Вопрос о целесообразности применения в нашей стране электро­ термического способа переработки медных концентратов обсуждался на страницах периодической печати [44—49], а сам способ детально проверялся в укрупненном и полупромышленном масштабах

[50—55].

Исследования показали, что с точки зрения достижения комп­ лексности использования сырья электроплавка медных концентратов является прогрессивным способом, в достаточной степени поддающим­ ся интенсификации и требующим сравнительно небольших затрат труда.

Сопоставлением способов плавки медных концентратов в отра­ жательных и электропечах установлено, что электроплавка обеспечи­ вает высокое извлечение содержащихся в медном концентрате сопут­

медных концентратов. Однако способ электроплавки для переработки сульфидных медных концентратов используется недостаточно полно, что, очевидно, обусловлено высокой стоимостью электроэнергии и не­ обходимостью предварительной подготовки шихтового материала. Можно полагать, что элѳктроллавка окажется целесообразной и в случае переработки тугоплавких шихт, так как их переработка в отражательных печах вызывает известные затруднения.

11

Пожалуй, единственным в мире предприятием, перерабатываю­ щим богатые свинцовые концентраты электротермическим способом, является завод «Роншер», выплавляющий свинца около 40 тыс. т/год [56]. Вследствие высокого содержания свинца в концентрате (75% РЬ) плавка в электропечи ведется реакционным способом без какойлибо специальной подготовки. Потребление электроэнергии при плав­ ке составляет 810 квт-ч/'т рафинированного свинца при общем извле­ чении его в металл около 98 %.

Основным достоинством способа является возможность его при­ менения для переработки богатых по свинцу концентратов, хотя обра­ зование большого количества оборотных материалов (около 60%), осложняет технологию и снижает удельный проплав.

Несмотря на ряд крупных исследовательских работ [57—60], собственно восстановительная плавка свинцового агломерата в элект­ ропечи в промышленном масштабе пока еще не применяется.

Электротермический способ извлечения свинца и сопутствующих ему металлов из сульфидных концентратов путем плавки их с содой был предложен К. В. Сушковым [61—63].

В области производства цинка электротермический процесс на­ чали применять в 30-х годах XX века [57—64].

Первое современное крупное предприятие для получения цинка электротермическим методом было построено фирмой «Сент-Джозеф Лед» в г. Джозефтаунасе (США). Применяют этот метод на заводах Комодоро-Ривадавия (Аргентина), Миккайчи (Япония).

По данным названных предприятий, электротермический способ позволяет получать достаточно чистый цинк и окись цинка прямым путем. Однако потребность в высокосортном сырье, необходимость тщательной подготовки шихты, большой расход дорогих огнеупоров, сложная схема разделки и сортировки отходов, а также значительное количество оборотов, зависящее от содержания цинка, остающегося

враймовке, ограничивают его использование.

Впоследние годы для получения цинка из сравнительно бедных железистых цинковых руд стали применять руднотермические элект­ ропечи (завод «Пальмертон», США) с жидкой шлаковой ванной [65]. В результате плавки цинксодержащего материала получают шлак, чугун и конденсированный жидкий цинк. Однако этот процесс имеет существенные недостатки, связанные с большим расходом электро­ энергии и размазыванием металлов между продуктами плавки: цинк загрязнен примесями, а железистый сплав, содержащий медь, явля­ ется некондиционным продуктом.

ВСоветском Союзе восстановительный электротермический про­

цесс применяют на Беловском цинковом заводе для переработки цинковистых концентратов [66], а также на Украине — для вторичных

12

цинксодержащих материалов. Этот способ применяется также для комплексной переработки шлаков цветной металлургии с целью доизвлечения из них ценных элементов с использованием силикатной части для строительных и других целей [57].

Рассмотренные варианты электротермического процесса широко распространены в никелевой промышленности и при комплексной переработке богатых медью малосернистых концентратов Централь­ ного Казахстана. Однако вопрос применения электротермии для пе­ реработки бедных по меди высокосернистых концентратов остается пока дискуссионным. Существенным препятствием при этом являет­ ся невозможность осуществления в плавильном пространстве окисли­ тельных процессов, вследствие чего не удается даже в малой степени использовать теплотворную способность сульфидного сырья и регу­ лировать состав штейна. Высокая стоимость электроэнергии в неко­ торых районах страны и необходимость предварительного обжига или специальной подготовки шихтовых материалов также сдержи­ вает развитие этого способа.

Применение электротермии в производстве свинца [67] требует всестороннего и детального изучения процесса с целью улучшения его основных технологических показателей и устранения некоторых существенных недостатков, особенно при извлечении свинца и сопут­ ствующих ему элементов и повышении удельной производительно­ сти плавильных электропечей. Следует заметить, что основные тех­ нико-экономические показатели восстановительной электроплавки свинцового сырья пока еще ниже, чем показатели обычной шахтной плавки свинцового агломерата.

ШАХТНАЯ ПЛАВКА

Несмотря на широкое распространение флотационного обогаще­ ния руд и существенное изменение способа плавки минерального сырья, метод шахтной плавки в металлургии цветных металлов, по существу, остается одним из основных пирометаллургических про­ цессов, применяющихся в производстве никеля, свинца, меди и не­ которых других цветных металлов [68—70].

Взависимости от состава исходных материалов, характера их превращений и взаимодействий в процессе существуют две основные разновидности шахтной плавки: восстановительная плавка окислен­ ной или обожженной сульфидной руды и окислительная плавка суль­ фидной руды за счет тепла, выделяющегося при окислении суль­ фидов.

Всовременной металлургии цветных металлов восстановитель­ ная шахтная плавка нашла наибольшее применение для выплавки

13

свинца из агломератов, переработки окисленных никелевых руд и в меньшей степени — для переработки окисленных медных, оловянных руд и различных шлаков. Прямая переработка кусковых руд в шахт­ ных печах с помощью пиритной и полупиритной плавки сохранилась лишь на некоторых предприятиях, где имеются кусковые руды и шахтные печи.

Большое промышленное значение имеет шахтная плавка в ме­ таллургии никеля. Например, в металлургии окисленных никелевых руд в нашей стране это пока единственный промышленный метод пе­ реработки руд. Шахтная плавка может применяться также при пе­ реработке весьма бедного сырья.

Шахтная плавка как металлургический процесс имеет исключи­ тельно важное значение в металлургии свинца. Анализ производства свинца в СССР и за рубежом показывает, что более 94% свинца в капиталистических странах извлекается шахтной восстановительной плавкой агломерата, а в отечественном свинцовом производстве на этот способ приходится около 97% выпуска первичного свинца.

Восстановительная плавка свинцово-цинкового агломерата по способу «Империэл-Смелтинг» [58] получила некоторое развитие в ряде капиталистических стран (Англия, Франция, ФРГ, Италия, Ка­ нада, Австралия, Япония, Замбия) и в меньшей степени — в социа­ листических (Польша, Румыния, Югославия) странах; в настоящее время по этой схеме строятся заводы в США, Мексике и др.

Наиболее эффективным и широко применяемым способом полу­ чения свинца из концентратов и промпродуктов практически любого состава является шахтная восстановительная плавка с предвари­ тельным агломерирующим обжигом шихты.

По характеру проплавляемой шихты имеются две разновидности восстановительной шахтной свинцовой плавки:

—шахтная плавка, когда плавится только агломерат (не менее 95% от веса шихты), а все оборотные материалы и шлак перерабаты­ ваются отдельно;

—шахтная плавка агломерата совместно с оборотными материа­

лами и промпродуктами свинцового производства (от 10 до 50% от веса шихты), когда в шихту вводятся оборотные материалы (шлаки, свинцовый и железистый скрап и др.).

Типичная рудная шахтная плавка осуществляется на наших отечественных свинцовых заводах и на некоторых предприятиях США и Австралии. Подавляющее большинство заводов (Порт-Пири, Трейл, Геркулениум, Серро-де-Паско и др.) проводят ее обязательно

соборотным шлаком и другими материалами.

Косновным технологическим показателям шахтной плавки от­ носятся: извлечение свинца в черновой металл, удельный проплав

14

печей, расход топлива на тонну свинца, содержание свинца в шлаке, пылевынос. Эти зависимые переменные определяются главным обра­ зом конструктивными особенностями шахтных печей и характером перерабатываемого сырья. Разумеется, не менее важное значение имеет характер плавки (рудная или с оборотом, с получением штейна или без штейна) и режим ведения процесса.

Для переработки свинцово-цинковых концентратов в последние годы английской фирмой «Империал-Смелтинг» освоена шахтная плавка, пригодная для переработки концентратов, содержащих 30— 40% цинка, до 20% свинца и 2—3% меди [58]. Но при значительном снижении содержания цинка в концентрате возникает затруднение в процессе конденсации цинка в жидкий металл, а повышение концент­ рации меди приводит к нарушению технологического режима плавки.

Как видно, шахтная плавка в свинцово-цинковом производстве применяется в основном для переработки сравнительно богатых по свинцу и цинку концентратов. Для бедных свинцово-цинковых или медно-свинцово-цинковых материалов рациональной промышленной схемы переработки пока еще не предложено. В прошлом известны случаи использования для этой цели шахтных печей, но достигнутые при этом показатели не могут считаться удовлетворительными [68].

ОБЖИГ И ПЛАВКА ИЗМЕЛЬЧЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

Рассмотренные пирометаллургические способы плавки сульфид­ ных концентратов и различных промпродуктов практически исклю­ чают возможность использования теплотворной способности перера­ батываемого сырья, вследствие чего являются крупными потребите­ лями тепла, вносимого от сжигания постороннего углеродистого топ­ лива или электроэнергии. По этим причинам усилия многих иссле­ дователей уже несколько десятилетий направлены на изыскание новых способов, которые позволили бы интенсифицировать процесс за счет использования теплотворной способности перерабатываемого сульфидного материала, а также тепла, выделяющегося в процессе шлакообразования.

Расчеты показывают, что сульфиды металлов и в первую оче­ редь железа (пирит, пирротин), являющиеся в сульфидных рудах и концентратах основной составляющей, окисляются со значительным экзотермическим эффектом. Ниже приводятся величины тепловых эффектов, составленные с учетом реакций окисления сульфидов и шлакообразования [71]:

2FeS2 + 50г+ БЮг= 2FeO • Si02-[-4S02-f-338 ккал

15

При термохимическом анализе приведенных выше реакций, по данным [72], были приняты следующие значения теплоты образова­ ния веществ, ккал!молъ:

16

йНЗС,'. ПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА |

Количество выносимой пыли колеблется в пределах 2—5% от ве­ са концентрата. Газы, содержащие в среднем 13—15% сернистого ангидрида, направляются на сернокислотное производство.

Другой вариант плавки сульфидных концентратов во взвешенном состоянии с применением технического кислорода используется на за­ воде «Коппер-Клиф» в Канаде [79] (рис. 2). Лабораторные опыты по

Рис. 1. Установка для плавки медных концентратов во взвешенном состоянии (Харьявалта). 1 — элеватор; 2 — траспортер; 3, 4 — питатели; 5 — горелка; 6 — шихта; 7 — отражательная печь; 8 — ковш; 9 — шла­ ковые летки; 10 — горловина; 1 1 — воздуховод; 12 — трубопровод для горячего воздуха; 13 — камера пы­ ли; 14 — заслонка; 15 — рекуператор; 16 — воздухо­

дувка.

плавке концентратов во взвешенном состоянии с применением кисло­ рода на этом заводе были начаты еще в 1945 г., в 1947 г. построена по­ лузаводская установка, в 1952 г. лущена первая промышленная печь производительностью 500 т/сутки, а в 1953 г. — вторая промышленная печь производительностью 900 т концентрата или около 1300 т твер­ дой шихты в сутки; при этом кислорода расходовалось около

300 т/сутки.

При плавке во взвешенном состоянии медного концентрата, со­ держащего 29,8% меди, 1,7% никеля, 30% железа, 33,3% серы, на промышленных печах были получены следующие показатели:

удельный проплав — 10—12 т/м2 ■сутки.; содержание меди + никеля в штейне — 45 %;

содержание меди + никеля в шлаке (после обеднения) — 0,48% > содержание SO2 в газе — 75% ;

извлечение меди + никеля — 97 % 5 расход пирротина от веса концентрата — 19%.

Известно [79], что плавка сульфидных концентратов указанным методом создает очень трудные условия для работы огнеупорной клад-

18

ки печи. Наиболее интенсивно разъедается сводовый кирпич около газоотвода, арка газоотвода и стены печи на уровне шлака и выше. Особенно быстро разъедаются стеновые и сводовые кирпичи при тем­ пературе выше 1340°. Поэтому охлаждаются свод и стены. Непре­ рывно контролируется температура газов в газоотводе (держится на уровне 1260°, температура шлака 1240°, штейна 1180°). Приведенные

Рис. 2. Продольный разрез печи для плавки концентрата во взвешенном состоянии (Коппер-Клиф). 1 — аварийный клапан для отвода газа; 2 — теплоизоляция (кирпич); 3 — шамотный кирпич; 4, 5 — форстерирован-

данные показывают, что поведение огнеупоров существенно ограничи­ вает форсированную плавку материалов при сравнительно высокой температуре. — .

При переработке измельченных сульфидных материалов во взве­ шенном состоянии одним из существенных показателей является весо­ вое напряжение проплавляемого материала на единицу объема пла­ вильного пространства печи.

19