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

На этой же полупромышленной циклонной установке с целью вы­ яснения возможности работы циклонной камеры на твердом и жид­ ком топливе, а также для изучения распределения ценных элементов проводились непрерывные пятисуточные опыты по снятию материаль­ ного и теплового балансов процесса плавки медных шихт, результаты которых сведены в таблицы 18 и 19.

291

Невязка баланса объясняется некоторой трудностью количествен­ ного учета в заводских условиях поступающих материалов и выдавае­ мых продуктов плавки. В балансовых опытах содержание меди в штей­ нах изменялось от 29 до 45%. в зависимости от подаваемого в циклон количества воздуха, а содержание меди в шлаках — от 0,7 до 1,0%.

Как видно из таблицы 19, приход тепла за счет окисления сульфи­ дов шихты и шлакообразования в опытах составляет 18,4% от общего

Рис. 125. Удельный расход условного топлива в зави­ симости от производительности.

/feoi/jSoJv/veMwc/nt "Ууж

прихода. При работе на более богатые штейны, т.е. при довольно высо­ кой десульфуризации шихты, эта статья прихода будет больше, что влечет за собой снижение расхода углесодержащего топлива. В дан­ ных опытах расход топлива (в переводе на условное) с учетом расхода тепла на охлаждение кессонов отстойной камеры составил 15,3% от веса шихты, а без учета — 10—12%. Благодаря высокой удельной производительности циклонной плавильной камеры относительные тепловые потери ее невелики и не вызывают значительного увеличения расхода топлива. Если в опытах, проведенных на циклонном стенде АН КазССР, сравнительно высокий расход топлива (около 22%) полу­ чался в основном за счет малых габаритов установки, то для данного размера циклонной камеры (D= l т) этот показатель не превышает 12—15% от веса шихты. Как показали расчеты (рис. 125), на крупных циклонных установках потери тепла должны быть значительно мень­ шими, так как с увеличением производительности установки удель­ ный расход топлива значительно уменьшается за счет снижения основной составляющей тепловых потерь.

В ходе балансовой плавки при отоплении циклонной камеры ма­ зутом определялась запыленность газов и вещественный состав пыли. Отобранная за дымососом пыль имела следующий химический состав, %: Си — 12,4; РЬ — 14,8; Zn — 1,5; Fe — 29,5; Ke — 0,033; Si02 — 5.2; CaO — 3,0; A1203 — 10,3; MgO — 2,5.

Как видно, состав пыли резко отличается от состава исходной шихты, а по свинцу и рению они значительно обогащены.

Следующим этапом изучения циклонного принципа плавки мед­ ных концентратов в полупромышленном масштабе явилось пров'едёние

292,

опытов на пылеугольном топливе, подача которого в циклонную каме­ ру осуществлялась через специально изготовленную тангенциальную горелку, обеспечивающую горение угольной пыли в пристенной облас­ ти, ближе к зоне поступления шихты. Это позволило более полно ис­ пользовать тепло от горения углеродистого топлива, и от окисления сульфидов для быстрого расплавления шихты и перегрева продуктов плавки.

Всего на этом режиме циклонная установка проработала около 25 суток и проплавила более 2000 тшихты. Общая длительность ба­ лансовых опытов при пылеугольном отоплении составила 150 час. За это время было проплавлено 473 г шихты при извлечении меди в штейн 96,5% и суммарных потерях ее со шлаками и газами не выше 2,5% от содержания в шихте.

В таблице 20 приведены основные данные, характеризующие ра­ боту полупромышленной циклонной установки в период балансовых опытов при отоплении циклонной камеры мазутом и угольной пылью. Они показывают, что, несмотря на резкое колебание состава шихты, особенно по содержанию меди, основные показатели отличаются не­ намного. На результатах работы циклонной камеры вид топлива прак­ тически не сказывается. Если же судить о результатах по составу газо­ вой фазы, то отопление циклона угольной пылью по сравнению с ма­ зутом предпочтительнее. Расход условного топлива при работе на ма­ зуте и угольной пыли также почти не отличается друг от друга и составляет соответственно 15,3 и 15,8% от веса шихты.

Таким образом, доказана [8, 10—12] устойчивость и непрерыв­ ность протекания процесса плавки в циклонной камере. Основным фактором, лимитирующим некоторые технологические показатели циклонного метода плавки медного сырья все же остается ванна от­ стойной камеры, воспринимающая основной удар газового потока, который в результате возмущения ванны значительно влияет на сте­ пень отстаивания (или разделения) продуктов плавки.

Опытами установлено, что циклонная камера с повышенной производительностью работает более стабильно, по-видимому, за счет увеличенной теплонапряженности и аэродинамической устой­

чивости.

За время полупромышленных испытаний циклонного способа плавки медных шихт БГМК удалось выявить и устранить конструк­ тивные недостатки отдельных узлов установки. Собственно циклонная камера при этом существенным переделкам не подвергалась и работа­ ла в общей сложности (включая время работы без шихты) более 4000 час. В результате отработки конструкции основных и вспомога­ тельных узлов была достигнута устойчивая непрерывная работа уста­ новки в течение 45 суток.

293

Подводя итоги работы на укрупненном циклонном стенде АН КазССР и полупромышленной циклонной установке БГМК, можно сделать общее заключение, что в циклонной камере с высокой удель­ ной производительностью (3—4 т/м3 час) устойчиво протекает процесс плавки медных концентратов, легко и в широких пределах регули­ руется заданная степень десульфуризации, а следовательно, и содер­ жание меди в штейне. Вместе с тем следует отметить, что циклонный метод плавки позволяет успешно решать задачу комплексного исполь­ зования вещественного состава сырья с извлечением меди в штейн, а летучих компонентов — в возгоны, а также задачу использования сер­ нистых газов для производства серной кислоты или элементарной серы. Основной плавильный агрегат — циклонная камера — работает устойчиво на любом виде топлива и можно полагать, что при доста­ точном содержании серы в шихте процесс может быть осуществлен автогенно, без участия углеродистого топлива.

Сплошное кессонирование циклона исключает проблему огнеупо­ ров и позволяет работать (на гарниссаже без футеровки) на любом со­ ставе расплава. Необходимо отметить также, что в ходе проведения ука­ занных испытаний был отработан узел шихтоподачи в циклонную ка­ меру и проверена работа воздушного рекуператора с дробевой очисткой.

ИСПЫТАНИЯ ЦИКЛОННЫХ ПЛАВИЛЬНЫХ КАМЕР В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ

В соответствии с результатами исследований по циклонной плав­ ке балхашских сульфидных медных концентратов (шихт), проведен­ ных на укрупненном циклонном стенде АН КазССР и полупромыш­ ленной установке Балхашского горно-металлургического комбината, была запроектирована и сооружена на БГМК опытно-промышленная циклонная установка [13, 14]. В ее комплекс входили две циклонные камеры диаметром 1,5 м и высотой 2,25 м каждая, установленные на своде отражательной печи, воздуходувно-рекуператорное отделение с нагнетателем производительностью 651 нм3/мин при напоре 1900 мм вод. ст., два трубчатых перекрестно-лротивоточных рекуператора с по­ верхностью нагрева 550 м2 каждый. Снабжение циклона шихтой, топ­ ливом и охлаждающей водой осуществлялось от коммуникаций, имею­ щихся непосредственно в металлургическом цехе комбината.

Предполагалось, что установка циклонов обеспечит предусмотрен­ ное производственной программой увеличение производительности ме­ таллургического цеха на 300—350 т/сутки шихты (производительность каждого циклона по проекту составляла 150 г/сутки или 6 т/час) без включения в работу резервной мощности, а также откроет возмож­

295

ность окончательного установления зависимости технологических по­ казателей плавки медных шихт от размера циклонной камеры, так как известно, что не все параметры огневого устройства поддаются моде­ лированию.

Циклонные камеры располагались на своде отражательной печи БГМК вдоль продольной оси на расстоянии 4,5 м друг от друга и ра­ ботали одновременно с отражательной печью (рис. 126).

Циклоны

Рис. 126. Схема расположения опытно-промышленных цик­ лонных камер Z)= l,5 м над отражательной печью БГМК.

1 •— магнезито-хромитовых свод; 2 — динасовый.

В опытно-промышленные циклоны загружалась шихта того же состава, что и в отражательную печь, с содержанием 18—23% меди, 23—26% серы и до 4,5% влаги.

Режим работы циклонных камер при устойчивой их работе был следующим: суммарный расход воздуха — 13,5—14 тыс. нм3/час; расход пылеугольного топлива — 1,4—1,5 т/час; температура вторич­ ного воздуха — 340—380°; скорость воздуха на входе в циклон —

100—120 м/сек.

Свод отражательной печи в районе установки циклонных камер выполнен из магнезито-хромитового кирпича. Остальная часть свода осталась динасовой. Боковые стены печи с целью повышения их стой­ кости были футерованы изнутри хромомагнезитом в 1—1,5 кирпича, основной же массив был динасовым. Для предохранения печного сво­ да от преждевременного износа исключалась совместная работа цик­ лонных камер и фронтальных пылеугольных горелок (по крайней мере крайних). Для поддержания необходимой температуры в печи при ра­ боте обоих циклонов установлены боковые мазутные форсунки при­ мерно на расстоянии 16—18 м от передней стенки печи.

Опытно-промышленные испытания циклонных камер продолжа­

296

лись почти месяц, однако достаточно интенсивная и одновременная работа обоих циклонов составляла около 10 суток. За это время про­ плавлено 3700 тшихты. Испытания не удалось провести в полном объеме вследствие быстрого износа динасовой части свода и боковых стен отражательной печи, обусловленного, с одной стороны, значи­ тельными температурными колебаниями, имевшими место в период пуска и наладки печи, с другой — влиянием боковых мазутных фор­ сунок.

Таким образом, в результате испытаний выявилось, что установ­ ка циклонных камер на своде отражательной печи не является рацио­ нальной, так как приводит к недопустимому износу огнеупорной кладки печи. Что касается собственно циклонного агрегата, то, не­ смотря на невозможность завершения программы опытно-промышлен­ ных испытаний в полном объеме, удалось в крупных масштабах пока­ зать устойчивость и интенсивность процесса плавки в циклонных ка­ мерах.

В период испытаний производительность каждого циклона устой­ чиво поддерживалась на уровне 9—10 т/час шихты при расходе услов­ ного топлива около 15% и получении штейна, содержащего 46,5— 59,7% меди. Степень десульфуризации в циклонах легко регулирова­ лась изменением количества подаваемого в них воздуха.

При совместной работе циклонных камер с загрузкой шихты на откосы отражательной печи концентрация меди в штейне была не­ сколько снижена (41—44%), но шлаки содержали 0,28—0,4% меди.

Таким образом, подводя некоторые итоги работы балхашских циклонных установок следует отметить, что они по основным техноло­ гическим показателям дали достаточно надежные результаты для проектирования и сооружения больших циклонных установок. Тем не менее эти установки не имели соответствующего пылеулавливающего устройства и других необходимых узлов для изучения распределения и подведения баланса металлов между продуктами плавки. Поэтому дальнейшие исследования по изучению распределения и снятия балан­ са основных и сопутствующих металлов при перарабтке медной шихты БГМК была перенесена на полупромышленную циклонную установку ОСЗ ВНИИЦветмета, оснащенную всем необходимым оборудованием для таких исследований.

ПЛАВКА МЕДНЫХ ШИХТ НА ВОЗДУШНОМ ДУТЬЕ

Распределение металлов по продуктам плавки изучалось на полу­ промышленной циклонной установке ОСЗ ВНИИЦветмета [15, 16] (рис. 127, 128). Размеры циклонной камеры: D — 0,65 м; h — 1,1 л*; размеры отстойника — 2,0Х1>65 м .

297

Под циклонной камерой устанавливался водоохлаждаемый по­ рог [9], на который попадали газы и расплав, выходящие из циклона. Сооружение порога, поглощающего ударную энергию струи газов, ис­ ключило вращение расплава, улучшило условия его разделения на шлак и штейн, а также в значительной мере устранило разъедание футеровки отстойной камеры.

Рис. 127. Схема циклонной установки ВНИИЦветмета с подачей воздуха, обогащенного кис­ лородом. 1 — циклонная камера; 2 — отстой­ ная камера; 3 — воздухоохлаждаемый стояк; 4 — вентилятор; 5 — рекуператор; 6 — кисло-

родопровод; 7 — воздуховод.

Для проведения опытов и снятия баланса металлов на этой уста­ новке использовалась балхашская медная шихта следующего состава:

стояк попадали в воздухоподогреватель-рекуператор, а затем по систе­ ме газоходов через коллектор неочищенного газа — в мокрые электро­ фильтры, из которых после очистки выбрасывались в атмосферу.

В продолжении балансовых плавок осуществлялись контроль и регулирование расхода шихты, угольной пыли, воздуха, температуры и разрежения в различных точках технологической цепи, состава отхо­ дящих газов. Запыленность газов проверялась периодически.

Штейн и шлак, выпускавшиеся ежесменно, подвергались химиче­ скому, а в случае необходимости — рациональному и петрографиче­ скому анализам. Ежесуточно опробовалась и анализировалась пыль, оседавшая в газоходе, а также улавливаемая в электрофильтрах.

Одной из целей плавки было определение оптимальных техноло­ гических параметров процесса: проверялись надежность работы от­ дельных узлов циклона, устойчивость процесса, влияние температуры и других факторов на разделение продуктов плавки, их состав, степень отгонки свинца, цинка и других летучих и редких элементов в газовую фазу.

Результаты предварительных плавок показали значительное влияние газовой фазы на распределение металлов по продуктам плав­

298

ки. Это связано с тем, что основные реакции процесса протекают в циклонной камере, где компоненты шихты находятся преимуществен­ но во взвешенном состоянии и подвергаются одновременному воздейст­ вию газовой среды и высокой температуры. Было выяснено, что для получения штейна, содержащего 50% меди, при данном составе ших-

f Л , и ▼ Г о -Т I» "■ - r f V* > .К ' J к'Гшг'Т '

Рис. 128. Принципиальная схема циклонной установ­ ки с раздельным выводом продуктов плавки. А — цик­ лонная камера; Б — камера разделения продуктов плавки; Г — газоход; Д — электрообогреваемый ■отстойник.

ты и для максимальной отгонки при этом летучих металлов состав отходящих газов должен быть следующим: С02 — 16,5—18,0% ; СО —

0,3—0,6; 0 2 — 0,3—0,5.

После относительной нормализации состояния ванны отстойной камеры и соответствующей технологической подготовки проводили ба­ лансовую плавку на следующем режиме: загрузка шихты 1000 кг/час; расход угольной пыли 300—330 кг/час, расход воздуха 2500— 2700 нм3/час\ температура в отстойной камере 1400°; температура перед рекуператором — 700°; температура вторичного воздуха 450— 500°; разрежение под сводом отстойной камеры — 0,5—1,0 мм вод. ст. При таком режиме средняя производительность циклона с учетом только плавильного времени составила 23,5 т/сутки, или 64,4 т/м3 ■

сутки.

Расход топлива за плавильное время составил в пересчете на

299

условное топливо 26,8 %4. Такой высокий расход топлива можно объяс­ нить мелкомасштабностью циклонной установки, низким содержа­ нием серы в шихте, недостаточной тониной помола угля, высокими удельными потерями тепла через кладку отстойной камеры. Расход воздуха поддерживался из расчета 7 нм? на 1 кг пылеугля и 500 нм3 на 1 тшихты.

Атмосфера в циклоне была близка к нейтральной (СО2 — 18,2% ;

СО — 0,39%; Оо — 0,45%), однако концентрация S02 в отходящих га­ зах получилась ниже расчетной (3,8%) за счет подсоса холодного воз­ духа в систему. Полученное среднее содержание меди в штейне — 50,14%— подтверждает правильность выбранного режима работы и точность его соблюдения.

Шлак по содержанию основных металлов — меди, свинца, цин­ ка — получился отвальным при общем составе, близком к расчетному.

Медь в шлаках, по данным микроскопического анализа, находит­ ся преимущественно (60—70%) в тонкодисперсной металлической фор­ ме (размер капель не превышает — 0,02—0,03 мм) и в меньшей степе­ ни— в виде сульфида; металлическая медь, по всей вероятности, по­ лучается по реакции

Cu2S + 2Cu20 = 6Cu + S02.

В массе шлака возможна и другая реакция:

2FeS + 2Cu20 + Si02 = 2FeO • Si02 + 2Cu2S.

Состав пыли газохода (данные анализов проб) по меди мало от­ личается от исходной шихты, то же отмечено и для СаО и А120з.

Рациональный анализ пылей (табл. 21) показывает, что основны­ ми соединениями в них являются сульфаты, причем их доля увеличи­ вается от пыли газохода до шлама включительно. Например, доля сульфатной меди (от общего количества ее в данной пыли) изменяется от 45% в пыли газохода до 72% в пыли коллектора; содержание суль­ фатной меди5 в шламе доходит даже до 95 %•

Цинк в пыли газохода присутствует преимущественно (67,6% от общего) в форме ферритов, а в пыли коллектора распределяется почти поровну между сульфатной, окисленной и ферритной формами; в шла­ ме он представлен в основном окисленной формой, хотя до обработки раствора содой, вероятнее всего, был в виде сульфата. Для свинца от начала до конца газоходной системы наиболее характерна сульфат­

рализации раствора электрофильтров содой вся сульфатная медь переводится в гидроокисную.

300