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

ПЛАВКА РЕДКОМЕТАЛЬНОГО СЫРЬЯ С ВОЗГОНКОЙ ЛЕТУЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Переработка полиметаллических концентратов и промпродуктов в циклонных камерах сопровождается возгонкой ряда металлов и ред­ ких элементов, содержащихся в исходном сырье.

Высокая степень улавливания, являющаяся отличительной осо­ бенностью циклонной плавки, обусловливает получение богатых воз­ гонов, которые целесообразно направлять на последующую переработ­

Многочисленными исследованиями установлено, что при сжига­ нии такого топлива соединения металлов, содержащихся в них, по-раз­ ному распределяются между шлаком и уносимой золой: одни из них (германий, ванадий, свинец и др.) концентрируются в возгонах, а дру­ гие, например вольфрам, не возгоняются, а переходят в шлак.

При сжигании в топках паровых котлов углей, содержащих гер­ маний, последний в виде окислов уносится с золой, а частично теряет­ ся со шлаком. Распределение германия между летучей золой и шлаком в большой степени зависит от способа сжигания угля. Так, при слое­ вом сжигании уносимая зола обогащается металлом в 4—5 раз по сравнению с исходным его содержанием в золе, но потери со шлаком достигают 15% и более, поскольку в шлаковый бункер поступает 60— 80% золы.

В камерных топках с сухим шлакоудалением летучая зола обога­ щается слабо (в 2—3 раза), и за счет малого выхода шлака (10—15%) с ним теряется 5—10% германия.

Эффективность извлечения металлов при сжигании угля в топке, как и в другом пирометаллургическом агрегате, может быть оценена двумя основными технологическими показателями — кратностью обо­ гащения получаемых возгонов и потерей металла со шлаком.

Связь между кратностью обогащения, содержанием металла в ис­ ходном сырье и потерей его со шлаком при одностадийной схеме пы­

где Меисх; Мешл; Мев03— соответственно содержание металла в исход­ ном сырье, шлаке и возгонах;

с?— коэффициент шлакоулавливания.

343

Построенный по этой зависимости график (рис. 134) показывает, что величина кратности обогащения до значения ср = 0,9 возрастает медленно, а затем резко. Что же касается влияния потерь металла со шлаком, то оно оказывается не столь замет­

ным.

Коэффициент пылеулав­ ливания может повышаться за счет осуществления двух­ ступенчатой схемы пылеулав­ ливания. В этом случае гру­ бые пыли улавливаются в центробежных циклонах и в качестве оборотного матери­ ала могут добавляться в ис­ ходную шихту, а вместе с ней подвергаться повторной пере­ работке.

Тонкие пыли, уловленные во второй степени пылеулав­ ливания (рукавные фильтры или электрофильтры), явля­ ются конечным продуктом — возгонами.

При такой схеме содержание металла в возгонах увеличивается, так как суммарный коэффициент шлакоулавливания с возвратом в процесс оборотных пылей возрастает и определяется по зависимости

где Th— коэффициент первичного шлакоулавливания; 7)е— улавливания первой ступени;

т)2— вторичного шлакоулавливания (отнесенный к оборотной пыли).

С другой стороны, как показывают опыт и термодинамические расчеты, переход летучих металлов в газовую фазу улучшается с по­ вышением температуры в рабочем пространстве агрегата. Следователь­

344

но, лучшие показатели по извлечению германия и кратности обогаще­ ния уловленных возгонов могут быть получены в том агрегате, где развиваются максимально возможные температуры и обеспечивается минимальный вынос исходного сырья. Этим требованиям наиболее полно отвечают агрегаты циклонного типа, температуры в которых на 200—300° выше, чем в любом другом пирометаллургическом агрега­ те, а коэффициент шлакоулавливания составляет 90% и более.

Как правило, германий в золе углей находится в простейшей фор­ ме — двуокиси германия — и механизм образования легко летучей моноокиси в первом приближении может быть представлен следующи­ ми реакциями:

GeC>2-Ь СО — у- GeOН-СО2 ;'

I

веОг + С— >■GeO+ СО; ^

2Ge02+ C — у-2Ge0 + C02.

При температурах, развиваемых в циклонных камерах, эти реак­ ции равновероятны и, по нашему мнению, процессы восстановления двуокиси германия могут протекать как в объеме камеры, так и на шлаковой пленке.'

Впервом случае восстановление осуществляется главным обра­ зом в пристенной области, где концентрация окиси углерода достигает значительных величин; во втором — в пленке расплава, где процессы восстановления протекают за счет несгоревших частиц углерода, вы­ падающих вместе с золой на стенку камеры.

Пироселекционную переработку некоторых материалов, напри­ мер золы, целесообразнее проводить в циклонной камере с верхним выводом газов, которая по своему конструктивному оформлению поч­ ти полностью повторяет обычный центробежный пылеуловитель.

Такая камера позволяет разделять газовую и жидкие фазы непосредственно в рабочем пространстве, что исключает возможность протекания обратных физико-химических процессов между газообраз­ ными и конденсированной фазами.

Вкачестве примера, иллюстрирующего возможности циклонной камеры как агрегата для пироселекции, рассмотрим результаты пере­

работки золы [25].

Опыты проводились в циклонной камере со стабилизирующим кольцевым каналом, которая отапливалась жидким топливом, пода­ ваемым через две форсунки с механическим распылом, расположен­ ные непосредственно в шлице вторичного воздуха. Это в некоторой степени компенсировало низкое содержание углерода в золе (8,0%), не позволяющее развивать высокие температуры шлаковой пленки.

345

Золу загружали аксиально через две течки, расположенные на верх­ ней крышке камеры.

Химический состав золы, %: ЭЮг — 36,0, ГегОз — 8,0, AI2O3 —

19,0, СаО — 23,0, MgO — 3,4, Zn — 1,5, Pb — 0,1, SO3 — 7,0.

В качестве восстановителя в золу добавлялся углерод (от 8 до

24%). Получаемый расплав выпускался непосредственно в водяной

Рис. 135. Зависимость потерь металла со шлаком от содержания угле­ рода в шихте. 1 — опыты на циклоне с верхним; 2 — с нижним выво­ дом газов.

гранулятор. В циклонной камере поддерживалась слабовосстанови­ тельная среда, и содержание окиси углерода находилось в пределах

1 -4% .

Во всех опытах достигнутая кратность обогащения была высокой и в среднем составляла 31,5 по отношению к шихте, или 26,1 по отно­ шению к золе. Величина потерь со шлаком зависит прежде всего от содержания углерода-восстановителя в шихте [2]. На рисунке 135 на­ несены результаты опытов, проведенных в циклонной камере с ниж­ ним выводом газов. Как видно, и те и другие величины находятся в одной области.

Вцелом проведенные испытания показали, что циклонная камера

сверхним выводом газов и стабилизирующим кольцевым каналом обеспечивает кратность обогащения возгонов в 2 —3 раза выше, чем

обычная камера с совместным выводом газов и расплавов.

Таким образом, для процесса пироселекции следует применять циклон с верхним выводом, отличающийся более высокой сепарационной способностью.

Как в случае циклонной плавки полиметаллического сырья, так

ив случае переработки различных промпродуктов цветной металлур­ гии была показана возможность эффективной пирометаллургической

346

селекции сложных по составу материалов с извлечением летучих ме­ таллов в возгоны. Наиболее пригодным для возгоночных процессов следует считать циклонные агрегаты с раздельным выводом газообраз­ ных и расплавленных продуктов и комбинированные установки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Л а к е р н и к М. М. Электротермия в металлургии меди, свинца и цинка.

М., 1971.

2.Б а б а д ж а н А. А. Пирометаллургическая селекция. М., 1968.

мышленность Казахстана», 1960, № 4.

4. Т о н к о н о г и й А. В., О н а е в И. А., В д о в е н к о М. И. О циклонной плавке медно-цннковых концентратов. «Вестник АН КазССР», 1957, № 1.

5. Ш т о к а р е в А . Д., Л у т о х и н Д. И. Циклонная плавка среднеуральских сульфидных медно-цинковых концентратов. В сб.: «Циклонный принцип и его при­ менение к технологическим процессам». Алма-Ата, 1962.

6. О к у н е в А. И., М я с н и к о в П. А., А д а м о в С. А. Комплексная пере­ работка сульфидных полиметаллических концентратов в двухступенчатой циклонной установке. В сб.: «Комплексная переработка полиметаллического сырья». М., 1965.

7. К о ж а X м е т о в С. М. Возгонка свинца, цинка и кадмия из полиметалли­ ческого сырья в условиях новых процессов плавки в распыленном состоянин'Г Автореф. дисс. Алма-Ата, 1966.

8. П е н з и м о н ж И. И., Ш у р о в с к и й В. Г., К о ж а х м е т о в С. М., П р е с н е ц о в В . Д. Плавка медно-свинцовых концентратов с отгонкой летучих ком­ понентов. «Бюлл. ЦИИНЦМ. Цветная металлургия». 1964, № 13.

9. П о л ы в я н н ы й И. Р., А б л а н о в А. Д., Б а т ы р б е к о в а С. А., С ы-

со е в Л. Н. Металлургия висмута. Алма-Ата, 1973.

10.О н а е в И. А. Иекдторые итоги исследования циклонного процесса при пе­

реработке медных полиметаллических материалов цветной металлургии. В сб.: «Эф­ фективные процессы переработки руд и концентратов тяжелых цветных металлов».

Алма-Ата, 1968.

11. К о ж а х м е т о в С. М., П е н з и м о н ж И . И., Т у м а р б е к о в З . Т. О возгонке летучих металлов в условиях циклонной плавки медьсодержащего полиме­ таллического сырья. В сб.: «Циклонные энерготехнологические процессы и установ­

ки». М., 1969.

12. Д е м ч е н к о Р. С., П о л ы в я н н ы й И. Р., Ц е ф т А. Л. Кинетика тер­ мохимического разложения карбоната натрия. Тр. Института металлургии и обога­

щения АН КазССР. Т. 10, 1964.

13. М и т р о ф а н о в С. И. Исследование руд на обогатимость. М., 1950.

14.С т е н д е р В. В. Материалы к изучению и освоению производительных сил Южного Казахстана. Алма-Ата, 1950.

15.Ф а в о р с к а я Л. В., С т о л я р о в а Е. И. Скорость разложения цинковых

окисленных минералов растворами едкого натра. «Изв. АН КазССР, серия металлур­

гии, обогащения и огнеупоров», 1956, вып. 6.

16. Б у д о н В. Д., Т о н к о н о г и й А. В., О н а е в И. А. и др. Циклонная плавка ачисайских окисленных руд. «Тезисы докл. конференции по циклонным про­

цессам». Алма-Ата, 1960.

17. Т о н к о н о г и й А. В., Б а с и н а И. П. и др. Циклонная плавка цинко­ вых кеков. «Бюлл. технической информации ГНТК КазССР», 1959 № 1(9).

347

ЦИКЛОННАЯ ПЛАВКА ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Iеоретические исследования, проектные разработки и многочис­ ленные технологические испытания циклонной плавки показали

значительные преимущества переработки диспергированного сырья циклонным способом и привели к интенсивному поиску и разработке вариантов восстановительной плавки руд черных металлов в циклон­ ных камерах.

Одной из основных причин интенсивного изучения этой области является все более обостряющийся дефицит коксующихся углей и возможность применения при циклонной плавке дешевых некоксую­ щихся углей, природных или искусственных газов. Определенную роль играет также возможность получения с помощью прямого восстанов­ ления металла высокого качества со значительной пластичностью и вязкостью при использовании местных железорудных и угольных месторождений.

ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ ЦИКЛОННАЯ ПЛАВКА

В Великобритании, а в последнее время и в США, проводят иссле­ дования по получению «циклонной» стали. По способу, разрабатывае­ мому Британской научно-исследовательской организацией черной ме-

349

таллургии (БИСРА), порошкообразная руда во взвешенном состоянии подогревается в специальной камере горячими газами, отходящими из реактора, до предельной температуры (выше которой начинается размягчение руды) и поступает в реактор с водоохлаждаемыми стен­ ками и подом. В реактор подаются также угольная пыль, кислород или воздух, обогащенный кислородом. Сжигание топлива проводится при a d , что обусловливает получение восстановительного газа. Вдувае­ мые в реактор частицы руды почти мгновенно расплавляются и восста­ навливаются газообразными продуктами горения.

Под влиянием центробежных сил, а также различия плотности частиц и газового потока капли металла и шлака выпадают из газово­ го факела и накапливаются в камере осаждения в виде расплава, об­ разуя два несмешивающихся слоя. Для внедрения этого способа необ­ ходимы еще обширные изыскания в области рабочей схемы процесса и конструктивного оформления отдельных узлов и элементов.

Некоторые авторы считают целесообразным получение стали осу­ ществлять постадийно [1] :

—нагрев и восстановление железорудного сырья (полное или частичное);

—восстановление и плавка полупродукта;

—рафинирование полупродукта и выпуск марочной стали. Изучение возможности ведения циклонной плавки железорудного

концентрата в сочетании с восстановительными процессами проводи­ лось на укрупненной стендовой установке Московского энергетиче­ ского института. Основными элементами ее явились кессонированная вертикальная циклонная камера, радиационно-конвективный воздухо­ нагреватель, газогорелочные устройства, дозатор шихты и гранулятор расплава [2]. Диаметр циклонной камеры 0,375 ж, высота циклона 0,46 ж, диаметр диафрагмы 0,27 ж. Газ и воздух подводились танген­ циально в верхней части циклона через два газогорелочных устрой­

ства.

Опыты проводились на оленегорском концентрате, содержащем, %: Беобщ— 60,6; БегОз — 63,4; FeO — 21,0, а также на смеси кон­ центрата с твердым восстановителем и флюсом.

В условиях циклонной плавки полного восстановления окислов железа до закиси не наблюдалось даже в 'сильновосстановительной среде, когда отходящие газы содержали 5—6% Нг и 8% СО. Степень восстановления не превышала 20%, тогда как при полном восстанов­ лении окислов железа до FeO для руды указанного состава эта величи­ на составляет 26,8 %.

Опыты по плавке железной руды совместно с флюсом (известь) по­ казали, что добавка флюса не только не вызывает каких-либо ослож­ нений, а, наоборот, облегчает процесс плавления, снижая температуру

360

плавления шихты, и при прочих равных условиях несколько повышает степень восстановления окислов железа.

Попутное восстановление окислов железа до закиси продуктами неполного горения природного газа связано с большими расходами топлива, а потому малоэффективно. Экономически целесообразнее осу­ ществлять попутное восстановление окислов железа путем добавле­ ния в шихту твердого восстановителя. В этом случае благодаря гази­ фикации топлива в пристенной области циклона можно создать силь­ новосстановительную среду при наличии окислительной среды в цент­ ральной части сечения циклона. «Химический перекос», возникаю­ щий при добавке к руде твердого восстановителя, позволяет проводить достаточно глубокое восстановление окислов при коэффициентах из­ бытка воздуха за циклоном, близких единице. Применение для этих целей высокореакционных тонкоизмельченных твердых восстановите­ лей (пыль бурых углей, нефтяная сажа) нецелесообразно, так как они быстро выгорают в объеме циклона. Более перспективными ока­ зались груборазмолотые восстановители (антрацит, электродный кокс).

Двустадийный способ получения чугуна из железорудного кон­ центрата разрабатывается ВНИИМЕТМАШем и ВНИИЧЕРМЕТом [3].

Первая стадия процесса — плавление и получение восстановлен­ ного до закиси офлюсованного железистого расплава — осуществля­ ется в плавильном циклонном аппарате.

Вторая стадия — окончательное восстановление расплава — про­ исходит в ванне жидкого чугуна, куда непрерывно поступают расплав, вытекающий из циклона, пылевидный уголь и кислород. Расход угля и кислорода регулируется так, чтобы покрывались тепловые потери процесса и обеспечивалось бы восстановление железа и его наугле­

роживание до чугуна.

Получаемые при этом газы с высоким содержанием окиси угле­ рода используются для отопления плавильного циклона и для полу­ чения электроэнергии.

Такая энерготехнологическая схема позволяет получать 570 квт-чіт чугуна электрической энергии [3]. Исследования прово-

шихте, состоящей из 66—80% железорудного концентрата, 16—24%

Газо-кислородная смесь (Ог= 28—30%) вдувалась в циклон со скоростью 65—75 м/сек. Удельные нагрузки по шихте достигали 3 — 4 т/мз . цас. Температура газов, выходящих из циклона, достигла

1700—1900°, что обеспечивало температуру расплава 1500—1700°.

351

Степень восстановления окислов железа до FeO в зависимости от ре­ жима работы циклона составляла 22—28%.

Последующей продувкой расплава в конвертере удавалось вос­ становить 95 % и более введенного железа.

Полученный чугун отличается чистотой по содержанию фос­ фора, кремния и магния, что позволяет упразднить большую часть операций рафинирования при последующих переделах чугу­ на в сталь.

Ц и к л о н н о-в и х р е в о й с п о с о б . Одной из разновидностей аппаратурного оформления частичного восстановления железной ру­ ды является восстановительный обжиг руды в вихревой камере, где обеспечиваются необходимые для интенсификации процесса усло­ вия — наиболее полное использование в диффузном режиме реаги­ рующей поверхности материалов и высокие скорости рабочих газов относительно обжигаемых частиц [4]. Этот вариант обжигового аппа­ рата имеет благоприятные перспективы для руд, находящихся в при­ роде в диспергированном состоянии, например, солитовых бурых железняков Лисаковского месторождения, которые представлены преимущественно классом 0,25—1 мм.

Исследования по восстановительному обжигу лисаковских руд проводились [5] на стендовой вихревой установке, состоящей из си­ стемы подачи руды, вихревой камеры диаметром 205 мм, длиной 1300 мм, циклона-отделителя и печи для сжигания коксового газа. Раскаленные газы из печи сжигания вдуваются в вихревую камеру тангенциальными соплами, расположенными в шахматном порядке по всей длине камеры. Подаваемая руда под воздействием закручи­ вающего газового потока после короткого вращательно-поступатель­ ного движения вдоль оси камеры отбрасывается на периферию и про­ должает спиральное движение в пристенном пограничном слое в сто­ рону выхода. Пройдя вихревую камеру, поток газа и руды поступает в циклон-отделитель, после чего обожженная руда оседает в бак с во­ дой, а газы выбрасываются в атмосферу. Производительность установ­ ки составляла около 150 кг руды в час. Максимально достигнутая при температуре обжига 950° степень восстановления РегОз до Рез04 42%.

ОКИСЛИТЕЛЬНАЯ ЦИКЛОННАЯ ПЛАВКА

Обжиг серного сырья для получения сернистого газа — важней­ шее звено производства серной кислоты.

Перспективы повышения технологической и энергетической эф­ фективности процесса обжига серного сырья открываются при высо­

352