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

ЛИТЕРАТУРА

1. Ill е р е ш е в с к и й А. И., П е с т о в Н. Е., К р е м е р С. А. Обработка при­ родных фосфатов парами воды при высокой температуре с целью их обесфторивания и перевода фосфорной кислоты в усвояемую форму. Тр. НИУИФ, 1936,' вып. 134.

Термические процессы переработки фосфатов на удобрения. В сб.: «Исследования по производству минеральных удобрений». М., 1957.

ротермический процесс обесфторивания природных фосфатов в циклонной печи. «Хи­ мическая промышленность», 1959, № 8.

Основы и перспективы применения высокоинтенсивного обжига колчедана при высо­ ких температурах по энерготехнологической схеме. «Химическая промышленность», 1956, № 3.

18.К о н д а к о в К. В., Р ы ж а н к о в Д. И., С и д е л ь к о в с к и й Л. Н. Иссле­ дование процесса получения чугуна из пиритных огарков при циклонном обжиге серосодержащего сырья. «Химическая промышленность», 1959, № 8.

19.И о н а с с А. А., Ш у р ы г и н А. П. Получение фосфорных удобрений и кормовых средств в циклонных печах. В сб.: «Циклонный принцип и его примене­ ние в технологических процессах». Алма-Ата, 1962.

20. В о л ь ф к о в и ч С. И., И е я а с с А. А., Си д е л ь к о в с к и й Л- Н., Т р о я н к и н Ю. В. Гидротермическая переработка природных фосфатов в циклон­ ных энерготехнологических установках. В сб.: «Циклонные плавильные энерготех­ нологические процессы». Тр. НТС, МЭИ. М., 1963.

21. Б е к т у р о в А. В., К а л м ы к о в е . И., Т и х о н о в В. В. Получение плав­ ленных обесфторенных фосфатов в циклонной печи. В сб.: «Циклонный принцип и ■его применение в технологических процессах». Алма-Ата, 1962.

фосфоритов Каратау в циклонной печи. В сб.: «Химия и технология минеральных удобрений и природных солей». Алма-Ата, 1969.

363

Г Л А В А 9

СЛУЖБА ОГНЕУПОРОВ

ВПЕЧАХ ВЗВЕШЕННОЙ ПЛАВКИ

ИЦИКЛОННЫХ АГРЕГАТАХ«

I|ри разработке новых технологических процессов или интенси­ фикации существующих особое внимание необходимо уделять

вопросам стойкости огнеупорной кладки. В частности, технология переработки сульфидных концентратов в распыленном состоянии независимо от аппаратурного оформления требует оснащенности печей износоустойчивыми огнеупорами. Их промышленному изготовлению должны предшествовать изучение и глубокий анализ всех ожидаемых условий высокотемпературной службы и испытание на стойкость го­ товых изделий при заданных условиях.

Плавка концентратов в распыленном состоянии, как указыва­ лось, осуществляется в различных агрегатах: плавильных шахтах [1—3], циклонных камерах [4—6 ] и даже в конвертерах [7]. Осо­

бенностями этих видов плавки являются высокая температура, по­ вышенная концентрация двуокиси серы в отходящих газах, развитие окислительно-восстановительных процессов [8 —10]. Все факторы

определенным образом влияют на стойкость огнеупоров при плавке сульфидных материалов во взвешенном состоянии, в циклонных ка­ мерах и на комбинированных установках [11—15].

8 Глава написана Т. В. Демиховой.

365

УСЛОВИЯ СЛУЖБЫ И СТОЙКОСТЬ ОГНЕУПОРОВ В АГРЕГАТАХ ДЛЯ ПЛАВКИ ВО ВЗВЕШЕННОМ СОСТОЯНИИ

Данных о характере износа и стойкости огнеупорных изделий в печах для плавки сульфидных материалов во взвешенном состоянии немного.

Основными конструктивными элементами огнеупорной кладки в установках для плавки во взвешенном состоянии являются плавиль­ ная шахта, отстойная камера, аптейк. Соединение шахты со сводом отстойной камеры выполняется фасонным магнезитовым кирпичом [16]. Толщина футеровки шахты уменьшена с 375 до 250 мм из тех соображений, что в процессе работы кладка шахты быстро разруша­ ется и печь, по существу, работает на образующемся гарниссаже.

Быстрое разъедание кладки камеры на уровне шлакового пояса вызвало необходимость кессонирования его на всю высоту ванны.

На заводе «Ассио» (Япония) стены и свод шахты футерованы хрсмомагнезитовым кирпичом. Нижняя часть шахты, соединяющаяся с камерой, набрана из магнезитовых кирпичей, подвешенных к коль­ цевой подвесной конструкции. В отстойнике свод распорно-подвесной конструкции из хромомагнезитовых изделий. Температура отходя­ щих из печи газов 1300°, а содержание в них S02 7—8 %. Сведения

о стойкости огнеупоров в процессе плавки отсутствуют [14]. Данные отечественной литературы говорят о быстром разруше­

нии огнеупорной кладки при плавке сульфидных концентратов во взвешенном состоянии [17, 18]. Повышение содержания кислорода в дутье значительно увеличивает скорость износа огнеупорной клад­

Клифф» (Канада) постепенно изменялись конструкции отдельных элементов кладки и виды применяемых огнеупоров. Вначале опытная установка была выложена форстеритовым (свод) и магнезитовым (стены и лещадь) кирпичом [2]. Сильное разъедание этих огнеупоров было отмечено при температуре около 1600°.

Промышленную печь зафутеровали (свод и боковые стены) хро­ момагнезитовым кирпичом вместо форстеритового, а лещадь, как и в предыдущих установках, выкладывалась из магнезитового кир­ пича. Увеличения стойкости стен добились путем их охлаждения [3].

В последние годы изыскиваются возможности применения мето­ да плавки во взвешенном состоянии для переработки полиметалличе­

366

В опытных установках для футеровки плавильного пространства почти везде использовались хромомагнезитовые изделия.

Плавка медьсодержащих концентратов во взвешенном состоянии в отечественной металлургии находится в стадии промышленного освоения. Освоению промышленной установки кислородно-факельной плавки предшествовало изучение стойкости различных огнеупорных материалов [23]. Испытывались магнезитовые (обычный и высоко­ плотный), хромомагнезитовые, магнезитохромитовые (плотные), периклазошпинелидные и шамотные огнеупоры, которые закладывались в различных элементах печи большими участками. В идентичных условиях испытаний наиболее износоустойчивыми, особенно в шлако­ вом поясе и в своде пламенного пространства печи и аптейке, оказа­ лись периклазошпинелидные и хромомагнезитовые огнеупоры. Менее износоустойчивые магнезитовые, и особенно высокоплотные, огнеупо­ ры за счет их низкой термостойкости. Шамотный огнеупор показал низкую стойкость.

Первая промышленная печь для переработки медьсодержащих материалов во взвешенном состоянии с применением технического кислорода зафутерована периклазошпинелидными и хромомагнези­ товыми изделиями.

В работе [26] показан характер износа хромомагнезитового, маг­ незитового с различной пористостью (10—20%) и форстеритового огнеупоров после службы их в опытной установке для плавки суль­ фидных медных концентратов во взвешенном состоянии. Шихта и по­ догретый воздух в отличие от режима других заводов подавались снизу вверх с боков [27]. Дополнительно камера отапливалась мазут­ ными горелками, установленными в своде. Поскольку при плавке во взвешенном состоянии на подогретом воздухе вводят дополнительное твердое или жидкое топливо, особенно при переработке малосернис­ тых руд и концентратов [14, 16], определенный интерес представляло исследование характера износа огнеупоров при введении дополнитель­ ного отопления.

Условия службы огнеупоров в опытной установке характеризо­ вались непостоянными тепловым и газовым режимами на протяжении всего испытания. Суточные колебания температуры были в широком интервале (600—1300°), содержание кислорода в отходящих газах ко­ лебалось от 0,6 до 15,4%, углекислого газа от 1 до 26% [26]. Такое непостоянство условий отрицательно сказывалось на стойкости огне­ упоров, так как кроме химического воздействия продуктов плавки, при высоких температурах появлялись физические факторы, вызыва­ ющие термомеханические напряжения в кирпиче и в кладке. В резуль­ тате за короткий промежуток времени (20 суток) износ огнеупоров достигал 40% в нижней части шахты и 15% в верхней. Выявилась

367

также определенная зависимость степени пропитки расплавом кирпи­ чей от исходной их плотности (табл. 49).

Как видно из данных таблицы, в хромомагнезитовом кирпиче изменение состава происходит на большую глубину. Содержание окис­ лов железа, кремнезема и меди в рабочей зоне составляет в сумме 57,65%, а в переходной — 47,19%. В магнезитовом кирпиче рабочая

Т абли ц а 49

Состав основных огнеупоров после службы в шахте опытной установки

зона обогащается в основном окислами железа (до 18%). Состав пере­ ходной зоны близок к составу кирпича до службы. Резкая разница в составе рабочей и переходной зон магнезитового кирпича обусловлена исходной плотностью, от которой зависит степень миграции распла­ вов в глубь огнеупора.

В форстеритовом же огнеупоре высокая пористость до службы (28%) способствовала глубокой миграции расплава в массу огнеупора, в результате чего кирпич в процессе службы пропитывался на всю длину расплавом. Содержание окислов железа в нем достигало 30%. Глубокая миграция расплавов вызывала соответственно изменения

вфазовом составе и структуре огнеупоров [26].

Врабочей зоне хромомагнезитового кирпича присутствие боль­ шого количества кремнезема (23%) обусловило образование вторич­

ного форстерита, отдельные зерна которого достигали размеров 300 мкм. Зерна хромита в этой зоне почти отсутствовали, а в сили­ катной фазе встречались сульфиды, куприт, металлическая медь.

Рабочая зона плотного магнезитового кирпича была представле­ на в основном бесцветным периклазом и силикатной фазой, в составе которой монтичеллит преобладал над форстеритом.

В фазовом составе форстеритового кирпича преобладал железис­ тый монтичеллит, зерна периклаза имели выделения магнезиоферрита. В силикатной фазе так же, как и в других кирпичах, наблюдались куприт и сульфиды.

368

Рис. 138. Рабочая зона хромомагнезитового кирпича после службы в нижней части

зоне кирпича, отобранного из нижней арки (рис. 138). Из медьсодер­ жащих фаз преимущественно присутствуют сульфиды.

Все отмеченные процессы минералообразования резко ухудшают качество огнеупора и снижают его стойкость в службе.

Образование пор в зернах хромита, отмечавшееся и другими ис­ следователями [28, 29], объяснялось либо влиянием восстановитель­ ной среды, либо диффузионными процессами. В принятых условиях, когда в шихту добавлялась угольная пыль, вероятно образование вос­ становительной газовой фазы. Направление диффузии различных ка­ тионов в огнеупорах выявляется в структурных формулах

Верх шахты

Рабочая зона (Fe0,54r Mg0,49i)(Alo,977 Cri,oSs)04

Расчет структурных формул хромшпинелида по методике, пред­ ложенной В. Соболевым [30] и успешно использованной в работах [31, 32], показал, что в рабочих зонах огнеупоров, как правило, со­ держание катионов хрома, магния, железа снижается, а алюминия по сравнению с переходными зонами повышается. Отмечено резкое снижение катионов хрома в пробах средних рядов кладки. Это объяс­ няется тем, что в условиях интенсивного окисления содержащихся в шихте серы и углерода имеются локальные участки с низким пар­ циальным давлением кислорода, что способствует восстановлению хрома и выходу его из структуры кристаллической решетки шпине­ лида.

Изменение состава хромшпинелида и образование твердых рас­ творов всегда связаны с некоторыми искажениями кристаллической решетки, изменениями кристаллооптических и физических свойств минералов [33—36].

371

Данных о физических свойствах минералов, слагающих огне­ упор, нами в литературе встречено очень мало. Освещается зависи­ мость величины твердости периклаза от содержания в нем закиси железа [37]; указывается на повышение прочности периклаза при введении катионов железа и влияние на них времени старения [38]. Интересны данные по определению микротвердости периклаза и хромшпинелида [39,40].

При многократных воздействиях высоких температур порядка 1650° твердость периклаза повышается с 750 до 1000 кг/мм2 [39]. Это' обусловлено более глубокой при данной температуре диффузией окис­ лов в периклаз и образованием шпинели (магнезиоферрита), обладаю­ щей более высокой микротвердостью.

В процессе службы при воздействии железисто-силикатных рас­ плавов периклаз насыщается в первую очередь окислами железа; мик-ротвердость его повышается с 750 до 910—950 кг/мм2 [40].

В то же время микротвердость хромитовых зерен снижается с 1150—1210 (до службы) до 1085—1160 кг/мм2 (после службы), что также объясняется диффузией окислов железа из хромита в периклаз, приводящей к понижению микротвердости хромита. В присутствии сульфидных минералов, наоборот, заметно снижается микротвер­

жидкой фазе и железисто-силикатных расплавов, что характерно для процессов цветной металлургии, микротвердость периклаза и хромита уменьшается еще в большей степени и соответственно достигает 635— 690 и 900 кг/мм2. Понижение микротвердости зерен хромита при воз­ действии соединений серы, железисто-силикатных расплавов и темпе­ ратуры свидетельствует о значительном изменении структуры хроми­ та, меньшей его стойкости в этих условиях по сравнению с периклазом.

Данные измерений фазового состава и структуры различных ог­ неупорных изделий после службы в условиях плавки во взвешенном состоянии характеризуют развитие в огнеупорах процессов минералообразования, происходящих при воздействии высоких температур и перегретых расплавов.

Переход на кислородную плавку вызывает интенсификацию окис­ лительных реакций, повышение концентрации окисленных форм серы в газовой фазе. Влияние малых концентраций двуокиси серы на про­ цесс износа огнеупоров рассмотерно в работах [40—47], в которых, в частности, указывается на возможность возникновения сульфата маг­ ния, вызывающего разрыхление огнеупора или же разрушение зерен хромита.

372 .