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

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ПЛАВКИ СУЛЬФИДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В РАСПЫЛЕННОМ СОСТОЯНИИ

О ТЕОРИИ ПЕРЕРАБОТКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В РАСПЫЛЕННОМ СОСТОЯНИИ

опросы общей теории переработки металлургического сырья в распыленном состоянии, физико-химические особенности про­ цессов, протекающих при обжиге — плавке мелкодисперсного сульфид­ ного материала во взвешенном состоянии, и пути их интенсификации были предметом обсуждения и частичного исследования еще на заре возникновения и развития процессов плавки руд и концентратов в рас­

пыленном состоянии.

Так, еще в начале 30-х годов советские ученые X. К. Аветисян, А. Н. Вольский, В. А. Ванюков, Г. Я. Лейзерович и другие впервые обобщили теорию и результаты технологических испытаний по плавке различного металлургического сырья в распыленном состоянии [1]. Трудность изучения и описания физико-химических основ этих процес­ сов заключается прежде всего в том, что в данном случае приходится иметь дело со сложной системой газообразной и конденсированной фаз, состоящей из систем газ — твердое тело и газ — жидкость (рас­ плав) при одновременном протекании многочисленных физико-хими­ ческих превращений в условиях высокотемпературной обработки час­ тиц шихты.

А. Н. Вольский [2], анализируя общую теорию процессов обжи­ га — плавки в распыленном состоянии, всю совокупность физико-хи­ мических основ сводит к следующим четырем группам:

31

1.Морфология диспергированной фазы и пылевых потоков, вклю­ чающая вопросы, связанные с величиной, формой и числом частиц, величиной удельной поверхности взвешенных частиц на единицу веса

ив единицах объема потока, распределение частиц в объеме плавиль­ ного агрегата и т. д.

2.Аэродинамические или газодинамические свойства пылевых потоков, включающие устойчивость газовых суспензий, траекторию пылевых потоков, относительное движение газовой среды и частиц шихты и др.

3.Физико-химические свойства пылевых потоков, т. е. общие по­ верхностные свойства диспергированной фазы аэрозолей, адсорбцион­ ные явления, равновесие и кинетика химических реакций в газовых суспензиях и т. д.

4.Теплообмен между газовой средой и частицами перерабатывае­ мой шихты, между пылевым потоком и стенками плавильной ка­ меры и др.

Изучение и анализ всей совокупности вопросов — задача трудная, дополнительно усложняющаяся особенностями конкретного объекта исследований и требованиями практического осуществления метал­ лургических процессов. Многие вопросы, особенно в применении к пе­ реработке металлургического сырья, до сих пор в достаточной степени не изучены.

Наиболее подробные сведения в данной области получены для сжигания твердого топлива в прямоточном и турбулентном потоках. Результаты исследовательских работ по изучению аэродинамических,

тепловых и физико-химических особенностей горения твердого топлива и переработки металлургического сырья с использованием циклонного принципа приведены в соответствующих главах данной монографии. Поэтому следует лишь отметить, что большое значение для выяснения теоретической сущности и определения пределов интенсификации, а также аппаратурного оформления процессов плавки в распыленном состоянии имеет кинетика взаимодействий между частицей и газовой средой.

Одним из основных преимуществ процессов плавки металлурги­ ческого сырья в распыленном состоянии, в том числе и циклонного процесса, является высокая скорость взаимодействия частиц шихты с газовой средой, что обусловливается развитой поверхностью пыле­ вых частиц.

Известно, что удельная поверхность частиц сильно зависит от их крупности, так как общая поверхность увеличивается обратно про­ порционально диаметру отдельных зерен. По расчетам X. К. Аветися­ на [3], 1 кг флотационного концентрата с удельным весом 4 т/м3 в ви-

32

де одного куска шарообразной формы имеет поверхность, равную 191 см2. Но если это же количество концентрата измельчить до раз­ личной крупности, то общая поверхность при этом резко возрастает

(табл. 2 ).

Из таблицы видно, что флотационный концентрат или другое из­ мельченное металлургическое сырье при их переработке в распылен­ ном состоянии имеют очень большую поверхность и при тех же условиях, в отличие от тонкоизмельченного сырья, лежащего на шихтовых отко-.

сах печи толстым слоем, до-

всех физико-химических про­ цессов, в том числе химиче­ ских взаимодействий.

Как известно, кинетику химических процессов, про­ текающих между газовой сре­ дой и взвешенными в ней ча­ стицами шихты, можно ха­ рактеризовать двумя величи­ нами [2 ] : скоростью измене­

ния состава газов при при­ ближении системы к состоя­ нию разновесия (Fi) и скоро­

стью изменения состава конденсированных фаз или вещества, прореагировавшего в единицу времени (F2).

Скорость Fi можно определить через изменения в течение какогото времени соотношения газообразных компонентов, входящих в зна­ чение константы равновесия. Например, для процессов сублимации, испарения и диссоциации с образованием одного пароили газообраз­

где P(r) — парциальное давление образующегося газа или пара.

При наличии же в системе двух и более газовых компонентов

получим следующие выражения:

(2.3)

dt

В случаях постоянных величин температуры и .Кр-скорости дви­ жения газового потока величина скорости Ѵ\ для данной реакции вос­ становления металла из его окиси является функцией удельной по­ верхности конденсированной фазы на единицу объема всей системы

(2.4)

Отсюда видно, что в замкнутой системе равновесие реакции до­ стигается тем быстрее, чем больше степень дисперсности материала» другими словами — чем больше общая удельная поверхность сопри­ косновения конденсированных и газообразных фаз в единице объема

вать удельной массой аэрозоля.

Значение скорости Ѵг выражается либо через абсолютную вели­ чину — количество прореагировавшего вещества в единицу времени в единице объема системы

V

либо через относительную величину, выраженную в долях и процентах от общей массы вещества:

(2.6)

V

При прочих равных условиях величина Ѵг также является функ­ цией удельной поверхности системы и не зависит от удельной массы аэрозоля, а следовательно, и степени дисперсности, т. е.

(2.7)

34

Относительная величина скорости Ѵ2, представляющая практический интерес для металлургии, зависит от удельной массы и при одной и той же поверхности обратно пропорциональна удельной массе частиц.

Таким образом, анализ наиболее общих положений кинетики ге­ терогенных химических процессов в условиях плавки в распыленном

Рис. 4. Схема образования пограничного слоя вокруг твердой частицы в турбулентном газо­ вом потоке. 1 — твердая частица диаметром d; 2 — пограничный слой толщины S ; 3 — газовая среда в состоянии турбулентного движения.

состоянии показывает, что существенную роль в интенсификации про­ цессов обжига и плавки играет величина поверхности раздела газооб­ разных и конденсированных фаз.

Вцелом же кинетика химических превращений при взаимодейст­ вии газа и взвешенных частиц перерабатываемого материала сложна

имало изучена. Сложность более точной количественной оценки ско­ рости реакций в подобных условиях обусловлена прежде всего нали­ чием у поверхности взвешенных частиц при их относительном движе­ нии в более или менее толстом слое неподвижного газа, так называе­ мого пограничного слоя, толщина которого зависит от вязкости газа, параметра и состояния поверхности твердой частицы и аэродинамики движения газа (рис. 4).

Всилу неподвижности пограничного слоя проникновение газовых молекул извне к поверхности частицы и от поверхности частицы че­ рез пограничный слой возникает только при помощи диффузии через этот слой. К этому следует добавить, что в случае взаимодействия газа

ствердой частицей с образованием на поверхности частицы новой фазы, напримерпри окислении сульфидов металлов, проникновение газа внутрь частицы будет совершаться за счет диффузии через слой газообразных и конденсированных продуктов окисления.

Врезультате скорость химического взаимодействия между твер­ дой частицей и газовой средой определяется результирующей скоро­ стью трех, одновременно протекающих процессов: диффузии газа через неподвижный пограничный слой, химического взаимодействия моле­ кул газа с молекулами частицы и диффузии газа внутрь твердой час­

35

тицы, если не все продукты реакции газообразны. Из них лимитирую­ щим будет тот, который имеет наименьшую скорость и тем самым определяет скорость процесса в целом. Соотношение скоростей меняет­ ся в зависимости от температуры и характера реакции, вследствие чего общий процесс гетерогенного взаимодействия взвешенных частиц шихты с газом может находиться в кинетической, промежуточной и диффузионной областях.

Степень дисперсности перерабатываемого сырья оказывает также большое влияние на процесс диффузии в пограничном слое, который математически описывается уравнением Фика .

<2-8>

где — — количество газа, диффундирующего в единицу времени от

элемента поверхности частицы; D — коэффициент диффузии;

dC— градиент концентрации;

d g — элемент поверхности.

Известно [2], что для частицы шарообразной формы скорость диффузии газа к частице является функцией ее радиуса, толщины по­ граничного слоя, коэффициента диффузии и разности концентраций на внутреннней и внешней поверхностях пограничного слоя или гра-

диента концентрации в пограничном слое — п——, где С\ — концент­

рация газа на наружной поверхности пограничного слоя.

По данным Тен-Боша [4], толщина пограничного слоя увеличи­ вается с уменьшением диаметра частицы, что, несомненно, должно от­ разиться на скорости диффузии. Однако уменьшение скорости диффу­ зии от увеличения толщины пограничного слоя все же меньше, чем увеличение ее от уменьшения диаметра частиц (рис. 5).

процессов с уменьшением диаметра частиц остается в силе и для диф­ фузии. Отсюда видна значительная роль развитой поверхности взве­ шенных частиц в объеме плавильного агрегата и резкого возрастания скорости химической реакции и диффузии.

В условях реальных процессов плавки в распыленном состоянии количественная оценка указанных стадий значительно усложнена тем, что в плавильных агрегатах наблюдается изменение размеров частиц, температуры по длине факела, состава газовой фазы, переме­ шивание фаз и др.

36

Последующее развитие процессов плавки в распыленном состоя­ нии и их промышленное освоение на ряде заводов в СССР и за грани­ цей послужили поводом для дальнейшего всестороннего изучения теоретических и технологических особенностей этого класса процессов.

Сложность состава металлургического сырья цветной металлур­ гии и необходимость более полного его использования привели к созда-

Рис. 5. Зависимость толщины пограничного слоя и относительной скорости диффузии га­ за через пограничный слой от диаметра час­ тицы : S — толщина пограничного слоя (мм) для каменного угля при температуре 1200° по Тен-Бошу; т — относительное количество газа, диффундирующего в единицу времени

нию ряда комплексных и комбинированных процессов с применением подогретого дутья, дутья, обогащенного кислородом, и технического: кислорода. Примером комбинирования энерготехнологических процес­ сов может служить кислородно-взвешенно-циклонно-электротермиче­ ский (КИВЦЭТ) процесс, предложенный впервые в СССР [5, 6 ].

Таким образом, многообразие различных 'вариантов плавки в рас­ пыленном состоянии в области только цветной металлургии, необходи­ мость переработки, как правило, полиметаллического сульфидного сырья, а также максимальная интенсификация процессов требуют тщательного анализа физико-химических основ и с этой целью поста­ новки специальных исследовательских работ.

Указанные особенности процессов в распыленном состоянии за­ трудняют использование значительной части имеющихся в литерату­ ре данных и требуют проведения специальных физико-химических исследований в условиях, максимально приближенных к реальным.

ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ПЛАВКИ МЕДНЫХ СУЛЬФИДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В РАСПЫЛЕННОМ СОСТОЯНИИ

Как известно, в основе процесса плавки сульфидных медных кон­ центратов в распыленном состоянии лежит осуществление двух идей: максимального использования развитой поверхности флотационного концентрата для интенсификации процесса (как это было показано в предыдущем разделе) и теплотворной способности шихты, т. е. тепла экзотермических реакций окисления сульфидов и шлакообразования.

37

баланс процесса в основном зависит от теплотворной способности ших­

ты и состава штейна.

На основании термохимических расчетов А. И. Окунев [9] при­ водит (рис. 6, 7) зависимости теплотворной способности концентратов и необходимой степени подогрева воздуха от состава получаемых

S Ч:

I I

11

штейнов для ведения автогенной плавки на примере следующих руд и концентратов, отличающихся по составу:

I тип — низкосортная пиритная руда: Си — 5,0%, Fe — 39,6, S — 45,4, пустой породы — 10,0% ;

II тип — бедная по меди руда: Си — 5,0%, F e— 32,6, S — 37,4,

пустой породы — 25 %;

III тип — медный концентрат, аналогичный перерабатываемому на заводе Харьявалта (Финляндия): Си — 20,6%, Fe — 32,6, S — 37,4, пустой породы — 1 0 ,0 %;

IV тип — богатый медью концентрат, состоящий из 90% халько­ пирита: Си — 31,2%, Fe — 27,4, S — 31,4, пустой породы — 10,0%.

Из рисунков 6 , 7 видно, что теплотворная способность шихты

(ккал/т) и степень подогрева воздуха являются функцией состава пе­ рерабатываемого концентрата и степени десульфуризации или состава штейна.

На основании диаграммы состояния основных компонентов мед­ ного штейна, теоретических [1 1 ] и термохимических расчетов по ана*

39