Плавка сульфидных медьсодержащих материалов на штейн
жүктеу/скачать 252.17 Kb.
|
|
1.4 Плавка сульфидных медьсодержащих материалов на штейн 1.4.1 Плавка на штейн в отражательных печах и электропечах Основной целью отражательной плавки является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов - штейна и шлака. При этом ставиться задача, как можно полнее перевести в штейн медь и другие ценные элементы, а пустую породу перевести в шлак. Сущность отражательной плавки заключается в том, что загруженная шихта плавится за счёт теплоты от сжигания углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве. Факел, образующийся при горении топлива, располагается над поверхностью расплава. При плавке влажных и подсушенных концентратов загруженная шихта образует откосы вдоль боковых стен печи. При плавке она растекается по поверхности зеркала шлакового расплава. Шихта и поверхность в отражательных печах нагревается за счёт непосредственного лучеиспускания факела горячих топочных газов и тепловых лучей, отражённых от внутренней поверхности свода. Участие свода в передаче теплоты отражением теплового излучения послужило причиной названия печей отражательными печами. Передача теплоты внутри слоя шихты в отражательной печи осуществляется только за счёт теплопроводности. Отсутствие в отражательных печах массообмена внутри расплава обуславливает перенос теплоты в нижние слои расплава только за счёт теплопроводности. Следует отметить, что теплопроводность шихты и шлакового расплава весьма низка. Схема плавки в отражательной печи сырых (необожжённых) концентратов приведена на рисунке 1.3. 1- загрузка шихты; 2- горящий факел; 3 - направление потоков теплоизлучения от факела; 4 - стекающий поверхностный расплавленной слой шихты; 5 - тяжёлая фракция расплава, обогащённая сульфидами и оксидами железа; 6 - лёгкая фракция расплава, обогащённая кварцем; 7 - штейновая фаза; 8 - шихтовый откос. Рисунок 1.3 - Схема плавления шихты на откосах отражательной печи. Механизм плавки в отражательной печи можно представить следующим образом. Нагрев шихты, лежащий на поверхности откосов за счёт теплоты, излучаемой факелом, сопровождается сушкой материала и диссоциацией высших сульфидов. По мере нагрева в поверхностных слоях шихтовых откосов начинают плавиться легкоплавкие составляющие шихты - сульфидные и оксидные эвтектики. Образующийся первичный расплав стекает по поверхности откосов, растворяет в себе более тугоплавкие компоненты и попадает в слой шлакового расплава. С этого момента начинается разделение шлаковой и штейновой фаз. Капли оксидной фазы растворяются в общей массе шлака, который постоянно имеется в печи, а капли штейна проходят через слой шлака и образуют в нижней части ванны самостоятельный штейновый слой. Скорость отстаивания капель штейна будет тем выше, чем крупнее капли. Очень мелкие штейновые включения в условиях отражательной плавки не всегда успевают отстояться за время пребывания расплава печи, которое составляет 10-14 часов. Эти капли выносятся вместе со шлаком. При переработке в отражательных печах обожжённых концентратов, уже прошедших термическую обработку в печах кипящего слоя, механизм плавления будет другим. В этом случае частицы огарка растекаются по поверхности шлака и контактируют с ней. В результате этого оксидные плёнки растворяются в шлаке, а сульфидные зёрна оседают на дно расплава, образуя штейн. При плавке в отражательной печи сырого и обожжённого концентрата будет иметь место различный химизм процесса плавки. При плавке сырых концентратов основными химическими процессами являются процессы термической диссоциации высших сульфидов и взаимодействие сульфидов железа с магнетитом, поступающим в печь с оборотным конверторным шлаком. 2FeS2 = 2FeS + S2 (1.28) 2FeS2+5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 (1.29) 10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (1.30) 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO· SiO2) + SO2 (1.31) Суммарная десульфуризация в этом случае обычно составляет 45 - 55%. В огарке высшие сульфиды отсутствуют, так как они уже разложились при обжиге в печи кипящего слоя. Поэтому плавка огарка главным образом сводится к химическому взаимодействию между оксидами и сульфидами: Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (1.32) 10Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (1.33) Образующийся магнетит взаимодействует с сульфидом железа, как и в случае плавки необожжённого концентрата: 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO· SiO2) + SO2 (1.34) Десульфуризация при плавке обожжённых концентратов составляет 20 -25%. Состав заводских штейнов отражательной плавки в зависимости от состава перерабатываемого материала и метода плавки (без обжига и с обжигом) колеблется в следующих пределах, %: Сu - 15-60; Fe-30-40; S-23-26; Pb - до 1; Zn-до 6; Ni- до 0,5. Кроме того, в них содержатся благородные металлы, селен, теллур и ряд других ценных и вредных примесей. Состав реальных шлаков отражательной плавки колеблется в следующих пределах, %: Cu - 0,3-0,8; FeO-35-55; CaO-1,5-22; Al2O3-3,0-10,0; Zn - до - 8; S - 0,5-1,5. Отходящие газы отражательных печей представляют собой смесь технологических и топочных газов. Технологические газы образуются в результате термической диссоциации высших сульфидов и карбонатов, а также в результате взаимодействия сульфидов с высшими оксидами железа. Объём отходящих газов относительно невелик. Основную массу отходящих газов составляют топочные газы, образующиеся в результате сжигания топлива. Поэтому отходящие газы содержат незначительное количество сернистого ангидрида. Его содержание в отходящих газах колеблется в пределах 0,5-1,5%. Такие газы непригодны для производства серной кислоты. Их чаще всего выпускают в атмосферу, что, естественно, наносит огромный вред окружающей среде. Практическая невозможность утилизации отходящих газов отражательных печей является серьёзным недостатком отражательной плавки. Пыли отражательной плавки образуются в результате уноса газовым потоком частиц перерабатываемого материала и возгонов. Возгоны при отсутствии должной системы пылеулавливания вместе с газами попадают в атмосферу. Наибольший вынос пыли наблюдается при плавке обожжённых концентратов. В качестве топлива в отражательных печах может быть использованы угольная пыль, мазут, природный газ. Наиболее распространённым топливом в настоящее время является природный газ, который сжигается в горелках с избытком воздуха 1,05. Это позволяет поддерживать в печи слабо окислительную атмосферу. Химическая инертность атмосферы отражательных печей делает невозможным регулировать степень десульфуризации, а, следовательно, и состав штейна. Именно поэтому для получения богатых по меди штейнов из бедных концентратов приходится проводить их предварительный окислительный обжиг. Рабочая температура в отражательной печи на расстоянии 3-10м от передней стенки составляет 1550-1660оС. Эта зона высоких температур является плавильной зоной. По мере удаления от зоны плавления температура снижается до 1150-1200оС. Эта зона в печи работает как отстойник расплава. Необходимость поддержания температуры порядка в конце печи обусловлена выпуском отвального шлака в этой части печи, которая имеет температуру плавления порядка 1200оС. Тепловой коэффициент полезного действия отражательных печей очень низок и не превышает 30%. Около 50-55% тепла теряется с отходящими газами. Поэтому для повышения эффективности тепловой работы печей за ними устанавливают котлы-утилизаторы. В результате суммарное использование теплоты составляет 60-70 %. Отражательная печь для плавки медных концентратов представляет собой плавильный агрегат с горизонтальным рабочим пространством. Современные отражательные печи имеют следующие внутренние размеры: длина 28-35 м, ширина - 6-10 метров, высота от свода до пода - 4-4,5м . Площадь таких печей колеблется от 180 до 350 м2. Конструктивно отражательная печь состоит из фундамента, подины (лещади), свода, каркаса, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов плавки, горелок (форсунок ) для сжигания топлива. Фундамент изготавливают из литого шлака или бутового камня. На фундаменте размещается наварная лещадь. Наварка осуществляется оплавлением кварцевого песка на нескольких слоях строительного и огнеупорного кирпича. Лещадь может быть полностью выложена из динасового кирпича. Толщина лещади 0,6-1,5 м. Стены печи выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового или магнезитохромитового кирпича. Толщина стен составляет 0,5-0,7м, а у лещади 0,75-1 м. Кладку скрепляют металлическим каркасом. Для большинства печей применяют подвесные или распорные своды. Их собирают из отдельных блоков и подвешивают на арках дугообразной формы. Загрузка шихты осуществляется через свод печи с помощью загрузочных устройств, расположенных вдоль стен печи Для выпуска штейна предусмотрены шпуры, расположенные в боковых стенах в противоположном направлении от торца печи, в котором находятся горелки. В этом же районе печи несколько выше шпуровых отверстий находится шлаковое окно для выпуска шлака. Часто шлаковые окна располагаются с обеих сторон печи. Общий уровень расплава определяется порогом шлакового окна. Глубина расплава составляет 0,8-1,2 м. Из неё на долю штейна приходится 0,4-0,6 м. Выход шлака зависит от состава и вида перерабатываемой шихты, и от количества загружаемого конверторного шлака. Выход шлак превышает выход штейна в 1,2-2 раза. Отражательная плавка отличается высокой универсальностью. Она пригодна для переработки многих видов медьсодержащих материалов в широком диапазоне их составов. Это является основной причиной её применения в настоящее время в медной промышленности. В тоже время она обладает и существенными недостатками: - самая низкая из всех плавильных агрегатов удельная производительность; - низкий тепловой к.п.д.; - высокий расход топлива; - невозможность регулирования состава штейна; - низкая комплексность использования сырья; - высокий расход дорогостоящих огнеупоров. Ниже приведены основные технико-экономические показатели работы отражательных печей. Сырые Обожжённые концентраты концентраты Производительность печей, т/(м2·сут) 3-5 5-8 Расход условного топлива, % от шихты 18-22 14-16 Содержание меди в шлаке, % 0,25- 0,4 0,4-0,6 Извлечение меди в штейн ,% 95-98 93-96 Степень десульфуризации, % 30-55 15-20 Выход, % от шихты: штейна 50-80 40-60 шлака 60-86 70-80 Запылённость газов, г/м3 5-10 15-30 Аналогом отражательной плавки является руднотермическая плавка медных концентратов на штейн в электрических печах. По своему химизму плавка сульфидных медных концентратов в электрических печах на штейн практически не отличается от отражательной плавки. Основным принципиальным отличием её является метод нагрева шихты, которая плавится за счёт тепла, выделяющегося при пропускании электрического тока через шлаковый расплава. По сравнению с отражательной руднотермическая плавка характеризуется более высокой производительностью, которая составляет 10-12 т/(м2∙сут). Кроме того, она характеризуется более высоким тепловым к.п.д., который достигает 70%. Это позволяет перерабатывать более тугоплавкую шихту. Вследствие перегрева расплава снижаются потери меди с отвальным шлаком. Недостатком руднотермической плавки является то, что для её осуществления расходуется посторонний источник энергии и не используется в качестве источника энергии сульфидное сырьё. Плавка необожжённых медных концентратов на штейн в электрических печах используется на Жезказганском горно-металлургическом комбинате. 1.4.2 Плавка на штейн в шахтных печах 1.4.2.1 Типы шахтных печей Шахтная плавка руд принадлежит к наиболее старым способам плавки на штейн. Она существует уже несколько столетий и сохраняет своё значение до настоящего времени. Шахтная печь представляет собой плавильный аппарат с вертикальным рабочим пространством, похожим на шахту. В поперечном сечении шахтные печи имеют прямоугольную форму. Схематическое устройство печи представлено на рисунке 1.4. Шихту, состоящую из руды, флюсов и топлива, периодически загружают через загрузочные окна на колошниковой площадке отдельными порциями, называемыми колошами. В нижней части печи через фурмы вдувают воздух. В области фурм топливо (кокс или сульфиды) сгорает. В результате в этой области развиваются высокие температуры в пределах 1300-1600оС. Зона высоких температур называется фокусом печи. В фокусе печи происходит плавление шихты и завершается образование продуктов плавки. Продуктами плавки являются шлак и штейн, которые стекают во внутренний горн. Из внутреннего горна они совместно выпускаются по сифонному жёлобу в передний горн на отстаивание. Раздельный выпуск штейна и шлака осуществляется из переднего горна. По мере плавления шихта опускается вниз, а на её место загружается новая порция шихты. Газы, образующиеся в области фурм, поднимаются вверх, пронизывают столб опускающейся шихты и отдают ей свою теплоту. В этих условиях осуществляется теплообмен между газами и шихтой по принципу противотока. Такой теплообмен обеспечивает самый высокий коэффициент использования теплоты, наблюдающийся в металлургических печах. В шахтных печах он достигает 80-85 %. 1- внутренний горн, 2 - колошник, 3 - шахта печи, выпускной жёлоб, 6 - наружный (передний ) горн Рисунок 1.4 - Схема устройства шахтной печи. Одним из необходимых условий успешной работы шахтной печи является предварительное окускование руды. Это достигается методами брикетирования и агломерации. Различают несколько видов шахтных плавок медьсодержащих материалов: восстановительная, пиритная (окислительная), полупиритная и усовершенствованная полупиритная или медно - серная плавка. В современной металлургии меди соё практическое значение сохранили только полупиритная и медно - серная плавки. Восстановительная плавка используется в настоящее время как основной метод получения черновой меди из вторичного сырья. При восстановительной плавке, пригодной для переработки окисленного или вторичного сырья, вся необходимая для процесса теплота получается за счёт сжигания кокса, расход которого составляет не менее15 % от массы твёрдой шихты. Пиритная плавка в принципе полностью может протекать за счёт тепла, выделяемого в процессе окисления сульфидов шихты. На практике, однако, в печь всё-таки приходится вводить порядка 2% кокса для обеспечения стабильного теплового баланса. Пиритная плавка пригодна для переработки руд, содержащих не менее 75 % пирита или 42 % серы. В чистом виде она потеряла своё значение. Плавка, при которой в исходной шихте не хватает сульфидов для автогенного ведения процесса, и в которой недостаток тепла компенсируют сжиганием топлива, получила название полупиритной плавки. Расход кокса при проведении такой плавки колеблется в пределах от 5 до 12 %. Таки образом, полупиритная плавка занимает промежуточное положение между восстановительной и пиритной плавкой. 1.4.2.2 Полупиритная плавка Основные процессы определяющие ход и характер полупиритной плавки, протекают в фокусе печи, где достигается максимальная температура, порядка 1600оС и протекают процессы горения кокса и сульфидов в твёрдом и жидком состояниях, плавления компонентов шихты, штейно- и шлакообразования. В фокусе печи протекают следующие основные реакции: C + O2 = CO2 (1.35) 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 (1.36) 2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.37) Дутьё при проведении полупиритной плавке ведут с большим избытком воздуха. Избыток составляет до 100% от теоретически необходимого количества. В результате плавка происходит форсированно и химические реакции в реакционной зоне завершаются быстро. При большом избытке воздуха, кислород дутья не успевает полностью израсходоваться в фокусе печи и в значительном количестве поступает в верхние слои шихты, в подготовительную зону. В результате этого в верхних слоях шихты наряду с процессами нагрева, сушки и термической диссоциации высших сульфидов и карбонатов происходит горение твёрдых сульфидов. Обогащение дутья кислородом способствует интенсификации процесса. Принципиальная схема устройства шахтной печи полупиритной плавки приведена на рисунке 1.5. Печь покоится на массивном фундаменте. Основание печи - прямоугольную стальную плиту на стальных колоннах устанавливают на фундаменте. Стены печи собирают из водоохлаждаемых плоских железных коробок - кессонов. На внутренней стороне кессона образуется гарнисаж, который служит как огнеупор. Кессоны в разрезе имеют прямоугольную форму, а по высоте трапециидальную форму с меньшим основанием внизу. 1-газоход; 2-шатровый колошник; 3-створки загрузочных окон; 4-загрузочные плиты, 5-шахта печи; 6-водоохлаждаемые кессоны; 7–система охлаждения кессонов; 8-кольцевой воздухопровод; 9-фурмы; 10–лещадная плита;11- фундамент; 12- выпускной жёлоб; 13-передний горн Рисунок 1.5 - Схема устройства шахтной печи для полупиритной плавки. В области фурм ширина печи составляет 1,4 м, длина от 4 до 7м. Высота от лещади до колошника до 7м. Фурмы для вдувания воздуха закреплены на кессонах. Жидкие продукты плавки штейн и шлак непрерывно выпускаются через жёлоб с порогом в передний горн с овальным поперечным сечением. Передний горн или отстойник представляет собой железное корыто, футерованное изнутри огнеупорным кирпичом и снабжённое 2 -4 шпурами для выпуска штейна и желобом для непрерывного удаления шлака. Свода горн не имеет. Им служит корка застывшего шлака. В последнее время на некоторых заводах отстойные горны шахтных печей обогреваются электричеством. Он осуществляется пропусканием электрического тока через слой жидкого шлака с помощью погружённых в него электродов. Содержание меди в штейнах зависит от состава перерабатываемого материала и колеблется в пределах от 15 до 50%. Состав шлака колеблется в пределах, %: SiO2 -35-40; FeO - 45-60; CaO - 3 -12; Cu - 0,3-0,4. Полупиритная плавка характеризуется следующими основными технико- экономическими показателями: Удельный проплав, т/(м2·сут) 60 -120 Содержание меди, %: в шихте 15-30 в штейне 30-60 в шлаке 0,5-1,0 Содержание серы в шихте, % 12-30 Степень десульфуризации, % 60 -75 Извлечение меди в штейн, % 90- 92 Расход кокса от массы шихты, % 5-12 Для полупиритной плавки используется богатая кусковая руда или агломерат, полученный агломерирующим обжигом флотационных концентратов. Полупиритная шахтная плавка является относительно дешёвым технологическим процессом. Для её осуществления не требуется много дорогостоящих огнеупоров. Она строится из относительно дешёвых конструкций и занимает небольшие производственные площади. Её достоинством является то, она пригодна для малых масштабов производства, так как печи могут быть построены любой длины. Полупиритная плавка характеризуется высокой производительностью. Недостатком плавки является то, практически отсутствует рудное сырьё для переработки способом полупиритной плавки. Сюда же следует отнести низкую степень комплексности использования сырья. 1.4.2.3 Медно – серная плавка Медно - серная плавка по своей сути представляет собой пиритную плавку высокосернистых руд, содержащих не менее 40 -42% серы. При проведении этой плавки усовершенствован метод обработки печных газов с целью получения серы в элементарном состоянии. Для этого сульфидную руду в смеси с кварцевым флюсом и увеличенным до 12% количеством кокса плавят в герметизированной шахтной печи с увеличенной высотой. Для медно - серной плавке характерно расположение по высоте печи трёх чётко выраженных зон: зона окислительного плавлении (нижняя), восстановительная зона (средняя) и подготовительная зона (верхняя). Зона окислительного плавления расположена в области фурм. Она имеет ограниченные размеры. Здесь развиваются самые высокие в печи температуры до 1200-1450оС. Необходимая для плавки теплота выделяется за счёт протекания в этой зоне химических реакций: 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 (1.38) 2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (1.39) Суммирование реакций даёт основную реакцию, протекающую в окислительной зоне: 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO·SiO2 + 2SO2 (1.40) При проведении медно - серной плавки не допускается отклонений от стехиометрических соотношений реакции (1.40). Избыток или недостаток какого либо из реагентов приводит к нарушению теплового режима плавки, сокращению или растягиванию фокуса печи. Весь кислород дутья должен полностью расходоваться в области фурм. Кокс не должен достигать области фурм, так как в этом случае протекание реакции (1.40) нарушается и печь может замёрзнуть от недостаточного выделения тепла. Жидкими продуктами медно-серной плавки являются шлак и штейн, которые стекают во внутренний, а затем в наружный отстойник. Газовая фаза, образующаяся в области фокуса печи, практически полностью состоит из сернистого ангидрида и азота. Она поступает в среднюю восстановительную зону, которая заполнена раскалённым коксом. В этой зоне протекают химические реакции: 2SO2 + 2C = S2(пар) + 2CO2 (1.41) 2SO2 + 4CO = S2(пар) + 4СО2 (1.42) Для обеспечения полного восстановления SO2 в средней зоне на этом участке печь резко расширяется. Это приводит к резкому уменьшению скорости газов и увеличению времени взаимодействия между реагентами. Восстановительной зоне возможно также протекание реакций: 2CO + S2 = 2COS (1.43) C + S2 = CS2 (1.44) 4H2O + 3S2 = 4H2S + 2SO2 (1.45) Нагретые газы восстановительной зоны пронизывают верхние слои шихты и обогащаются парами серы за счёт термической диссоциации высших сульфидов: 2FeS2 = 2FeS + S2 (1.46) 4CuS = 2Cu2S + 5S2 (1.47) 4CuFeS2 = 2Cu2S + 4FeS + S2 (1.48) Для осуществления медно-серной плавки применяются печи специальной конструкции. Схема устройства печи для медно-серной плавки приведена на рисунке 1.6. 1 - внутренний горн; 2 - кессонированный пояс; 3 - огнеупорная кладка; 4 - колокольный загрузочный затвор; 5- газоход. Рисунок 1.6 - Схема устройства печи для медно - серной плавки. Поскольку температура кипения элементарной серы составляет 441,5оС, то в верхней части печи необходимо поддерживать температуру 500-550оС. При этой температуре элементарная сера находится в парообразном состоянии. Поддержание высокой температуры обеспечивается футеровкой верхней части печи огнеупорным материалом, что значительно снижает потери тепла. Во избежание обратного окисления серы печь герметизируют и поддерживают в ней избыточное давление. Герметизация печи обеспечивается установкой загрузочного устройства колокольного типа. При загрузке шихта сначала поступает на верхний колокол, затем пропускается в межколокольную ёмкость и оттуда после закрытия верхнего колокола загружается в печь. Продуктами медно - серной плавки являются медный штейн, шлак и содержащие серу газы. Поскольку десульфуризация в процессе медно - серной низка, то в результате получаются бедные по меди штейны. Содержание в них меди колеблется в пределах 10-15% . Переработка таких штейнов экономически нецелесообразна. Поэтому они перед конвертированием подвергаются концентрационной (сократительной) плавке в отдельной шахтной печи. В результате концентрация меди в штейне возрастает до 40-42 %. Газы, выходящие из печи, помимо N2, CO2, H2O, содержат пары элементарной серы, ядовитые компоненты SO2, H2S, CS2, COS и другие. Они направляются в химический цех для получения из них элементарной серы. Для разрушения ядовитых компонентов газа в химическом цехе создаются условия для протекания реакции: 2CS2 + 2SO2 = 2CO2 + 3S2 (1.49) 4COS +2SO2 = 4CO2 + 3S2 (1.50) 4H2S + 2SO2 = 4H2O + 3S2 (1.51) Медно - серная плавка характеризуется следующими основными технико - экономическими показателями: Удельный проплав, т/(м2·сут) 40 - 50 Расход кокса, % от руды 9,5 - 12 Выход продуктов плавки, % от руды: штейна 22 - 36 шлака 67 - 85 Содержание меди в штейне, % 5 - 15 Извлечение меди в штейн, % 90 - 94 Извлечение серы в газы, % 65 - 75 Извлечение серы из газов , % 85 - 90 Содержание серы в товарном продукте, % 99,6 - 99,95 жүктеу/скачать 252.17 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|