Принципиальная технологическая схема выплавки штейна способом Аусмелт

Плавка в жидкой ванне. Это высокоэффективная отечественная разработка автогенной технологии плавки сульфидного сырья – процесс Ванюкова (ПВ), используемая на предприятиях цветной металлургии России и за рубежом. Первый комплекс ПВ был введен в эксплуатацию на медном заводе Норильского горно-металлургического комбината в 1977 г. В системе загрузки печи имеются бункера для накопления медных концентратов (70…75 % шихты), кварцевой золотосодержащей

руды и известняка (20…25 %), оборотных материалов (клинкер, выломки –

до 5 %) и других компонентов. Химический состав шихты, %: Cu 10…15; Zn 3,0…4,5; S 25…35; Fe 28…32; SiO2 13…17. Расход шихты 45…85 т/ч, производительность по шихте 1200…2400 т/сутки.

Печь ПВ: 1 – шлаковый сифон; 2 – штейновый сифон; 3 – шлак; 4 – штейн; 5 – горелка; 6 – фурма; 7 – медная водоохлаждаемая плита; 8 – чугунная водоохлаждаемая панель; а – концентрат и флюсы; б – газы; в, д – кислородно-воздушная смесь; г – природный газ

Шихта на ванну барботируемого расплава, где подвергается физико-химическим превращениям с образованием продуктов плавки – штейна, шлака и запыленных отходящих газов. Печь кессонирована по всей высоте. С каждой стороны в нижнем ряду

кессонов в работе находится по 21 фурме, в верхнем ряду – по 12 фурм. Через фурмы нижнего ряда в расплав подают кислородно-воздушную смесь и природный газ. Глубина погружения фурм в расплав поддерживается в пределах 0,3…0,6 м. Фурмы верхнего ряда применяются для отопления печи природным газом в период ее останова, а также для дожига элементной серы в процессе плавки сульфидной шихты. Печь работает в непрерывном режиме загрузки, плавки, выпуска жидких продуктов плавки и эвакуация отходящих газов. При неизменном расходе кислорода тем-

пература ванны расплава регулируется соотношением «кислород : воздух» дутья, подаваемого через фурмы нижнего ряда в расплав при заданном соотношении «кислород дутья – загрузка шихты». Миксеры штейна (40…60 % Cu) и шлака (0,8…1,0 % Cu) являются накопителями расплавов и предназначены для их непрерывного приема из печи по обогреваемым переточным желобам и слива в ковши и шлаковозные чаши.

Технологический кислород на обогащение воздушного дутья (концентрация 95 % О2, давление 200 кПа) вырабатывается на двух разделительных блоках с суммарной производительностью 22 тыс. м3/ч. Расход кислородно-воздушной смеси – до 20 тыс. м3

/ч, обогащение дутья кислородом – до 87 об. % Технологические газы ПВ (до 40 тыс. м3

/ч, концентрация SO2 36…42 об. %) для утилизации тепла проходят котел-утилизатор (давление пара до 4,5 МПа), температура газов на входе в котел – 1250 ºС, на выходе

– 400 ºС. Затем газы проходят очистку от пыли в электрофильтрах (КПД очистки 97,5…98,0 %) и затем с концентрацией SO2 20…25 % поступает в сернокислотный цех.

Конвертирование штейнов

Независимо от способа, которым выплавлен штейн из руды или концентрата, дальнейшая переработка его одинакова. Штейны имеют состав, %: 16…25 Cu; 36…49 Fe; 1…2 SiO2; 0,5…1,0 CaO и отличаются главным образом концентрацией меди и железа.

Переработка штейнов осуществляется в конвертерах горизонтального типа диаметром до 4 м, длиной до 10 м, вместимостью до 100 т меди (выплавляется за 1 технологическую операцию). Конвертер футерован хромо-магнезитовым кирпичом. Механическая передача обеспечивает возможность поворачивания конвертера в обе стороны на 1 оборот .

. Конвертер в рабочем положении: 1 – штейн; 2 – шлак; 3 – фурма; 4 – горелка;

5 – бандаж; 6 – горловина; 7 – воздухопровод; 8 – опора; 9 – венцовая шестерня; а – сжатый воздух; б – шихта (флюсы); в – газы

На корпусе укреплены бандажи – опорные и ведущий, находящийся в зацеплении с шестерней редуктора электродвигателя, которым конвертор может поворачиваться в обе стороны на 360°. На боковой поверхности имеется горловина, через которую заливают штейн, скачивают шлак, разливают медь и отводят газы. В рабочем положении она направлена вверх и помещается под напыльником, соединенным с отводящими газоходами. Края напыльника плотно примыкают к корпусу конвертера, предупреждая

разбавление газов атмосферным воздухом. По одной из образующих корпуса установлены фурмы, соединенные с коллектором сжатого воздуха (2,0…1,5 атм). Фурма имеет шаровой клапан, стальной шарик которого в рабочем положении перекрывает выход воздуха наружу, а при прочистке ломиком отходит в гнездо. Газы через напыльник поступают в сборный газоход, из него – в пылевую камеру, электрофильтр, а затем – на производство серной кислоты. Штейн в конвертор подают ковшом через горловину, предварительно повернув бочку, чтобы не залить фурмы.

Продувка штейна в конвертере состоит из двух периодов. Содержание первого периода конвертирования: окисление сульфида железа, ошлакование образующейся закиси железа добавляемым кварцем с получением белого штейна (белого матта) и шлака.

Воздух, вдуваемый через фурмы в жидкий штейн, энергично его перемешивает. На поверхности воздушных пузырьков протекают реакции окисления FeS и Cu₂ S:

Возникающий при этом оксид меди сульфидируется по реакции:

Cu ₂O+ FeS= Cu ₂S+ FeO

а FeO связывается в силикат Fe ₂SiO₄ кварцем:

2FeO+ SiO₂=2FeO∙ SiO₂

Загрузку кварца (крупностью 6…20 мм) начинают с продувки расплава.

Желательно применять золотосодержащие или медистые кварциты, чтобы

извлечь дополнительно медь и золото, однако содержащие не менее 80 %

SiO₂ , чтобы не повышать выход шлака.

Таким образом, в первом периоде в результате продувки воздуха может

окислиться лишь сульфид железа; только после окисления всего сульфида

железа образуется оксид меди Cu₂O. Поэтому в первом периоде из медно-

го штейна удаляют сернистое железо, а медь в виде сульфида концентри-

руется в штейне. Суммарная реакция окисления FeS в присутствии кварца

в этом периоде:

служит основным источником тепла и накопления его в конвертере для вто-

рого периода плавки. Шлак сливают через горловину, наклоняя конвертор.

Вследствие переокисления сульфида железа при недостатке кварца

у фурм (в области интенсивной продувки):

получаемые шлаки обогащены магнетитом Fe₃ O₄ , который ограниченно

растворим в расплавленной массе и образует на футеровке тугоплавкие на-

стыли. Присутствие магнетита в шлаке увеличивает его вязкость и, следо-

вательно, механические потери меди с ним. В связи с повышенной концен-

трацией в шлаке меди он вовлекается в переработку в предыдущей плавке

на штейн непосредственно или после флотационного обогащения. Равно-

мерная подача измельченного кварца и достаточно высокая температура

способствуют восстановлению магнетита по реакции:

получению достаточно жидких шлаков и снижению потерь с ними меди.

Конвертерные шлаки, образующиеся в первом периоде, имеют ориентировочный состав, мас. %: Cu 1,5…2,5, SiO₂ 17…28, Fe 60…70, в том числе в виде Fe₃ O₄ до 25. В них тем меньше магнетита, чем больше кон-

центрация оксида кремния. Для доизвлечения меди из шлака его возвра-

щают в предыдущую операцию выплавки штейна или после грануляции

обогащают флотационным методом.

Температура заливаемого в конвертер штейна составляет примерно

1473⁰С и в течение первого периода она за счет интенсивного окисления

сульфида железа увеличивается и поддерживается в пределах

1523…1623 ⁰С; более высокая температура вызывает ускоренный износ фу-

теровки, а при более низкой температуре расплавы становятся вязкими.

Регулирование температуры осуществляется добавками: расплавленного

штейна – для увеличения температуры, или холодных присадок (холодный

штейн) – для уменьшения температуры.

После продувки и слива шлака объем ее уменьшается и позволяет при-

нять новую порцию штейна, набор которого продолжают до накопления

белого штейна (белого матта) – штейна, состоящего практически из одного

сульфида меди, в количестве, необходимом для перехода ко второму пе-

риоду плавки. Цель первого периода – набор белого штейна – осуществля-

ется повторением циклов: заливка бедного штейна, его продувка и слив

шлака. В зависимости от концентрации меди в перерабатываемом штейне

длительность первого периода конвертирования составляет от 6 ч до суток,

а второго – 3…4 ч.

Второй период конвертирования начинается после набора белого

штейна. Содержание второго периода конвертирования: дальнейшая про-

дувка расплава белого штейна с окислением сульфида меди и получением

черновой меди. Возникающий при окислении расплава оксид меди интен-

сивно реагирует с остаточным сульфидом и химизм второго периода мож-

но описать реакциями:

После почти полного окисления белого штейна плавку заканчивают. Не-

большое количество сульфида меди остается растворенным в металле,

но дальнейшая продувка невозможна вследствие дефицита тепла. В конце

второго периода используется тепло, накопленное футеровкой конвертора.

Черновую медь разливают в изложницы. Слитки конверторной (черно-

вой) меди называют штыками (от немецкого Stück – кусок, штука). На не-

которых заводах черновую медь в изложницы не разливают, а переносят

в рафинировочные печи, избегая повторного плавления. Извлечение меди

и благородных металлов в черновую медь достигает 99 % и тем больше,

чем богаче штейн. В черновой меди суммарная концентрация примесей со-

ставляет около 1 % (Fe, S, O, Zn, As, Sb и др.).

Конвертерные газы, получаемые в обоих периодах, обогащены диокси-

дом серы до 15 об. %, но периодичность работы конвертеров, большие

подсосы воздуха, сильно разубоживающие газы (особенно около напыль-

ника) затрудняют использование этих газов для производства из них сер-

ной кислоты. С газами выносится в виде пыли (частицы флюсов, штейна,

меди и т.д.) до 5 % меди и благородных металлов.

Грубую пыль улавливают в осадительных камерах или циклонах, час-

тично она оседает в газоходах. В основном это затвердевшие брызги меди,

штейна и частицы флюса. Пыль возвращают в конвертор или в шихту руд-

ной плавки. Тонкую пыль, состоящую из возогнанных оксидов свинца,

цинка и редких металлов, улавливают электрофильтрами и направляют

на отдельную переработку.

На большинстве заводов дутье обогащают кислородом до 25…33 %

только в первом периоде, а второй проводят на воздушном дутье. Усовер-

шенствование конверторного передела обогащением дутья кислородом по-

зволяет сократить продолжительность продувки, уменьшить выход газов

и повысить концентрацию в них SO₂ . При этом увеличится приход тепла

в первом периоде и уменьшится потеря его во втором, что позволит полу-

чать в конвертере медь непосредственно из концентратов, минуя выплавку

штейна. Для этого в предварительно разогретый конвертор загружают вме-

сте с кварцем гранулированный медный концентрат, после чего получают

из него сначала белый штейн, а затем медь. Концентрат (концентрация ме-

ди не менее 20 %), увлажненный до 8…10 %, окатывают, пересыпая его

в медленно вращающемся барабане или на наклонной тарели. При этом

образуются шаровидные гранулы диаметром 10…20 мм, которые затем

сушат до 2…3 % влаги и затем загружают в конвертор. Гранулятор диа-

метром 2,8 м производит до 15 т окатышей в час.