Модуль 1. Теория автогенного плавления и окисления сульфидосодержащих шихт

Модуль 1. Теория автогенного плавления и окисления сульфидосодержащих шихт

Лекция 12. Новые направления плавки во взвешенном состоянии.

План лекции:

1. Основные типы агрегатов для автогенной плавки

Принцип работы печей для плавки на штейн

Тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн

Принцип работы печей для плавки на черновую медь

Автогенными принято называть технологические процессы, идущие за счет химической энергии сырьевых материалов. Тради­ционным является, например, использование этой энергии на на­грев воздушного дутья и расплавление холодных присадок при конвертировании штейнов, а также при протекании процессов обжига сульфидов в кипящем слое. Многолетние работы по рас­ширению области применения химической энергии сульфидов в производстве меди привели в начале пятидесятых годов к созда­нию принципиально новых промышленных агрегатов для плавки на штейн. Эти агрегаты имеют ряд существенных преимуществ перед топливными и электрическими печами аналогичного назна­чения, которые заключаются в значительном (примерно в два раза) сокращении энергозатрат на переработку шихты и полной ликви­дации выбросов сернистого газа в атмосферу. Вместе с тем опыт работы печей для автогенной плавки показал, что принцип их работы, а также конструктивные и режимные параметры во/многом зависят от состава перерабатываемого сырья. Чрезвычайное разнообразие применяемых в металлургии меди шихтовых мате­риалов, состав которых может изменяться даже в условиях одного

По принципу работы различают три основных типа агрегатов для автогенной плавки на штейн:

1) печи для плавки концентратов во взвешенном состоянии в потоке предварительно нагретого воздуха или дутья, обогащен­ного кислородом, именуемые печами взвешенной плавки (ПВП);

2) печи для плавки концентратов во взвешенном состоянии в потоке технически чистого кислорода, которые иногда называют печами кислородно-взвешенной плавки (КВП);

3) печи для плавки шихтовых материалов в среде барботируемого газообразным окислителем шлакового расплава, более из­вестные под названием печей для плавки в жидкой ванне (ПЖВ).

Печи для взвешенной плавки имеют различное конструктивное оформление, зависящее от характера применяемого окислителя и состава сырья. Использование предварительно нагретого воз­душного дутья позволяет варьировать в широком диапазоне соотношение между интенсивностями протекающих в печи тепло-генерационных и теплообменных процессов и тем самым создает возможность перерабатывать в ней шихтовые материалы различ­ного состава. В этом случае в печи образуется большое количество технологических газов, движущихся в рабочем пространстве агре­гата g высокими скоростями. Поэтому с целью снижения пыле-выноса в печах взвешенной плавки на воздушном и обогащенном кислородом дутье обычно применяют вертикальное расположение технологического факела, заключая его в специальную реакцион­ную камеру, С той же целью отвод газов из печи осуществляется через вертикальный газоход шахтного типа.

При использовании кислородного дутья возможности агрегата с точки зрения изменения его теплотехнических параметров в ходе плавки значительно ниже, чем при воздушном дутье. Однако сравнительно небольшое количество технологических газов, образующихся в процессе окисления сульфидов, дает возможность применить более компактную конструкцию агрегата о горизонтальным расположением технологического факела.

Объяснить принцип работы печей для плавки на штейн

Объяснить тепловой и температурный режимы работы печей для плавки на штейн.

Описать принцип работы печей для плавки на черновую медь.

Лекция 17. Общие положения о кислородно-взвешенной электротермической плавке

План лекции:

1. Кивцэтный процесс

2.Основные процессы и аппаратура кивцэтного процесса.

Кивцэтный процесс является усовершенствованной разновидностью плавки во взвешенном состоянии, разработанной советскими металлургами для переработки многих типов сульфидных концентратов (впервые способ КИВЦЭТ был разработан для переработки медно-цинковых коллективных концентратов Николаевского месторождения).
Кивцетный процесс прошел длительные полупромышленные испытания на опытном заводе ВНИИцветмета при переработке многих типов сульфидных концентратов. На основании результатов этих работ была построена и в 1961 г пущена в эксплуатацию опытно-промышленная кивцэтная установка на медном заводе Иртышского полиметаллического комбината. Второй промышленный агрегат КИВЦЭТ-ЦС был пущен в 1985 г на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате (ныне ОАО "Казцинк”) для переработки свинцовых концентратов. Процесс основан на сочетании принципов взвешенной и циклонной плавок и рационального использования технологического кислорода и электроэнергии. Стадии обжига и плавки, разделения продуктов плавки, обеднения шлаков и конденсации цинковых паров протекают в одном объединенном агрегате.
В кивцэтном процессе тщательно высушенный концентрат поступает в циклонную горелку сверху. Кислород с большой скоростью (до 150 м/с) подается в циклон тангенциально. Из-за большой скорости газы получают в циклоне быстрое вращательное движение, в результате чего частицы шихты отбрасываются на стенки камеры. При горении сульфидов в чистом технологическом кислороде развиваются высокие температуры, шихта плавится, образуя тонкую вращающуюся пленку расплава на внутренней стенке циклона, в которой и протекают основные процессы. Перегретый расплав стекает в отстойную камеру, где происходит отделение штейна от шлака. Высокие скорости окисления в чистом кислороде обеспечивают полное использование кислорода и получение газов с высоким содержанием SO2 (75-80%).

Эти газы отводятся отдельно по газоходу, примыкающему к камере отстаивания, и направляются в котлы - утилизаторы для использования теплоты, в электрофильтры для улавливания пыли и далее в химический цех для извлечения серы.

Применение циклонных горелок позволяет резко снизить запыленность газов и устранить таким образом один из недостатков взвешенной плавки.
Шлаковый расплав по мере накопления перетекает во вторую (электротермическую) часть кивцэтного агрегата, которая предназначена для его обеднения и отгонки летучих компонентов путем восстановительной обработки шлака. Для поддержания сильно восстановительной атмосферы и предотвращения окисления паров возгоняемых металлов камеру обеднения тщательно герметизируют. С этой целью камеры обеднения и отстаивания разделяют перегородкой, погруженной в шлак, а места ввода электродов уплотняют и используют специальные загрузочные устройства. Для осуществления процессов восстановления в электротермическую часть агрегата загружают твёрдый восстановитель. В этой части печи происходит разрушение магнетита, восстановление цинка до элементарного состояния и его испарение, возгонка соединений свинца, кадмия, германия и некоторых других редких и рассеянных элементов. При высоком содержании цинка в шихте образующиеся в восстановительной зоне его пары могут быть направлены на конденсацию с получением цинка в виде жидкого металла. Однако такой цинк оказывается очень сильно загрязненным примесями и нуждается в дорогой операции рафинирования. Поэтому более целесообразно возгоны получать в виде оксидов и затем направлять их на гидрометаллургическую переработку.

Контрольные вопросы:

1. Объяснить сущность кивцэтного процесса.

2.Рассказать основные процессы и аппаратуру кивцэтного процесса.

Технология плавки

Конструкция печи Ванюкова

Печь Ванюко́ва (плавка в жидкой ванне) — автогенная плавильная печь для переработки медных, медно-никелевых и медно-цинковых концентратов. Плавка происходит в шлако-штейновой ванне печи, куда интенсивно подается кислородно-воздушная смесь.

Технология предложена советским металлургом Андреем Владимировичем Ванюковым.

Промышленные печи Ванюкова применяются для плавки следующих типов сырья: сульфидных никелевых руд, медных, никелевых и свинцовых концентратов: две печи на горно-металлургическом комбинате в городе Балхаше, Республика Казахстан; три печи в городе Норильске, Россия; две печи в городе Ревда, Россия; одна печь двухзонной конструкции в городе Орск, Россия

Технология плавки

Процесс представляет собой непрерывное плавление и окисление в шлаковой ванне расплава медного сульфидного сырья. Ванна барботируется кислородсодержащим дутьем. Образующийся при плавке штейн непрерывно выводится из печи через штейновый сифон в нижней части шлаковой ванны.

Сульфидная шихта подается в ванну расплава печи через три загрузочные течки. Кусочки холодной шихты, при загрузке в печь, погружаются в горячий жидкий шлак с температурой 1250—1600 °C.. Жидкий шлак смачивает поверхность твердых частиц шихты и нагревает их до температуры, при которой между ними начинается интенсивные физические и химические взаимодействия, в результате чего формируются конечные продукты плавки. Одновременно, на глубине около 0,5 м от поверхности, на плавку в шлаковый расплав подается кислородсодержащее дутье (если необходимо для теплового баланса, природный газ или жидкое топливо).

Кислород дутья и природный газ вступают во взаимодействие со шлаком, генерируя тепло за счёт экзотермических реакций, и создают требуемые окислительно-восстановительные условия в расплаве. Скорость движения газовой струи на срезе фурмы составляет 150—220 м/сек. Перемешивание газом расплава и включений перерабатываемых материалов интенсифицирует химические и физические взаимодействия в надфурменной зоне ванны расплава.

Такие высокие скорости подачи газовой струи обеспечивают устойчивый канальный характер струи на расстоянии 100—400 мм от среза фурмы. Далее движение газов дутья перестает иметь канальный характер и струя разбивается на газовые пузыри. Химическое взаимодействие кислорода дутья и расплава протекает на стенках канала, поверхностях газовых пузырей и капель расплава.

Фурменная (барботируемая) зона печи ПВ является местом, где происходят основные физико-химические взаимодействия — окисление кислородом дутья компонентов шихты, растворение кварца и других тугоплавких составляющих шихты, формирование шлака и штейна. Образующиеся капли штейна оседают в подфурменную зону и далее в донную штейновую фазу. В условиях непрерывного поступления сульфидной шихты в фурменную зону и отсадки из неё штейновых капель в зоне барботажа образуется шлако-штейновая эмульсия с определённым соотношением шлака и штейна. При этом сплошной фазой в эмульсии является, шлак и диспергированной — штейн. Шлако-штейновая эмульсия состоит на ~95 % по объёму из шлака и ~5 % по объёму из штейна. Большие скорости тепло- и массообмена обеспечиваются барботажем и энергичным перемешиванием шлако-штейновой эмульсии в фурменной зоне печи. Загружаемый в фурменную зону материал быстро распределяется по всему объёму шлака в барботируемой зоне. Это приводит к быстрому выравниванию средней температуры и состава продуктов плавки по всей барботируемой зоне. Ниже оси фурм (подфурменной зоне) жидкие фазы, образующиеся в результате реакций, формируют отдельные слои, разделяясь по удельному весу. Затем жидкие фазы выводятся по раздельным выпускным каналам. При непрерывной загрузке в расплав шихты, подаче дутья и выпуске расплавов и газов в печи при неизменности входных параметров устанавливаются некоторые постоянные во времени условия, которые определяют состав получаемых жидких и газообразных продуктов плавки. Многочисленные исследования показывают, что эти условия весьма близки к условиям термодинамического равновесия, что достигается, прежде всего, за счёт высоких скоростей физико-химических превращений в процессе Ванюкова.

Количество штейна в условиях плавления шихты в барботируемой шлаково-штейновой эмульсии невелико — не превышает 5-8 %. Мелкие капли имеют высокую вероятность встречи, они коалесцируют, укрупняются и уходят из надфурменной зоны. Таким образом, разрушение крупных капель и укрупнение тонких включений приводит к тому, что основное количество штейна шлако-штейновой эмульсии содержится в каплях размером 100—500 мкм. Такие капли оседают в подфурменной зоне с большой скоростью.

Конструкция печи Ванюкова

Проведение процесса плавки в печи ПВ неотделимо от непрерывной работы систем, составляющих комплекс ПВ; систем подачи шихты, подачи кислородсодержащего дутья и природного газа, охлаждения кессонированных элементов печи, непрерывного отвода продуктов плавки — шлака, штейна и технологических газов, очистки, охлаждения и утилизации технологических газов, аспирации, систем. Все кессонированные элементы печи охлаждаются оборотной химически очищенной водой в количестве до 1000 м³/ч при давлении на входе в кессоны и фурмы 0,6 МПа

Комплекс печи ПВ работает с потреблением различных видов топлива: угля и природного газа — для технологических нужд и для отопления сифонов штейна и шлака, обогрева желобов для выдачи штейна и шлака. Основным видом топлива является природный газ.

Строение печи

Схема печи Ванюкова

Печь ПВ состоит из нескольких узлов:

· Подины.

· Горна, вмещающего донный штейн.

· Кессонированной шахты, состоящей из трех рядов кессонов.

· Кессонированного фурменного пояса для продувки расплава.

· Фурменных устройств второго и третьего ряда.

· Сифонов для непрерывной выдачи штейна и шлака с желобами.

· Кессонированного свода

· Загрузочных устройств.

· Желоба для заливки конвертерного шлака в заливочное окно печи.

· Аптейка для отвода технологических газов.

· Каркаса печи с площадками для обслуживания печи.

· Столбчатого железобетонного фундамента.

Прямоугольное рабочее пространство печи выполнено из водоохлаждаемых кессонов и огнеупоров. Боковые и торцевые стены шахты смонтированы из массивных водоохлаждаемых медных кессонов с залитыми внутри змеевиками. На поверхности кессонов, обращенной внутрь печи, образуется гарнисаж, который надежно защищает их от воздействия высоких температур и эрозии. Кессоны монтируют в три яруса по высоте. Ниже кессонированного пояса рабочее пространство выполнено из хромомагнезированного кирпича на шамотной засыпке. В кессонах нижнего яруса на высоте 2…2,5 м от подины предусмотрены отверстия для установки водоохлаждаемых фурм для подачи дутья, а если необходимо, через них подается и углеродистое топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).

Печь ПВ оснащена двумя рядами фурм на каждой из боковых сторон. Через нижний ряд фурм подается воздух, обогащенный кислородом, совместно с природным газом. Второй ряд фурм служит для поддержания расплава в жидкотекучем состоянии при остановке печи в «горячий резерв» на время свыше 10—20 часов и для дожига горючих составляющих технологических газов.

Фурменный ряд разделяет ванну печи на две горизонтально расположенные зоны: надфурменную и под фурменную. В надфурменной зоне происходит интенсивное перемешивание расплава, шихты и газовой фазы. Благодаря этому во всем объёме зоны поддерживается оптимальный состав шлака, происходит быстрое растворение кварца и других компонентов шихты. В подфурменной зоне движущийся поток расплава уже не пермешивается, и в нём можно создавать соответствующие градиенты температур, состава и других параметров, способствующих обеднению шлака и постепенному опусканию более тяжелых капель штейна на дно печи. Штейн удаляют непрерывно через штейновый сифон, расположенный на одном из торцов печи. В торцовой разделительной стенке имеется переточный канал высотой 490 мм, соединяющий рабочее пространство со штейновым сифоном. Уровень штейна в печи не должен опускаться ниже отметки 500 мм, чтобы исключит возможность попадания шлака в штейновый сифон. В сифоне предусмотрено щелевидное окно, через которое штейн по обогреваемому газовыми горелкамит желобу поступает в миксер, где накапливается и его периодически выпускают в ошлакованные ковши. Для аварийного выпуска штейна предусмотрено шпуровое отверстие.

С противоположного торца к печи примыкает шлаковый сифон, в разделительной стенке которого предусмотрен переточный канал. Шлак непрерывно удаляют по обогреваемому кессонированному переточному желобу в накопительную шлаковую емкость объёмом 25 м³ по мере накопления шлака его периодически выпускают в чаши железнодорожных шлаковозов. Накопительная емкость частично выполняет и роль отстойника. Поэтому из неё примерно один раз в сутки через специальное шпуровое устройство выпускают 10… 12 т. штейна того же состава, что и из штейнового сифона.

Свод печи, так же, как и штейнового и шлакового сифонов, выполнен из водоохлаждаемых коробчатых сифонов. Фундамент ленточного типа выполняют из железобетона. Для его теплоизоляции, как обычно, укладывают выстилку. Отходящие от рабочего пространства газы поднимаются по вертикальному газоходу прямоугольного сечения, выполненного из огнеупорного кирпича. К газоходу примыкает кессонированная пылевая камера, в которой за счёт резкого уменьшения скорости и направления движения газового потока осаждаются крупные фракции пыли и брызги расплава. Они попадают в бункерную часть камеры, и по мере накопления их периодически выгружают шнеком в оборотный пылевой бункер шихтового отделения. Из пылевой камеры газы попадают в котел-утилизатор, а затем после очистки в циклонах их передают в сернокислотное производство. Шихту загружают непрерывно через отверстия в своде по двум независимым загрузочным трактам. Загружаемая в печь шихта в результате интенсивного перемешивания равномерно распределяется по всему объёму барботируемого слоя.

Контрольные вопросы:

Лекция 11. Практика плавки

Модуль 1. Теория автогенного плавления и окисления сульфидосодержащих шихт