Лекция 30. Перспектива переработки автогенных технологий
План лекции:
1. Конвертирование медных штейнов
2. Процесс совмещенной плавки и конвертирования.
3. Процесс «Норанда»
4. Процесс «Эль–Тениенте» и «Миццубиси»
Конвертирование – окислительный процесс, заключающийся в обработке сульфидных расплавов кислородсодержащими газами (воздух, кислородо-воздушная смесь) с целью количественного удаления железа, а также частично или полностью и серы. Технологические особенности конвертирования штейнов определяются их составом и схемой дальнейшей переработки. Так, при конвертировании медных штейнов удаляют примеси серы и получают черновую медь, содержащую менее 1% примесей. При конвертировании никелевых, медно-никелевых штейнов удаляют железо и получают файнштейн, содержащий сульфиды Ni, Cu, и металлическую фазу.
В первом периоде окисляется главным образом сульфид железа в присутствии кремнезема, подаваемого с кварцевым флюсом, по реакции:
2FeS + 3О2 + SiO2 = 2FeО×SiO2+ 2SO2.
При дефиците, низком качестве флюса создаются предпосылки для переокисления железа до магнетита:
6FeO + O2 = 2Fe3O4,
который при повышении температуры взаимодействует с сульфидом железа:
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeО×SiO2) + SO2.
Эти реакции экзотермичны и не только обеспечивают поддержание температуры процесса, но и формируют избыток тепла, что приводит к повышению температуры расплава в конвертере со скоростью нескольких градусов в минуту. Поэтому в конвертер загружают холодные добавки: вторичное металлосодержащее сырье, корки штейна из ковшей, выломки и т. п.
Окисление сульфида меди возможно только после количественного окисления сульфида железа, иначе происходит обратное сульфидирование:
Cu2S + 1,5O2 = Cu2O + SO2
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO.
Жидкими продуктами первого периода конвертирования являются шлак и белый матт. В шлак переходят фаялит и большая часть магнетита, часть свободного кремнезема из флюса, оксиды металлов–примесей. Медь в шлаке представлена в виде механических потерь в форме Cu2S; ее содержание в шлаке составляет 1,5–2,5 %. Этот шлак является оборотным и направляется в печь для плавки на штейн или на отдельную переработку флотационным или электротермическим обеднением.
Белый матт представляет собой Cu2S, содержащий некоторое количество FeS и примесей.
Второй период конвертирования предлагает получение черновой меди. При продувке расплава происходит окисление Cu2S:
2Cu2S + 2O2 = 2Cu2O + SO2
и взаимодействие оксида меди (I) с ее сульфидом:
2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2.
Образующаяся металлическая медь растворяется и накапливается в сульфидном расплаве, достигая предела растворимости при данной температуре. Происходит расслаивание расплава с образованием двух жидких продуктов: нижнего слоя металлической меди и верхнего слоя жидкого белого матта. Второй период конвертирования завершается полным удалением серы и получением черновой меди, качество которой регламентируется техническими условиями. Полученная медь содержит 97,5–99,5 % меди и примеси никеля, цинка, свинца, сурьмы, висмута, селена, теллура, мышьяка и благородных металлов. Она направляется на рафинирование для получения товарной меди и извлечения примесей. Конвертерные газы охлаждают, очищают от пыли и направляют на производство серной кислоты.
Горизонтальные конвертеры представляют собой цилиндрическую емкость, опирающуюся с помощью опорных бандажей на ролики. Для заливки штейна, загрузки флюса и холодных материалов, слива расплава и удаления газов в верхней части цилиндрической поверхности корпуса имеется горловина. Поворот бочки вокруг горизонтальной оси осуществляется от электродвигателя через редуктор и зубчатую пару, в которую входят зубчатый венец, охватывающий корпус, и ведущая шестерня. Помимо рабочего привода предусмотрен привод аварийного поворота с двигателем, питающимся от аккумуляторной батареи. Аварийный привод включается при падении давления дутья и служит для предотвращения заливки фурм для подачи дутья расплавом.
Воздух поступает от воздуходувной машины по трубопроводу в расплав через фурмы. Количество и диаметр фурм определяется размерами конвертера. Для уменьшения гидравлического сопротивления при подводе дутья к фурмам коллектор конструктивно объединен с фурмами (рис. 4.40). Бочка конвертера изготовлена из листовой стали и изнутри футерована огнеупорным кирпичом. Толщина футеровки составляет 230–380 мм, а в области фурменного пояса 450–800 мм. Футеровка выполнена насухо, зазоры между кирпичами заполняют магнезитовым порошком. Преимущественно применяют хромомагнезит, периклазошпинелид, магнезит. Температурная компенсация обеспечивается наличием температурных швов в кладке, а также компенсирующими пружинами.
Подача холодного воздуха в расплав приводит к зарастанию фурм, в связи с чем их необходимо прочищать. Конвертеры современных конструкций оснащаются индивидуальными или групповыми пневмофурмовщиками, позволяющими снизить трудозатраты при проведении процесса.
Горловина конвертера, работающего под дутьем, закрыта сверху напыльником для отвода отходящих газов. Напыльник имеет испарительное охлаждение. Конвертерные газы проходят грубую и тонкую очистку от пыли соответственно в циклонах и электрофильтрах, затем направляются в сернокислотное производство.
Подготовленные флюсы подают к бункеру, расположенному над конвертером, и далее по системе транспортеров, по загрузочной течке через горловину.
Транспортировку расплавов от конвертера осуществляют ковшами. Основные параметры горизонтальных конвертеров приведены в табл. 4.16.
Таблица 1- Основные параметры горизонтальных конвертеров
| Показатель | Размер: диаметр × длина бочки | |||
| 3,95×9,2 | 3,66×6,7 | 3,69×6,1 | 2,26×3,3 | |
| Емкость, т | ||||
| Мощность двигателя, кВт | ||||
| Рабочего | ||||
| Аварийного | – | |||
| Число фурм | ||||
| Диаметр фурм, мм | ||||
| Пропускная способность по воздуху, м3/мин | ||||
| Площадь горловины, м2 | 6,0 | 4,5 | 3,0 | 2,5 |
Процесс совмещенной плавки и конвертирования. Совмещенная плавка сульфидного сырья и конвертирования в одном агрегате (СПК) был разработан в институте «Унипромедь». Особенностью СПК данного способа является подача шихты через боковые фурмы в объем сульфидного расплава. В настоящее время СПК реализован на Медногорском медно–серном комбинате (1995–96) и на ОАО «Святогор» (1997) в варианте загрузки шихтовых материалов на поверхность расплава через горловину конвертера.
Практика СПК на ММСК. В период реконструкции оборудования на территории металлургического цеха был установлен плавильно–рафинировочный агрегат емкостью 140 т. для переработки твердого медьсодержащего концентрата и медьсодержащих отходов (рис. 4.53). Конечными продуктами переработки в агрегате являются штейн, содержащий 70–75 % Cu и шлак (0,3–0,8 % Сu) . Дальнейшее рафинирование штейна до черновой меди производится в 80–т конвертере. Шлак после дробления поступает на переплавку в шахтную печь. Плавку и частичное рафинирование расплава проводят в автогенном режиме, что обеспечивается подачей в расплав воздуха, обогащенного кислородом.
Плавильно–рафинировочная ванна имеет две зоны: плавильную и отстойную. Шихтовые материалы загружают непрерывно, слив штейна периодически и шлака непрерывно в изложницы шлакоразливочной машины.
В рафинировочный агрегат входят 140 т конвертер, напыльник и шлакоразливочная машина. В состав конвертера горизонтальная цилиндрическая печь, которая при выполнении различных технологических и ремонтных операций поворачивается вокруг горизонтальной оси. Загрузка пылевидных и мелкофракционных шихтовых материалов осуществляют с помощью пневматического загрузочного устройства, установленного на торце печи. Кусковые и брикетированные материалы загружают через горловину в области реакционной зоны агрегата.
Загрузку крупногабаритных материалов проводят через газовую горловину, технологическое дутье подают через фурмы, расположенные по образующей печи ниже уровня расплава. Предусмотрены дополнительно 2 фурмы в отстойной зоне (за газовой горловиной) предназначенные для нагрева шлака и повышения его жидкотекучести. Выпуск обогащенного штейна производят через выпускное отверстие в торцевой стенке печи.
Шлак с поверхности расплава удаляют непрерывно с торцевой части печи, противоположной загрузке, и далее по футерованному желобу поступает непосредственно в изложницы.
Для удаления газообразных продуктов предусмотрена газовая горловина, установленная в стороне от реакционной зоны. Напыльник охлаждается водой и состоит из двух частей: стационарной и поворотной. Стационарная часть выполнена в виде прямоугольного фланца, подсоединенного к газоходной магистрали. Поворотная часть напыльника при подъеме в верхнее положение полностью открывает доступ к горловине для выполнения технологических операций. В закрытом положении обеспечивается примыкание периметра напыльника к фартуку поворотной печи с минимальным зазором, что снижает разубоживание газов и обеспечивает повышенное содержание SO2 в отходящих газах, направляемых после газоочистки на сернокислотное производство.
Необходимо отметить, что в конструкции печи предусмотрена возможность ремонта футеровки в зоне фурменного пояса без демонтажа оборудования. Это позволяет проводить ремонт без охлаждения печи до низких температур и устраняет необходимость последующего ее разогрева. Это уменьшает теплосмены и повышает стойкость огнеупорных материалов. Кроме того, сокращается время простоя агрегата в период ремонтных работ.
Агрегат СПК данной конструкции имеет широкие возможности для переработки различных медьсодержащих материалов автогенном режиме, отличается простотой конструкции и обслуживания, характеризуется высокой надежностью работы его механизмов. Заметим, также, что монтаж и пуск агрегата был осуществлен в короткие сроки и с минимальными капитальными затратами.
Параметры работы СПК на ОАО «ММСК» при использовании воздушного дутья и кислородно–воздушной смеси (КВС):
| Вид дутья | Воздух | КВС |
| Производительность по концентрату, т/ч | 10–12 | 10–16 |
| Расход, тыс. м3/ч: | ||
| Воздуха | 20,5–22,5 | |
| Кислорода | – | до 3 |
| Содержание О2 в дутье, % об. | 22–28 | |
| Давление дутья, МПа | 0,07–0,15 | 0,07–0,15 |
| Температура процесса, оС | 1100–1300 | 1100–1300 |
| Содержание меди, %: | ||
| в штейне | 65–72 | 60–70 |
| в шлаке | 3–7 | 1,5–4,0 |
| Коэффициент нахождения конвертера под дутьем, % | 92–96 | 92–96 |
| Содержание SiO2 в шлаке, % | 18–22 | 18–22 |
Пятилетняя эксплуатация СПК подтвердила его экономическую эффективность перед аналогичными аппаратурно– технологическими решениями.
Практика СПК на ОАО «Святогор». Технологическая схема СПК на ОАО «Святогор» и включает (рис. 5.54.) плавку концентрата на богатый штейн с последующей его доработкой до черновой меди; охлаждение и флотационное обеднение шлака; очистку газа от пыли и производство серной кислоты.
Агрегат СПК оборудован (рис. 1) системой подачи шихты и газовоздушными горелками для разогрева конвертера и компенсации потерь тепла в рабочем режиме с номинальным расходом газа до 600 м3/ч. В качестве шихты используется смесь концентратов, содержащих 13–15 % Cu: 36–37 S; 30–32% Fe и флюсов (75–80 % SiO2). Контроль температуры ванны (режим «Оn line») осуществляют с помощью радиационного пирометра, установленного в торцевой части конвертера агрегата.
Ниже представлены некоторые технико–экономические показатели работы конвертерного передела с момента пуска СПК:
| 1997г. | 1998 г. | 1999г. | 2000 г. | |
| Переработано, тыс. т: | ||||
| Штейна | 179,2 | 189,9 | 225,5 | 219,9 |
| кварцсодержащего флюса | 36,8 | 35,0 | 37,7 | 40,7 |
| Среднее содержание Cu в штейне, % | 28,44 | 25,10 | 23,68 | 24,70 |
| Получено, тыс. т: | ||||
| черновой меди | 50,8 | 45,8 | 54,0 | 56,5 |
| конвертерного шлака | 161,2 | 146,7 | 188,3 | 178,8 |
| Использование конвертера под дутьем, % | 65,2 | 65,7 | 66,5 | 66,2 |
| Извлечение меди, % | 93,8 | 93,9 | 93,6 | 95 3 |
Процесс «Норанда». Процесс непрерывной плавки, совмещенный с конвертированием, проводимый в цилиндрическом агрегате типа конвертера. Разработан в Канаде фирмой «Норанда Майнз». Первые испытания были проведены в 1968 г. на заводе «Горн» (Канада). Промышленное внедрение комплекс «Норанда» получил на заводе «Гарфильд» (США) в 1973 году. Впоследствии был реконструирован (1979) в конвертер–реактор, где применяли дутье, обогащенное кислородом (до 34 % об.) C этого времени технология в аппаратах данного типа называется как модифицированный процесс «Норанда» на дутье, обогащенном кислородом. Данную технологию применяли на Чилийских заводах «Калетонес и «Чукикамата» и на заводе «Бор» Югославия. На заводе Порт–Кэмбла (Австралия) в 1990 году шахтные печи были заменены на агрегат «Норанда».
В процессах «Норанда» используют большие цилиндрические конвертера длиной 21,3 и диаметром 5,2 м (рис. 4.56). Фурмы установлены по всей длине агрегата в количестве 60 шт., диаметром 54 мм. Шихту непрерывно загружают в реактор через отверстие в торцевой части конвертера или вдувается через некоторые фурмы. Концентрат, содержащий 25 % и 30 % S, подсушивают до влажности 7 % и сырые окатыши вместе с флюсами загружают в печь. Газы отводятся через горловину в напыльник.
Для регулирования теплового режима конвертера периодически на торцевых горелках сжигают топливо (природный газ, мазут), а также загружают уголь.
При работе на воздушном дутье газы содержат 7 % SO2 и после очистки, их направляют на производство серной кислоты. Обогащение дутья кислородом до 30 % повышает концентрацию SO2 в районе аптейка до ~ 25 %. Содержание SO2 в отходящих газах сернокислотной установки < 0,4%. Извлечение серы 85 % и пылевынос ~3%.
Первоначально процесс «Норанда» использовали для получения непосредственно черновой меди, но при этом были получены богатые шлаки
(8–12 % Cu). Плавка на богатый штейн (> 70% Cu) приводила к получению более бедных шлаков, содержащих %. мас.: 5 Cu; 22 SiO2; 40 Fe. В дальнейшем эти шлаки отравляли на флотацию, в результате были получены хвосты флотации (до 0,.25–0,4 % Cu) и медный концентрат (25–35 % Cu) , возвращаемый в шихту плавки. Потери меди составляли ~ 0,75 %.
Процесс по способу «Норанда» отличается высокой производительностью. При обогащении дутья кислородом до 30%, проплав шихты достигал 1800 т/сут.
Процесс «Эль–Тениенте». Является разновидностью процесса «Норанда» и осуществляется в модифицированном конвертере «Эль–Тениенте» (ТМС). Внедрен на заводах «Калетонес» (1977–1978 г.г.), «Чукикамата» (1984), «Потрерильос» (1985) и «Лас–Вентанас» (1984).
Особенностью технологии ТМС в отличие от «Норанда» является:
– совместно с концентратом периодически добавляется жидкий штейн отражательных печей для регулирования теплового режима плавки;
– часть сухого концентрата вводится через фурмы, а другая – загружается на поверхность ванны;
– плавку ведут непрерывно на белый матт (72–77 % Cu), причем выпуск шлака и матта осуществляется с противоположных концов конвертера, тем самым, реализуется принцип противотока.
Повышение содержания кислорода в дутье и предварительная сушка концентрата до влажности 0,2 %, увеличивает производительность конвертера и позволяет снизить количество добавок штейна.
Общий вид конвертера показан на рис.4.57.
Ниже представлены некоторые показатели работы конвертеров «Норанда» и «Эль–Тениенте » на разных предприятиях:
| «Порт–Кэмбла» (Австралия) | «Калетонес» (Чили) | |
| Процесс | «Норанда» | «Эль–Тениенте» |
| Размеры реактора, м | ||
| Длина (диаметр) | 17,5 (4,5) | 21 (4,2) |
| Высота слоя шлака (штейна), м | 0,3 (1–1,1) | 0,5 (1,2) |
| Число вспомогательных горелок | Нет | |
| Количество фурм (общее), шт. | ||
| Активных | 22–24 | |
| Диаметр фурм, см | ||
| Производительность, т/сут: | ||
| Концентрат | 800–900 (26 % Cu) | 1550 (31 % Cu) в фурмы |
| кремнистые флюсы | 90–100 | 190 (91 % SiO2) |
| Пыль | 10–12 | Концентрат на ванну |
| оборотные материалы | 80–100 | 240 (8 % Н2О) |
| Концентрация кислорода в дутье, %, об. | 38–40 | |
| Расход дутья, м3/ч | 1200–1320 | |
| Расход кислорода на т. концентрата | 140–160 кг | |
| Производительность, т/сут | ||
| по штейну | 400–500 (70% Сu) | 700 (75 % Cu) |
| по шлаку | 500–600 (3–4 Cu) | 1200 (7 % Cu) |
| Объем отходящих газов, 103, м3/ч, | 37,8–40,2 | |
| Концентрация SO2 в отходящих газах, %, об. | 12,5 | |
| Расход топлива на т. сухого концентрата | 15–20 кг кокс, ~6 газ | Автогенный |
Таким образом, плавка медных концентратов в конвертерах отличается высокой производительностью, возможностью получения кондиционного для производства серной кислоты газа и выхода на автогенный режима плавки («Эль–Тениенте»).
Процесс «Мицубиси». Предназначен для непрерывного получения черновой меди из сульфидных концентратов, разработан в Японии и применяется на заводах «Кидд–Крик» (Канада), «Онсан» (Южная Корея), «Гресик» (Индонезия), «Порт–Кэмбла» (Австралия) и «Наосима» (Япония).
Технология осуществляется в трех каскадно расположенных печах (рис. 4.58): плавильной (S), для обеднения шлака(CL) и конвертерной (C). Промежуточные продукты перетекают по закрытым водоохлаждаемым желобам. Концентрат сушат (W = 0,5 %) и в смеси с измельченными флюсами вдувают в печь.
Смешение концентрата (32,35 % Cu; 24,93 % Fe; 30,95 S) с углем, кварцевым флюсом, оборотным конвертерным шлаком и обогащенным до 56 % кислородом воздуха происходит в вертикальной водоохлаждаемой фурме, диаметром 100 мм. Расход концентрата составляет 84,0 т/ч, флюсов (SiO2 : известняк) 11,5 : 2,6, оборотного конвертерного шлака 7,1 т/ч, угля 1,4 т/ч. Используют верхнюю продувку расплава со скоростью 150–200 м/с с помощью
10 фурм, установленных в два ряда и шахматном порядке над поверхностью ванны 0,7 м («Наосима») при давлении дутья (1,5–2,0) · 105 Па. Общая высота расплава в плавильной печи составляет 1,5 м.
Плавильная печь представляет собой футерованный цилиндр диаметром 11,5 и высотой 4 м, частично отапливаемый 4–мя мазутными горелками. Толщина футеровки 0,35 м. Система управления позволяет гибко изменять производительность каждой фурмы. Использование вертикальных фурм обеспечивает эффективное перемешивание расплава и соответствующее вовлечение твердых составляющих шихты в зону продувки. Пылевынос составляет ~ 3% от массы шихты. Штейно–шлаковый расплав поступает в отстойно–обеднительную электропечь мощностью 3600 кВт, куда вводят восстановитель (пирит, коксик).
Плавку осуществляют при Т = 1500 К с получением штейна (40,9 т/ч), содержащего > 67 % меди и шлака 49,7 т/ч (0,6–0,8 % Cu; 36–37 % SiO2;
40–42 % Fe). Плавильный шлак используют для строительства дорог и производства цемента.
Печь обеднения имеет овальную форму и размеры 8×5,2 м, высота печи 2,2 м., снабжена шестью графитовыми электродами, диаметром 400 мм, длиной 1,8 м. Расход электродов 7 шт в месяц, электроэнергии 40–45 кВт·ч/т шлака.
Штейн выпускают через сифон в агрегат для конвертирования со скоростью 19,3 т/ч. Продувку штейна ведут через вертикальные фурмы; расход дутья составляет 14,5 тыс. м3/ч, через фурмы подают 1,2 т/ч известняка. Получают феррито–кальциевые шлаки, содержащие, %: 13–14 Сu, 42,4 % Fe, 15 % СаО. Шлак гранулируют и возвращают в плавильную печь. Черновую медь
(0,6–0,7 % S) выпускают в миксер. Содержание SО2 в отходящих газах плавильной и конвертерной печей составляет 28–30 %, температура
1473–1573 К. Газы направляют в котлы–утилизаторы (КУ) горизонтального типа с радиационной и конвективной частями, очищают от пыли в сухих электрофильтрах, смешиваются и далее в количестве 150 тыс. м3/ч (16–17 % SO2), утилизируют в сернокислотном производстве. Температура газов после радиационной части 1173 К, на выходе из КУ – 823 К. Получают пар в количестве 40 т/ч (Р = 3,7–3,8 МПа), используемый для производства электроэнергии в количестве 20 кВт/ч на 1 т. пара.
Печь для конвертирования имеет круглую форму, диаметр кожуха 8000 мм, высота 2940 мм. Дутье, воздух обогащенный кислородом 32–35 % об. осуществляют через 10 фурм с расходом ~ 24000 м3/ч. Нижняя часть конвертерной фурмы также медленно вращается для удаления настылей. В агрегат загружают известняк (2,1 т/ч), лом анодных печей (4,6 т/ч). Выход черновой меди 30,6 т/ч, конвертерного шлака 13,4 т/ч. Из ванны грануляции шлак подают на ленточный транспортер и транспортируют в приемный бункер сушильной трубчатой печи. После сушки поступает в плавильную печь.
Футеровка плавильной и конвертерной печей по высоте шлаковой ванны выполнена с применением медных закладных водоохлаждаемых элементов, которые чередуются с хромомагнезитовой кладкой. Расход циркулирующей воды на охлаждение составляет 550–600 м3/ч, перепад температур
281–288 К. Эффективность использования кислорода при плавке и конвертировании ~ 98–99 %.
В процессе «Мицубиси» расплав находится в турбулентном состоянии, что увеличивает конвективную составляющую процесса тепло–и массопередачи в объеме жидкой фазы. Процессы окисления и плавления сульфидов осуществляются на поверхности воронки, куда с высокой скоростью подают смесь дутьевого воздуха и шихты.
Процесс «Аусмелт»
В настоящее время известны следующие разновидности данной технологии плавки медных концентратов в агрегате с вертикальной погружной фурмой:
Процесс «Сиросмелт». Разработан фирмой КСИРО (CSIRO, Австралия), первая печь по данной технологии внедрена (1987) на заводе «Маунт Айза» (Австралия). Процесс плавления, основанный на применении фурмы «Сиросмелт», изобретенный специалистами корпорации КСИРО (Австралийская правительственная исследовательская организация) в 1973 году.
Плавка «Айзасмелт». Процесс разработан фирмой «Маунт Айза Майнз лимитед» (Австралия) и предполагает использование погружной горелки «Сиросмелт». Первая демонстрационная установка была введена в эксплуатацию на медеплавильном заводе Маунт–Айза в 1987 г. Промышленное внедрение получила на медеплавильном заводе Маунт–Айза (Австралия) и на заводе Сапрус в Майами, шт. Аризона (США) в 1992г.
Контрольные вопросы
1. Объяснить процесс конвертирования медных штейнов.
2. Описать процесс совмещенной плавки и конвертирования.
3. Рассказать процесс «Норанда»
4. Рассказать процесс «Эль–Тениенте» и «Миццубиси»