Плавка на штейн в шахтных печах

.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 %.

- 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.

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)

FeS + 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.

-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.

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.

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.

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)

FeO + 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:

SO2 + 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)

CuS = 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.

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.

- внутренний горн; 2 - кессонированный пояс; 3 - огнеупорная кладка; 4 - колокольный загрузочный затвор; 5- газоход.

Рисунок 1.6 - Схема устройства печи для медно - серной плавки.

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 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)

COS +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