Плавка сульфидных медьсодержащих материалов на штейн

.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.

- 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)

FeS2+5,5O2 = Fe2O3 + 4SO2 (1.29)

Fe2O3 + FeS = 7Fe3O4 + SO2 (1.30)

Fe3O4 + 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)

Fe2O3 + 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.