Металлургия меди

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 1600^оС 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)

2FeS + 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.

1-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 1200-1450^оС. Необходимая для плавки теплота выделяется за счёт протекания в этой зоне химических реакций:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ (1.38)

2FeO + 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:

2SO₂ + 2C = S_2(пар) + 2CO₂ (1.41)

2SO₂ + 4CO = S_2(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)

4CuS = 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 441,5^оС, то в верхней части печи необходимо поддерживать температуру 500-550^оС. При этой температуре элементарная сера находится в парообразном состоянии. Поддержание высокой температуры обеспечивается футеровкой верхней части печи огнеупорным материалом, что значительно снижает потери тепла.



1 - 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, CS_2, 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)

4COS +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



5. Автогенные процессы плавки медных руд и концентратов

5.1 Общие понятия

Рассмотренные методы переработки медьсодержащего сырья отражательная и шахтная плавки обладают существенными недостатками. Основным их недостатком является многостадийность технологических процессов, что приводит к размазыванию ценных компонентов шихты по технологическим продуктам и полупродуктам. В результате этого они не обеспечивают достаточной комплексности использования перерабатываемого сырья и высокого извлечения из него полезных составляющих. Вторым существенным недостатком традиционных методов переработки медьсодержащего сырья являются большие энергетические затраты. Кроме того, осуществление этих процессов сопровождается сильным загрязнением окружающей среды.

Поэтому одним из важнейших направлений научно - технического прогресса является внедрение в металлургическое производство ресурсосберегающих технологий и оборудования, обеспечивающих высокую степень комплексности использования сырья и надёжную охрану окружающей среды от вредных выбросов. В понятие высокая комплексность использования перерабатываемого сырья включается максимально высокое извлечение всех его ценных компонентов: меди, никеля, цинка, кобальта, серы, железа, благородных металлов, редких и рассеянных элементов, а также использование силикатной части руды. В понятие комплексности использования следует отнести использование теплоты сгорания сульфидного сырья. Сульфидное сырье следует рассматривать не только как источник получения ценных компонентов, но и как энергетическое топливо.

Так теплота сгорания 1 кг высоко сернистых руд и материалов составляет порядка 6000 кДж. Это соответствует сгоранию 0,2 кг условного топлива. С учетом того, что объём добычи сульфидных руд достигает порядка 100 млн. тонн в год, то количество теплоты которое может быть получено при осуществлении технологических процессов будет эквивалентно десяткам млн. тонн условного топлива.

Поэтому развитие металлургии тяжёлых цветных металлов совершенствуется на основе автогенных процессов.

В металлургическом производстве автогенными процессами называются технологические процессы, которые осуществляются за счёт внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты. При переработке сульфидных материалов автогенность процесса достигается за счёт теплоты экзотермических реакций окисления сульфидов, которые содержатся в перерабатываемой шихте и реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента используются воздух, обогащённое кислородом дутьё или технический кислород.

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных материалов лежат экзотермические реакции окисления сульфидов и, в первую очередь, сульфидов железа, находящихся в перерабатываемой шихте и реакции ошлакования:

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ (1.52)

2FeO + SiO₂ = 2FeO·SiO₂ (1.53)

Суммирующей реакцией процессов окисления и ошлакования будет реакция:

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeO·SiO₂ + 2SO₂ (1.54)

Существенное количество тепла выделяется также при протекании в реакционной зоне автогенной установки:

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂ (1.55)

6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄ (1.56)

3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO·SiO)₂ +SO₂ (1.57)

Таким образом, автогенная плавка является окислительным процессом. При её осуществлении степень десульфуризации можно изменять в любых пределах. Это достигается изменением соотношения между количеством перерабатываемого сульфидного материала и подаваемого в печь кислорода за счёт дутья. В свою очередь это позволяет в широком диапазоне варьировать составом получающихся штейнов вплоть до получения черновой меди.

Для расчёта параметров автогенной плавки разработаны номограммы. На рисунке 1.7 приведена номограмма, позволяющая оценить удельный расход кислорода на 1 тонну шихты в зависимости от содержания меди в шихте и в штейне. На ней приведён расчёт при переработке шихты, содержащей 18% Cu.

Рис 1.7 - Номограмма для расчёта удельного расхода кислорода на 1 тонну шихты и определённом содержании меди в штейне при автогенной плавке.

Все автогенные процессы являются совмещёнными плавками. Они объединяют в одном металлургическом агрегате процессы обжига, плавки и частично или полностью конвертирования. Это позволяет наиболее полно и концентрировано перевести серу из шихты в газовую фазу. При этом в зависимости от количества дутья можно получать газы с различным содержанием SO₂ вплоть до чистого сернистого газа.

С технологической точки зрения автогенные процессы отличаются по метолу сжигания сульфидного материала. Сжигание сульфидной шихты проводится в факеле или в расплаве.

Для сжигания в факеле используется хорошо подсушенная шихта. Она вдувается в разогретое до высоких температур реакционное пространство в месте с кислородосодержащим дутьём.

Сульфидные частицы шихты, находясь во взвешенном состоянии, окисляются кислородом дутья по реакции

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ (1.58)

и в зависимости от температуры частично или полностью расплавляются.

Реакция ошлакования оксидов железа

2FeO + SiO₂ = 2FeO·SiO₂ (1.59)

в этих условиях не получает большого развития. Поэтому в факеле возможно окисление железа до магнетита:

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂ (1.60)

6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄ (1.61)

Образовавшиеся в факеле капли сульфидно - оксидного расплава падают на поверхность спокойной шлаковой ванны в отстойной зоне. Именно здесь продолжаются и завершаются основные физико-химические превращения, включая процессы штейно - и шлакообразования. Образующиеся первичные шлаки автогенной плавки содержат значительное количество извлекаемых компонентов форме растворённых оксидов и тонкой механической взвеси сульфидов.

Факельное сжигание используют во всех видах плавок во взвешенном состоянии и частично в кивцэтной плавке.

Автогенные процессы, осуществляемые в расплаве, имеют другой механизм плавки. При осуществлении такого процесса шихта в месте с дутьём может поступать как на поверхность хорошо разогретого расплава, так и непосредственно внутрь расплава. Подаваемое в расплав дутьё обеспечивает интенсивное перемешивание расплава, что способствует ускорению всех физико-химических процессов. Все превращения начинаются непосредственно сразу после попадания шихты и дутья в расплав. Процессы плавления шихты и растворения её компонентов в первичном сульфидно-оксидном расплаве, окисление сульфидов, процессы штейн - и шлакообразования протекают здесь одновременно в определённом объёме расплава. Однако процессы разделения и отстаивания расплава в условиях его интенсивного перемешивания невозможны. Эта стадия осуществляется или в отдельно расположенной в агрегате зоне или в специальном аппарате.

К факельным процессам относятся плавка во взвешенном состоянии (ВП) и кислородно-факельная плавка (КФП).

Ко второй группе относятся плавка в жидкой ванне (плавка Ванюкова), кислородно-взвешенная циклонная электротермическая плавка (КИВЦЭТ), совмещённая плавка шихты и конвертирования штейнов в одном агрегате (СПК), а также процессы «Норанда», «Мицубиси», «Эль-Тениенте», «Аусмелт» и ряд других.



5.2 Плавка во взвешенном состоянии

Широкое распространение в медной промышленности получила плавка сульфидных материалов во взвешенном состоянии. Схема устройства печи для плавки во взвешенном состоянии приведена на рисунке 1.8.

1-шихтовая горелка; 2-плавильная шахта; 3-отстойная ванна; 4 аптейк; 5-котёл утилизатор; 6-паровой воздухонагреватель; 7-топливный воздухонагреватель; 8-компрессор; 10-слой шлак; 11-слой штейна.

Рисунок 1.8 - Схема устройства печи для плавки во взвешенном состоянии.

Шихта для взвешенной плавки, состоящая из концентрата и флюсов (кварцевый песок) подвергается сушке до влажности порядка 0,3%. Сушка осуществляется в барабанных печах за счёт тепла от сжигания жидкого или газообразного топлива. Подсушенная шихта вместе с возвратной пылью направляется в печь.

С помощью специальной горелки, установленной в своде печи, совместно с шихтовыми материалами в печь вводят подогретое технологическое дутьё: воздух или кислородно-воздушную смесь. Для поддержания устойчивого теплового баланса печи используют подогретое до 450- 500^оС воздушное дутьё. При использовании дутья, обогащённого кислородом, нагрев дутья может быть снижен до 200^оС. Подогрев дутья осуществляется обычно за счёт тепла отходящих из печи газов. В горелке происходит образование шихто-воздушной смеси и осуществляется её вдувание в печь. Мелкодисперсные частицы концентрата, поступающие в плавильную шахту, воспламеняются и сгорают в потоке окислителя. Количество тепла, которое выделяется в результате взаимодействия сульфидных частиц с кислородом дутья, достаточно для плавления шихты. Температура в факеле составляет порядка 1300-1400 ^оС. Образовавшиеся в факеле капли расплава падают на поверхность шлака в отстойной ванне. Горячие, раскалённые газы движутся вдоль поверхности расплава, подогревают его и поступают в газоход. Температура расплава в отстойной камере составляет порядка 1250-1300^оС.

В результате физико-химических процессов, протекающих в шахте и отстойной ванне, образуются штейн и шлак. Содержание меди в штейне составляет порядка 40-60%, а в шлаке - 1-2% Cu.

Образующиеся газы, в которых содержится 10-70% SO₂ и нагретые до температуры 1300-1400^оС, поступают через аптейк в котёл-утилизатор, где вырабатывается насыщенный пар, используемый для подогрева дутья и нужд производства. Вместе с газами из печи выносится пыль. Пылевынос из печи составляет порядка 9%.

Из котла-утилизатора охлаждённые до 350-400^оС газы поступают в электрофильтры, где происходит их очистка от пыли. Уловленная пыль направляется в бункера, откуда вместе с концентратом загружается в печь. Очищенные от пыли газы направляются на производство серной кислоты.

Медный штейн периодически выпускают из печи и направляют на конвертирование. Шлаки взвешенной плавки и конвертерные шлаки подвергаются обеднению. Обеднение шлака может осуществляться в электропечи или путём флотации. Вторичный штейн, полученный в электропечи, направляют на конвертирование, а флотационный концентрат направляют в голову процесса, где он шихтуется с исходным концентратом и после сушки направляется в печь. Обеднённый шлак, содержащий порядка 0,3% Cu, подвергается гранулированию и направляется в строительную индустрию.

Печь изготовлена из листовой стали и изнутри футерована магнезитовым кирпичом. В футеровку плавильной камеры вмонтированы медные водоохлаждаемые кессоны. Это позволяет увеличить срок службы футеровки.

Достоинствами взвешенной плавки являются: сравнительно высокая кампания печи (около года), небольшой объём отходящих газов (35-55тыс. м³/час) и практически полная автогенность.

Плавка во взвешенном состоянии применяется на предприятиях «Харьявалта» (Финляндия), «Тойо» (Япония), «Сан-Мануэль» (США) «Норддойче Аффинери» ( Германия), «Диас-Давила» (Бразилия).

Технология взвешенной плавки может быть использована для плавки на черновую медь в одну стадию с получением богатого шлака по схеме:

CuFeS₂+ CuS +Cu₅FeS₄ + O₂>[Cu] + (FeO + Fe₃O₄ + SiO₂) +SO₂ (1.62)

В этом случае технологическая схема состоит из операций: подготовка концентрата, плавка на медь концентрата с использованием обогащённого кислородом дутья, электропечное обеднение шлака, конвертирование штейна полученного в электропечи, с получением меди. Недостатком процесса является низкое извлечение меди, которое составляет порядка 70%.

Более перспективной является технология взвешенной плавки с последующим конвертированием штейна также в агрегате взвешенной плавки. По такой схеме работает завод «Гарфильд» (США). По этой технологии концентрат и кремниевый флюс сушат в барабанной сушилке, Сухую шихту вместе с оборотным конверторным шлаком перерабатывают в печи взвешенной плавки с получением богатого медного штейна, содержащего до 70% Cu. Штейн измельчают и конвертируют в печи взвешенной плавки, откуда черновую медь выпускают непосредственно в анодную вращающуюся печь. Применение взвешенной плавки и взвешенного конвертирования позволяет увеличить производительность сократить эксплутационные расходы и значительно экономить энергетические ресурсы по сравнению с традиционной технологией: плавка на штейн, конвертирование штейна в конвертерах.

Существует мнение, что потенциальные возможности взвешенного конвертирования практически неограниченны.

5.3 Кислородно-взвешенная (факельная) плавка (КФП)

Кислородно-взвешенная плавка нашла применение на заводах «Копер-Клиф» (Канада) и Алмалыкском горно-металлургическом комбинате (Узбекистан)

Схема устройства печи для кислородно-взвешенной (факельной) плавки приведена на рисунке 1.9.

В печах кислородно-взвешенной плавки сухую шихту сжигают в горизонтальном факеле. Горелки для сжигания шихты устанавливаются в торце печи. Образовавшиеся в факеле капли сульфидно-оксидного расплава падают на поверхность шлакового расплава. Здесь происходит разделение и отстаивание жидких продуктов плавки шлака и штейна.

Для получения шлака с малым содержанием меди в другом торце печи устанавливается горелка для сжигания пирита. Это сопровождается образованием бедного по меди сульфидного расплава, который служит для промывки шлака с целью его обеднения по меди. Обеднённый шлак содержит 0,6-0,65 % меди. При плавке получают штейн, содержании в меди в котором колеблется в пределах 47 - 50% меди.

Содержание SO₂ в отходящих газах может достигать 80%. Газы могут быть использованы для получения жидкого сернистого ангидрида или для производства серной кислоты.

Производительность печи составляет порядка 10-12 т/(м²·сут).



1 - бункера для шихты; 2 -питатели; 3 - расходомеры; 4 - печь; 5 - газоход; 6 - выпускные желоба; 7 - штейновый ковш; 8 - шлаковый ковш

Рисунок 1.9 - Схема устройства печи для кислородно-взвешенной плавки.

Плавка сопровождается выделением большого количества тепла. Оно отрицательно влияет на срок службы огнеупорной футеровки. Рациональное использование избытка тепла затруднено. Поэтому отвод избытка тепла осуществляется с помощью водоохлаждаемых кессонов.

5.4 Кивцэтная плавка

В ДГП ВНИИЦВЕТМЕТ (г. Усть - Каменогорск ) был разработан принципиально новый вид плавки, которая была названа КИВЦЭТОМ.

Абравиатура названия расшифровывается следующим образом: кислородно - взвешенная циклонно-электротермическая плавка.

Процесс основан на сочетании взвешенной и циклонной плавок. При осуществлении плавки очень рационально расходуются кислород и электрическая энергия.

Стадии обжига, плавки перерабатываемого сульфидного материала, разделения шлака и штейна, обеднения шлака протекают в одном агрегате. При наличии в шихте цинка в этом агрегате возможно осуществление процесса конденсации паров цинка.

Принципиальная схема промышленной кивцэтной установки приведена на рисунке 1.10.

Для осуществления кивцэтной плавки требуется тщательно подсушенная шихта. Её влажность не должна превышать 1%. Подсушенный концентрат поступает в циклонную горелку сверху. Сбоку в циклон тангенциально подается технологический кислород, содержащий до 95% кислорода. Скорость подачи кислорода составляет порядка 150м/с. Вследствие большой скорости, газы дутья получают быстрое вращательное движение. Благодаря этому частицы шихты, находящиеся в начальный момент во взвешенном состоянии, отбрасываются на стенки циклона. Горение сульфидов в чистом кислороде сопровождается возникновением высоких температур.

1-отстойная камера; 2-газоохладительный стояк; 3-электрофильтр; 4-бункера для шихты; 5-шнек для подачи шихты; 6-плавильный циклон; 7- разделительная перегородка; 8-бункера для загрузки коксика; 9-электрообогреваемый отстойник; 10-струйный конденсатор цинка; 11- инерционный пылеуловитель; 12 - скруббер; 13 - камера дожигания паров цинка

Рисунок 1.10 - Схема промышленной кивцэтной установки.



Шихта плавится, образуя на стенках циклонной камеры тонкую, вращающуюся плёнку расплава. В ней протекают основные процессы плавки. Перегретый расплав стекает в отстойную камеру, где происходит разделение шлака и штейна.

По мере накопления в отстойной зоне шлаковый расплав поступает в электротермическую часть кивцэтного агрегата. В этой части агрегата поддерживается восстановительная атмосфера. Восстановительная зона отделена от окислительной зоны специальной перегородкой, погруж1нной в расплав шлака. Это предупреждает разбавление технологических газов газами восстановительной зоны.

В восстановительной отстойной зоне в шлак помещены электроды, между которыми пропускается электрический ток. В этой зоне весь цинк и частично свинец, содержащиеся в шихте испаряются, в виде паров переходят в газовую фазу и направляются в конденсатор, где они превращаются в жидкое состояние. В кивцэтном агрегате цинк может быть получен и в виде твёрдых оксидных возгонов, содержащих до 60 % цинка.

Очищенные газы плавильной зоны, содержащие 35-50% SO₂, направляются на производство серной кислоты.

Удельная производительность кивцэтного агрегата составляет порядка 3-5 т/(м^2··сут).

Плавки во взвешенном состоянии имеют ряд достоинств. В них можно эффективно использовать тепло от сжигания сульфидов для технологических нужд. При проведении этих плавок можно регулировать степень десульфуризации. В результате плавки образуются богатые по SO₂ газы.

В тоже время плавки во взвешенном состоянии обладают недостатками. Они характеризуются малой производительностью, имеют возможность перерабатывать только мелко измельченный сульфидный материал и имеют довольно высокое содержание извлекаемых металлов в первичном шлаке, который требует операции обеднения,

Отмеченные недостатки в значительной мере устраняют окислительные плавки в расплаве. Поэтому принцип окислительного плавления сульфидного сырья в расплаве следует признать как наиболее перспективный. Предложено много различных способов технологического и аппаратурного оформления процесса. В мировой практике наиболее широкое распространение получили три процесса: «Норанда», «Миубиси», плавка Ванюкова и совмещённая плавка конвертирование.

5.5 Процесс «Норанда»

По принципу процесса «Норанда» непрерывную плавку сухих медных концентратов осуществляют в горизонтальном цилиндрическом поворотном аппарате. Длина его составляет 21,3 м, диаметр 5,18 м. Схема устройства цилиндрической плавильной печи процесса «Норанда» приведена на рисунке 1.11.

Дутьё, обогащенное кислородом, вводят через фурмы. Фурмы расположены на участке загрузки шихты. Обогащение дутья кислородом достигает 37 %. Шихту непрерывно загружают через отверстие в торцевой части печи. Концентрат, содержащий 25% Cu и 30% S, подсушивают до 7% влаги, окатывают в грануляторах и сырые окатыши вместе с флюсами загружают в печь. Для регулирования теплового режима в агрегат периодически загружают уголь, а в торцевых горелках сжигают топливо (мазут, природный газ)

При работе на воздушном дутье газы содержат до 7% SO₂. Они направляются на после очистки на производство серной кислоты. Применение



1- питатель концентратов и флюсов; 2-створки напыльника; 3- горловина; 4-горелка 5-ковш для шлака; 6- слой штейна; 7-слой шлак; 8-слой меди; 9 - шпуры для меди и штейна; 10-ковш для меди и штейна; 11-фурмы

Рисунок 1.11 - Схема устройства цилиндрической плавильной печи процесса «Норанда».

дутья, обогащённого кислородом, концентрация SO₂ в отходящих газах повышается до 25%. Вынос пыли из печи составляет порядка 3%.

Плавку ведут на штейн. Содержание меди в штейне составляет 70-75%. Шлаки, получающиеся в процессе плавки, содержат 3-8% меди. После охлаждения они дробятся, измельчаются и подвергаются флотации. Хвосты после флотации содержат 0,25-0,4% Cu и направляются в отвал, а медный концентрат, содержащий 25-30% Cu, возвращается в шихту для плавки.

В начальный период эксплуатации печи в процессе плавки получали черновую медь. Но от этого быстро отказались, так как в результате плавки на медь получались очень богатые по меди шлаки. Содержание меди в них составляло 8-12%. Переработка таких шлаков сильно затруднена.

Разновидностью процесса «Норанда» является процесс «Эль-Тениенте». Он осуществляется в модифицированном конвертере «Эль-Тиниенте» (Рисунок 1.12).

Отличительными особенностями процесса «Эль-Тениенте» являются:

- периодическая добавка штейна совместно с концентратом для регулирования теплового режима плавки;

- ввод части сухого концентрата через фурмы и загрузка другой его части на поверхность расплава;

- непрерывная плавка осуществляется на белый матт с выпуском шлака и матта через лётки с противоположных торцов конвертера.

В шихту плавки входят концентрат, кремниевый флюс, оборотные материалы (концентрат после флотации шлака). Дополнительное топливо в процессе не используется.

1-заливка штейна; 2-отходящие газы; 3-загрузка шихты; 4-выпуск шлака; 5- выпуск белого мата; 6-фурмы; 7- воздух, обогащённый кислородом; 8-загрузка концентрата флюса; 9-поворотный механизм.

Рисунок 1.12- Модифицированный конвертер «Эль-Тениенте»

Содержание меди в шлаке составляет порядка 8%. Шлак подвергается обеднению методом флотации.

Содержание меди в белом мате составляет порядка 72-77%. Концентрация SO₂ в отходящем газе составляет порядка 12%. Уловленная пыль возвращается на плавку. Обогащение дутья кислородом составляет порядка 30%. В конвертере можно перерабатывать шихту влажность до 8%.

Процесс «Эль-Тениенте» внедрён в Чили на заводах в «Калетонес», «Чукмкамата», «Лас-Вентанас»

5.6 Процесс «Аусмелт»

Процесс «Аусмелт» разработан фирмой «Аусмелт»(Австралия). Агрегат для осуществления процесса представляет собой вертикальный огнеупорный цилиндр оборудованный сливными каналами, фурмой, системой автоматизации и газоходом ( Рисунок 1.13)

В рабочем пространстве печи можно выделить следующие зоны. Реакционная зона у конца фурмы. В зависимости от вида дутья она может быть окислительной, восстановительной или нейтральной.

Зона плавления, расположенная на поверхности шлака. Процессы плавления в этой зоне могут протекать в окислительной, восстановительной или в нейтральной среде.

Отстойная зона, расположенная на дне печи. Здесь происходит расслаивание и отстаивание металлической (Cu) и сульфидной фаз (матт) перед их выпуском из печи.

1-зона горения и окисления; 2 - зона плавления; 3 - зона отстаивания; 4- зона догорания газов

Рисунок 1.13- Схема устройства печи процесса «Аусмелт».

Зона догорания газа, расположенная над ванной расплава. Здесь происходит догорание углеводородного топлива.

Одним из основных элементов плавильного агрегата является вертикальная фурма конструкции» «Сиромелт», состоящая из двух концентрических труб, выполненных из нержавеющей стали. (Рисунок 1.14).

В полость внутренней трубы помешена трубка меньших размеров для подачи жидкого топлива, распыляющегося через сопло. Воздух для охлаждения подают в межтрубную полость, образованную наружной и внутренней трубами. В этой полости вмонтированы устройства для закручивания газового потока. Возникающая при этом циркуляция газа охлаждает корпус фурмы и, что обеспечивает образование на её внешней поверхности гарнисажа. Сгорание топлива в смеси с воздухом происходит в камере зажигания в нижней части фурмы.

Фурму закрепляют на подъёмнике и помещают в специальное устройство, расположенное над печью в центральной её части. Установку фурмы по вертикальной оси и величину её заглубления осуществляют с помощью подъёмного механизма.

По мере разрушения нижней части фурмы её опускают, и продувка ванны продолжается. Номинальное заглубление фурмы в шлак составляет порядка 15см. Замену фурмы производят тогда, когда разрушится 1м её нижней части. К отработанной фурме приваривают новую трубу, соответствующего диаметра

1- стальной корпус; 2-мазутная сетка; 3-мазутный фильтр; 4-устройство для закручивания воздушного поток

Рисунок 1.14 - Фурма конструкции «Сиромелт».



Фурму можно использовать для продувки шлакового и штейнового расплавов воздухом и топливом. В качестве топлива могут служить мазут, природный газ ил угольная пыль.

Образующийся на внешней поверхности фурмы шлаковый гарнисаж позволяет вводить дутьё глубоко в шлак, создавая интенсивное перемешивание расплава в ванне.

При поднятии фурмы процесс плавления может быть прерван. В этот период отстаивается металлическая и штейновая фазы, которые после отстаивания выпускаются из печи.

Получение черновой меди в процессе «Аусмелт» может осуществляться в двух агрегатах (г.Хуома, Китай). В плавильной печи получают штейн, а черновую медь получают в печи конвертирования. В этом случае технология процесса плавки включает подсушивание концентрата, который затем распределяется по бункерам. Из бункеров с помощью весовых дозаторов концентрат направляется на ленточный транспортёр, где смешивается с необходимым количеством флюсов. В качестве флюсов используются кварцит и реже известняк. Размеры кусков шихты не должны превышать 25 мм. Затем шихта поступает в плавильное отделение в смеситель, где смешивается и увлажняется.

Из смесителя шихта поступает в загрузочное устройство в верхней части печи. Первоначально в печь загружают твёрдый шлак до уровня порядка 2м. Затем шлак расплавляют, используя фурму в качестве кислородно-топливной горелки. После образования жидкой ванны шлака на его поверхность загружают шихту и приступают к её плавке.

Процесс плавления на штейн осуществляется водном агрегате, а процесс конвертирования в другом. Их конструкция и размеры практически не отличаются друг от друга. Высота печи составляет порядка 12 м, диаметр 4м, длина фурмы плавильной печи 13,6 м, конвертера -12,8 м. Плавильная печь и конвертер расположены каскадом, что обеспечивает естественный перелив расплава. Черновая медь из конвертера поступает на разливочную машину. Слитки на разливочной машине охлаждаются водой.

Шлак из плавильного отделения по закрытому жёлобу непрерывно протекает в печь отстойник, который обогревается мазутом. Шлак, содержащий 0,5-0,7% Cu из отстойника направляют на грануляцию.

Содержание меди в штейне составляет 58-62%, в черновой меди - более 95,8%. Конверторные шлаки содержат порядка Содержание меди в конверторном шлаке 8-12% Cu. Отходящие из плавильной печи газы содержат 11% SO₂. В конвертерных газах содержится 13% SO₂. На входе в сернокислотный цех концентрация SO₂ в объёдинённом потоке газа составляет 6-8%. Извлечение меди в штейн составляет порядка 95%. Пылевынос из плавильной печи составляет 1%, , из конвертера -2%. Извлечение меди в черновую составляет 97,5%.

Охлаждение плавильного агрегата и конвертера осуществляется орошением кожуха печи оборотной водой.

Отходящие газы от плавильной печи проходят через котёл-утилизатор, сухие электрофильтры, смешиваются с конверторным газом и направляются в сернокислотный цех.

Процесс «Аусмелт» по сравнению с традиционной технологией (плавка на штейн, конвертирование в горизонтальных конверторах) обладает рядом преимуществ:

- простота конструкции и лёгкость управления процессом;

- высокая степень использования кислорода дутья (95%);

- низкое содержание серы в черновой меди (менее1%);

- высокое прямое извлечение в черновую медь (более 90%);

- эффективная утилизация серы;

- минимальные потери тепла, что позволяет перерабатывать низкосортные концентраты и техногенные отходы.

Особое внимание заслуживает простота управления процессом и его режимами с помощью оперативного излечения (погружения) фурмы. Печь «Аусмелт» является экологически безопасной, так как работает при разряжении, что предотвращает выброс сернистого газа в атмосферу цеха.

Короткий срок ввода печей в эксплуатацию, сравнительно низкие капитальные и эксплутационные затраты выгодно дополняют выше приведённые технологические преимущества.

5.7 Процесс» «Айзасмелт»

Процесс «Айзасмелт» разработан фирмой «Маунт Айза» (Австралия) включает использование плавильной печи «Айзасмелт», которая работает в непрерывном режиме, периодический процесс конвертирования и рафинирования меди (рисунок 1-15). Штейновый и шлаковый расплав периодически выпускаются из плавильной печи в электропечь, где происходит расслоение шлаковой штейновой фаз. Шлак после гранулирования направляется в отвал, а штейн поступает на конвертирование. Черновая медь подвергается огневому рафинированию в цилиндрической наклоняющейся печи. Анодная медь разливается в аноды и поступает на электролитическое рафинирование. Конвертерный шлак направляется в электропечь для обеднения, а шлак из рафинировочной печи направляется на конвертирование.

Рисунок 1- 15 Технологическая схема процесса «Айзасмелт»

Печь «Айзасмелт» (рисунок 1.16) представляет собой вертикальный стальной цилиндр высотой около 12 м и диаметром 4,6 м., футерованный изнутри хромомагнезитовым кирпичом. Толщина футеровки составляет порядка 0,55 м. В свод печи вмонтирована радиационная секция котла - утилизатора, представляющая собой трубчатую мембрану. В своде печи имеются отверстия для введения вертикальной подвижной фурмы, горелки и загрузки шихты. У основания газоотвода монтируется дополнительный медный блок для защиты газоотводящей системы от всплесков расплава. Загрузка увлажнённой гранулированной шихты осуществляется с помощью ленточных конвейеров через загрузочные отверстия в своде печи. Шихта состоит из медьсодержащего концентрата, кокса и флюсов, в качестве которых используются известняк и золотосодержащая кварцевая руда. В шихте Шихта содержит порядка 81,9% медного концентрата, 14,6% кварцевой руды, 2% известняка и 1,5% кокса. Влажность шихты составляет порядка 8%, крупность гранул не должна превышать 15 мм. Расплавленные продукты печи штейн и шлак периодически выпускаются через водоохлаждаемые выпускные отверстия, расположенные на определённой высоте для полного выпуска расплава из печи перед длительной остановкой печи или заменой футеровки. Глубина расплава в печи составляет порядка 1,5 -2 м. Температура расплава составляет порядка 1180^оС. Остальная часть высоты печи используется для реакций догорания и высвобождения газа из шлака и перехода их в котёл-утилизатор, который установлен непосредственно после печи. Поток отходящего газа контролируется путём использования вытяжного вентилятора для создания минимального разряжения в печи, что предотвращает поступление технологических газов в атмосферу цеха. Отходящие газы имеют температуру порядка 1200^оС. После котла - утилизатора температура отходящих газов составляет порядка 350^оС. Содержание SO₂ в отходящих газах составляет порядка 8-20%.



Рисунок 1 -16 Схема устройства печи «Айзасмелт»

1- печь: 2- фурма: 3-аптейк

Дутьё, обогащённое кислородом, подаётся печь через вертикальную выдвижную фурму, которая погружается в шлаковый расплав. Во время первоначального разогрева печи через отверстие для фурмы в печь вводится специальная горелка. Для поддержания теплового режима в печи в процессе выпуска расплава температура в печи поддерживается за счёт сжигания дизельного топлива в стационарной горелке. Положение фурмы в шлаковой ванне тщательно контролируется. При изменении уровня расплава фурма с помощью специального устройства передвигается с тем, чтобы её наконечник был всегда погружен в расплав на постоянную глубину. Фурма устроена таким образом, что при эксплуатации изнашивается только её наконечник. По мере износа нижней части фурмы на определённую высоту она извлекается из печи и к ней приваривается новый наконечник. Схема устройства фурмы «Айзасмелт» приведена на рисунке 1-17.



Рисунок 1-17 Устройство фурмы «Айзасмелт»

Помимо расплава из плавильной печи в электрическую печь загружают конвертерный шлак, флюс, кокс и возвраты.. В качестве флюса используют известняк. Добавление кокса осуществляют с целью. восстановления магнетита конвертерного шлака и кислорода штейна. Расход кокса составляет порядка 3%, а известняка порядка 18% от массы штейна. Три электрода, погруженные в слой шлака, обеспечивают хороший прогрев расплава за счёт пропускания через слой шлака электрического тока. Температура расплава в печи поддерживается в пределах 1185-1200^оС.

Штейн, выпускаемый из печи, содержит порядка 60% Сu, 10% Fe, 22%, S, 3,6% Pb и 2,6% Zn. Содержание меди в отвальном шлаке не превышает 0,8%. Вынос пыли из печи не превышает 2%.

Из электрической печи штейн периодически сливают в ковш и направляют на процесс конвертирования. Помимо штейна в конвертер загоужают шлак из анодной печи и кварцевый флюс. Продуктами конвертирования является черновая медь, содержащая 98,3% Cu, конвертерный шлак и отходящие газы. Конвертерный шлак содержит 7,3% Сu и направляется на переработку в электропечь, а отходящие газы, содержащие до 10% SO₂ на производство серной кислоты. Полученная в конвертере черновая медь разливается в аноды и направляется на огневое рафинирование.

Огневое рафинирование меди осуществляется в наклоняюшейся цилиндрической печи. Окислительное рафинирование осуществляется путём продувки через расплав меди сжатого воздуха. В процессе окислительного рафинирования вредные примеси окисляются и переходят в шлак. По окончании окислительного рафинирования образующийся шлак, содержащий 55% Сu, удаляется из печи, разливается в изложницы, охлаждается и направляется па переработку в анодную печь. После окислительного рафинирования медь содержит достаточное количество кислорода в виде Сu₂О. Удаление кислорода из меди осуществляется на стадии восстановительного рафинирования. Восстановительное рафинирование осуществляется подачей восстановителя в расплавленную массу. В качестве восстановителя используется дизельное топливо, которое подается в струе сжатого воздуха. Количество восстановителя должно обеспечивать полное сгорание кислорода воздуха. В противном случае будет иметь место поглощение кислорода воздуха расплавленной медью. Анодная медь содержит порядка 99,31% Сu. Очищенная от примесей расплавленная медь на карусельной машиной разливается в анодные изложницы. После охлаждения аноды направляются на электролитическое рафинирование.

Особенностью электролитического рафинирования меди в процессе «Айзасмелт» является использование нерасходуемых катодов, изготовленных из нержавеющей стали. Электролитическое рафинирование осуществляется в аннах, изготовленных из полимерного бетона. Ванна Каждая ванна содержит 50 анодов и 49 катодов. Масса анода составляет 405 кг. Электролиз проводят при плотности тока порядка 292А/м². Цикл наращивания катодов составляет 7 дней. Масса катодного осадка составляет 57 кг. Сдирка катодов осуществляется с помощью катодосдирочной машины. Цикл растворения анода составляет 21 сутки. Выход анодного скрапа составляет порядка 14%. Катодный выход по току составляет 95%. Электролит содержит 50 г/л Сu и 160 г/л H₂SO₄. Для регенерации электролита часть его выводится из процесса и направляется на регенерацию. На регенерацию поступает электролит, содержащий до 50г/л меди. Регенерация электролита осуществляется в три стадии в электролитических регенеративных ваннах. В ваннах регенерации в качестве катодов используются листы из нержавеющей стали, а в качестве анодов - свинцово-серебрянный сплав. Первичное обезмеживание электролита осуществляется при плотности тока 280 А/м². Электролиз ведут до содержания меди в электролите 35 г/л. В результате первой стадии обезмеживания получают товарную медь. В результате второй стадии обезмеживания содержание меди в электролите снижается до 5-6 г/л. В результате второго обезмеживания получают катодную медь, загрязнённую мышьяком и висмутом, которая направляется на огневое рафинирование в анодную печь. На последней стадии обезмеживания содержание меди в электролите снижается до 0,3 г/л. На этой стадии обезмеживания медь вместе с мышьяком осаждается на дне ванны в виде порошка. Образующийся мышьяковистый шлам содержит до 45% Cu и 55% Аs. После фильтрации мышьяковистый шлам брикетируется и направляется в анодную печь. Очищенный от меди раствор содержит 170 г/л H₂SO₄. После очистки в анионообменных колоннах от Ni, Fe, Cu, Sb и Bi сернокислый раствор возвращается в голову процесса электролитического рафинирования для приготовления электролита. Продуктами процесса электролитического рафинирования меди является катодная медь и шлам. Содержание меди в катодном осадке составляет 99,99%. Шлам, содержащий благородные металлы, селен и теллур, направляются на переработку с целью извлечения этих ценных компонентов.

5.8 Процесс «Мицубиси»

Процесс «Мицубиси» представляет собой непрерывную автогенную плавку, предназначенную для прямого получения черновой меди. При осуществлении этого процесса все основные стадии - плавление, конвертирование и обеднение шлаков проводят в отдельных стационарных печах. При этом промежуточные продукты непрерывно перетекают из одного агрегата в другой. Схема установки для плавки медных концентратов по способу «Мицубиси» приведена на рисунке 1.18.

1-плавильная печь; 2-вертикальные фурмы-сопла; 3-горелка; 4-электропечь для разделения штейна и шлака и обеднения шлака; 5-печь для конвертирования.

Рисунок 1.18 - Схема установки для плавки медных концентратов по способу «Мицубиси».

При проведении процесса сухой сульфидный концентрат в смеси с флюсами вдувают в плавильную печь через вертикальные фурмы-сопла. При этом нижние концы фурм располагаются в непосредственной близости от поверхности расплава, что обеспечивает интенсивное перемешивание расплава. В плавильной печи протекают все основные физико-химические процессы, в том числе процессы штейно- и шлакообразования. Штейн и шлак непрерывно и самотёком по обогреваемому жёлобу перетекают в электрическую печь

Разогрев расплава в электрической печи пропусканием через слой шлака электрического тока, для чего в слой шлака погружаются электроды. В электропечи одновременно протекает процесс обеднения шлаков. Обеднённые шлаки содержат 0,4-0,5% меди.

Отстоявшийся в печи штейн через сифон непрерывно перетекает в печь конвертирования. Конвертирование осуществляется воздухом. Дутьё в печь подаётся через вертикальные сопла-фурмы. Конверторные шлаки содержат 13-18% меди и возвращаются для переработки в плавильную печь. Полученная черновая медь сливается в обогреваемый миксер и поступает на огневое рафинирование.

Отходящие газы всех печей объединяются и поступают на производство серной кислоты. Содержание SO₂ в отходящих газах составляет 12-15%.

Процесс Ванюкова

Процесс плавки в печи Ванюкова разрабатывался под названием плавка в жидкой ванне (ПЖВ). В настоящее время он получил название как процесс Ванюкова. Принципиальная схема устройства печи процесса Ванюкова представлена на рисунке 1.19.

1-выпуск штейна; 2-штейновый сифон; 3-чугунные и медные литые панели ; 4-шихта ; 5-загрузочные воронки; 6-аптейк; 7-отходящие газы; 8-медные кессоны; 9- шлаковый сифон; 10-выпуск шлака

Рисунок 1.19 - Схема печи процесса Ванюкова.

Конструкция печи Ванюкова приведена на рисунке 1.20

Свод печи изготавливается из водоохлаждаемых чугунных панелей, футерованных огнеупорным кирпичом.

Боковые стенки печи (шахта) смонтированы из трёх рядов медных кессонов. Нижний ряд медных кессонов монтируется на медные водоохлаждаемые плиты, которые опираются на горн печи. В зоне первого ряда фурменных кессонов печь в поперечном сечении имеет прямоугольную форму. В зоне второго и третьего рядов кессонов печь выполнена с распором в виде трапеции. Аптейк имеет также прямоугольную форму. В нижнем ряду кессонов с обеих сторон печи находятся фурмы, через которые в слой шлака подают кислородно-воздушную смесь и природный газ. Фурмы, расположенные в верхнем ряду кессонов применяются для отопления печи природным газом в период останова, а также для дожигания элементарной серы в процессе плавки сульфидной шихты. В аптейке установлены ещё четыре фурмы для окончательного дожига элементарной серы в токе воздушно-кислородной смеси.