получаемых шлаков полностью зависят потери ценных металлов, т. е. их конечное извлечение.
Потери ценных металлов со шлаками обусловлены ошлакованием их оксидов и частичным растворением в шлаковом расплаве штейна (электрохимические потери), а также запутыванием мельчайших, взвешенных в шлаках сульфидных или металлических капель (механические потери).
Для каждого металлургического процесса и применяемого для его осуществления плавильного агрегата подбирают оптимальный состав шлаков, который должен удовлетворять строго определенным технологическим и экономическим требованиям.
Далеко не всегда плавка исходного рудного сырья обеспечивает получение оптимальных шлаков. В большинстве случаев состав получающихся шлаков приходится корректировать. Корректировку состава шлака с целью приближения его к оптимальному проводят введением в исходную шихту соответствующих флюсов — минеральных добавок. Если оптимальный состав шлаков достигается без добавки флюсов, то перерабатываемая шихта и получающийся шлак называются самоплавкими.
. Несмотря на то что в большинстве случаев получить шлаки оптимального состава без добавки флюсов невозможно, применять флюсы следует разумно. Добавка большого количества флюсов далеко не' всегда целесообразна, так как ведет к снижению производительности печей по проплаву рудных материалов, увеличению выхода шлаков и конечных абсолютных потерь с ними извлекаемых металлов, повышению расхода топлива или электроэнергии и общих расходов на плавку.
Основными компонентами шлаков цветной металлургии являются Si02, FeO и СаО. Суммарное содержание этих трех основных оксидов обычно составляет от 70 до 90— 95 %./Концентрация СаО редко превышает 6—8 %. Следовательно, в большинстве случаев мы имеет дело с железосиликатными расплавами. В металлургических шлаках в зависимости от состава перерабатываемого сырья и применяемой технологии могут также присутствовать А120з, MgO, Fes04, ZnO и некоторые другие оксиды.
К числу важнейших физико-химических свойств шлаковых расплавов, влияющих на показатели плавки, относятся плавкость,-вязкость, плотность, растворимость в шлаках металлсодержащего продукта и поверхностные свойства.
Под плавкостью шлаков подразумевают температуру, при которой шлаковый расплав становится достаточно жидкотекучим, т. е. имеет небольшую вязкость. Иногда в литературе и на практике для упрощения плавкость называют температурой плавления шлаков. Фактически шлаки не имеют определенной температуры плавления и плавятся в интервале температур, составляющем иногда десятки градусов.
Все многообразие важнейших для металлургических процессов физико-химических свойств шлаков является функцией их состава и температуры и определяется их строением в расплавленном состоянии.
Согласно современной теории строения шлаковых расплавов — ионной теории — все шлакообразующие компоненты при расплавлении переходят в состояние ионной диссоциации. В результате этого расплавленный шлак будет представлять собой электрохимическую систему, состоящую из простейших ионов (Fe2+, Са2+, О2^ и др.) и сложных по составу комплексных анионов (кремнекислородных, алю- мокислородных и т. д.).
Простейшие катионы л анионы имеют относительно небольшие размеры и обладают достаточно высокой подвижностью, а анионные комплексы, наоборот, громоздки и малоподвижны.
Простейшим кремнекислородным комплексом является анион SiOf - По мере увеличения в шлаках содержания Si02 структура анионных комплексов усложняется (Si2Or~, Si30<)- т.д.), их размеры увеличиваются, а подвижность уменьшается. Аналогично SiC>2 ведет себя в шлаковых расплавах А1203 и некоторые другие кислотные оксиды.
Соотношение между количествами простейших и комплексных ионов и сложность структуры последних определяют в первую очередь вязкость и электропроводность шлаковых расплавов и их поверхностные свойства. Так, рост количества и размеров анионных комплексов всегда ведет к увеличению вязкости шлаков и снижению электропроводности.
Рассмотрим кратко влияние важнейших физико-химических свойств, шлаков на показатели плавки.
Плавкость шлаков должна быть минимально допустимой для конкретного металлургического процесса. Чем при меньших температурах плавится шлак, тем выше будет производительность печи и меньше расход тепловой энергии. Недопустимо высокая температура образования шла
ка затрудняет или даже делает невозможным протекание и завершение основных химических реакций и ведет к увеличению вязкости шлаковых расплавов: Реальные шлаки цветной металлургии плавятся обычно при 1100—1250 °С.
Вязкость шлаковых расплавов характеризует их жидко- текучесть. От величины вязкости зависит скорость отстаивания металлсодержащей фазы (штейна или металла) и кинетика металлургических реакций. Заводские шлаки при температурах плавки должны иметь вязкость не более 1— 1,5 Па-с. Вязкость шлаков возрастает с усложнением структуры комплексных анионов и уменьшается с ростом температуры. При увеличении вязкости шлаков существен- ' но возрастают механические потери ценных металлов со шлаками. у
Большую роль в металлургических плавках играют поверхностные свойства шлаковых расплавов и особенно межфазное натяжение на границе раздела шлак — штейн (металл). Низкому межфазному натяжению отвечает хорошая взаимная смачиваемость жидких продуктов плавки, что ведет к замедлению процесса их отстаивания и увеличению потерь металлов.
Замедлению скорости отстаивания жидких продуктов плавки способствует также уменьшение разности их плотностей.
При выборе состава шлака для конкретного металлургического процесса необходимо учитывать влияние основных шлакообразующих компонентов на свойства шлаковых расплавов.
Кремнезем (Si02) снижает плотность шлака и растворимость в нем штейна, но увеличивает плавкость шлака, его вязкость и межфазное натяжение на границе раздела шлак — металлсодержащий продукт.
Влияние FeO обратно действию Si02. При увеличении ее содержания возрастает плотность шлака и растворимость в нем сульфидов и свободных металлов, уменьшаются межфазное натяжение, вязкость и плавкость шлаков.
СаО уменьшает вязкость и плотность шлаков и растворимость в них штейна. В небольших количествах СаО снижает плавкость шлаков. Одновременно добавки СаО способствуют росту межфазного натяжения.
Влияние А1203 аналогично влиянию Si02. Часто для реальных шлаков оценке подлежит суммарное содержание этих двух кислотных оксидов.
Присутствие в шлаке небольших количеств MgO и Fe304 не оказывает заметного влияния на свойства шла
ков. При больших содержаниях этих оксидов шлаки становятся тугоплавкими и резко возрастает их вязкость. Причиной этого в оснойном является возникновение гетерогенности в результате ограниченной растворимости тугоплавкого оксида магния и магнетита и появления в шлаковом расплаве твердой взвеси.
Для получения шлаков оптимального состава в качестве флюсов в цветной металлургии чаще всего используют кварциты и известняки. Вместо обычной кварцитовой породы часто применяют золотосодержащие кварцевые руды, так как при плавке из них в штейн или черновой металл попутно извлекаются благородные металлы.
Ниже приведен расчет количества шлака и его состава, а также дан пример составления предварительного материального баланса плавки на штейн:
Пример 4. Расчет проведем для концентрата и штейна, рассмотренных в примере 3.
Для расчета примем следующие условия:
1. Отвальный шлак должен содержать 36 %Si02 и 5 %СаО.
2. В качестве флюсов используем кварц (100 % Si02) и известняк (СаСОз), содержащий 56 % СаО (ост. — С02).
3. Безвозвратные потерн для упрощения расчета не учитываем.
С учетом перешедших в штейн и газы компонентов в шлак перей-
дет:
Си
12—11,52=0,48 кг
|
Zn (в форме ZnO)..
5 кг |
Fe.(e форме FeO)..
Si02. СаО. Прочие
..*...................... /кг
1,5- 0,58=0,92 кг
•
Всего |
Такой шлак, полученный без добавки флюсов, называется самоплавким. Иногда самоплавкий шлак удовлетворяет требованиям данного вида плавки, и флюсы в этом случае в шнхту не добавляют.
'Проверим, удовлетворяет лн получающийся самоплавкий шлак заданным условиям. Для этого определим процентное содержание, по крайней мере, двух заданных компонентов. В самоплавком шлаке будет содержаться: (5: 43,83) ■ 100= 11,4 %! Si02 и (1: 43,83) • 100=2,3 % СаО.
Эти цифры говорят о том, что шлак не будет удовлетворять заданным условиям. Для получения шлака, содержащего 36 % Si02 н 5 % СаО, необходимо ввести в шихту флюсы — кварц и известняк.
Расчет флюсов произведем методом балансовых уравнений. Обозначим потребное количество кварца через х, а известняка через у.
Тогда масса конечного шлака может быть выражена уравнением
(43,83 + х + 0,56#) кг,
где 43,83 — масса самоплавкого шлака.
В этом количестве шлака будет содержаться:
, (43,83+ *+0,560)0,36 кг Si02 и (43,83 + х+ 0,56#)0,05 кг СаО.
Этн количества двух основных шлакообразующнх компонентов в шлаке нужно приравнять к нх количествам в исходной шнхте. Онн соответственно составят:
(5 + х) кг Si02 и (1 +0,56#) кг СаО.
Составим балансовое уравнение:
no Si02 (43,83 + х + 0,56#) 0,36 = 5 + х,
количество Si02 в шлаке Si02 в шихте ПО СаО (43,83 + х + 0,56*/) 0,05 0,56^.
Решив этн два уравнения с двумя неизвестными, получим: дг = 18,1 кг ну — 3,95 кг.
С 3,95 кг известняка поступит СаО:
3,95-0,56 = 2,2 кг СаО.
Проверни правильность выполненного расчета
| КГ | % |
Си..................... | ... 0,48 | 0,75 |
ZnO.... | ... 0,95 | 1,45 |
Fe...................... | ... 35,5 | 55,36 |
SiOa.... | ... 23,1* | 36,0 |
СаО.... | ... 3,20** | 5,0 |
Прочие.. | ... 0,92 | 1,44 |
Всего... | ... 64,15 | 100,0 |
*5+18,1=23,1. **14-2,20=3,20. |
Приведенные выше данные о содержании в конечном шлаке Si02 и СаО говорят о правильности выполненного расчета.
Определим потребность в кислороде для окисления железа, цинка и серы.
Потребность в кислороде, кг:
(35,5—7,88)
для окисления Fe в FeO.. — • 16=7,9
для окисления Zn в ZnO... (0,75/65,4)-16=0,2 для окисления S в S02 (36,3/32)-32=36,3
Всего............................................... 44,4 кг
С этим количеством кислорода с воздухом поступит азота: (44,4/21)79== 167 кг.'
Общее количество воздуха с учетом коэффициента избытка а= = 1,1 будет равно:,
(44,4+ 167) 1,1 = 232,5 кг.
В этом количестве воздуха будет содержаться 48,8 кг кислорода и 183,7 кг азота. В технологические газы перейдут SO2, N2, избыточный кислород и С02, выделившийся при разложении известняка. Общее количество образовавшихся газов н их состав приведены в табл. 11. Таблица 11. Количество и состав технологических газов
|
По результатам расчетов, приведенных в примерах 3 и
4, составим предварительный материальный баланс плавки (табл. 12), в котором не учтены топливо и топочные газы, образующиеся при его сжигании.
Таблица 12. Предварительный материальный баланс плавки, кг
|
Для составления полного материального баланса нужно выполнить расчет горения топлива и прибавить его результаты к данным табл. 12 (см. пример 2).
\ |
Отходящие металлургические газы можно классифицировать на технологические, образующиеся за счет протекания химических реакций, и топочные, являющиеся продуктами сжигания топлива[4]. Состав и количество отходящих газов полностью определяются типом перерабатываемого сырья и видом применяемого металлургического процесса.
Основными компонентами технологических газов являются сернистый ангидрид (S02), углекислый газ (С02), оксид углерода (СО) и пары воды (Н20). В отдельных металлургических процессах возможно выделение газообразного хлора, хлоридов, мышьяковистых и других химических соединений. При сжигании топлива преимущественно образуются С02, СО и Н20. Кроме того, в газах обязательно будут присутствовать азот (N2) и свободный кислород (02), поступающий с дутьем и за счет подсосов в избытке воздуха.
|
Комплексная переработка отходящих газов предусматривает:
1) использование ценных компонентов, например S02, для производства серной кислоты, элементарной серы или жидкого сернистого ангидрида;
2) использование физического тепла газов для получения пара, горячей воды, подогрева воздуха.(дутья) и т. д.;
3) использование горючих составляющих (СО и Н2) в качестве подсобного топлива;
4) обезвреживание газов с целью охраны окружающей природы.
Наибольшую ценность представляют отходящие газы автогенных процессов, содержащие до 80 % и более SO2.
Пыли, образующиеся в металлургических процессах, условно можно классифицировать на грубые и тонкие.
Образование грубых пылей связано с воздействием газового потока на мелкие частицы перерабатываемой шихты или продукта металлургической переработки. Крупность частиц пыли и ее количество определяются скоростью газового потока и крупностью перерабатываемого материала. Обычно грубые пыли имеют форму осколков (неправильных многогранников); размеры частиц этих пылей составляют от 3—10 до нескольких сотен микрометров. Химический состав грубых пылей обычно идентичен составу исходного материала, из которого они образовались. Обычно грубые пыли возвращают в оборот или объединяют с продуктом данного процесса.
Тонкие пыли образуются преимущественно за счет возгонки легколетучих компонентов. Пары, получающиеся при этом, уносятся газовым потоком и при последующем охлаждении газов конденсируются с образованием твердых частиц или жидких капель. Размер частиц тонких пылей, называемых в цветной металлургии возгонами, в момент образования составляет десятые и сотые доли микрометра. В дальнейшем возможно образование более крупных агрегатов за счет коагуляции мелких частиц.
По химическому составу возгоны резко отличаются от исходного материала — они обогащены летучими компонентами, например цинком, кадмием, свинцом, германием, индием и рядом других редких и рассеянных элементов. Возгоны являются ценным сырьем для извлечения этих элементов, поэтому должны обязательно подвергаться самостоятельной дальнейшей переработке.
Все пыли, образующиеся в металлургических процессах, подлежат улавливанию. При этом преследуются две основные цели:
1) использование ценных компонентов, перешедших в пыли;
2) предотвращение загрязнения окружающей природы.
Глава 5
ПОДГОТОВКА СЫРЬЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ К МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ переработке
§ 1. Требования к подготовке сырья
Цветная металлургия является одной из наиболее материалоемких, а также топливо- и энергоемких отраслей промышленности. В себестоимость продукции в среднем по цветной металлургии СССР затраты на сырье, основные и вспомогательные материалы составляют около 61—62%, на топливо и энергию — около 11—12%. Таким образом, на долю этих статей себестоимости приходится примерно 75 % общих затрат.
Наиболее материалоемкими подотраслями цветной металлургии являются твердосплавная ('■'-80 % от общих затрат), медная (— 70 %) и свинцово-цинковая ('■'-64%), а самой энергоемкой — алюминиевая ('■>-20 %).
По этой причине качественная подготовка исходного сырья к металлургической переработке оказывает решающее влияние на конечные технико-экономические 'показатели металлургического передела.
В металлургическую переработку, как правило, поступает не один конкретный металлсодержащий материал, а смесь разных сортов рудного сырья с флюсами и оборотами. Смесь поступивших в переработку материалов (без топ. лива) называется шихтой.
Общие требования к качеству металлургических шихт сводятся к следующему:
1) постоянство химического состава;
2) однородность по химическому, минералогическому и гранулометрическому составу;
3) оптимальная крупность компонентов шихты;
4) оптимальная влажность.
Первые два требования не нуждаются в пояснениях, так как работа металлургических агрегатов на постоянных, устойчивых режимах возможна только при постоянной, оптимальной по составу шихте. На современных металлургических предприятиях, где ежесуточно перерабатываются сотни и даже тысячи тонн исходных материалов, это требование обеспечивается равномерностью подачи сырьевых материалов и хорошим смешением шихтовых компонентов друг с другом.
Оптимальная крупность перерабатываемой шихты определяется видом применяемого процесса и его требования-
ми. Так, для шахтной плавки требуется кусковая и прочная шихта крупностью 50—100 мм, а в отражательных печах необходимо плавить шихту с размером частиц не более 2—5 мм. Гидрометаллургическая технология и автогенные процессы требуют очень мелкой шихты с крупностью зерен не более 70—100 мкм.
Влажность поступающей шихты также является функцией технологии. Так, гидрометаллургические переделы допускают повышенную влажность исходных материалов, тогда как в отражательных печах можно плавить шихту с влажностью до 5—8 %; для плавки в электрических печах содержание влаги должно быть снижено до 3 % и менее, а плавка во взвешенном состоянии требует удаления влаги до 0,1—0,3%.
Различают две группы подготовительных операций: механическую и химическую подготовку.
К механической подготовке относятся:
1) складирование и хранение шихтовых материалов;
2) дробление и измельчение исходных материалов (руд, флюсов, кусковых оборотов);
. 3) сортировка материалов по крупности;
4) обезвоживание исходных материалов сгущением, фильтрованием и сушкой (иногда, наоборот, увлажнение);
5) окускование мелких материалов (концентратов, рудной мелочи);
6) приготовление шихты путем смешивания ее компонентов.
Химическая подготовка сводится к обжигу или агломерации исходных рудных материалов.
В данной главе рассматриваются лишь вопросы, связанные с укрупнением шихты и ее приготовлением, так как операции измельчения, сортировки материалов по крупности и обезвоживания были освещены в гл-. 3, а обжиговые процессы будут описаны в последующих разделах учебника. V
Необходимость в ряде случаев предварительного окус- кования (укрупнения) исходных сырьевых материалов обусловлена тем, что на металлургические предприятия в настоящее время в основном поступают тонкоизмельченные концентраты. Кроме того, при непосредственной переработке руд приходится иметь дело со значительным количеством мелочи или малой прочностью самих руд. Пиро- металлургическая переработка мелких материалов либо невозможна по условиям технологии (например, в шахт-,
/
ных печах), либо сопровождается большим пылевыносом, что и вызывает необходимость их укрупнения.
Окускование мелких материалов 'осуществляют методами окатывания, брикетирования, агломерации (спекания) или комбинацией этих методов.
§ 2. Приготовление шихты
Большие объемы перерабатываемых на современных металлургических заводах материалов требуют хорошей организации приемки, опробования и складирования шихтовых материалов, а также самого приготовления шихты. Все эти операции проводятся на рудных складах или в шихтарниках.
Первостепенное значение в организации подготовительных работ имеет запас сырьевых материалов. Он должен учитывать транспортные возможности своевременной и достаточной поставки всех компонентов шихты и топлива и время,, необходимое для отбора проб, их химического анализа и приготовления самой шихты. Необходимо стремиться к оптимальному запасу всех шихтовых материалов, обеспечивающему стабильную работу предприятия. Излишние запасы омертвляют материальные ценности, а недостаточные — приводят к убыткам вследствие простоев или неритмичной работы оборудования, что способствует повышению потерь металлов, расхода топлива и электроэнергии, росту эксплуатационных затрат.
Оптимальная величина запасов сырьевых ресурсов зависит также от характера транспортных связей между поставщиками и потребителями сырья и от способа подготовки шихты. Для предприятий цветной металлургии обычно такой запас должен обеспечивать 10—30 дней бесперебойной работы основных металлургических агрегатов.
Одной из лучших систем организации подготовки, хранения и подачи шихты, на металлургическую переработку является послойное штабелирование в механизированных шихтарниках.
Механизированный шихтарник представляет собой склад закрытого типа, оборудованный транспортными системами подачи шихтовых материалов и разгрузки готовой шихты. План и разрез трехсекционного механизированного ших- тарника показан на, рис. 40.
Шихтовые материалы в отсеки (секции) шихтарника поступают по системе транспортеров 1 и 2. Разгрузка с' транспортеров производится с помощью сбрасывающей те-
Рнс. 40. План и разрез механизированного шихтарника |
лежки 3, которая, автоматически перемещаясь вдоль отсека вперед и назад, рассыпает компоненты шихты на площадке тонкими горизонтальными слоями. Загрузку компонентов шихты производят поочередно строго в соответствии с графиком, составленным на основании металлургических расчетов. В каждом отсеке создается штабель шихты 4 длиной 60—70 м, шириной 16 м и высотой 5—6 м. В штабеле помещается до 8000 т шихты.
Разгрузка штабеля производится с помощью шихторазгрузочной машины 5 (рис. 41). Машина, перемещаясь
Рис. 41. Шихторазгрузочная машина механизированного шихтарника: / — рама*рыхлитель; 2 — борона с зубьямй; 3 — скребковый' транспортер; 4 — ферма-тележка; 5 — воронка перегрузки шихты иа конвейер; 6 — нож скребкового транспортера; 7 — кабина машиниста |
вдоль штабеля, с помощью бороны, совершающей возврат- но-поступательные движения, разрыхляет шихту и сбрасывает ее на скребковый транспортер, который подает готовую шихту на сборный транспортер 6 (см. рис. 40), расположенный в траншее на одной продольной стороне каждого отсека.
По транспортеру 6 шихта поступает на транспортеры 7 и 8, куда подаются дополнительно необходимые материалы (восстановитель, возврат и т.д.)'. Готовая шихта на
правляется в металлургический передел. По пути шихту взвешивают на автоматических весах 9 и в случае необходимости доизмельчают в дробилках 10. После окончания разгрузки рабочего штабеля шихторазгрузочная машина тележкой И перевозится в следующий отсек.
Работа механизированного шихтарника организована таким образом, что один из трех штабелей укладывают, другой опробуют, а третий разгружают.
Приготовление шихты в механизированных шихтарни- ках обеспечивает наилучшее смешивание шихтовых компонентов. Каждый штабель состоит из большого количества горизонтальных, слоев различных материалов, которые в дальнейшем выбираются бороной шихторазгрузочной машины тонкими почти вертикальными срезами по поперечному сечению штабеля.
Другим достаточно широко распространенным методом приготовления шихты является бункерная шихтовка. Этот метод предусматривает хранение шихтовых материалов чв
Рис. 42, Схема приготовления шихты на транспортерной лейте: 1 — бункер; 2 — питатель; 3 — ленточный транспортер; 4, 5 — концентрат I; 6 — концентрат II; 7 —обороты; 8 — кварц; 9 — известняк; 10 — шихта |
отдельных бункерах, из которых материалы в соответствии с расчетными количествами послойно дозируются ija транспортерную ленту (рис. 42). Перемешивание компонентов шихты в этом случае происходит при транспортировке и особенно в местах перегрузки материалов с транспортера на транспортер. Дозировка шихты на сборный транспортер может осуществляться ленточными, пластинчатыми или тарельчатыми питателями.
Основным недостатком бункерной системы является малая емкость, так как запас шихты в бункерах бывает
\
небольшим (обычно на одну смену). Увеличение запаса шихты в бункерах приводит к их громоздкости и удорожает их.
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 47 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
