При повышении скорости дутья выше Wmax объем сыпучего материала начинает резко увеличиваться. Шихта примет взвешенное состояние, что будет сопровождаться интенсивным пылевыносом обжигаемых частиц.
В реальных условиях крупност$ присутствующих в обжигаемой шихте частиц будет заметно различаться. В результате этого наиболее мелкие зерна будут выноситься из печи газовым потоком, а наиболее крупные, наоборот, оседать в нижнюю часть кипящего слоя, образуя на подине «постель^. При обычных режимах обжига в кипящем слое пылевынос составляет 20—30 % от массы исходной шихты.
Для обжига в кипящем слое медных концентратов применяют печи, отличающиеся устройством отдельных узлов, геометрическими размерами и формой поперечного сечения. В поперечном сечении печи КС могут быть круглыми, прямоугольными или эллиптическими.
Устройство печи для обжига в кипящем слое показано на рис. 61.
Независимо от конструкции любая обжиговая печь КС имеет ряд обязательных узлов и деталей: вертикальную
12,26
|
шахту 1 со сводом 2, под с соплами 3, воздухораспределительные камеры 4, загрузочное окно (форкамера) 5, разгрузочное устройство 6 и газоход 7. Места загрузки и разгрузки обычно располагаются на противоположных сторонах печи.
Рабочая камера печи выполнена в виде металлического кожуха, футерованного изнутри шамотным кирпичом и покрытого снаружи слоем теплоизоляционного материала. Свод печи изготовлен из огнеупорного кирпича.
Под печи представляет собой устройство, обеспечивающее равномерное распределение подаваемого в слой обжигаемого материала воздуха и предотвращающее провал мелкого сыпучего материала в воздушные камеры. Обычно он выполняется из жароупорного бетона с отверстиями для установки воздухораспределительных сопел колпачкового типа (рис. 62). Сопла располагаются равномерно по всей
|
Рис. 62. Варианты конструкции воздухораспределительных сопел печей КС: 1 — под печи; 2 — трубка; 3 — головка сопла |
площади пода в шахматном порядке с расстоянием между рядами 200—300 мм. Число сопел на 1 м2 пода колеблется от 30 до 50 шт.
Загрузку шихты осуществляют через форкамеру, имеющую повышенную плотность размещения сопел. Обжигаемый материал может подаваться с любым содержанием влаги вплоть до пульпы.
Разгрузку огарка обычно производят через сливной порог, высота размещения которого определяет уровень кипя- щего слоя. Выпуск огарка возможен также из нижней части кипящего слоя. В этом случае высоту кипящего слоя регулируют скоростью разгрузки материала с помощью специального шибера (стопора).
При окислительном обжиге сульфидных концентратов в кипящем слое, как правило, выделяется большое количество избыточного тепла, в результате чего может недопустимо повыситься температура в слое обжигаемого материала. Для отвода избыточного тепла непосредственно в кипящий слой вводят холодильники трубчатого типа или холодильники-змеевики.
Разогрев печи перед ее пуском на непрерывную работу после монтажа или ремонта.производят с помощью топочных горелок, устанавливаемых в специальных окнах.
Обжиг в кипящем, слое является самым высокопроизво-
дительным процессом. Это обусловлено высокоразвитой удельной поверхностью контакта твердой и газообразной фаз. Окисление сульфидов в этих условиях идет очень интенсивно даже при небольшом избытке воздуха — всего 10—20 % сверх теоретически необходимого. При достаточно высокой герметизации печей это позволяет получать газы, содержащие до 12—14 % S02.
Производительность печей КС по концентрату в 4—
5 раз и более выше, чем при обжиге в механических многоподовых печах.
Конструкция обжиговых печей КС очень проста, а их работа легко поддается механизации и автоматизации.
Обжиг медных концентратов в СССР применяется на Среднеуральском медеплавильном заводе (СУМЗ), Ала- вердском и Норильском горно-металлургических комбинатах. На обжиг в кипящем слое переводится обжиговый цех Красноуральского медеплавильного комбината.
Печи кипящего слоя на СУМЗе имеют круглое сечение с наружным диаметром 5,57 м при толщине футеровки стен 445 мм. Высота печей 4 или 9 м (более высокие печи работают эффективнее). Площадь пода печи 16,5 м2, высота сливного порога 1,5 м, живое сечение пода (отношение площади сечения всех сопел к общей площади пода) в рабочей камере пода 0,7 %, в форкамере 0,9 %. Отвод избы-^ точного тепла производится 16 холодильниками, вводимыми непосредственно в кипящий слой. Для разогрева- печи при пуске служат 4 нефтяные форсунки.
Шихта обжига состоит из концентратов, флюсов и оборотов, смешение которых осуществляется в механизированном шихтарнике. Готовую шихту перед обжигом подсушивают в сушильных барабанах до влажности 5—6 %.
Отходящие газы после выхода из обжиговой печи проходят трехстадийную очистку от пыли в циклоне диамет- ’ ром 2,7 м, в двух параллельных батареях циклонов диаметром 900 мм (12 шт.) и в трубчатом электрофильтре. Уловленную пыль объединяют с огарком и отправляют в плавку на штейн в отражательные печи. Очищенные от пыли газы используют в сернокислотном производстве.
На Красноуральском комбинате обжиг проводят в 10-подовых печах с механическим перегибанием диаметром 6,5 м н высотой 9,7 м. Такие печи отличаются сложностью конструкции, а их работа — высокими капитальными и эксплуатационными затратами, трудностями регулирования и автоматизации процесса, низким содержанием сернистого ангидрида в газах.
Пыли, образующиеся в механических многоподовых печах выносятся газовыми потоками вблизи загрузки исходной шихты и требуют возврата иа повторный обжиг.
Ниже приведены основные техиико-экоиомнческие показатели обжига медных концентратов:
Печи КС |
многоподовые
печи
200—250 58—60 10—15 6—7 |
55—60 870—890 83—84 13—15 |
Десульфуризации, %.. Температура обжига, °С. Вынос пыли, %... • Содержание S02 в газах, %
Технологические схемы с окислительным обжигом в пирометаллургии меди имеют ограниченное распространение. Новые медеплавильные заводы проектируют без обжиговых цехов. С развитием и освоением автогенных процессов обжиг полностью потеряет свое практическое значение.
§ 5. Плавка на штейн в отражательных и электрических печах
Плавку медных концентратов на штейн в отражательных печах начали применять в конце XIX столетия в связи с привлечением в металлургическую переработку все более бедных руд и развитием методов их предварительного обогащения. Отражательные печи пригодны для переработки лишь мелких материалов и являлись в свое время наиболее подходящими плавильными аппаратами для плавки на штейн тонкодисперсных флотационных концентратов.
Основной целью плавки в отражательных печах, как и любого другого вида плавки медных концентратов на штейн, является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов — штейна и шлака. При этом ставятся задачи как можно полнее перевести в штейн медь и ряд других ценных элементов, например благородных металлов, а пустую породу ошлаковать.
Сущность отражательной плавки заключается в том, что загруженная шихта плавится за счет тепла от сжигания углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве печи. Факел, образующийся при горении топлива, располагается над поверхностью расплава.
При плавке сырых и подсушенных концентратов загруженная шихта образует откосы, вдоль боковых стен печи; при плавке огарка она растекается по поверхности зеркала шлакового расплава.
Шихта и поверхность расплава в отражательных печах нагреваются за счет непосредственного. лучеиспускания факела горячих топочных газов и тепловых лучей, отражен
ных от внутренней поверхности свода. Участие свода в передаче тепла отражением теплового излучения послужило причиной названия печей отражательными.
Передача тепла внутри слоя шихты может осуществляться только за счет теплопроводности. Отсутствие в в отражательных печах массообмена внутри расплава также предопределяет перенос тепла в нижние слои расплава только за счет теплопроводности. При этом следует иметь в виду, что теплопроводность шихты и шлакового расплава
f 2 1
5 6 Рис. 63. Схема плавки в отражательных печах с образованием шихтовых откосов: |
/ — шихта; 2 — факел, образующийся при сжигании топлива; 3 — шихтовый откос; 4 — зона плавления; 5 — шлаковый расплав; 6 — штейн. Стрелками показано направление теплоизлучения, штриховыми линиями — движение расплавленных фаз |
Скорость отстаивания капель штейна будет тем выше, чем больше их размеры. Очень мелкие штейновые включения в условиях отражательной плавки (спокойная ванна) далеко не полностью успевает отстояться за время пребывания расплава в печи (10—14 ч) и выносятся со шлаком.
При переработке в отражательной печи обожженных концентратов, уже прошедших термическую подготовку, механизм плавки будет иным. Частицы огарка, растекаясь
по поверхности шлаковой ванны, контактируют с ней, в результате чего оксидные пленки на частицах растворяются з шлаке, а сульфидные зерна оседают на дно расплава, образуя штейн.
Различным при плавке сырых и обожженных концентратов будет и химизм плавки. При плавке сырых концентратов основными химическими процессами являются разложение высших сульфидов и взаимодействие сульфидов железа с магнетитом, поступающим в печь с оборотным конвертерным ^шлаком, по реакции
FeS + 3Fe А + 5Si02 = 5 (2FeO • Si02) + S02. (30)
Суммарная десульфуризация в этом случае обычно составляет 45—55 %.
Химизм плавки огарка, поскольку разложение высших сульфидов практически полностью закончилось при обжиге, сводится главным образом к химическому взаимодействию между оксидами и сульфидами. Основными в этой плавке являются следующие реакции:
Cu20 + FeS = Cu2S + FeO; (31)
1 OFe^Og + FeS = 7Fe304 + S02, (32)
а также взаимодействие FeS с Fe304 в присутствии кремнезема.
Десульфуризация при плавке обожженных медных концентратов, не превышает 20—25 %.
Отражательная печь для плавки медных концентратов (рис. 64) представляет собой плавильный агрегат с горизонтальным рабочим пространством. Внутренние размеры современных отражательных печей следующие: длина 28— 35 м, ширина 6—10 м, высота от свода до пода 4—4,5 м. Площадь пода таких печей колеблется от 180 до 350 м2.
Конструктивно отражательная печь состоит из фундамента, стен, подины (лещади), свода, каркаса, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов плавки, горелок (форсунок) для сжигания топлива.
Фундамент — основу печи — изготавливают из литого шлака, бетона, кирпича или бутового камня. На фундаменте размещена наварная лещадь. Наварку производят оплавлением кварцевого песка на нескольких слоях строительного и огнеупорного кирпича. Лещадь может быть полностью выложена из динасового кирпича в виде обратной арки. Общая толщина лещади 0,6—1,5 м.
Стены печей выкладывают из хромомагнезитового, магнезитового или магнезитохромитового кирпича. Толщина
стен в верхней части печи составляет 0,5—0,6 м, а у лещади 0,75—1 м. Для придания кладке достаточной механической прочности ее скреп'ляют металлическим каркасом, состоящим из ряда колонн и тяг.
Срок службы стен отражательных печей зависит от способа загрузки шихты и ее качества. При плавке (сырой)' шихты вдоль боковых стен печи образуются устойчивые шихтовые откосы, которые защищают огнеупорную кладку от быстрого разрушения. Стойкость стен из огнеупорных кирпичей можно повысить путем установки наружных или закладных кессонов, размещаемых обычно на уровне зеркала расплавленной ванны.
Рис. 65. Узел крепления арочного свода и устройство загрузочной вороики: 1 — стена печи; 2 — свод; 3 — пятовый кирпич; 4 — подпятовая балка; 5 —за* грузочиое устройство; 6 — желоб скреб* кового транспортера; 7 — шибер; 8— металлическая колониа; 9 — горизонтальная тяга с пружиной |
Динасовые арочные своды применяют лишь при небольшой ширине печи (до
6 м). Арки свода набирают секциями длиной 3,7—7,5 м.
Секции опираются на пятовые кирпичи, закрепленные с обеих сторон печи в швеллерных балках, которые удерживаются общим каркасом. Узел крепления арки свода показан на рис. 65.
Расширение отражательных печей ведет к повышению их производительности вследствие увеличения относительной. площади откосов. Однако при большой ширине печи прочность арочного свода мала и он может разрушиться под действием собственной массы.
Для отражательных печей большой ширины применяют только подвесные или распорно-подвесные своды. Подвесной свод делают плоским или трапециевидным. Конструкция трапециевидного свода приведена на рис. 66. Для мон-
тажа свода на несущих конструкциях каркаса печи устанавливают швеллерные балки, к которым с помощью тяг подвешивают кирпичные блоки. Подвесные своды позволяют производить их горячие ремонты без остановки печи путем замены прогоревших блоков.
Распорно-подвесные своды, так же как и подвесные, собирают из отдельных блоков, подвешенных на арках дугообразной формы (рис. 66).
На большинстве заводов загрузку шихты производят через свод печи с помощью загрузочных устройств, расположенных вдоль боковых стен печи (см. рис. 65). Такой
Узел I
Рис. 66. Распорно-подвесиой свод отражательной печи: 1 — колоииа каркаса печи; 2 — балка арочного типа: 3 — подвеска; 4 — упорный стакан; 5 —стальная прокладка; 6 — магнезнтохроми- товый кирпич; 7 — пальцы; 8 — стальной уголок; 9 — шайба; /0—:клкн |
способ загрузки шихты сопровождается большим ее пыле- выносом и быстрым разъеданием свода печи, особенно вблизи загрузочных отверстий. Наибольшая химическая коррозия свода при таком методе загрузки наблюдается при плавке обожженной шихты. Более рациональным признано считать подачу шихты непосредственно на поверхность шлакового расплава через боковые стены печи. На рис. 67 показана телескопическая система загрузки шихты.
Продуктами отражательной плавки являются штейн, шлак, пыль и газы. Выпуск и удаление их осуществляются через специальные устройства.
Выпуск штейна производится со дна ванны над лещадью печи через шпуры периодического действия (рис. 68) или через сифонные устройства, работающие по принципу сообщающихся сосудов (рис. 69). Штенновый сифон может работать в непрерывном режиме. Расположение вы-
'1
Рис. 67. Телескопическая система за- грузки шихты: |
1 — кладка; 2 — чугунная рама; 3 — чугунная шпуровая плита; 4 — Палец; 5 — накладка; 6 — клин |
1— кюбель с огарком; 2— приемная воронка; 3— внутренняя труба; 4 — противовес; 5 — внешняя труба; 6 — каток для внешней трубы; / — противовес задвижки; 8 — змеевик водяного охлаждения; 9 — загрузочная труба; 10 — дверка; И — загрузочное окно |
А-А |
Рис. 69. Сифон для выпуска штейиа: / — боковая стеиа печи; г —выпускной канал; 3 — емкость сифона; 4 — желоб ~ |
'1
Рис. 68. Устройство шпура для выпуска штейна: |
пускных отверстий для штейна показано на рис. 64. Закрывают шпур глиняной пробкой, а сифон — с помощью глиняной плотники.
Для выпуска шлака используют шлаковые окна, размещенные в конце печи, чаще всего на обеих боковых сторонах печи (см. рис. 64). Высота расположения порога шлакового окна определяет общий уровень расплава в печи, составляющий обычно по высоте 0,8—1,2 м, в том числе 0,4—0,6 м штейна.
Отражательные печи являются пламенными. Для создания в печи необходимых температур сжигают топливо. Газ или угольную пыль сжигают с помощью горелок, а мазут —
Рис, 70. Газомазутиая горелка |
в форсунках. Топочные устройства (4—8 шт.) размещают в специальных окнах на передней торцовой стенке печи. Воздух для вдувания, распыления и сжигания топлива подогревают до 200—400 °С.
Наиболее распространенным в настоящее время топливом для отражательных печей является природный газ. Он наиболее дешев, легко транспортируется и не требует предварительной подготовки. К числу недостатков газообразного топлива следует отнести лишь образование при его горении несветящегося пламени с малой излучающей способностью. Для подсветки пламени при сжигании природного газа в горелках одновременно распыляют мазут (рис. 70).
Сжигание топлива в отражательных печах нужно вести при коэффициенте избытка воздуха (а) не больше 1,05. Следовательно, в отражательных печах будет слабо окислительная, почти нейтральная атмосфера.
На большинстве современных отражательных печей регулирование температуры в фокусе горения и в конце печи производится автоматически, а для сжигания топлива используют дутье, обогащенное кислородом до 28—30 %.
Рабочая температура в отражательной печи на расстоянии 3—10 м от передней стенки достигает 1550—1600 °С. Это зона наиболее высоких температур, и она, по существу, является плавильной зоной; здесь производят загрузку перерабатываемой шихты. По мере удаления от зоны плавления температура снижается и в конце печи не превышает 1250—1300°С. Фактически вторая половина печи работает как отстойник.
Необходимость иметь высокую температуру в хвосте отражательной печи вызвана тем, что в этой части печи выпускают отвальный шлак, имеющий температуру плавления около 1150—1200 °С.
Тепловой коэффициент полезного действия печи из-за высокой температуры отходящих газов очень низок и не превышает 30 %. С отходящими газами теряется около 50—55 % тепла, полученного при сжигании топлива. Для повышения эффективности тепловой работы отражательных печей за ними устанавливают котлы-утилизаторы, в результате чего суммарное использование тепла повышается до 60—70 %.
Отходящие газы отражательных печей содержат 0,5—
1,5 % SO2. Использовать такие слабые газы в сернокислотном производстве нельзя, и их чаще всего выбрасывают в атмосферу, нанося огромный вред окружающей среде. Для современных условий обязательным является обезвреживание газов с попутным извлечением из них серы. Трудности реализации этого в условиях отражательной плавки делают необходимым замену ее более совершенными видами плавки.
Основными продуктами отражательной плавки являются штейны и отвальный шлак. Выход штейна и содержание в нем меди полностью определяются составом исходной шихты. Содержание меди в штейнах отражательной плавки колеблется в очень широких пределах — от 17 до 60 % и более. Кроме меди, они могут содержать другие тяжелые цветные металлы: цинк, никель, свинец, благородные и редкие металлы. Регулировать состав штейнов в условиях отражательной плавки из-за нейтральности атмосферы нельзя, и получение обогащенных штейнов при плавке бедных по меди концентратов возможно только после их предварительного обжига.
Отражательные печи, отличаясь достаточно высокой универсальностью, могут работать на шлаках практически любого состава. Содержание шлакообразующих компонентов в промышленных шлаках этого вида плавки может изменяться в широких пределах, %: 30—46 Si02; 32—46 FeO; до 15 СаО; до 12 А1203. Выход шлака по массе приблизительно превышает выход штейна в 1,1—1,5 раза. От количества получающегося шлака зависят потери с ними меди, а также расход топлива и флюсов.
Ниже для сравнения приведены основные технико-эко- номические показатели отражательной плавки:.
Сырая шихта Обожженная шихта
Удельная производительность печей, т/(мг-сут).. 3—5 ■ 5—8 Расход топлива (условного), % от твердой шихты. 18—22 14—16 Извлечение меди в штейн,
% 95—98 93—94
Отражательная плавка,- несмотря на очень широкое распространение в медной промышленности всего мира, является далеко не совершенным процессом. Основными недостатками ее являются:
1) самая низкая из всех плавильных процессов удельная производительность;
2) высокий расход углеродистого топлива для плавки сульфидных материалов, которые сами являются топливом;
3) низкий тепловой коэффициент полезного действия;
4) невозможность регулирования состава получаемых штейнов;
5) трудности использования бедных серусодержащих газов, что приводит к загрязнению окружающей среды;
.6) низкая степень комплексности использования сырья;
7) выоокий расход дорогостоящих огнеупоров.
Близким аналогом отражательной плавки сульфидных материалов является плавка в электрических печах или руднотермическая плавка.
Химизм электрической и отражательной плавок полностью сходен. Основным принципиальным отличием руднотермической плавки является метод нагрева — при электроплавке шихта плавится за счет тепла, выделяющегося при •Пропускании электрического тока через шлаковый расплав.
Для плавки медного сырья используются шестиэлектродные печи (рис. 71). Подробное описание их конструкции и работы дано при рассмотрении металлургии никеля, где они нашли более широкое применение.
По сравнению с отражательной руднотермическая плавка имеет несколько более высокую удельную производительность [до 10—12 т/(м2-сут)], меньшие потери тепла с
Рис. 7-1. Продольный разрез шестиэлектродной руднотермнческой печи: / — каркас печи; 2 —футеровка; 3 —свод; 4 — электрод; 5 — окодоэлект- родное уплотнение; в — контактная щека; 7 — токоподводящая шина; 8 — гидроподъемник электрода; 9 — желоб для штейна; 10 — желоб для шлака; 11 — газоход |
отходящими газами вследствие небольшого объема отходящих газов (нет топочных газов) и их низкой температуры (500—600 °С), более высокий тепловой коэффициент полезного действия (до 70 %), возможность перерабатывать тугоплавкую шихту вследствие большего перегрева расплавов, меньшие потери меди со шлаками.
Расход электроэнергия при руднотермической плавке медных концентратов в зависимости от их состава и влажности колеблется от 380 до 500 кВт-ч/т шихты.
Однако в целом руднотермическая плавка также не удовлетворяет большинству современных требований и в первую очередь необходимости исключить посторонние источники тепловой энергии для переработки сульфидного сырья.
§ 6. Плавка на штейн в шахтных печах
Шахтная плавка медных руд является наиболее старым способом плавки на штейн, существовавшим еще в прошлые столетия и сохранившим свое практическое значение до настоящего времени.
Шахтная печь представляет собой плавильный аппарат с вертикальным рабочим пространством, похожим на шахту (рис. 72). В поперечном сечении шахтные печи цветной
Рис. 72. Схема шахтной печи: 1 — шахта печи; 2— внутренний. гори; 3 — колошник; 4 — фу£ма; 5 — выпускной желоб; 6 — наружный (передний) отстойный гори |
Жидкие продукты плавки (шлак и штейн) стекают во внутренний горн, откуда они совместно выпускаются по сифонному желобу в передний горн на отстаивание. Раздельный выпуск штейна и шлака осуществляется из переднего горна.
По мере плавления шихта опускается вниз, а на ее место загружают новые порции. Газы, образовавшиеся в области фурм и выше, поднимаются вверх, пронизывают столб опускающейся шихты и отдают ей свое тепло. Теплообмен между газами и шихтой по принципу противотока обеспечивает самый высокий коэффициент использования тепла, наблюдающийся в металлургических печах и достигающий в шахтных печах 80—85 %.
По сравнению с большинством других плавильных пе
чей в шахтных печах можно плавить только кусковой мате- рал крупностью 20—100 мм. В случае переработки мелкой шихты (руды или концентратов) ее необходимо подвергать предварительному окускованию методами агломерации или брикетирования.
Применительно к переработке медных руд и концентратов возможны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная (окислительная), полупиритная и усовершенствованная пиритная или медно-серная. В современной металлургии меди сохранили свое практическое значение при переработке рудного сырья только два последних метода. Восстановительную шахтную плавку используют до настоящего времени как основной метод получения черновой меди из вторичного сырья.
Полупиритная плавка занимает промежуточное место между восстановительной и пиритной плавками.
При восстановительной плавке, пригодной для переработки окисленного или вторичного сырья, все необходимое для процесса тепло получается за счет сжигания кокса, расход которого составляет не менее 15 %от массы твердой шихты.
Пиритная плавка в противоположность восстановительной теоретически полностью может протекать за счет тепла от окисления (сжигания) самой сульфидной шихты, имеющей теплотворную способность 5000—6000 кДж/кг. Вследствие очень напряженного теплового баланса на практике в печь вводили до 2 % кокса. Пиритная плавка, пригодная для переработки только высокосернистых руд, содержащих не менее 75% пирита (около 42% серы), в чистом виде потеряла свое практическое значение.
В тех случаях, когда сульфидов в исходной шихте не хватает для автогенного ведения шахтной плавки, недостаток тепла компенсируют сжиганием углеродистого топлива. Такой вид шахтной плавки, при которой тепло получается как от горения сульфидов, так и от сжигания топлива, получил название полупиритной. Расход кокса при этом виде шахтной плавки изменяется от 5 до 12 %.
Основные процессы, определяющие ход и характер полупиритной плавки, развиваются в фокусе печи, где достигаются максимальные температуры (до 1600°С) и протекают процессы горения кускового кокса и сульфидов (в твердом и жидком состояниях), плавления компонентов шихты, штейно- и шлакообразования. Основные реакции этой зоны печи следующие:
Дата добавления: 2015-08-29; просмотров: 37 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |
