Металлургические технологии производство цветных металлов Лекция 4 Традиционные

Металлургические технологии (производство цветных металлов) Лекция 4 «Традиционные процессы плавки медного сырья»

Виды плавок на штейн Процесс плавки медных сульфидных концентратов на штейн является центральным в пирометаллургической схеме получения меди. Это стадия является наиболее затратной во всей схеме и от ее показателей во многом зависят показатели всего производства. К традиционным видам переработки медного сырья относятся процессы, использующие естественные источники энергии: углеродное или углеводородное топливо, а также электроэнергию. Наиболее распространенным до недавнего времени в медном производстве методом плавки на штейн была плавка в отражательных печах, пригодная только для переработки мелких материалов. Близким аналогом отражательной плавки является плавка в электрических (руднотермических) печах. Сохранил свое практическое значение самый старый способ извлечения меди из руд - плавка в шахтных печах. Перечисленные способы плавки на штейн (традиционные) не удовлетворяют требованиям современности и требуют замены более совершенными методами. Основным направлением развития технологии переработки сульфидного сырья является разработка новых, более современных и более экономичных технологических схем, построенных на базе автогенных процессов. 2

Отражательная плавка Сущность отражательной плавки заключается в том, что загруженная шихта плавится за счет получаемой при сжигании углеродистого топлива в горизонтально расположенном рабочем пространстве печи теплоты. Факел, образующийся при горении топлива, располагается над поверхностью расплава. В отражательной печи перерабатываются два типа шихты: 1. «Сырая» шихта, не прошедшая обжиг (концентрат); 2. Шихта на основе огарка - продукта обжига медных концентратов ( «обожженная» ). При плавке сырых (необожженных) концентратов загруженная шихта образует откосы вдоль 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, отраженных от внутренней поверхности свода. Участие свода в передаче теплоты отражением теплового излучения послужило причиной названия печей отражательными. 3

Отражательная печь 1 – фундамент; 2 – лещадь; 3 – стена; 4 – свод; 5 – загрузочные отверстия; 6 – окна для горелок (форсунок); 7 – шпуры для выпуска штейна; 8 – запасной шпур; 9 – шлаковое окно; 10 – газоход; 11 – металлический каркас 4

Механизм плавки (сырая шихта) 1 – шихта; 2 – факел; 3 – шихтовой откос; 4 – направление потоков теплоизлучения от факела; 5 – стекающий поверхностный слой расплавленной шихты; 6 – легкая фракция расплава, обогащенная кварцем, 7 – тяжелая фракция расплава, обогащенная оксидами железа и сульфидами; 8 – штейновая фаза 5

Особенности отражательной плавки Химические реакции: • • 2 Cu. Fe. S 2 = Cu 2 S + 2 Fe. S + 1/2 S 2 Fe. S + 3 Fe 3 O 4 = 10 Fe. O + SO 2 2 Fe. O + Si. O 2 = 2 Fe. O·Si. O 2 Cu 2 O + Fe. S = Cu 2 S + Fe. O Источником магнетита (Fe 3 O 4) при отражательной плавке сырых концентратов является оборотный конвертерный шлак, который заливают в жидком виде в отражательные печи. Конвертерный шлак содержит до 3% меди и до 25 % магнетита. Продуктами отражательной плавки являются штейн, шлак, газы и пыль. Выпуск и удаление их осуществляются через специальные устройства. Выпуск штейна производится со дна ванны над лещадью печи через шпуры периодического действия или через сифонные устройства. Для выпуска шлака используют шлаковые окна. Для создания в печи необходимых температур сжигают топливо. Газ или угольную пыль сжигают с помощью горелок, а мазут – в форсунках. Топочные устройства (4 – 8 шт. ) размещают в специальных окнах на передней торцовой стенке печи. Рабочая температура в отражательной печи на расстоянии 3– 10 м от передней стенки достигает 1550– 1600°С. Это зона наиболее высоких температур. 6

Технико-экономические показатели отражательной плавки Показатель Сырая шихта Огарок Удельная производительность, т/(м 2·сут) 2, 5 – 5 4, 5 – 8, 5 Расход условного топлива, % от твёрдой шихты 18 – 22 14 – 16 Степень десульфуризации, % 30 – 55 15 – 20 штейна 50 – 80 40 – 60 шлака 60 – 85 70 – 80 95 – 98 93 – 96 Выход, % от концентрата: Извлечение меди в штейн, % Переработка огарка приводит к увеличению удельного проплава отражательных печей, снижению расхода топлива, а также позволяет уменьшить выбросы сернистого ангидрида в атмосферу 7

Достоинства и недостатки отражательной плавки Достоинства: • Простота технологии, а также простой по конструкции и надёжный металлургический аппарат • Хорошо освоена, так как эксплуатируется около 150 лет Недостатки: • Самая низкая из всех плавильных процессов удельная производительность • Высокий расход углеродистого топлива для плавки сульфидных материалов, которые сами являются топливом • Низкий тепловой коэффициент полезного действия (30 -40%) • Невозможность регулирования состава получаемых штейнов • Трудности утилизации бедных серосодержащих газов ( 0, 5 -1, 0 % SO 2), что приводит к загрязнению окружающей среды • Тяжелые условия и высокие затраты физического труда 8

Плавка в электропечах (электроплавка) Сущность электроплавки заключается в том, что плавка шихты осуществляется за счет тепла, выделяющегося при прохождении электротока через слой шлака, путем растворения компонентов шихты в готовом шлаковом расплаве. Для плавки медных концентратов, а также медно-никелевых руд и концентратов используют руднотермические (электрические) печи. Для плавки медного сырья применяют в основном шестиэлектродные прямоугольные печи длиной 23– 23, 5 м и шириной 5, 5– 6 м. Электроды введены в печь через свод и расположены в ряд по продольной оси печи. По химизму руднотермическая плавка сульфидного сырья является полным аналогом отражательной плавки. Однако механизм плавления у них различен, что связано с принципиально отличным методом нагрева шихты и расплавов в руднотермических и отражательных печах. 9

Руднотермическая печь 1 – каркас; 2 – футеровка; 3 – свод; 4 – электрод; 5 – контактные щеки; 6 – токоподводящая шина; 7 – гидроподъёмник электрода 10

Механизм плавки шихты в электропечи 1 – шихта; 2 – движение газов; 3 – восстановление шлака коксом; 4 – подвод, распределение и преобразование энергии; 5 – плавление шихты; 6 – теплообмен и движение шлака; 7 – шлак; 8 – штейн 11

Распределение температур в шихте и ванне расплава 12

Технологические особенности электроплавки Циркуляционное движение шлака – важнейший рабочий процесс в руднотермических печах – обеспечивает достаточно хороший массо- и теплообмен в ванне шлакового расплава. Это позволяет разогревать шлак до 1450°С и выше и дает возможность перерабатывать в электропечах тугоплавкое сырье. Печи оборудованы самообжигающимися электродами, представляющими собой кожух из листовой стали диаметром около 1200 мм, заполненный брикетированной электродной (углеродистой) массой. По мере опускания электрода в зону все более высоких температур электродная масса нагревается, сушится, коксуется и спекается, превращаясь в монолит. Масса электрода до 15 т, длина 10 м. На практике в шихту электрических печей вводят небольшое количество углерода (угля) для более полного восстановления магнетита, что способствует укрупнению сульфидной взвеси и снижению потерь металлов со шлаками. При переработке сырых концентратов их перед подачей в электропечи необходимо подвергать тщательной сушке до влажности менее 1 %, так как загрузка влажной шихты может сопровождаться хлопками или взрывами. 13

Размещение руднотермической печи в цехе Продольный разрез 14

Достоинства и недостатки электроплавки Достоинства: • Более высокая производительность по сравнению с отражательной плавкой до 10 -12 т/(м 2∙сут) • Меньшие потери тепла с 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 переработки тугоплавких шихт • Самые бедные по содержанию меди шлаки Недостатки: • Не используется теплотворная способность сульфидов шихты (тепло, которое могло бы быть получено при их сжигании в печи) • Невозможность регулирования состава получаемых штейнов • Трудности использования бедных серосодержащих газов, что приводит к загрязнению окружающей среды 15

Показатели электроплавки Основные технико-экономические показатели: • содержание меди, %: — в концентрате (огарке) 16 – 30 — в штейне 30 – 53 — в шлаке 0, 5 – 0, 8 • извлечение меди в штейн, % 95 – 98, 5 • удельный проплав, т/(м 2∙сут) 8 – 10 • расход электроэнергии, к. Вт∙ч/т шихты 380 – 650 • содержание в шлаке Si. O 2, % 33 – 48 • cодержание SO 2 в газах, % 5 -7 16

Плавка в шахтных печах Шахтная плавка является старейшим способом переработки медного рудного сырья. Свое название шахтная плавка получила от вида применяемого для ее осуществления плавильного агрегата - шахтной печи. Шахтная печь представляет собой агрегат с вертикальным рабочим пространством, в который сверху загружают шихту и топливо, а снизу через специальные отверстия (фурмы) вдувают воздух. Зона наиболее высоких температур в шахтной печи располагается вблизи фурм и называется фокусом печи. Шихта по мере расплавления опускается вниз, а на ее место загружают свежие порции. Жидкие продукты плавки (штейн и шлак) непрерывно стекают во внутренний горн печи и далее выпускаются в отстойный горн. Печные газы имеют встречное (противоточное) шихте движение и удаляются в газоход через колошниковое устройство. Теплообмен между газами и шихтой по принципу противотока обеспечивает самый высокий коэффициент использования тепла в шахтных печах, достигающий 80 -85 %. 17

Схема работы шахтной печи Общая (а) и принципиальная (б) схемы работы шахтной печи: 1 – внутренний горн; 2 – шахта печи; 3 – колошник; 4 – фурма; 5 – кольцевой воздухопровод; 6 – кессон; 7 – отбойная плита; 8 – газоход; 9 – загрузочное отверстие 18

Шахтная печь 1 - фундамент; 2 - колонны; 3 - лещадные плиты; 4 - футеровка лещади; 5 - боковой кессон; 6 - фурма; 7 - воздушный рукав; 3 - домкрат; 9 - воздушный коллектор; 10 - водяная магистраль; 11 - водопровод; 12 - несущие конструкции колошника; 13 - загрузочная плита; 14 - подшатровый пояс; 15 - колошник (шатер); 16 - желоб для выпуска массы из печи 19

Технологические особенности шахтной плавки • • • В шахтных печах можно перерабатывать только кусковой материал (крупность 50 -100 мм). Для плавки в шахтных печах более мелких материалов (флотационных концентратов) их необходимо предварительно окусковывать агломерацией или брикетированием. Углеродистым топливом при шахтной плавке может служить только металлургический кокс, являющийся наиболее дорогим и дефицитным видом топлива. Химические превращения при шахтной плавке распределяются следующим образом: в верхней части шахты развиваются, главным образом, эндотермические реакции, в нижней - экзотермические (реакции горения и окисления, шлакообразования и др. ) Шахта печи собрана из отдельных кессонов - водоохлаждаемых элементов. Кессоны сделаны из стали, имеют прямоугольную форму. На внутренней (огневой) стороне кессонов в результате их интенсивного охлаждения образуется корка застывшего шлака (гарнисаж), которая работает как огнеупор. Применительно к переработке медного рудного сырья возможны четыре разновидности шахтной плавки - восстановительная, пиритная (окислительная), полупиритная и медно-серная. 20