Лекции 3
Шахтовото топене на медни руди е най-старият метод за топене в щейн, който съществува от няколко века и е запазил практическото си значение и до днес.
Шахтовата пещ е топилно устройство с вертикално работно пространство, подобно на шахта. В напречно сечение шахтовите пещи на цветната металургия имат правоъгълна форма. Зарядът, състоящ се от руда и флюсове, и горивото периодично се зареждат на горната платформа в отделни порции, наречени уши. В долната част на пещта въздухът се вдухва през фурми. В областта на фурмите горивото (кокс или сулфиди на обработения заряд) изгаря и там се развиват най-високи температури (до 1300-1600 o C). Зоната с висока температура се нарича фокус на пещта. Благодарение на топлината, отделена във фокуса на пещта, зарядът се стопява и образуването на продукти от стопилката е завършено.
Течните продукти на топене (шлака и щейн) се оттичат във вътрешното огнище, откъдето съвместно се изхвърлят през сифонния улей в предното огнище за утаяване. Отделно освобождаване на щейн и шлака се извършва от предното огнище.
Когато сместа се разтопи, тя потъва надолу и на нейно място се зареждат нови порции. Газовете, образувани в областта на фурмите и по-горе, се издигат нагоре, проникват в колоната на низходящия заряд и му дават топлината си. Топлообменът между газовете и шихтата на принципа на противотока осигурява най-високия коефициент на използване на топлината, наблюдаван в металургичните пещи и достига 80-85% в шахтовите пещи.
В сравнение с повечето други топилни пещи, шахтовите пещи могат да стопят само бучки с размер на частиците 20-100 mm. В случай на обработка на малка шихта (руда или концентрати), тя трябва да бъде подложена на предварителна агломерацияметоди на агломериране или брикетиране.
По отношение на преработката на медни руди и концентрати са възможни четири вида шахтово топене: редукционно, пиритно (окисление), полупиритно и подобрено пиритно или медно-сярно топене. В съвременната медна металургия само последните два метода са запазили своето практическо значение при преработката на рудни суровини. Редукционното топене в мините все още се използва като основен метод за получаване на черна мед от вторични суровини.
При редукционно топене, подходящо за преработка на окислени или вторични суровини, цялата необходима за процеса топлина се получава чрез изгаряне на кокс, чиято консумация е най-малко 15% от масата на твърдата шихта.
Топенето на пирит, за разлика от редукционното топене, теоретично може напълно да продължи поради топлината от
окисляване (изгаряне) на самия сулфиден заряд, имащ топлина на изгаряне 5000-6000 kJ/kg. Поради много интензивен топлинен баланс, на практика в пещта се въвеждат до 2% кокс. Топене на пирит, подходящ за обработка само на руди с високо съдържание на сяра, съдържащи най-малко 75% пирит (
42% сяра), в чист вид е загубил практическата си стойност.
В случаите, когато сулфидите в първоначалния заряд не са достатъчни за автогенно руднично топене, липсата на топлина се компенсира чрез изгаряне на въглеродно гориво. Този тип шахтово топене, при което се получава топлина както от изгарянето на сулфиди, така и от изгарянето на гориво, се нарича полупирит. Разходът на кокс при този тип шахтово топене варира от 5 до 12%. По този начин топенето на полупирит заема междинно положение между редукция и топене на пирит.
Основните процеси, които определят хода и характера на топенето на полупирит саразвиват се във фокуса на пещта, където се достигат максимални температури (до 1600 ° C) и протичат процесите на изгаряне на бучки кокс и сулфиди (в твърди и течни състояния), топене на компоненти на заряда, образуване на щейн и шлака. Основните реакции на тази зона на пещта са както следва:
2FeS + 302 = 2FeO + 2SO2 + 937340 kJ;
2FeO+ SiO2 = 2FeO ∙ Si02 + 92950 kJ.
За успешното и бързо протичане на тези реакции топенето трябва да се извърши форсирано с голям излишък на взрив - до 100% от теоретично необходимия. Интензификацията на процеса на топене на полупирит се улеснява от обогатяването на взрива с кислород и неговото нагряване.
При голям излишък на въздух кислородният взрив няма време да се изразходва във фокуса на пещта и се извършва в големи количества към горните слоеве на заряда, към подготвителната зона. В резултат на това и горната част на зарядната колона, заедно с процесите на нагряване, сушене и термична дисоциация на киселинни сулфиди и карбонати, които са обичайни за тази зона, възниква изгаряне на твърди сулфиди.
Шахтовата пещ за топене на полупирит лежи върху масивна основа. Основата на пещта - правоъгълна чугунена плоча - е монтирана върху стоманени колони или крикове. Стените на мината са сглобени от водоохлаждаеми плоски железни кутии - кесони. От вътрешната (изпичаща) страна на кесоните се образува слой от втвърдена шлака (олово), който играе ролята на огнеупор.
Касетираната част на пещта има правоъгълна форма в хоризонталната част и трапецовидна форма във вертикалната част с по-малка основа в долната част. В зоната на фурмите пещта е широка 1,4 m и дълга от 4 до 12 m; височина (от платиката до върха) - до 7 м. Копията за издухване на въздух са фиксирани върху кесоните.
Течните продукти на топене - щейн и шлака - се изхвърлят непрекъснато през улей с праг в предното огнище с овалнапречно сечение. Утаителят е желязно корито, облицовано с огнеупорни тухли отвътре и оборудвано с 2-4 отвора за изпускане на мат и улеи за непрекъснато отстраняване на шлаката. Предният рог няма свод - представлява кора от втвърдена шлака. Напоследък в някои заводи утаителните огнища на шахтовите пещи са оборудвани с електрическо отопление, което се осъществява чрез преминаване на електрически ток през слой течна шлака с помощта на въглеродни електроди, потопени в него.
Съдържанието на мед в щейн, в зависимост от състава на преработените суровини, варира от 15 до 50%, шлаките съдържат,%: Si02 35-40; FeO 45-60; CaO 3 и Cu 0,3-0,35.
Процесът на полупирит може да топи богата букова руда и агломерат, получен чрез агломериращо пържене на флотационни концентрати.
Ямното топене е сравнително евтин технологичен процес. За изпълнението му са необходими малко огнеупорни материали; използват се прости и евтини конструкции на пещи, заемащи малки производствени площи. Предимствата на този тип топене са пригодността на процеса за дребномащабно производство, тъй като шахтовите пещи могат да бъдат построени с произволна дължина и висока специфична производителност.
Ограниченото използване на шахтово топене се дължи на почти пълното отсъствие на рудни суровини, подходящи за този вид топене, и ниската степен на сложност на неговото използване.
Топенето на медна сяра в класическата му версия е по същество топене на пирит на руди с високо съдържание на сяра, съдържащи най-малко 40-42% сяра, в комбинация с подобрен метод за обработка на пещни газове, за да се получи елементарна сяра. За да направите това, сулфидна руда, смесена с кварцов флюс и повишено количество кокс (до 12%), се топи в запечатана минапечки с увеличена височина.
Характерно за медно-серното топене е наличието на три ясно очертани зони в пещта по височина: окислително топене (долна), редукционна (средна) и подготвителна (горна).
В зоната на окислително топене, разположена в областта на фурмите и имаща много ограничени размери, се развиват най-високите температури в пещта (1200-1450 о С). Топлината, необходима за топене, се отделя в резултат на основната реакция на топене на пирит:
При класическото топене на пирит не се допускат отклонения от стехиометрията на реакционните реагенти. Излишъкът или дефицитът на някой от първоначалните реагенти води до нарушаване на термичния режим на топене, намаляване или разтягане на фокуса на пещта. Теоретично, по време на топене на пирит, целият кислород на взрива трябва задължително да бъде напълно изразходван в областта на фурмите и коксът не трябва да достига до фурмите. В противен случай ефектът на пирит изчезва и пещта замръзва с образуването на "коза".
Течните продукти от топенето на пирит се вливат във вътрешното огнище на пещта и след това във външния резервоар за утаяване, а газовете, състоящи се почти изцяло от серен диоксид и азот, се втурват нагоре и навлизат в средната редуцираща зона, пълна с нажежен кокс.
Основният процес в тази зона е редуцирането на серен диоксид до елементарна сяра в съответствие с реакциите:
За най-пълно възстановяване на SO2 в средната зона в тази секция, пещта се разширява рязко нагоре, което намалява скоростта на газовия поток и по този начин увеличава времето за контакт между реагентите. В зоната на редукция, в допълнение към тези реакции, протичат и други странични процеси, водещи до образуването на CS2, COS, H2S и др. Газовете на зоната на редукция, проникващи в горните слоеве на заряда, се обогатяват с париелементарна сяра, образувана по време на термичната дисоциация на висши сулфиди.
Спецификата на процеса на топене на медна сяра изисква използването на пещи със специален дизайн за неговото изпълнение.
За да се поддържа сярата в състояние на пара, е необходимо в горната част на пещта да има температура най-малко 500-550 ° C. Това се постига чрез намаляване на топлинните загуби през стените на пещта, които в горната част представляват огнеупорна зидария, фиксирана в железен корпус. В пещите за топене на медна сяра само лентата на фурмите е касетирана.
За да се избегне повторното окисляване на сярата, пещта е запечатана и вътре в нея се поддържа положително налягане. Уплътняването на товара се постига чрез монтиране на камбанови врати. При зареждане шихтата първо влиза в горната камбана, след това се прехвърля в резервоара за междуколонни, откъдето се разтоварва в пещта само след затваряне на горната камбана.
Продуктите от топенето на медна сяра са меден щейн, шлака и газове, съдържащи сяра. Поради относително ниското десулфуриране, първичните щейнове обикновено съдържат не повече от 10-15% Cu. За да се повиши ефективността на последващия процес на преобразуване, такива камъчета трябва да бъдат подложени на многократно, така нареченото концентриращо (редуциращо) топене в отделна шахтова пещ, като се използва методът на полупиритен процес, който повишава концентрацията на мед в камъчетата до 40-42%. Шейнът и шлаката от първичните топилни пещи, след като се утаят в предното огнище, се изсипват в блокове на лентови леярски машини, което прекомерно затрупва топилния отсек и затруднява поддръжката на пещите.
Газовете, състоящи се почти изцяло от елементарна сяра и взривни азотни пари, образувани в топилната пещ и съдържащи S02, H2S, CS2, COS и други токсични съдържащи сяра съединения, се изпращат след напускане на пещтадо химически цех, за да получат от тях елементарна сяра.
Топенето на медна сяра се характеризира със следните основни технико-икономически показатели: Специфично проникване - 40 - 50 t / (m 2 ∙ ден); Разход на кокс - 9,5-12,0% от рудата; Производство на топилни продукти, % руда: щейн 22-36; шлака 67-85. Извличане, %: мед до мат 90-94; сяра към газове 65-75; сяра от газове до елементарна сяра 85-90. Съдържание на сяра в търговски продукт, %: 99,6 -99,95.
Доскоро Медногорският медно-сярен завод в Южен Урал работеше по схемата за топене на медна сяра. Практиката на този завод и редица чуждестранни предприятия разкри редица значителни недостатъци на процеса и технологични трудности при неговото прилагане: ограничени запаси от руди с високо съдържание на сяра, които отговарят на изискванията за топене; годност за агломериране на рудни фини частици само по метода на брикетиране, който запазва необходимата за топене сяра в състава на суровината; сложност, тромавост и висока цена на подготвителните операции; сложността на конструкцията на запечатана топилна пещ и трудността да се поддържа в магазин, затрупан с машини за изливане; получаване на лош първичен мат, изискващ допълнително концентрирано претопяване; поради намаленото десулфуриране, ниско възстановяване на сярата в газове и търговски продукти
Гинцветмет разработи нов процес на базата на медно-сярно топене - автогенно руднично топене (АСУ). Предназначен е за преработка на конвенционални сулфидни суровини с използване на взрив, обогатен с кислород до 26-30% и природен газ за редукция на серен диоксид в пещта. Сулфидната част от шихтата, постъпваща в топенето, може да бъде представена от буци руда, брикети или пелети, приготвени от фини руди, флотационни концентрати и междинни продукти, илитехните смеси. Процесът е тестван за преработка на меден пирит, медно-цинкови и медно-никелови пиротинови руди.
Въпреки това, принудителната работа на пещите по време на прилагането на ACP направи невъзможно дълбокото вътрепещно намаляване на SO2. Поради тази причина медно-серният завод в Медногорск, който усвои този тип шахтово топене в индустриален мащаб, беше принуден да се откаже от производството на елементарна сяра и да премине към преработка на пещни газове в сярна киселина.
Резултатите от пилотните тестове на ACP показаха неговите несъмнени предимства в сравнение с други видове рудни топене на сулфидни медни суровини, извършени с помощта на металургичен кокс.
Тестови въпроси
1. Основната разлика между изискванията за суровини и работата на шахтова пещ
2. Предимства на топенето на щейн в шахтови пещи
3. Основни реакции за получаване на меден щейн в шахтова пещ
4. Устройството на шахтовата пещ
5. Предимства и недостатъци на руднично топене
6. Защо ширината на шахтовата пещ е избрана в рамките на 1,2 - 1,5 m?