Общая характеристика шахтной плавки

 

 

 

                                             Общая характеристика шахтной плавки

По химизму происходящих процессов различают три основные разновидности шахтной плавки: восстановительную, окислительную и окислительно-восстановительную. Восстановительная плавка в свою очередь в цветной металлургии подразделяется на восстановительную плавку без сульфидирования и восстано- вительно-сульфидирующую плавку. Окислительная плавка представлена в цветной металлургии пиритной и полупиритной плавками. Пример окислительно-восстановительной плавки — медносерная плавка.

По характеру подготовку материалов к плавке различают плавку руды, агломерата и брикетов.

Все разновидности шахтной плавки в цветной металлургии проводят в шахтных печах с водоохлаждаемыми стенками из кессонов, вследствие чего в литературе эти печи иногда называют ватер-жакетными печами. Шахтные печи применяют в металлургии свинца, никеля и меди.

Работа шахтных печей основана на ряде сложных химических и физических процессов, протекающих в шихте, пронизываемой встречным потоком газов. Эти процессы недоступны для непосредственного их наблюдения.

Общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в шахтных печах могут быть представлены следующим образом. Шихту, состоящую из руды, флюсов, оборотов и кокса, периодически загружают в шахтную печь отдельными порциями — колошами из определенного весового набора всех материалов. Шихту обычно загружают слоями в следующем порядке: сначала кокс, а затем обороты, флюсы и руду. Шихта располагается в печи в виде вертикального столба, опирающегося на ванну расплавленных продуктов и частично на боковые стены (см. рис. 6 на стр. 24). Значительная доля веса шихтового столба уравновешивается встречным потоком газов, оказывающим на шихту динамическое давление.

Столб шихты движется, постепенно оседая вследствие образования в нижних слоях шихты пустот из-за выгорания топлива и выплавления штейна и шлака.

Воздух, поступающий в шахтную печь через фурменные отверстия, встречается в фурменной зоне шахтной печи с шихтовой смесью, состоящей из кусков кокса и наиболее тугоплавких

 

понентов шихты. В результате пробивания воздушными струями, истекающими из фурм, слоя раскаленного кокса и шихты в фурменной зоне шахтной печи развивается активный процесс горения кускового топлива, а также окисление сульфидов в расплавленном состоянии. Вследствие значительных тепловыделений, происходящих в ограниченном объеме фурменной зоны, температура здесь достигает максимального значения для шахтной печи (1400— 1600° С). Фурменная зона шахтных печей, обладающая максимальной температурой, называется фокусом печи. Температура фокуса находится в определенной зависимости от температуры плавления шлака и обычно превышает ее не более чем на 100—250 град.

Газы, образующиеся в фурменной зоне нормально работающей печи, имеют температуру 1300—1500° С и непрерывным потоком движутся вверх навстречу опускающейся шихте, пронизывая и омывая ее.

Между составляющими шихты и газами непрерывно происходят процессы химического взаимодействия и теплообмена, в результате которых температура шихты по мере ее опускания постепенно повышается, а температура встречного потока газов понижается.

По мере опускания шихты в ней последовательно протекают процессы физико-химических превращений; сушка, дегидратация, диссоциация, окисление или восстановление, штейнообразование, шлакообразование и др. По мере приближения к фокусу печи в шихте начинаются процессы размягчения и плавления и жидкие продукты плавки, фильтруясь через коксовый слой, стекают во внутренний горн печи.

Состав коксового слоя, заполняющего фурменную зону печи, может быть различным в зависимости от разновидности плавки. Если в шихте, поступающей в плавку, содержится мало сульфидов и плавка ведется с повышенным расходом кокса, достигающим 8— 12% (по массе), то в слое преобладает кокс. Наоборот, если шихта содержит много сульфидных минералов и плавка ведется с пониженным расходом кокса, не превышающим 3—5% (по массе), то в слое у фурм преобладает кварц и тугоплавкая порода. Чем больше кокса содержится в слое в области фурм, тем менее окислительный характер имеет плавка вследствие того, что кислород дутья преимущественно расходуется на горение кокса и газы, выходящие из фокуса печи, имеют пониженное содержание кислорода.

При малом содержании кокса в фурменном слое кислород дутья в основном расходуется на окисление сульфидов в жидком и твердом состоянии. Сульфиды в твердом состоянии окисляются в верхних горизонтах печи газами, выходящими из фокуса вследствие значительного содержания в них свободного кислорода.

В соответствии с этим степень десульфуризации при шахтной плавке колеблется в широких пределах —от 30 до 80%, а степень сокращения — от 2 до 8

Тепло в шахтную печь поступает от сгорания углеродистого и минерального топлива, представленного сульфидными минералами, содержащимися в руде. В зависимости от содержания сульфидов в руде соответственно изменяется приход тепла от углеродистого топлива, который обычно колеблется от 20 до 90% от общего прихода тепла. Приход тепла экзотермических реакций окисления сульфидов соответственно колеблется от 80 до 10% от общего прихода тепла.

Чем большее количество тепла выделяется в рабочем пространстве шахтной печи в единицу времени, тем большее количество шихты будет расплавлено и удалено из нижних горизонтов печи в виде штейна, веркблея и шлака и тем быстрее будет опускаться вниз столб шихты и возрастать производительность печи.

Количество тепла, выделяющееся в шахтной печи в единицу времени, определяется количеством углеродистого топлива и сульфидов, окисляемых (сжигаемых) в единицу времени, т. е. интенсивность горения кокса и сульфидов.

Интенсивность горения кокса и сульфидов в свою очередь является прямой функцией от количества воздуха, поступающего в печь в единицу времени, т. е. от количества дутья.

Следовательно, производительность шахтной печи в первую очередь зависит от количества дутья и возрастает в прямой зависимости от него.

Нельзя при этом забывать, что к моменту поступления в зону плавления шихта должна быть соответствующим образом подготовлена и в ней должны закончиться необходимые химические реакции, обеспечивающие надлежащий состав продуктов плавки.

Для этого шихта должна минимально необходимое время находиться в верхних горизонтах печи под тепловым и химическим воздействием восходящего газового потока.

В отличие от пламенных печей тепло между газами и кусковой шихтой в шахтных печах передается в условиях хорошего контакта и развитой поверхности соприкосновения. Поэтому теплообменные процессы в шахтной печи обычно не лимитируют ход плавки, хотя и существенно влияют на ее тепловые показатели.

Изложенное показывает, что основным средством повышения производительности шахтных печей является увеличение количества дутья, подаваемого в печь. Естественно, возникает вопрос, до каких же пределов целесообразно увеличивать количество дутья? Исследования показывают, что количество дутья пока еще не лимитируется скоростями процессов горения кокса, окисления сульфидов или восстановления окислов, аав основном зависит от механики движения шихтового столба и газового потока.

Для нормальной работы шахтных печей важнейшим условием является правильное и равномерное встречное движение шихты и газов, т. е. механика шихты и газов. Основное в движении шихты вниз — это равномерное ее опускание по всему поперечному сечению печи без остановок и рывков. Основное в движении газов вверх — это более или менее равномерное распределение газовых потоков в поперечном сечении печи, без местных продувов или не- продуваемых участков. Оказывается, что при увеличении количества воздуха, подаваемого в шахтную печь, может наступить такой момент, когда динамическое давление газового потока уравновесит вес шихтового столба. В результате этого равномерное движение шихты сверху вниз прекратится, шихта начнет под- висать, в ней будут возникать продувы и каналы. Нарушение нормального схода шихты и нормального распределения в ней газовых струй вызывает расстройство теплового и технологического процесса плавки, чрезмерный вынос и т. п.

Количество дутья, вызывающее эти явления, называется предельным. Предельное количество дутья является функцией от состава и свойств шихтовых материалов и характеристики газового потока. Соответствующими изменениями состава и свойств материалов шихты, например увеличением крупности кусков, можно значительно повысить предельное количество дутья. Повышать предельное количество дутья можно также, изменяя характеристику газового потока, например при помощи повышенного давления на колошнике.

Основные преимущества шахтных печей: высокая удельная производительность печей, достигающая 30—120 т! (м2 ■ сутки)-, высокая степень десульфуризации и сокращения, составляющие соответственно 30—80% и 2—8; улучшенное использование тепла в печи, выражающееся в повышенном термическом к. п. д., равном 40—60%, и пониженном расходе топлива, равным 3—30% (по массе).

Основные недостатки шахтных печей: повышенные требования к крупности шихты, регламентирующие поступление в плавку материалов размером кусков не менее 20 мм\ повышенный пыле- унос, достигающий при мелкой шихте до 4—12% (по массе); значительное потребление качественного кокса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          Общаяхарактеристика конвертирований штейнов

По химизму протекающих в конвертере реакций процесс имеет явно окислительный характер, в результате которого составляющие штейна, обнаруживающие сродство к кислороду, быстро окисляются и удаляются из конвертера в виде шлаков, газов или пыли. Наиболее легко и полно при продувке штейнов удаляются железо, кобальт, сера, цинк, свинец и мышьяк.

Основной исходный материал для конвертеров — расплавленные штейны, получающиеся в результате рудной плавки медных, никелевым или—медно-никелевых руд.. Кроме жидкого штейна, в конвертеры загружают холодные материалы: припереработке штейнов в конвертере обычно не тре- | буются, так как необходимое тепло получается в результате экзотермических реакций окисления железа и серы.

Конвертеры — основной металлургический агрегат для переработки штейнов в металлургии меди, никеля и свинца.

Работа конвертеров слагается -из комплекса химических и физических процессов, протекающих в ванне расплавленного штейн,медь,сплавы,руды,атакжеквар

цевые флюсы.                               Топливо или электроэнергия

 

а

Рис. 226. Шахтная печь для восстанови   а — поперечный разрез;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а

                               

 

 

 

 

 

 

 

                                                    Рис. 226. Шахтная печь для восстанови

                                                              тельной плавки свинцового агломерата;

                                                                      б —продольныйразрез 

 

 

Показатели	Печи для полупи ритной плавки медных и медио- никслевых РУД и концентратов	Печи для медио-серной плавки	Печи для восстанови- тельно-суль- фидирующей плавки агломерата из окисленных никелевых РУД *	Печи для восстановительной плавки свинцового агломерата
Интенсивность горения, кг/(м2-ч): кокса . . .	200—500	150	400	200—400
сульфидов   Время пребывания ших	1200—800	1000	—*	—
ты в печи, ч	3—1	6	4	3
Температура отходящих газов, °С	300—500	450	500	300—400

1 В настоящее время в конструкцию шахтных печей для плавки агломерата окисленных никелевых руд вносится ряд изменений: 1) колошник будет охлаждаться воздухом, подаваемым в печи; 2) щелевидные фурмы заменяют на круглые диаметром 200 мм и др.

 

штейна, продуваемого воздухом. Подобно шахтным печам, основные процессы в конвертере недоступны для непосредственного наблюдения, что значительно осложняет их изучение и познание.

Общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в конвертере представляются следующим образом. Расплавленный медный, никелевый или медноникелевый- штейн заливают в конвертер через горловину в количестве I—2 ковшей и продувают воздухом в присутствии кварцевого флюса в течение 35— 50 мин. После продувки сливают образовавшийся конвертерный шлак, заливают новую порцию штейна, загружают кварц и повторяют продувку и т. д. Постепенно в конвертере накапливается обогащенная масса, состоящая из Cu2S или Ni3S2. Для медного штейна после накопления достаточного количества Cu2S и удаления всего железа продувку продолжают без флюсов до удаления всей серы и получения черновой меди. Для никелевого -и медноникелевого штейна процесс заканчивается получением сульфидов Ni3S2 или сплава Ni3S2 и Cu2S в виде файнштейна. Перерабатываемый расплавленный штейн образует ванну общей глубиной 1—1,5 м в нижней части конвертера. На поверхности ванны плавают кусочки кварцевого флюса, а также находится слой образующегося при продувке жидкого конвертерного шлака (ем. рис. 60 на стр. 130).