Плавка медных концентратов в жидкой ванне, производительностью 500 тыс. тонн штейна в год

Печи для  плавки медных концентратов во взвешенном состоянии. Процесс плавки во взвешенном состоянии представляет собой метод сжигания твердого органического топлива в пылевидном состоянии, обеспечивающего максимальную интенсификацию процессов химической и тепловой обработки материала благодаря его высокоразвитой поверхности.

Существуют два направления плавки сульфидных концентратов во взвешенном состоянии: на кислородном дутье и на подогретом воздухе. Замена отражательных печей аппаратами для переработки сульфидных концентратов на штейн во взвешенном состоянии связана с возможностью полного исключения углеродистого топлива из процесса, за чет использованию энергии окисления сульфидов исходного сырья.

Конструкции печей взвешенной плавки (ВП) мало различаются между собой и состоят из двух вертикальных шахт (плавильной и газохода-аптейка), горизонтальной камеры-отстойника и примыкающего котла-утилизатора. Необходимость такой конструкции печи обусловлена тем, что в процессе переработки мелкодисперсной шихты образуется большое количество запыленных газов, движущихся с большими скоростями. Конфигурация печи обеспечивает смену   направления   вектора   скорости   потока.   За   счет   центробежных   сил происходит сепарация частиц перерабатываемой шихты, что обеспечивает снижение пылевыноса. На всех печах даже при достижении автогенности используется органическое топливо. Основными достоинствами печей взвешенной плавки являются использование теплоты, выделяемой при окислении сульфидов и высокая степень извлечения серы в газы. К недостаткам печей следует отнести низкую удельную производительность, высокие потери ценных компонентов со шлаками, необходимость предварительной глубокой сушки исходной шихты и связанный с этим большой пьлеунос, недостаточная комплексность использования сырья.

Печь кислородно-факельной  плавки (КФП) выполнена в виде прямоугольной камеры длиной до 20 м, шириной -6м и высотой рабочего пространства до 4-4,5 м. В центре печи размещен вертикальный газоход (аптейк), переходящий вверху в горизонтальный газоход. По газоходу технологические газы поступают в котел-утилизатор.

Торцевые и боковые стены  печи, толщина которых равна, соответственно, 920 и 810 мм, возводят из магнезитохромитового кирпича. Глубина ванны расплава составляет 1-1,5 м. Для повышения стойкости кладки в этой зоне устанавливают медные кессоны. Шлак выпускают через медную водоохлаждаемую летку, смонтированную на кессоне, а удаление из печи штейна осуществляют через сифон или шпуровые отверстия в боковой стене. Сульфидную шихту сжигают в двух горизонтальных факелах, с торца через горелки при использовании технического кислорода. Частицы концентрата при этом интенсивно окисляются на лету, а продукты окисления расплавляются и накапливаются в ванне печи, где происходит окончательное формирование штейновой и шлаковой фаз и их разделение. Теплоты, выделяемой при горении сульфидов в токе кислорода, при содержании серы в концентрате выше 24 %, достаточно для расплавления концентратов и флюсов без введения топлива. Из-за высокой температуры реакции окисления протекают до полного использования кислорода, несмотря на относительно небольшое время пребывания частиц во взвешенном состоянии. Основные особенности тепловой работы агрегатов для кислородно-факельной плавки на штейн обусловлены тем, , что применение кислорода сводит до минимума количество отходящих газов, что уменьшает соответствующий вид тепловых потерь и позволяет вести процесс в автогенном режиме, т.е. без применения органического топлива. Другой положительной особенностью работы печи на технически чистом кислороде является уменьшение энергозатрат на очистку технологических газов от пыли и полная утилизация содержащейся в них серы, поскольку газы, образующиеся в процессе кислородно-взвешенной плавки, содержат до 90 % SO₂. Их можно весьма эффективно использовать для получения элементарной серы или серной кислоты, в то время как газы отражательной печи практически не утилизируют. Кроме того, применение      кислородного      дутья      увеличивает      скорость      протекания экзотермических реакции и соответственно приводит к сокращению зон теплогенерации и габаритов печи. Производительность печи достигает 12т/(м²·сут), что почти втрое выше производительности отражательной печи. Извлечение меди в штейны составляет 96-97 %. Благодаря получению более богатого штейна снижается стоимость его переработки в конвертерном переделе.

Однако наряду с энерго- и ресурсосбережением условия протекания основных технологических операций (расплавление шихты и ее последующее разделение на штейн и шлак) характеризуются существенной неоднородностью температурных и концентрационных полей. Чтобы уменьшить перепад температур между различными компонентами технологического факела, необходимо интенсифицировать теплообмен между ними. Большая оптическая толщина потока технологических газов с взвешенными в нем частицами перерабатываемого материала обуславливает экранирование зон интенсивного окисления сульфидов от ванны и периферийных слоев факела. Это сокращает возможности более равномерного перераспределения теплоты по объему печи посредством лучистого переноса энергии. Количество теплоты, переносимой в результате конвективного теплообмена, также ограничено из-за сравнительно небольшого объема газообразного теплоносителя, что обуславливает быстрое охлаждение потока газов.

Непрерывную плавку сульфидных медных концентратов по методу фирмы "Норанда" осуществляют в горизонтальном цилиндрическом поворотном аппарате, конструкция которого аналогична горизонтальному конвертеру. Дутье, обогащенное кислородом до 37 %, вводят через фурмы, расположенные на участке загрузки шихты. Плавку ведут на штейн, содержащий 70 — 75 % Сu. При этом получают шлаки с 5 % Сu, которые после их охлаждения и измельчения подвергают флотационному обеднению с получением оборотного концентрата (40 % Сu) и отвальных хвостов (0,35 % Сu) . От запланированного вначале получения сразу черновой меди очень быстро отказались, так как при плавке получались шлаки с содержанием меди до 12 %, требующие сложной дополнительной переработки. Газы на выходе из печи содержат 16 — 20 % S0₂. Их используют для получения серной кислоты.                                          

Процесс "Мицубиси" является непрерывной автогенной плавкой, предназначенной для прямого получения черновой меди. Все основные технологические стадии — плавку, конвертирование и обеднение шлаков — проводят в трех отдельных стационарных печах овальной формы. Промежуточные продукты непрерывно перетекают из одной печи в другую.

Сухой сульфидный концентрат в смеси с флюсами вдувают в плавильную печь через вертикальные фурмы (сопла) вместе с обогащенным кислородом воздухом. Нижние концы фурм расположены непосредственно над поверхностью расплава, что обеспечивает интенсивное его перемешивание. Штейн и шлак из плавильной печи самотеком переливаются в электропечь, где происходит их расслаивание и обеднение шлака до 0,4 - 0,5 % Сu. Разогрев расплава производится электричеством, пропускаемым через слой жидкого шлака с помощью нагруженных в него угольных электродов. Отстоявшийся штейн через сифон непрерывно перетекает в печь конвертирования. Черновая медь поступает в миксер и оттуда на огневое рафинирование. Конвертерный шлак, содержащий 13 -18 % Сu, возвращают в плавильную печь. Выход пыли при плавке составляет 3 - 5 % от массы твердой шихты.[2]

Печь Ванюкова. Уже в начальной стадии освоения процесса плавки в жидкой ванне достигнута удельная производительность, превышающая более чем в 15 раз производительность отражательной печи при плавке сырой шихты, и в 6-8 раз производительность КВП и финской технологии. Возможно широкое управление составом штейна и получение на богатых штейнах относительно бедных отвальных шлаков.

Процесс характеризуется  низким пылеуносом и получением возгонов, богатых по содержанию ценных компонентов. Для осуществления процесса создана  надежная и долговечная аппаратура. Процесс не требует сложной подготовки сырья и пригоден для переработки  как кусковой руды, так и концентратов различного состава. По своим показателям он превосходит все известные в мировой практике процессы. Процесс следует считать в основном освоенным и заслуживающим широкого и быстрого внедрения в отечественной медной и никелевой промышленности.

Помимо основного использования  для плавки сульфидных концентратов на штейн, плавка в жидкой ванне пригодна для более широкого применения. При  внедрении процесса в жидкой ванне  необходимо учитывать его возможности, пути и направления развития, которые будут осуществляться уже в недалеком будущем.

К перспективным направлениям относятся прежде всего прямое получение  черновой меди и глубокое обеднение  шлаков, прямое получение медно-никелевого файнштейна, плавка коллективных медно-цинковых концентратов, комплексная переработка отвальных шлаков. Заслуживает внимания также использование принципов плавки в жидкой ванне для переработки окисленных никелевых и железных руд.

Процесс ПЖВ обеспечивает лучшую производительность среди всех типов процессов, превосходя их на десятки процентов. Содержание меди в штейне составляет порядка 45-55 %, что является средним уровнем; в шлаке меди, фактически, минимальное количество, допустимое сегодняшними технологиями. Благодаря этому процессу достигается уверенное распределение 30 % SiO₂ в шлак. Процесс может перерабатывать достаточно крупную шихту, что снижает затраты на ее измельчение и обработку. Низкий расход топлива также вносит свою лепту в то, что технологический процесс А.В.Ванюкова один из лучших по своим технико-экономическим показателям.[4]

Таблица 1-Сравнительные технико-экономические показатели некоторых видов плавки сульфидных медных концентратов[4]

Процесс плавки в жидкой ванне (ПЖВ)

Процесс плавки Ванюкова - оригинальный процесс автогенной плавки сульфидных медных и медно-цинковых концентратов, начал разрабатываться в Советском Союзе в 1951 г под названием плавка в жидкой ванне. Дальнейшие разработка и внедрение до 1986 г. велись под общим научным руководством проф. А. В. Ванюкова. В настоящее время метод плавки в жидкой ванне внедрен на медном заводе Норильского ГМК и Балхашском горнометаллургическом комбинате.

Рисунок 3-Схема печи для плавки в жидкой ванне:

1 — шихта; 2- дутье; 3 — штейн; 4 — шлак; 5 — газы; 6 — кладка печи; 7— медные литые кессоны; 8 — фурмы; 9  загрузочная воронка; 10 — аптейк; 11 — штейновый сифон; 12 - шлаковый сифон

Процесс ПЖВ запатентован в ряде зарубежных стран. При разработке процесса плавки в жидкой ванне ставилась  задача создания максимально благоприятных  условий для протекания всех физико-химических процессов. Предложено несколько вариантов технологического и аппаратурного оформления процесса в зависимости от состава исходного сырья и конечных результатов его переработки.

Рассмотрим работу плавильной печи для автогенной и полуавтогенной плавки сульфидных медных концентратов с получением богатого штейна. Для осуществления процесса плавки предложено использовать печь шахтного типа. Оптимальная длина промышленных печей определяется потребной единичной мощностью агрегата (производительностью), и может изменяться от 10 до 30 м и более. Ширина печей при этом с учетом возможностей дутьевого хозяйства и свойств расплавов составляет 2,5—3, высота шахты 6—6,5 м. Отличительной особенностью конструкции печи является высокое расположение дутьевых фурм над подом (1,5—2 м).

Содержание кислорода  в дутье для обеспечения автогенного режима при плавке сухой шихты с влажностью менее 1—2% составляет 40—45%, влажной (6-8% влаги) 55—65%. В печи можно плавить как мелкие материалы, так и кусковую шихту. Крупную и влажную шихту загружают непосредственно на поверхность расплава. При необходимости сухие мелкие и пылевидные материалы могут вдуваться через фурмы. Таким образом, плавление шихты и окисление сульфидов в процессе ПЖВ осуществляются непосредственно в слое расплава.

Шлак и штейн выпускаются  раздельно из нижней части ванны с помощью сифонов. Характерной особенностью плавки в жидкой ванне, отличающей ее от всех рассмотренных ранее процессов, является то, что плавление и окисление сульфидов осуществляются в ванне шлака, а не штейна, и шлак движется в печи не в горизонтальном направлении, как это имеет место во всех известных процессах плавки, а в вертикальном - сверху вниз.

Горизонтальной плоскостью по осям фурм расплав в печи делится  на две зоны: верхнюю надфурменную (барботируемую) и нижнюю подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии.

В надфурменной зоне осуществляются плавление, растворение тугоплавких  составляющих шихты, окисление сульфидов  и укрупнение мелких сульфидных частиц. Крупные капли сульфидов быстро оседают в слое шлака, многократно промывая шлак за время его движения сверху вниз в подфурменной зоне. При непрерывном осуществлении процесса устанавливается динамическое равновесие между количеством поступающих с загрузкой мелких сульфидных частиц, скоростью их укрупнения и отделения от шлака. В результате одновременного протекания этих процессов устанавливается постоянное содержание сульфидов (капель) в шлаке, лежащее на уровне 5—10% от массы расплава. Таким образом, все процессы в надфурменной области протекают в шлако-штейновой эмульсии, где концентрируется в основном шлак.

Окисление сульфидов - быстрый процесс и обычно не ограничивает конечную производительность агрегатов. В производственных процессах желательно не только не повышать, но даже замедлять скорость окисления сульфидов. Действительно, большие скорости окисления сульфидов, например при продувке жидких сульфидов кислородом, приводят к чрезмерному повышению температуры в области фурм.

Окисление сульфидов  в шлако-штейновой эмульсии - это  сложный многостадийный процесс, состоящий из окисления капелек штейна, окисления растворенных в шлаке сульфидов, окисления FeO шлака до магнетита и окисления сульфидов магнетитом. Таким образом, шлак также является передатчиком кислорода. По последним данным, наибольшее значение имеет стадия окисления сульфидов, растворенных в шлаке.[1]

Окисление сульфидов  в шлако-штейновой эмульсии протекает менее интенсивно, чем в сульфидном расплаве, фокус горения растягивается, что позволяет избежать локального повышения температуры в области фурм даже при использовании чистого кислорода. Это в свою очередь облегчает задачу создания надежной и долговечной аппаратуры. При этом скорость окисления остается достаточно высокой и степень использования кислорода на окисление сульфидов практически равна 100% при любом необходимом его количестве, подаваемом в расплав. Таким образом, и при окислении сульфидов в шлако-штейновой эмульсии скорость их окисления не ограничивает производительности агрегата. Возможность интенсивного окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии без большого локального повышения температуры в области фурм является важным достоинством плавки в жидкой ванне.