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

Характерная особенность  окисления сульфидов в шлако-штейновой  эмульсии состоит в том, что оно  не сопровождается образованием первичных  железистых шлаков и выпадением мелких сульфидных частиц. Оксиды, образующиеся на поверхности сульфидных капель, немедленно растворяются в шлаке конечного состава. Отсутствие условий для образования значительных количеств мелкой сульфидной взвеси является важным достоинством плавки в жидкой ванне, создающим предпосылки для получения бедных отвальных шлаков.[4]

Высокая степень использования  кислорода обеспечивает простое  управление составом штейна и соотношением количеств подаваемого через  фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диапазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Напомним, что потери меди со шлаком начинают резко возрастать, когда ее содержание в штейне превысит 60 %. Поэтому при плавке на штейн, если в технологической схеме не предусматривается специальное обеднение шлака, увеличивать содержание меди в штейне свыше 50—55 % нецелесообразно. При получении белого матта или черновой меди в технологическую схему должна обязательно включаться операция обеднения шлаков.

Растворение тугоплавких  составляющих шихты является одним  из относительно медленных процессов. Энергичный барботаж ванны резко  ускоряет процесс растворения кварца и компонентов пустой породы, что  позволяет использовать даже сравнительно крупные флюсы. Промышленные испытания показали, что при крупности кварца около 50 мм скорость его растворения не влияет на производительность печи, по крайней мере, вплоть до удельного проплава, равного 80 т/(м² • сут). Высокая скорость растворения тугоплавких составляющих является важной особенностью плавки в жидкой ванне.[2]

Минимальное содержание магнетита в шлаках — обязательное условие совершенного плавильного  процесса. Как уже говорилось, с  увеличением содержания магнетита  резко возрастает содержание растворенной меди в шлаках. Кроме того, повышение содержания магнетита (степени окисленности системы) приводит к снижению межфазного натяжения на границе раздела штейна и шлака.

Характеристика  компонентов шихты

Допускаемая влажность сульфидного

сырья, %, не более............................................     8

Размер кусков перерабатываемых

материалов, мм, не более.................................     100

 

 

Химический  состав перерабатываемых материалов, %:

Сульфидные  материалы

Медные концентраты:

меди...................................................................      10-35

серы..................................................................       15-50

Пиритные концентраты:

меди...................................................................      0,2-10

серы...................................................................      30-40

Медно-никелевые концентраты:

меди...................................................................      1-30

никеля...............................................................       1-20

серы...................................................................      15-40

Медно-цинковые концентраты:

меди....................................................................     5-20

никеля................................................................      1-15

серы....................................................................     15-40

Малосернистые материалы

Отходы цинкового  производства (клинкеры):

меди....................................................................     0,5-6

цинка...................................................................     0,5-20

свинца..................................................................    0,2-5

серы.................................................................... .    5-10

Шлаки медного  производства:

меди....................................................................     0,5-8

кремнезема.........................................................     17-30

Преимущества  процесса плавки Ванюкова

• Комплексное использование всех компонентов сырья.  
• Возможность плавки шихты и обеднения шлака в одном агрегате.
• Полностью автоматизированный технологический процесс.
• Максимальное извлечение металлов .
• Сокращение расходов технологических газов, содержащих SO_2.
• Малая запыленность.

Технологическая гибкость (универсальность)

• Возможность переработки сырья крупностью до 100 мм с содержанием влаги до 10% . 
• Переработка конвертерных шлаков и отходов металлургического производства . 
• Плавка окисных материалов и пиритных концентратов .

Экономичность

• Высокая производительность .
• Утилизация тепла отходящих газов и экономия энергии .
• Уменьшения капитальных затрат.        
• Минимальная потребность в обслуживающем персонале.
• Максимальное извлечение ценных составляющих в продукты плавки
• Использование действующих цехов.

Санитарные  аспекты

• Процесс ведется в компактных газонепроницаемых аппаратах.
• Процесс обеспечивает сокращение вредных выбросов в атмосферы, что способствует защите окружающей среды.
• Процесс обеспечивает безопасность и комфортность работы.[6]

2.3 Основные направления совершенствования процесса

Процесс плавки и жидкой ванне - это достояние отечественной  металлургии и страны в целом. Как принято считать, начало этому  процессу было положено а.с. №80507 (СССР) «Способ переработки сульфидных медных и медно-никелевых руд и концентратов» (1969 г.) .Однако работы по этому направлению были затянуты более чем на два десятилетия. Это объяснялось различными причинами, в том числе реорганизацией министерств, созданием совнархозов, засильем чиновников-оппонентов и пр.

Активные работы по разработке технологии ПЖВ были начаты в 1969 г. на медном заводе Норильского горно-металлургического  комбината (НГМК), где была построена  первая. Постановлением Совета Министров СССР от 23 ноября 1987 г. этому процессу и печи присвоены названия «процесс Ванюкова» и «печь Ванюкова» (ПВ). Полупромышленная установка ПЖВ небольшого масштаба (площадь пода - 2,75 м²). Несколько позже были построены еще две опытные установки ПЖВ - на Рязанском опытно-экспериментальном металлургическом заводе (РОЭМЗе) института «Гинцветмет» (1973 г.) и на Балхашском ГМК (1974г.). Конечно же, самыми тяжелыми оказались работы на установке НГМК - «первопроходце» в этой технологии.

Работы проводились под общим научным руководством проф. Московского института стали и сплавов, докт. техн. наук А.В. Ванюкова.

Такой агрегат с площадью пода 20 м² был сооружен на месте опытной печи на медном заводе НГМК. Забегая вперед, скажем, что позднее, с "пиком" в 1983-1987 тт., проходило соревнование между Норильским и Балхашским ГМК: кто быстрее освоит и сдаст в постоянную эксплуатацию промышленные комплексы ПЖВ (ПВ). Ниже остановимся на некоторых проблемных и переломных моментах и вещах, которые решались и, в конечном счете, были решены, что и позволило выйти на путь более широкого промышленного внедрения рассматриваемой технологии. Это относится, прежде всего, к надежности конструктивного оформления печи, некоторым режимным, технологическим особенностям и условиям ее эксплуатации.

 Кессонированные ограждающие конструкции. Основным слабым звеном в организации непрерывной работы печи ПЖВ являлась стойкость ограждающих жидкую ванну конструкций. От варианта футерованного оформления этого барботажного агрегата разработчики сразу отказались, хотя проектные проработки были сделаны (Норильскпроект, СКБЦМ при Гинцветмете), и на начальной стадии пошли по пути использования стальных коробчатых кессонов (по опыту эксплуатации фьюминговых печей). Однако в условиях барботажа шлакоштейновых расплавов этот вариант показал себя неприемлемым. Эволюция в этом направлении насчитывает несколько конструктивных вариантов кессонов (НГМК, РОЭМЗ Гинцветмета): стальные коробчатые и трубчатые, стальные полутрубные, медные литые со стальными змеевиками, змеевиковые с огнеупорной набивкой. Длительные испытания кессонов различной конструкции и изучение опыта в черной металлургии (в основном по оформлению сопел дутьевых фурм на барботажных агрегатах) позволили найти радикальное в этом отношении решение: применять кессоны в виде массивного медного тела.

Дело в том, что определенная толщина стенки из высокотеплопроводной меди предотвращает или значительно  снижает возможные последствия  кратковременных отклонений от стационарных тепловых условий (локальных тепловых ударов), что обеспечивает высокую надежность работы и длительность непрерывных рабочих кампаний агрегатов. В настоящее время такие кессоны изготавливаются как литые из меди с запитыми медными трубами (змеевиками для охлаждения), так и из медных прокатных плит (производит завод "Красный Выборжец", г. Санкт-Петербург) со сверлеными отверстиями или приваренными снаружи охлаждающими змеевиками (каналами).

Еще одним вопросом по кессонированным  ограждающим конструкциям является обеспечение взрывобезопасного охлаждения. В этом направлении проведен большой объем работ, исследовано и экспериментально опробировано большое число охлаждающих агентов и схематических вариантов. Это двухфазные охлаждающие смеси (воздуховодяные, пароводяные), жидкометаллические теплоносители, органические вещества, водяное охлаждение под разрежением (ВОПР) и др. Однако промышленного внедрения эти взрывобезопасные агенты и способы охлаждения не получили и повсеместно на ПВ используется водяное охлаждение. К этому следует добавить, что широко распространенное и пирометаллургии (фьюминговые и шахтные печи) испарительное охлаждение (ИО) решает вопрос технико-экономической эффективности (использование вторичного тепла), несколько «смягчает» вопрос взрывобезопасности, но не решает его в полной мере, поскольку в нижних (подводящих) коллекторах ИО водяной агент находится в жидкой фазе. Отметим, что проектные проработки по системам ИО на промышленных ПВ имеются, однако опыт в этом отношении в длительных рабочих кампаниях накоплен пока только на печи РОЭМЗа. Отопительно-дутьевые устройства. Еще одним из важнейших конструктивных элементов, играющих значительную роль в обеспечении надежной непрерывной работы агрегатов ПЖВ (ПВ), являлись отопительно-дутьевые устройства: от их работоспособности, стойкости, четкости по расходам дутьевых агентов (воздуха, кислорода, топлива) зачастую зависела продолжительность рабочих кампании печей. Над разработкой этих устройств, их совершенствованием, доводкой до необходимых требований пришлось много и долго трудиться. И в первую очередь, надо было отвечать на вопросы и доказывать возможности новых решений многим оппонентам - противникам ПЖВ. В Гинцветмете имеется стенография дискуссии (по сути, научно-технической "баталии"), где весьма "осторожный" председатель НТС наряду с актуальными и "болезненными" на том этане разработки ПЖВ вопросами, например, о взрывоопасности этого процесса (агрегата) вообще, ставил вопрос о практической возможности непрерывной работы по отопительно-дутьевым устройствам. Дело в том, что при испытаниях отмечались случаи заливки фурм расплавом, в результате чего приходилось прекращать испытания и проводить длительные и трудоемкие операции их прочистки и освобождения печи от посаженного "козла".

В указанной стенограмме автором  данной статьи отмечается особая ситуация, когда при аварийной остановке фурмы были подлиты на небольшую глубину и быстро введены в работу (они были пробиты ломиком "от руки"). Это стало возможным вследствие того, что, с одной стороны, были вставлены трубки для подачи природного газа (ограничение проходного сечения), а с другой стороны, была осуществлена оперативная замена этих трубок (на отдельных фурмах) на пробивные ломики. Этот случай навел на мысль использовать специальное техническое решение: сделать на выходном конце фурм специальный кольцевой выступ, к которому в случае необходимости прижимать вставляемые в эти фурмы специальные стержни с утолщенным конусообразным концом. Так, в металлургической практике появился новый термин "притычка", которая, в принципе, стала оригинальным и кардинальным техническим решением, обеспечивающим целенаправленные остановки печи под расплавом (на вынужденный простой, в "горячий резерв") и последующий быстрый пуск ее в работу ("снятие печи с притычек").

Отметим, что это и некоторые  другие решения (геометрические параметры, дутьевые режимы) защищены как изобретения (а.с. №№ 812832, 1450377 и др.; патент № 2084540). Этот патент от Гинцветмета — заявителя на "охлаждаемую фурму для продувки жидкого расплава" (с притычкой), авторы А.В. Гречко, В.М. Парецкий, П.А. Ковган, недавно награжден Золотой медалью на 30-м Международном салоне изобретений новой техники и изделий (г. Женева, 2002 г.) Сифонное устройство для перетока расплава. Данный конструктивный узел, также во многом определяющий непрерывное ведение процесса ПЖВ, был освоен более спокойно и быстро (по сравнению с отмеченными выше), хотя эволюционно также прошел несколько технических решений (усовершенствований). Это касалось конструкции стыка "печь - сифон", параметров окон, параметров и стойкости порога перетока, механической стойкости и тепловой работы переточных каналов. Все возникавшие трудности были успешно преодолены и в настоящее время обеспечивается длительная и надежная работа этого узла на промышленных агрегатах ПЖВ (ПВ).

Использование кислородного дутья. Этот вопрос в определенной мере и на конкретном этапе разработки и освоения ПЖВ был "болезненным" и дискуссионным. Дело в том, что он связан с обсужденными выше отопительно-дутьевыми устройствами, которые на первом этапе были весьма несовершенными. А само высокое обогащение дутья кислородом - это и нормальная работа дутьевых устройств, и соблюдение их тепловых и дутьевых режимов в общем, и автогенность режима плавки сульфидного сырья (исключение топлива из процесса ПЖВ).

Первые конструктивные варианты фурм, рассчитанные на использование жидкого и газообразного топлива, не позволяли работать при обогащении дутья кислородом выше 30%: происходили проскоки пламени внутрь их корпуса, горение там топлива, перегрев фурм и даже выход их из строя. Совершенствование конструкции в части изменения места перемешивания окислителя с топливом (от внутреннего смешения с перемещением к выходному сечению) привело к созданию новых конструкций фурм-горелок, обеспечивающих работу при высоком обогащении дутья кислородом (до 60% и более). Но на повестке дня тогда стоял вопрос об использовании чистого кислорода в процессе ПЖВ. И снова возникли научно-технические "баталии"' с нашими оппонентами. В черной металлургии проектировщики агрегата ПЖВ на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) усмотрели вообще нарушение требований Правил использования кислорода в металлургических агрегатах, хотя известно, что на конвертерах с вертикальной продувкой расплава уже давно применяются кислородные и газокислородные фурмы.