Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Пиритная и полупиритная плавка медных руд

31.01.2020

Печь для плавки медных руд представляет собой высокую шахту, заполняемую смесью кусковой руды, флюсов и кокса. В нижнюю часть через фурмы вдувается воздух, необходимый для горения топлива и окисления сульфидов.

Стены печи соприкасаются с расплавленными шлаками, содержащими закись железа. Огнеупоры, состоящие из алюмосиликатов или кварца, не устойчивы против действия таких шлаков, а магнезитовый кирпич не обладает достаточной термической и механической прочностью. Поэтому стены печей для плавки медных руд делают из кессонов — плоских железных коробок, охлаждаемых циркулирующей в них водой. Огнеупором при этом служит слой проплавляемого материала, настывающий на обращенной в печь поверхности кессонов.

Основанием печи служит прямоугольная чугунная плита, укрепленная на стальных колоннах или домкратах, установленных на фундаменте.

Кессоны свариваются из листов котельного железа (рис. 88). Длина кессона от 1,8 до 5,5 м, ширина 0,6—1,5 м. толщина 120—150 м. Толщина внутренней стенки кессона 10—20 мм, наружной 6—10 мм.

Кессонированная часть печи имеет в поперечном сечении форму трапеции, обращенной меньшим основанием вниз.

Торцевые кессоны устанавливают вертикально; каждый из них имеет форму прямоугольной трапеции. В торцах ставят по два кессона.

Фурменные отверстия расположены в ряд по длинным сторонам печи. Фурмы, укрепленные на кессонах, соединены с воздухопроводом, подающим дутье.

Охлаждающая вода подведена к патрубку каждого кессона от общей водопроводной магистрали. Теплая вода (70—80°), выходя из кессона, сливается в сборные желоба. Во избежание загрязнения накипью кессоны питают постоянно циркулирующей водой, для чего теплую воду охлаждают в градирнях.

Шихту загружают с площадки, расположенной на уровне верхнего края кессонов вдоль длинных сторон печи.

Штейн и шлак выпускают совместно через одно отверстие в длинной стороне печи. В месте выпуска кессон, образующий стенку печи, короче других; ниже его установлен специальный выпускной кессон, представляющий собой медную плиту с залитым в нее плоским змеевиком. В выпускном кессоне имеется отверстие, к которому примыкает охлаждаемый водой короткий и глубокий желоб, футерованный внутри огнеупорным кирпичом. Порог в сливном конце желоба находится выше выпускного отверстия, вследствие чего создается гидравлический затвор из слоя вытекающей расплавленной массы. Расплавленная смесь штейна и шлака непрерывной струей стекает в расположенный перед печью отстойник, называемый передним горном (рис. 89).
Пиритная и полупиритная плавка медных руд

Передний горн в плане обычно имеет овальную форму, длинная ось его перпендикулярна длинной оси печи. Выкладывается он из хромомагнезита или талькового камня в кожухе из листового железа. Сверху горн не перекрывается, сводом ему служит корка затвердевшего шлака. За время пребывания в переднем горне происходит расслаивание штейна и шлака. Шлак выпускают по желобу в конце горна, противоположном месту поступления расплавленной массы. Штейн выпускают периодически (по мере его накопления) через летки, расположенные в боковых стенках на уровне лещади горна.

Газы отводятся из печи через шатер — камеру из шамотного кирпича, перекрывающую печь над колошниковой площадкой. В боковых стенах шатра сделаны окна для загрузки, закрываемые шарнирно подвешенными дверцами. Через свод шатра проходят железные газоотводные трубы, футерованных внутри огнеупорным кирпичом. Этими газоходами газы отводятся в осадительную камеру для улавливания пыли.

Процесс шахтной плавки медных руд характерен тем, что основное тепло, необходимое для плавки, получается за счет реакции окисления составляющих руды — пирита и других сульфидов, а также реакций образования силикатов закиси железа и окиси кальция.

Образование силиката закиси железа из пирита протекает по следующей схеме:

2FeS2 = 2FeS + S2 — 37,2 ккал;

2FeS2 + 5О2 = 2FeO + 4SО2 + 225,0 ккал;

2FeO + SiO2 = 2FeO * SiO2 + 8,4 ккал.


Расчет показывает, что при содержании в руде не менее 37% S (69,4% FeS2) плавка возможна без применения дополнительного топлива.

В производственных условиях режим плавки без применения топлива весьма неустойчив, поэтому к руде всегда добавляют не менее 2% кокса. Однако основное количество тепла получается за счет окисления пирита и такая плавка называется пиритной. Увеличение расхода кокса способствует устойчивости процесса и облегчает его регулирование.

Плавка с добавлением больше 6% кокса называется полупиритной.

Капитальные исследования в области теории и термохимии пиритной и полупиритной плавок принадлежат акад. А.А. Байкову и проф. В.Я. Мостовичу.

Пирит и кокс при плавке медных руд в шахтных печах наиболее сильно горят в области фурм: температура здесь достигает 1400—1500°. Горячие газы, пронизывая сыпь, высота которой 3—5 м, поднимаются и через шатер отводятся в пылеуловители, а затем либо поступают на утилизацию (использование сернистого газа), либо выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу. Температура газов на уровне колошника 350—550°.

Нижние слои сыпи плавятся; оседая, шихта постепенно опускается навстречу потоку горячих газов, и температура ее постепенно повышается.

По мере повышения температуры завершается диссоциация высших сульфидов — пирита, халькопирита, ковеллина и борнита; пары серы уносятся газами, попутно окисляясь до SO2 и SO3. Затем сульфиды воспламеняются, скорость горения их нарастает с температурой. Углерод кокса окисляется кислородом и сернистым газом:

С + O2 = CO2;

С + SO2 = CO2 + 1/2S2.


При малом расходе кокса (примерно 2%) углерод кокса сгорает преимущественно по второй реакции в верхних частях печи.

Известняк диссоциирует на CaO и СО2. Скорость этой реакции при контакте известняка с кремнеземом значительно возрастает:

CaCO3 + SiO2 = CaO * SiO2 + CO2.


При температурах около 1000° сульфиды начинают вытапливаться из кусков руды, оставляя после себя пористый скелет из кварца и окислов железа, кальция, магния и алюминия.

Наиболее легкоплавкие сплавы в системе SiO2 — CaO — FeO плавятся при 1030°; стекая вниз, они постепенно растворяют в себе другие окислы пустой породы.

Пористая масса из твердых окислов, образовавшаяся в результате выплавления легкоплавких составляющих, играет существенную роль в плавке. В порах этой массы расплавленный поток сульфидов встречается с восходящим потоком горячих кислородсодержащих газов. Вследствие большой поверхности контакта и высокой температуры интенсивно протекают важнейшие реакции плавки:

2FeS + SiO2 + 3О2 = 2FeO * SiO2 + 2SO2;

3Fe2O3 + FeS + 3,5SiO2 = 3,5 (2FeO * SiO2) + SO2;

3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5 (2FeO * SiO2) + SO2;

2Cu2О + 2FeS + SiO2 = 2FeO * SiO2 + 2Cu2S.


Расплавленная смесь сульфидов и силикатов стекает вниз и выпускается для отстаивания в передний горн.

Степень выгорания серы при шахтной плавке медных руд зависит от условий и режима проведения процесса и составляет 50—95%. Благодаря такой высокой степени десульфуризации удается получать из бедных руд довольно богатые штейны.

Кокс, если он добавлен в небольших количествах, сгорает в верхних горизонтах сыпи преимущественно за счет SO2, не доходя до области фурм (пиритная плавка). При большем расходе кокса на горение его затрачивается кислород воздуха, вдуваемый через фурмы, вследствие чего степень выгорания серы при плавке понижается. В то же время сгорание кокса в области фурм создает более устойчивый тепловой режим в фокусе горения; такое положение характерно для полупиритной плавки.

Шлаки шахтной плавки содержат в основном SiO2, FeO и CaO (табл. 12).

Выбор соотношения этих компонентов в получаемом шлаке тесно связан с условиями плавки и особенно с расходом топлива — кокса. При малом расходе кокса, когда руда состоит в основном из пирита, в качестве флюса может быть добавлен только кварц. Добавки в шихту известняка и других материалов должны быть минимальными, иначе тепла от горения пирита не хватит на расплавление шихты.

Шлаки пиритной плавки близки по составу к силикату закиси железа 2FeO*SiO2. Содержание окиси кальция, вводимой для понижения температуры плавления и удельного веса шлака, не превышает 5—6%. Шлаки пиритной плавки часто имеют высокую вязкость из-за присутствия в них взвешенных частиц магнетита. Образование магнетита является следствием нарушения непосредственного контакта между кварцем и сульфидом железа при окислении последнего. Сульфид железа окисляется при этом до Fе3О4, образующего суспензию в шлаке.

При полупиритной плавке дополнительный приход тепла позволяет более свободно изменять состав шлака прежде всего в сторону уменьшения содержания FeO, что способствует понижению удельного веса шлака. При этом содержание SiO2 в шлаках достигает 40—45%, а содержание окиси кальция 12—27 %.

Крупность руды, флюсов и кокса, загружаемых в шахтные печи, должна быть не ниже 20—15 мм при преимущественном наличии кусков с поперечником около 100 мм. Во избежание значительного уменьшения газопроницаемости столба сыпи содержание мелочи в шихте, представленной частицами меньше 20 мм, не должно превышать 10%.

Порция шихты, состоящая из руды, флюсов и других материалов (например, оборотных), предназначенная для загрузки, называется колошей. Загрузку шихтовых колош ведут по установленному графику и поочередно с топливными колошами из кокса.

Штейн из переднего горна выпускают периодически, по мере его накопления, а шлак непрерывно стекает в шлаковозные ковши, его отвозят на отвал, а иногда гранулируют.

Для сохранения установленного режима дутья требуется периодически чистить фурмы, поддерживать постоянную высоту сыпи и крупность шихты.

С течением времени на внутренней поверхности стен печи образуются настыли, которые достигают иногда таких размеров, что почти перекрывают сечение печи. Причины образования настылей различны, но основной из них является неравномерность распределения газового потока по площади горизонтального сечения шахты, что в свою очередь вызывает неравномерный прогрев шихты.

При малом количестве кокса в шихте нарушение стехиометрического соотношения между кварцем, сернистым железом и кислородом воздуха в отдельных точках зоны плавления также приводит к образованию настыли. В результате избытка кварца или недостатка воздуха, при котором не образуется FeO в количестве, необходимом для шлакования кварца, получаются тугоплавкие силикатные настыли. При избытке воздуха или недостатке SiO2 часто FeO окисляется до Fe2O4 — образуются тугоплавкие магнетитовые настыли.

При повышенном расходе кокса опасность образования настылей меньше, однако и при этом необходимо систематически наблюдать за состоянием профиля печи.

Настыли удаляют различными способами, всегда связанными с известными трудностями, поэтому даже чистые колчеданные руды часто плавят при повышенном расходе кокса.

На наших уральских заводах, работающих при малом расходе кокса, разработан оригинальный способ борьбы с настылями. Раз в сутки загрузку шихты прекращают на 1—2 часа, затем в печь загружают так называемую разогревательную колошу из руды с 10% кокса и перекрывают фурмы под настылью. Через некоторое время настыль расплавляется, а остатки ее сбивают с колошника заостренными рельсами.

Пылеобразование при шахтной плавке достигает 2—8% от веса шихты и зависит от количества мелочи в ней. Пыль оседает в газоходах и осадительной пылевой камере, а более мелкие частицы ее улавливаются электрофильтрами. Состав пыли обычно близок к составу руды. Чаще всего пыль перерабатывают в отражательных печах совместно с медными концентратами, а иногда брикетируют или спекают и плавят в шахтных печах.

Основные технико-экономические показатели шахтной плавки — извлечение меди в штейн, проплав и расход кокса. Извлечение меди в штейн при шахтной плавке 78—85%. Такое сравнительно низкое извлечение объясняется большим выходом шлака на единицу веса штейна. Суточный проплав шихты относят к 1 сечения печи в области фурм; он колеблется в пределах 60—130 т/м2 в сутки. При малом расходе кокса проплав более низкий; так, например, при 2—3% кокса от веса шихты он не превышает 70 т/м2. При работе по уральскому способу плавки отличникам производства удается проплавлять 110—120 т/м2 в сутки, расходуя в среднем всего около 3—3,5% кокса.

Содержание меди в штейнах шахтной плавки зависит от состава руды и степени выгорания серы; обычно оно колеблется в пределах 15—25%, хотя в отдельных случаях из богатых руд получаются штейны с 45—50% Cu. Содержание меди в шлаках 0,15—0,45%, чаще всего около 0,3%.

Кампания шахтной печи длится от 4 мес. до 1,5 лет в среднем 10—12 месяцев.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: