Плавка в отражательных печах

Отражательная печь для плавки медных концентратов, показанная на рис. 92, представляет собой туннелеобразную камеру из огнеупорного кирпича, выложенную на фундаменте из застывшего шлака. Для устройства фундамента роют котлован и выкладывают в нем форму из бутового камня и бетона, соответствующую размерам печи, затем эту форму заливают расплавленным шлаком.

Стены печи выкладывают из динасового кирпича толщиной в 2—2,25 кирпича, т. е. 500—565 мм. Для предохранения нижней части стен от действия продуктов плавки применяется футеровка магнезитовым или хромомагнезитовым кирпичом на высоту около 1,5 м. На некоторых заводах с той же целью наружную поверхность стен охлаждают водой (вода течет по змеевикам, залитым в чугунные плиты).

Своды отражательных печей бывают арочного (рис. 93) и подвесного типа (см. схему на рис. 94). Арочный свод толщиной обычно 500 мм выкладывают из клиновидного динасового кирпича, который лучше других огнеупоров сопротивляется сжатию при высоких температурах. Однако динас имеет меньшую химическую стойкость в условиях отражательной плавки, чем основные и нейтральные огнеупоры. Прочность динасового свода ограничивает ширину печей. Различные части свода изнашиваются не одинаково, а частичный ремонт арочных сводов затруднителен. Подвесные своды начали применять с 1931 г.; материалом для них служит магнезитовый и хромомагнезитовый кирпич. Динасовые своды выгодны при кислой, а магнезитовые при основной шихте.

Для крепления печи вдоль стены с интервалом 0,9—1,8 м устанавливают попарно двухтавровые балки или клепаные стальные колонны. Противостоящие пары балок стягивают проходящими над сводом тягами. При разогреве печи гайки тяг постепенно отпускают.

Подготовка поверхности пода отражательной печи, называемой лещадью, — очень существенная операция; для этого на кирпичную кладку, выложенную на шлаковом фундаменте, вначале натрамбовывают слой огнеупорной глины толщиной 50—100 мм, а затем слой чистого кварцевого песка толщиной 600 — 700 мм. При прогреве до 1500—1600° кварц переходит в тридимит, отдельные зерна его свариваются, образуя плотную гладкую поверхность.

Угольную пыль вдувают в печь горелками, а мазут форсунками через отверстия в передней торцевой стенке. Обычно горелки или форсунки (4—6 шт.) располагают в один ряд. Воздух для вдувания и распыления подается вентилятором под давлением 200 — 250 мм вод. ст. и называется первичным воздухом, дополнительное количество «вторичного» воздуха вдувается через отверстия возле форсунок (горелок).

Теплотворная способность угольной пыли меньше, чем мазута; недостатком ее является также сравнительно высокая зольность. Нагревание материалов в отражательных печах происходит открытым факелом; зола падает на поверхность расплавленной ванны и может влиять на состав продуктов плавки или, если она тугоплавка, ухудшать условия передачи тепла от газов к ванне. Теплотворная способность угля должна быть не менее 6060 ккал/кг, зольность — не более 35%, содержание летучих выше 25%. При всех своих недостатках каменный уголь — более дешевое и менее дефицитное топливо, чем мазут, поэтому он и применяется на большинстве медеплавильных заводов.

Температура газов в печи имеет наибольшую величину на расстоянии около 3,5 м от передней стенки, достигая 1550—1600°. На половине длины печи температура снижается до 1300—1350°, а в хвостовой части до 1250—1200°.

Тепловой коэффициент полезного действия отражательных печей из-за высокой температуры отводимых газов очень низок, не более 30%. Для повышения степени использования топлива отхо,дящие газы направляют под паровые котлы, тогда коэффициент использования тепла повышается до 55—65%.

Шихту загружают через отверстия в своде, расположенные вдоль печи, близ боковых стен. В загрузочные отверстия опущены течки бункеров, расположенных на колошниковой площадке над печью. Шихта подается в бункеры вагонетками или транспортером. Загруженная шихта ложится откосами вдоль стен, предохраняя кладку от прямого действия шлака и горячих газов.

Жидкий конвертерный шлак заливают по желобу, конец которого вводят в печь в передней части одной из боковых стен или через окно в передней торцевой стене.

Продукты плавки — штейн и шлак — выпускают по мере их накопления. Шлак выпускают через шлаковое окно, расположенное в хвостовой части печи (в боковой или торцевой стенке) на высоте 700—800 мм от уровня лещади; необходимый уровень шлака поддерживается плотинкой из огнеупорной глины. Отверстий для выпуска штейна обычно два и находятся они на уровне лещади в одной из боковых стен (реже в передней торцевой стенке). В месте выпуска штейна в стену печи закладывается охлаждаемая водой чугунная или медная плитка с квадратными отверстиями, в которые вставлены чугунные втулки (летки) внутренним диаметром 45—50 мм.

Контроль и управление тепловым режимом отражательных печей на большинстве современных заводов автоматизированы. На основании автматических измерений температуры, количества подаваемого топлива, воздуха и тяги поддерживается заданный режим плавки.



Шихту, составленную из концентрата и флюсов, тщательно перемешивают в механических смесителях или дезинтеграторах. Однородность шихты обеспечивает своевременное ее плавление и быстрое протекание при плавке нужных химических реакций. Загрузка ведется непрерывно или периодически по графику. По мере прогревания шихты начинается диссоциация высших сульфидов с образованием FeS и Cu2S, а затем плавление смесей этих веществ, дающих первичный штейн. Жидкий штейн стекает по откосам в ванну, попутно реагируя с твердыми составляющими шихты, главным образом с окислами железа и кварцем:



Сульфид меди также может окисляться окислами железа или кислородом печных газов, но, взаимодействуя с сернистым железом, он вновь сульфидируется по основной реакции пирометаллургии меди, т. е.:



В результате этого штейн, стекающий в ванну, обогащается медью и обедняется железом. Окончательный состав его устанавливается в ванне, где те же реакции протекают на границе раздела штейна и шлака.

Непосредственное окисление сульфидов кислородом печных газов при отражательной плавке происходит в весьма малой степени из-за малого содержания кислорода в газах и трудности диффузии его внутрь слоя шихты, плотно лежащего на откосах; окислов железа в необожженной шихте также мало. Главная масса серы удаляется за счет диссоциации высших сульфидов, общая степень десульфуризации не превышает 50%, поэтому из высокосернистых концентратов получаются бедные штейны, разбавленные сернистым железом.

Благородные металлы — золото и серебро — значительно растворимы в жидких штейнах; растворимость же их в шлаках ничтожно мала, поэтому в качестве флюсов в отражательной плавке выгодно использовать породы, содержащие золото и серебро, например, бедные золотые руды, концентраты золотых руд и другие подобные материалы, особенно если непосредственное извлечение из них золота затруднительно.



Плавка обожженных концентратов не отличается от описанной для сырых концентратов, но имеет свои физические и химические особенности.

Шихту для плавки составляют до обжига с тем, чтобы за время пребывания в обжигаемой печи произошло тщательное ее перемешивание, а также высушивание и нагрев входящих в нее флюсов за счет тепла обжиговой печи. Загрузка в отражательную печь сухой горячей шихты повышает проплав и снижает расход топлива при плавке.

Целью обжига является удаление части серы, необходимое для получения богатого штейна. Химизм обжига и способы его проведения уже описаны в гл. VIII. В настоящее время на большинстве заводов медные концентраты обжигают в многоподовых механических печах, сложных по конструкции, громоздких и малопроизводительных. В одном кубическом метре объема стандартной печи этого типа в течение суток выгорает 150—170 кг серы, отходящие газы содержат не более 7%, обычно 4,5—6% SO2. Более совершенны и производительны печи для обжига в кипящем слое, уже установленные на некоторых медеплавильных заводах. При той же степени десульфуризации в одном кубическом метре пространства печи удается выжигать в сутки более 750 кг серы, т. е. примерно в 5 раз больше, чем в многоподовых печах; содержание SO2 в отходящих газах при этом достигает 12—14%.

Содержание сульфидов в результате обжига значительно уменьшается, а содержание окислов железа — Fe2O3 и Fe3O4 возрастает. Температура горячей обожженной шихты 450—500°. Для удобства загрузки горячей шихты обжиговые печи иногда располагают непосредственно над отражательными печами.

При плавке обожженной шихты реакции между окислами и сульфидом железа приобретают весьма существенное значение: Fe2O3, Fe3O4 и ферриты должны быть возможно полней восстановлены, так как все эти вещества трудно растворимы в шлаках. Переходя в шлак в виде взвешенных твердых частиц, они делают его тяжелым и вязким, трудно отделяемым от штейна. Реакции восстановления окислов железа были приведены ранее, при описании плавки сырых концентратов. По подобной реакции восстанавливаются и ферриты. Часто восстановление ферритов не заканчивается на откосах и продолжается в ванне на границе раздела штейна и шлака. Пузырьки выделяемого при этом сернистого газа увлекают частицы штейна в шлаковый слой, в результате чего шлаки от плавки обожженной шихты уносят с собой больше неотстоявшегося штейна, чем при плавке сырых концентратов; извлечение меди в штейн получается более низким.

Медь переходит в штейн в результате тех же реакций, что и при плавке сырой шихты, окись ее восстанавливается сернистым железом, а затем сульфидируется:



Десульфуризация при плавке обожженной шихты меньше, чем при плавке сырой, так как сера высших сульфидов удаляется при обжиге. Небольшое количество серы (около 20—40%) выгорает главным образом за счет реакций между окислами и сульфидом железа.



Шлак выпускают периодически через шлаковое окно, для чего разрушают удерживающую уровень шлака плотнику из огнеупорной глины. Шлак, стекающий по желобу в шлаковый ковш, отвозят на отвал; часто при выпуске из печи его гранулируют. Гранулированный шлак применяется в строительном деле и для заполнения выработок при горных работах. Иногда его отливают в виде плит и используют в дорожном строительстве или для других строительных целей.

Выход шлака при отражательной плавке в 2—3 раза превышает выход штейна по весу и в 3—5 раз по объему. Следовательно, влияние его на технологические и экономические показатели передела велико. Оценивая потери меди в шлаках, надо принимать во внимание не только ее процентное содержание, но и выход шлака.

Реакции между ферритами и сульфидом железа не заканчиваются до начала плавления, поэтому в шлаки переходит некоторое количество ферритов, в частности магнетита. Значительная часть Fe3O4 порой находится в шлаке в виде суспензии, поэтому шлаки с высоким содержанием ферритов вязки. Подобно ферритам на вязкость шлаков влияет сернистый цинк. Следует оговориться, что растворимость Fe3O4 и ZnS зависит от состава шлака и температуры.

Примерный состав шлаков отражательной плавки (%) приведен ниже:



Штейн из печи выпускают по мере его накопления. В промежутке между выпусками штейна летки закрыты пробками из огнеупорной глины; сквозь пробку пропущен лом, который ударами кувалды продвигается через пробку по мере растворения конца его в штейне. Для выпуска штейна лом выбивают наружу, штейн по желобу вытекает в ковш, который переносят мостовым краном в конвертерное отделение цеха.

Штейны отражательной плавки на 80—90% по весу состоят из сульфидов меди и железа и содержат 10—20% окислов других металлов. Получать очень богатые штейны при отражательной плавке не выгодно, так как возрастают физические и механические потери меди в шлаках. На большинстве современных заводов выплавляют штейны с содержанием 20—35% Cu.

Примерный состав штейнов отражательной плавки приведен ниже (%):

Извлечение меди и благородных металлов в штейн при отражательной плавке благодаря малому выходу шлаков достигает 95—99,5%.

Основными технико-экономическими показателями отражательной плавки считают суточный проплав шихты и расход топлива; последний обычно выражается в пересчете на условное топливо (теплотворная способность 7000 ккал/кг) в процентах от веса проплавленной шихты. На современных заводах проплав колеблется в пределах от 4,5 до 7 г шихты на 1 м2 площади пода. Наибольший проплав достигается при плавке горячих обожженных концентратов, наименьший — при плавке необожженных высококремнистых концентратов, получаемых в результате обогащения вкрапленных руд. Кроме того, проплав зависит от качества топлива, конструктивных особенностей печей и качества их обслуживания. Расход условного топлива составляет 11—25% от веса шихты.



Название этого процесса не соответствует его сущности. Отражательная плавка во взвешенном состоянии невозможна, так как для проведения нужных реакций требуется взаимный контакт твердых и жидких продуктов. Агрегат для плавки по способу, о котором идет речь, сочетает в себе обычную отражательную печь и печь для обжига во взвешенном состоянии. Главное преимущество этого устройства в максимально полном использовании тепла, выделяющегося при обжиге, что позволяет работать с малым расходом топлива. В настоящее время этот способ плавки, разработанный впервые в нашей стране, применяется на двух зарубежных заводах; на одном из них для обжига используют воздух, обогащенный кислородом.



Плавка концентратов в электрических печах представляет собой разновидность отражательной плавки. Способ имеет ряд преимуществ, но пока находит ограниченное применение из-за высокой стоимости электроэнергии. Возможность достижения высоких температур в электрических печах позволяет значительно ускорить плавку, получать высококремнистые шлаки, обладающие малым удельным весом и достаточной жидкоплавкостью (благодаря значительному перегреву). Вследствие отсутствия топочных газов уменьшаются потери от распыления шихты.

Нагревание и плавление шихты происходят за счет тепла, выделяемого при пропускании тока через слой шлака, в который опущены угольные электроды.

Расход электроэнергии на тонну проплавляемой шихты составляет 400—500 квт-ч, показатели по проплаву близки к таковым для отражательных печей.