Марченко Н.В. Металлургия тяжелых цветных металлов

Подождите немного. Документ загружается.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.3. Электроплавка медных и медно-никелевых концентратов Особенности тепловой работы электропечи



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

241

ловой коэффициент полезного действия электропечей не менее 70 %; за счет

токовой нагрузки температуру расплава легко регулировать, и, следователь-

но, есть возможность перерабатывать тугоплавкую шихту с минимальными

добавками флюсов. Как следствие, для электроплавки характерен невысокий

выход шлака и меньшие абсолютные потери с ним металлов. Расход электро-

энергии при электроплавке медных концентратов зависит от их состава и

влажности и колеблется от 380 до 550 кВт·ч/т шихты.

Электропечи целесообразно использовать для тугоплавких кон-

центратов, богатых медью и бедных по сере в районах с дешевой электро-

энергией. Доля электроплавки в общем объеме производства меди не превы-

шает 5 %.

Медно-никелевые концентраты проходят ряд подготовительных опера-

ций, включающих сушку, обжиг и спекание. Иногда концентраты сушат,

окатывают на чашевых грануляторах и полученные окатыши обжигают на

агломерационных машинах. При обжиге в газы удаляется до 40–50 % серы.

Агломерация, или спекание сульфидных медно-никелевых богатых руд

и концентратов, осуществляется за счет тепла, выделяющегося при окисле-

нии сульфидов. На практике с целью получения более прочного агломерата и

увеличения металлизации штейна при последующей плавке в шихту спека-

ния добавляют небольшое количество коксовой мелочи.

Основными процессами агломерирующего обжига являются: сушка

шихты, термическое разложение высших сульфидов (пирротина, халькопи-

рита, пентландита), окисление части сульфидов железа, расплавление легко-

плавких компонентов шихты и ее спекание при охлаждении расплавленной

фазы.

За счет тепла окисления сульфидов и горения коксовой мелочи и слое

шихты развиваются температуры 1 100–1 200 °С.

Для агломерации используют ленточные машины с площадью всасы-

вания 50 и 75 м

. Производительность их составляет 12–15 т/м

·сут. Извлече-

ние цветных металлов в агломерат составляет 98,5%. Состав агломерата, %:

5–6 Ni; 3,5–4,0 Сu; 8,8–11,5 S; 30–35 Fe; 14–17 SiO

Прогрессивным способом укрупнения медно-никелевых концентратов

является их скатывание в гранулы диаметром 8–15 мм на чашевых грануля-

торах. Полученные гранулы подвергают термическому упрочнению на лен-

точной агломерационной машине.

Плавку медно-никелевых руд и концентратов можно осуществлять в

отражательных печах; теория и практика этого процесса аналогичны плавке

медных концентратов. Однако при содержании в сырье более 10 % MgO

отражательная плавка малопроизводительна и требует большого расхода то-

плива.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.3. Электроплавка медных и медно-никелевых концентратов Особенности тепловой работы электропечи



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

242

На отечественных заводах для плавки медно-никелевой шихты исполь-

зуют электроплавку в рудно-термических печах. Химизм протекающих про-

цессов образования штейна и шлака не отличается от таких процессов при

отражательной плавке и электроплавке медных концентратов.

Ванна расплава в рудно-термической печи состоит из двух слоев. Вы-

сота верхнего шлакового слоя составляет 1 700–1 900 мм, а нижнего штейно-

вого – 600–800 мм. Плавление шихты происходит за счет тепла, выделяемого

непосредственно в шлаковом расплаве при пропускании через него электри-

ческого тока. Ток подводится с помощью трех или шести угольных электро-

дов, концы которых погружены в шлак на 300–500 мм.

Электрическая энергия преобразуется в тепловую двумя путями. Боль-

шая часть тепла выделяется на границе электрод–шлак, где вследствие обра-

зования газового слоя возникают микродуги, остальная часть – в шлаковом

расплаве, который служит проводником тока с высоким электрическим со-

противлением. Максимальный перегрев шлака происходит вблизи электро-

дов. Шлак разогревается до 1 450 °С и выше, что дает возможность перераба-

тывать тугоплавкие шихты и получать шлаки с повышенным содержанием

оксида магния (до 24 %). Отпадает необходимость добавок большого количе-

ства флюса (известняка).

Жидкими продуктами электроплавки являются штейн и шлак. Штейн

выделяют из печи с температурой 1 100–1 150 °С; его состав, %: 7–16 Ni;

7–12 Сu; 0,3–0,5 Со; 47–55 Fe; 23–27 S.

Шлак представляет собой сплав оксидов кремния SiO

, железа FeO,

магния MgO и алюминия Аl

. Температура шлака колеблется в интервале

1 250–1 400 °С; это отвальный продукт, содержащий, %: 0,07–0,11 Ni;

0,06–0,10 Сu; 0,03–0,04 Со; 41–45 SiO

; 24–30 FeO; 10–22 MgO; 5–12 Аl

;

3–5 CaO.

Электропечные газы образуются за счет термической диссоциации

сульфидов (десульфуризация 10–20 %), карбонатов и горения углеродистых

составляющих шихты и электродов.

Небольшой объем отходящих газов определяет невысокий пылевынос –

всего 0,4–0,5% от массы твердой шихты. Пыль улавливают в пылевых каме-

рах и электрофильтрах и возвращают в плавку.

Для плавки используют прямоугольные печи, чаще с шестью самоспе-

кающимися электродами диаметром 1200 мм. Площадь пода печей – 120–180 м

удельная мощность – 100–325 кВ·А/м

Некоторые технико-экономические показатели электроплавки приве-

ден ниже:

удельный проплав – 8–10 т/м

·сут;

расход электроэнергии – 570–820 кВт·ч/т шихты;

извлечение в штейн никеля – 94–97 %

извлечение в штейн меди – 94–96 %;

извлечение в штейн кобальта – 75–80 %.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.3. Электроплавка медных и медно-никелевых концентратов Особенности тепловой работы электропечи



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

243

Отражательная плавка характеризуется малым тепловым коэффи-

циентом полезного действия, большим выходом топочных газов, малой эф-

фективностью и в ряде случаев невозможностью переработки тугоплавких

материалов. Все это послужило основанием для изыскания новых, более эф-

фективных методов нагрева шихты. Одно из возможных решений – исполь-

зование для нагрева электрической энергии. Электроплавка для переработки

медных руд и концентратов использовалась на Алавердском и Джезказган-

ском горно-металлургических комбинатах, а также на десяти зарубежных

предприятиях.

Электропечь для плавки сульфидных рудных материалов представляет

собой тепловую ванну, состоящую из двух расплавленных слоев (шлака и

штейна) и погруженных частично в шлаковый расплав шихтовых куч (откосов)

твердой шихты. Плавление шихты в печи происходит за счет электроэнергии,

преобразуемой в теплоту. Такая печь называется рудно-термической.

Рудно-термическая печь работает на трехфазном переменном токе.

Электрический ток напряжением до 750–800 В и силой до 30 кА подводится

к печи при помощи трех или шести угольных (графитовых) электродов, по-

груженных в слой шлака. Преобразование электрической энергии в тепловую

в рудно-термической печи происходит частично в газовой фазе (через элек-

трические микродуги) и частично в жидкой (через сопротивление расплава).

Телом электрического сопротивления в печи служит шлаковый расплав, а

электрическая дуга возникает в газовой прослойке на границе раздела шлака

с погруженными в него электродами.

Напряжение между электродами зависит от силы тока и сопротивления

слоя шлакового расплава и микродуг:

U = I·[(R

+ R

)

шл

+ R

мд

], (6.16)

где U – вторичное напряжение на трансформаторе, В; I – фазовая сила тока,

А; R

шл

– сопротивление слоя шлака, Ом; R

мд

– сопротивление микродуг, Ом.

Наиболее экономична работа рудно-термической печи при макси-

мальном напряжении на трансформаторе и минимальном значении рабочего

тока. Регулировать это соотношение на практике можно только изменениями

сопротивления электрической цепи.

Сопротивление шлака зависит от его температуры, состава и толщины

слоя шлакового расплава (длины проводника). Замыкание силовых линий

(электрической цепи) в шлаке может происходить по двум направлениям.

В первом случае оно происходит через слой шлака по направлению от элек-

трода к электроду (R

), т.е. по схеме «треугольник». Второй возможный путь

электрического тока осуществляется по схеме «звезда», т.е. от электрода че-

рез шлак к слою штейна (R

Сопротивление R

при неизменном конструктивном расстоянии между

электродами и прочих постоянных условиях (составе шлака, его температуре

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.3. Электроплавка медных и медно-никелевых концентратов Особенности тепловой работы электропечи



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

244

и т. д.) можно увеличить только загрузкой неэлектропроводной шихты в ме-

жэлектродное пространство. В этом случае нижнюю поверхность шихтовых

куч ток будет вынужден огибать по слою электропроводного шлака, увеличи-

вая тем самым путь прохождения.

Сопротивление R

определяется толщиной шлака в подэлектродном

пространстве, а при постоянной его величине – глубиной погружения элек-

тродов. Минимальное возможное заглубление электродов в шлаковый рас-

плав (250–300 мм) предотвращает дуговой разряд на штейн, обладающий

очень высокой электропроводностью. При работе на глубокой шлаковой ван-

не это расстояние можно держать большим, т.е. увеличивать R

, что положи-

тельно скажется на вторичном напряжении трансформатора.

Напряжение на трансформаторе, затрачиваемое на преодоление сопро-

тивления микродуг, определяется глубиной погружения электрода в шлак.

Чем она будет большей, тем большей по площади будет газовая прослойка на

границе раздела электрод–шлак и тем, следовательно, большей будет вели-

чина R

мд

Работа рудно-термической печи фактически характеризуется одновре-

менным замыканием силовых электрических линий на «треугольник» и на

«звезду». Распределение электрического тока по этим схемам определяется

регулировкой рабочего режима печи.

Доля электрической энергии, которая выделяется на уровне погруже-

ния электродов в шлаковую ванну, определяет практическую температуру

шлака и штейна. Чрезмерное заглубление электродов (приближение их к по-

верхности штейна) ведет к перегреву штейна и создает угрозу прорыва жид-

котекучего штейна через подину печи. Если количество теплоты, выделяю-

щейся в нижней части ванны, будет недостаточным, произойдет охлаждение

штейна, что может привести к образованию подовых настылей и нарушению

нормальной работы нижней части печи. Таким образом, расстояние между

электродами не может выбираться произвольно и приниматься чрезмерно

большим. Оно должно согласовываться с глубиной шлаковой ванны, глуби-

ной погружения электродов и расстоянием их до штейна.

Распределением температур можно в какой-то степени управлять, ме-

няя глубину погружения электродов. Оно зависит также от температуры

плавления шлака и его вязкости. Ограничений по температуре плавления

шлака при электроплавке практически нет.

Возможность плавки тугоплавких шихт (например, шихт с высоким

содержанием оксида магния) является важным достоинством электроплавки.

Отсутствие ограничений по температуре плавления шлака и его перегрева

позволяет работать при малом расходе флюсов и меньшем выходе шлака, что

создает предпосылки для снижения потерь металлов. Естественно, при уве-

личении температуры возрастает расход электроэнергии.

Теплота, необходимая для плавления в электропечи, передается шихте

от перегретого шлака. При этом шихта соприкасается с готовым сформиро-

ванным шлаком. Плавление, по сути дела, сводится к нагреву и растворению

компонентов шихты в готовом шлаке.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.3. Электроплавка медных и медно-никелевых концентратов Особенности тепловой работы электропечи



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

245

Работу печи целесообразно вести при более высоком напряжении на

ванне. Это связано с меньшими потерями тока в короткой сети и поэтому бо-

лее экономично. При необходимости одновременно работать с большим за-

глублением электродов целесообразно вести плавку на шлаки с большим

удельным сопротивлением, т.е. на более кислые (42–45 % SiO

) с низким со-

держанием FeO. Увеличение основности шлака приводит к повышению элек-

тропроводности шлаковых расплавов.

Потери теплоты при электроплавке меньше, чем при отражательной

плавке, главным образом за счет отсутствия топочных газов. Тепловой коэф-

фициент полезного действия электроплавки составляет 70 % (30 % при отра-

жательной плавке). Однако если электроэнергия поступает от тепловых стан-

ций, то необходимо учитывать и коэффициент полезного действия электро-

станций. В этом случае преимущества электроплавки уже не будут столь ра-

зительны, если к тому же учесть, что тепло отходящих газов отражательных

печей может и должно быть использовано для получения электроэнергии.

При рациональном использовании вторичных энергоресурсов и прежде

всего теплоты отходящих газов тепловой коэффициент полезного действия

отражательной плавки может быть более высоким, чем при электроплавке.

Шахтную плавку в цветной металлургии используют для переработки

кусковых материалов (20–100 мм) в производстве меди, никеля, свинца и т.д.

В зависимости от типа процесса, протекающего в печи, различают

окислительную, восстановительную, восстановительно-сульфидирующую

плавки.

Выбор способа плавки зависит от вида сырья и последующих методов

переработки конечных продуктов.

Наиболее характерные виды шахтной плавки:

в металлургии меди – пиритная; полупиритная; медно-серная (усовер-

шенствованная пиритная); восстановительная (для плавки окисленных руд,

вторичного сырья, катодной меди);

в металлургии никеля – восстановительно-сульфидирующая.

Шахтные печи работают по принципу противотока – шихта и топливо

загружаются сверху и опускаются вниз, раскаленные газы, выполняющие

роль окислителя или восстановителя пронизывают шихту снизу вверх.

Шахтная печь представляет собой плавильный агрегат с вертикальным

рабочим пространством (рис. 6.3

). Шихту готовят из руды, флюсов, оборотов

и кокса. Ее загружают периодически (колошами). В нижнюю часть печи че-

рез фурмы вдувают воздух. Топливо и сульфиды сгорают в области фурм и

здесь развиваются наиболее высокие температуры (1 350–1 550 °С). Это «фо-

кус» печи.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.4. Шахтная плавка сульфидного медного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

246

Рис. 6.3. Схема шахтной печи

За счет тепла, выделяющегося в «фокусе» печи, шихта плавится и образу-

ются продукты плавки – штейн, шлак и газы. Штейн и шлак стекают во внутрен-

ний горн печи, а затем для отстаивания (разделения) в наружный горн.

По мере плавления столб шихты опускается вниз, а на ее место загру-

жают новые порции. Горячие газы, образующиеся в «фокусе» печи и выше,

пронизывают столб шихты и прогревают ее. Теплообмен между газами и

шихтой осуществляется противотоком, что обеспечивает высокий коэффици-

ент использования тепла (до 85 %).

Современная шахтная печь

имеет в горизонтальном сечении прямо-

угольную форму, а в поперечном – сужение к области фурм.

Длина шахтной печи может быть практически любой. В практике ме-

деплавильных заводов применялись шахтные печи длиной от 2,5 до 26,5 м.

Чаще всего в медной промышленности используют печи длиной от 4 до 15 м.

Длина шахтных печей, площадь сечения в области фурм, а также число

печей определяются масштабами производства и необходимостью обеспече-

ния стабильной работы предприятия. Предпочтительно иметь несколько пе-

чей для возможности организации их ремонта без остановки всего цеха.

Чрезмерная длина печи может привести к различным нарушениям в работе

на отдельных участках по длине печи. Это существенно затруднит управле-

ние работой печи и снизит технико-экономические показатели.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.4. Шахтная плавка сульфидного медного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

247

Выбор ширины печи определяется параметрами дутья и газо-

проницаемостью (крупностью) шихтовых материалов. Обычно ширина

шахтных печей медной плавки в области фурм составляет 1,2–1,5 м, а на

уровне загрузки – 1,5–2,0 м. Применение очень узких печей (менее 1,0–1,2 м)

часто приводит к зависанию шихты и образованию «сводов». Широкие печи

не продуваются на всю ширину, в результате чего в центре печи накаплива-

ется по всей высоте слой более холодной непроплавленной и непродуваемой

шихты. Этот объем практически не участвует в плавлении.

Высота шахтных печей медной плавки от лещади (пода) до колошника

при высоте столба шихты 4–5 м составляет 6–8 м. Печи установлены на не-

высоких колоннах (домкратах), укрепленных на бетонном фундаменте высо-

той 3–6 м от нулевой отметки. Это обеспечивает передачу расплавов самоте-

ком от печи через отстойный горн до сбора штейна в ковшах, а шлака –

в шлаковозных чашах или на грануляцию. На опорных колоннах печи уло-

жены чугунные лещадные плиты, на которых покоится лещадь печи. Лещадь

и стенки внутреннего горна изготовлены из огнеупорного кирпича.

Шахта печи собрана из отдельных кессонов, связанных между собой

болтами. Для герметизации межкессонных щелей в них закладывают асбе-

стовую прокладку. Высота шахты печи соответствует высоте кессонов. Тор-

цевые кессоны устанавливают вертикально, а боковые – наклонно под углом

5–7° с таким расчетом, чтобы ширина печи на колошнике была в 1,2–1,3 раза

больше, чем в области фурм. Наклонные кессоны замедляют скорость опус-

кания шихты и снижают скорость движения газов, что способствует более

полному протеканию химических реакций и процессов теплообмена.

Кессоны представляют собой коробки, сваренные из котельного желе-

за. Толщина внутренней (огневой) стенки кессона – 10–20, наружной –

8–10 мм. Толщина слоя циркулирующей в кессоне воды составляет 100–120 мм.

Для придания кессону дополнительной жесткости внутри него приваривают

ребра из неравномерного уголка.

При плавке медных руд и концентратов шлак и штейн из шахтной печи

выпускают в передний горн совместно через сифонное устройство, состоя-

щее из небольшого выпускного кессона и водоохлаждаемого желоба с поро-

гом. Выпускной кессон отлит из меди, обладающей очень высокой теплопро-

водностью. В тело кессона залит трубчатый змеевик, по которому циркули-

рует вода. В нижней части кессона имеется шпуровое отверстие диаметром

150 мм, через которое продукты плавки сначала поступают в желоб, также

выполненный из литой меди с залитым змеевиком. Выпускной желоб служит

сифонным затвором, для чего в передней части желоба набит порог из огне-

упорной массы. Высотой порога регулируют уровень расплава в печи – он

несколько ниже, чем в сифоне. Разность уровней определяется давлением

печных газов. Сифонное устройство позволяет осуществлять непрерывный

выпуск расплава, не допуская выбивания газов через шпур в атмосферу цеха

даже при значительном их давлении в печи.

Выпускной желоб установлен таким образом, что уровень верхнего

края сливного порога находится на 200–300 мм ниже уровня фурм. Это сни-

жает вероятность заливки фурм при неполадках в работе печи.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.4. Шахтная плавка сульфидного медного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

248

В переднем горне продукты плавки расслаиваются по плотности:

штейн опускается вниз, а шлак, оставаясь вверху, непрерывно по желобу сте-

кает в ковш. Штейн выпускают через шпуровые отверстия периодически в

зависимости от потребности конвертерного цеха.

Передний горн имеет сплошной кожух из листового железа с наруж-

ным каркасом. Внутри горн футерован хромомагнезитовым кирпичом. Раз-

меры горна зависят от производительности печи. По данным заводской практи-

ки, емкость переднего горна для средних и крупных печей составляет 5–9 м

на

100 т суточного проплава печи.

Непрерывный выпуск расплава позволяет повысить производитель-

ность печей, облегчить их эксплуатацию и снизить потери меди со шлаками.

Фурмы установлены на обеих продольных сторонах печи. Число фурм

на печи и их диаметр определяются количеством подаваемого в печь воздуха

и скоростью его истечения из фурм. Расстояние между центрами фурм изме-

няется в пределах 280–420 мм.

Для отвода газов и загрузки шихтой печь оборудована колошниковым

устройством шатрового типа. Оно представляет собой кирпичную шахту,

выполненную в железном каркасе и опирающуюся на горизонтальные, обыч-

но кессонированные балки, которые в свою очередь опираются на верти-

кальные колонны, установленные по четырем углам печи. Нагрузка от про-

межуточных балок передается на кессонированные балки с помощью колонн,

расположенных на расстоянии 1,0–1,5 м друг от друга. Шахта колошника пе-

рекрыта арочным сводом с отверстиями для отвода газов.

Восстановительную плавку используют для переработки окисленного

или вторичного сырья (медный, латунный лом, стружка, шлаки литейные и

рафинировочные). Это богатое по меди сырье, содержащее 30–80 % Сu. В

этих материалах есть типичные для медных сплавов компоненты: цинк, оло-

во, свинец, никель, алюминий. Плавку ведут на шлак состава, %: 22–26 SiO

;

36–44 FeO; 8–12 СаО.

В шихте нет сульфидов. Поэтому расход кокса составляет не менее 15 %

от массы загружаемого материала. Небольшую долю в приходе тепла состав-

ляют экзотермические реакции окисления железа, алюминия, цинка. Главный

продукт плавки – черная медь. В ней содержится. %: 86–90 меди; 3–6 цинка;

1–3 олова; 2–3 свинца; 0,5–1,0 никеля; 1–2 железа. Извлечение в черную медь

составляет 97% меди; 12–15% цинка; по 60–65 % олова и свинца. Газ подвер-

гают тонкой очистке в рукавных фильтрах и получают товарные возгоны

(60–70 % Zn), подвергаемые самостоятельной переработке.

Удельный проплав достигает 80–90 т в сутки на квадратный метр сече-

ния печи в области фурм.

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.4. Шахтная плавка сульфидного медного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

249

В окислительной атмосфере шахтной печи перерабатывают сульфид-

ные руды или концентраты в виде брикетов или агломерата.

Процессы окисления сопровождаются сложными промежуточными ре-

акциями взаимодействия сульфидов не только с кислородом дутья, но и с

продуктами их окисления (сульфатами и оксидами).

При низких температурах сульфиды железа окисляются до сульфатов, а

при температуре выше точки воспламенения по реакции с образованием маг-

нетита:

2FeS

+ 5,5O

= Fe

+ 4SO

(6.16)

3FeS

+ 8O

= Fe

+ 6SO

(6.17)

10Fe

+ FeS = 7Fe

+ SO

(6.18)

Окисление моносульфидов типа PbS, ZnS описывается общей схемой:

MeS + O

→ MeO + SO

(6.19)

Дальнейшие процессы окисления протекают в расплаве:

FeS + 1,5O

= FeO + SO

(6.20)

3FeO + 1/2O

= Fe

(6.21)

Реакции обмена между сульфидами и оксидами

[MeS]

шт

+ (Me

’

шл

= [Me

’

шл

+ (MeO)

шл

начинаются в твердых фазах и продолжаются в расплавах.

В области внутреннего или наружного горнов происходит расслаива-

ние на штейн и шлак, и устанавливается равновесие между сульфидом извле-

каемого металла в штейне и оксидом шлакуемого металла в шлаке.

Пиритная плавка пригодна для переработки высокосернистых руд,

содержащих более 75% пирита (около 40–42 % серы). Такой материал теоре-

тически может плавиться без топлива. Тепло выделяется при окислении пирита

и халькопирита. Теплотворная способность высокосернистой шихты составляет

5 000–6 000 кДж/кг (1 кг FeS энергетически эквивалентен 0,2 кг кокса).

Поскольку в этом процессе теплота получается в основном за счет сжи-

гания пирита, он получил название «пиритная плавка».

Температура в фокусе печи находится в прямой зависимости от степе-

ни десульфуризации. Чем больше сульфидов окисляется в печи, тем больше

6. ПЛАВКА МЕДНЫХ И НИКЕЛЕВЫХ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ НА ШТЕЙН

6.4. Шахтная плавка сульфидного медного сырья



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

250

выделяется теплоты на единицу массы руды и тем выше температура. Необ-

ходимо, чтобы практически вся теплота при этом выделялась в фокусе печи.

Основная трудность на пути решения этой задачи состояла в различии

температур плавления сульфидов и компонентов пустой породы. Сульфиды,

обладая более низкой температурой плавления, расплавлялись в первую оче-

редь и, будучи высоко подвижными в жидком состоянии, быстро стекали

вниз и уходили из зоны окисления (области фурм). Малое время пребывания

жидких сульфидов в зоне реакции не позволяет получать необходимую де-

сульфуризацию, а следовательно, и выделять достаточное для плавления ко-

личество теплоты. Осуществлять окисление сульфидов в твердом состоянии

в верхних горизонтах печи также было не рационально, поскольку при этом

теплота в значительной мере терялась бесполезно с отходящими газами и ее

не хватало в зоне плавления.

Задача состояла в том, чтобы сжечь жидкие сульфиды в минимальном

объеме (фокусе печи) и получить в нем возможно более высокую темпе-

ратуру, превышающую температуру плавления шлака. При этом необходимо

было решить, каким образом улучшить взаимодействие жидких сульфидов с

кислородом дутья при их протекании через возможно малый объем плавиль-

ной зоны.

Решение было найдено весьма оригинальное. В печи создавали над-

фурменные настыли, которые удерживали слой, состоящий из кускового

кварца и известняка, так называемую «кварцево-известковую насадку». Кап-

ли расплава, медленно перетекая с куска на кусок, относительно долго оста-

вались в зоне насадки. За это время успевало окислиться необходимое коли-

чество сульфидов и полностью использовался кислород дутья. Вся теплота от

окисления выделялась при этом в сравнительно малом объеме печи, что по-

зволяло получать достаточно высокую температуру и расплавлять компонен-

ты пустой породы.

При шахтной плавке имеет место противоточное движение шихты и га-

зов. Загружаемая шихта поступает в зону наиболее низких температур. В зоне 1

(рис. 6.3

) при температуре 300–750 °С прежде всего происходит ее высуши-

вание. При дальнейшем нагреве может начаться разложение неустойчивых

соединений – гидроксидов, высших сульфидов и т.д.

Большая часть гидроксидов теряет воду при 400–500 °С. Из высших

сульфидов наиболее легко разлагается ковеллин CuS. Его диссоциация начи-

нается уже при температуре 450 °С. Разложение пирита и халькопирита про-

текает при несколько более высоких температурах.

Температура в зоне 1 превышает температуру воспламенения сульфи-

дов. Однако горение сульфидов в верхних горизонтах не происходит из-за

отсутствия здесь свободного кислорода. По этой же причине выделяющаяся

при разложении высших сульфидов элементарная сера окисляется лишь над

поверхностью шихты за счет кислорода воздуха, подсасываемого на колош-

нике. Присутствующие в шихте высшие сульфиды в верхних горизонтах пе-

чи не будут разложены полностью. Этот процесс тормозится скоростью про-

грева шихты и эндотермическим тепловым эффектом реакций диссоциации