Марченко Н.В. Металлургия тяжелых цветных металлов

Подождите немного. Документ загружается.

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

Шахтная печь представляет собой агрегат с вертикальным рабочим

пространством, в которое сверху загружают специально подготовленную

шихту и кокс, а снизу через фурмы вдувают воздух. В шахте происходит на-

грев и расплавление шихты, сопровождаемое химическими реакциями, в ре-

зультате чего получают черновой металл и шлак, а иногда штейн и шпейза.

Шахтная печь

свинцовой плавки (рис. 2.5) состоит из следующих ос-

новных частей: внутреннего горна с сифонами, шахты с фурмами, колошника

с загрузочным устройством, отстойника. Внутренний горн расположен на

массивном бетонном фундаменте. Стены горна толщиной 600–800 мм выло-

жены из огнеупорного кирпича. Кладка горна заключена в плотный стальной

сварной кожух, стянутый металлическими тягами. По длине и ширине горн

соответствует размерам печи в области фурм.

Горн постоянно заполнен расплавом. В нижней его части собирается

свинец, а в верхней – шлак. Свинец из горна выпускают непрерывно через

сифон. Шлак выпускается из внутреннего горна периодически через специ-

альное отверстие (шпур), которое расположено в торце печи немного ниже

фурм, или непрерывно через сифон.

Шахта печи выполнена из стальных водоохлаждаемых кессонов. Кес-

соны делают сварными из котельного железа с толщиной внутренней стенки

10–14 мм и наружной 6–8 мм, расстояние между стенками равно 100–150 мм.

В нижнюю часть кессона под напором подается холодная вода, в верхней

части кессона вода отводится с температурой 60–70

С. Обычно шахта печи

состоит из двух рядов кессонов.

Кессоны длинных стенок шахты устанавливают обычно под углом 5–7

град

к вертикали. Это приводит к расширению верхней части шахты, что способ-

ствует снижению скорости отходящих газов и сокращению выноса пыли из

печи. Кессоны торцевых стенок всегда устанавливают вертикально. При ра-

боте печи на внутренней стороне кессонов образуется корка из застывших

продуктов плавки (гарнисаж), предохраняющая кессоны от разрушения.

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

Рис. 2.5. Шахтная печь свинцовой плавки: 1 – горн; 2 – сифон для выпуска

чернового свинца; 3 – фурму; 4 – коллекторы системы водяного охлаждения;

5 – шахта печи; 6 – колошник; 7 – загрузочный шибер; 8 – шатер колошника;

9 – коллектор для подвода дутья; 10 – сифон для выпуска шлака

Воздух в печь подают через специальные устройства – фурмы, охлаждае-

мые водой. Фурменные отверстия в кессоне расположены на высоте 300–400 мм

от нижнего его края. Диаметр отверстий равен 100–125 мм. Число фурм в пе-

чи достигает 30–40. Воздух подводят к фурмам через кольцевой коллектор,

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

который соединен с фурмами гибкими рукавами. Расход воздуха (дутья) ко-

леблется в пределах 25–50 м

/мин на 1 м

площади сечения печи в области

фурм. Давление воздуха, вдуваемого в печь, составляет 13–26 кПа, в зависи-

мости от крупности и пористости перерабатываемого материала.

Колошник служит для загрузки шихты и отвода газов из печи. Он

представляет собой металлический водоохлаждаемый каркас, заполненный

огнеупорным кирпичом. Иногда колошник кессонируют. Загрузку материала

в печь производят через окна в колошнике, расположенные вдоль длинных

сторон печи (по 3–4 с каждой стороны).

В шахтную печь загружают крупнокусковой материал (20–100 мм). За-

грузка идет послойно: слой агломерата, слой кокса, слой агломерата, слой

кокса и т.д.

Отходящие из печи газы имеют температуру 200–400 °С и содержат

значительное количество пыли (8–17 г/м

). После пылеочистки (в циклонах и

рукавных фильтрах) их выбрасывают в атмосферу.

Плавку в шахтных печах ведут по двум основным режимам – с высокой

сыпью (4–6 м) и с низкой сыпью (2,5–3 м). Под высотой сыпи понимают вы-

соту загруженной в печь шихты от уровня фурм до верха.

Показатели шахтной плавки для различных режимов следующие:

Высота сыпи, м

4–6

2,5–3

Удельная производительность печи, т/(м

·сут)

45–70

60–100

Расход кокса, % от массы шихты

10–13

7,5–10

Расход воздуха на 1т шихты, м

900

1440

Содержание свинца в шлаке, %

До 1

2–3,5

Температура колошниковых газов,

100–250

До 600

Выход пыли, % от массы шихты

0,5–2

3–5

Более широкое распространение получила плавка с высокой сыпью.

При этом выше прямое извлечение свинца, меньше унос пыли и потери с ней

свинца, повышается срок службы печей от одного двух лет, обеспечиваются

лучше санитарно-гигиенические условия в цехе. К недостаткам плавки с вы-

сокой сыпью следует отнести пониженную удельную производительность

печи и повышенный расход кокса.

Для усовершенствований процесса свинцовой плавки в шахтных печах

было предложено использование в качестве дутья воздуха, обогащенного ки-

слородом до 27–30 % и подогретого до 400–450 °С.

В настоящее время это широко применяется в отечественной и мировой

практике и позволяет на 15–20 % повысить удельную производительность

шахтных печей, снизить расход кокса (на 10–15 %) и флюсов (на 40–60 %) и,

как следствие, сократить выход шлака (на 30–40 %), а значит, и потери с ним

свинца.

Применение печей сложного профиля с двумя рядами фурм (рис. 2.6

)

позволит увеличить время пребывания шихты в атмосфере восстановитель-

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

ных газов, в результате этого полнее происходят химические процессы, и,

как следствие, снижается расход кокса на 6–10 % и увеличивается извлече-

ние свинца на 0,5–0,7 %; кроме того, в таких печах воздух и газы распреде-

ляются более равномерно, сокращается скорость их движения, уменьшается

пылевынос, сокращается расход кокса и увеличивается проплав печи, кото-

рый составляет 70–100 т/м

сут по сечению нижних фурм.

Впервые печь такого типа была построена в 1935 г. на заводе «Порт-

Пири» (Австралия). В 50-х гг. печи сложного профиля начали эксплуатиро-

вать в Западной Европе на заводах: «Нуайель-Годо» (Франция), «Хобокен»

(Бельгия), «Ла-Пертусола» (Италия), «Лауриум» (Греция). В 1966–1969 гг. ана-

логичные печи были построены в США на заводах «Геркулениум», «Бьюик»,

«Гловер» и «Ист-Халена», а также на Чимкентском свинцовом заводе.

Ширина такой печи в области нижнего ряда фурм составляет 1,6 м, а в

области верхнего ряда – 3 м. Расстояние между верхним и нижним рядами фурм

составляет около 1 м. Давление дутья в нижнем ряду составляет 9,8–19,6 кПа,

в верхнем ряду – 2,5–2,9 кПа. Такое расположение фурм способствует рав-

номерному прохождению газов через слой шихты по всему сечению печи.

Колошник печей переменного сечения открытый, и газы отсасываются через

газозаборное устройство, опущенное в шихту.

В целях снижения расхода кокса ведутся исследования по замене его

природным газом. Природный газ обладает рядом преимуществ по сравнению

с твердым и жидким топливом. Газ просто и легко транспортируется к потреби-

телю. Его легче смешивать с окислителем, что дает возможность сжигать газ с

меньшим избытком воздуха и поэтому эффективнее и экономичнее.

Исследования по замене кокса природным газом показали, что при

полной замене кокса природным газом трудно обеспечить необходимую вос-

становительную атмосферу в печи. При безкоксовой плавке не происходит

регенерации оксида углерода, как основного восстановителя, по реакции Бу-

дуара (2.46)

Хорошие результаты были достигнуты при частичной замене кокса

природным газом, с одновременным подогревом дутья. Исследования пока-

зали, что при подогреве дутья природным газом до 650 °С печь устойчиво

работала с удельным расходом кокса на 25 % меньше, чем с холодным дуть-

ем, при этом производительность печи была на 6–10 % выше. Температура

колошниковых газов снизилась на 160 °С. Однако содержание свинца в шла-

ке в этом случае повысилось. Опытные плавки с нагретым дутьем и при сни-

жении расхода кокса не более чем на 20 % от обычного расхода позволили

получить шлаки при плавке с меньшим содержанием свинца, чем при плавке

на холодном дутье.

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

Рис. 2.6. Шахтная печь переменного сечения: 1 – горн; 2 – сифон для

выпуска свинца; 3 – нижний ряд фурм; 4 – верхний ряд фурм; 5 – кол-

лекторы дутья; 6 – шахта; 7 – колошник; 8 – газозаборное устройство; 9 –

уровнемер

В результате длительных испытаний при плавке свинцового агломерата

в шахтных печах с дутьем, нагретым природным газом, были установлены

следующие оптимальные условия плавки: температура дутья – 620–700 °С,

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.3. Шахтная плавка свинцового агломерата



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

удельный расход кокса – 11,5 %, расход природного газа на нагрев воздуха –

300 м

/ч, суммарный расход условного топлива – 13,8 %, удельная произво-

дительность – 47 т/ м

сут, содержание свинца в шлаке – 1,5 %.

Показатели плавки с холодным дутьем характеризуются следующими циф-

рами: удельный расход кокса 15–16 %, производительность печи – 32–40 т/м

сут,

содержание свинца в шлаке 1,5–2,0 %.

При оптимальных условиях плавки с нагретым дутьем расход кокса сни-

зился на 20 %, экономия суммарного расхода топлива (кокса и природного газа)

составила 5,4 % и, в результате, экономия на стоимости топлива – 14,5 %.

Прямое извлечение свинца в черновой металл при шахтной восстано-

вительной плавке составляет 90–93 %, а с учетом переработки всех промпро-

дуктов (шлаков, штейнов, шпейзы, пыли) достигает 97–98 %. Кроме свинца,

промпродукты содержат значительное количество ценных металлов, извле-

чение которых повышает комплексность использования сырья и снижает се-

бестоимость основного металла – свинца.

Медь при плавке с получением штейна на 70–80 % переходит в штейн,

при безштейновой плаке на 85 % переходит в свинец. Цинк концентрируется

в шлаке со степенью извлечения до 90 %. Благородные металлы на 98–99 %

извлекаются в черновой свинец.

В шлаки при шахтной плавки переходит более 80 % цинка, 20 % меди,

2–3 % свинца, а также германий (90 %) , индий (45 %), таллий (55 %), теллур

(30 %), селен (30 %), кадмий, олово и благородные металлы. Шлак, получае-

мый при плавке, содержит ценных металлов, %: 5–25 Zn; 1,5–2 Pb; 0,3–0,6 Cu;

0,05–0,1 Cd; 10–30 г/т Ag, редкие металлы.

Шлаки свинцовой плавки можно перерабатывать фьюмингованием,

вельцеванием и электроплавкой.

В настоящее время наибольшее распространение получил метод фью-

мингования, так как он обеспечивает высокое извлечение металлов в соот-

ветствующие продукты, высокую производительность оборудования, неболь-

шой расход угля или природного газа и возможность безотвальной техноло-

гии переработки шлаков.

Процесс фьюмингования заключается в продувке расплавленного шла-

ка воздухом в смеси с восстановителем (угольной пылью или природным га-

зом). В восстановительной среде при температуре 1

200–1 300 °С оксиды

цинка, свинца и других летучих металлов восстанавливаются, их пары возго-

няются в газовую фазу.

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.4. Переработка промпродуктов плавильного передела



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

Процесс осуществляют в печи шахтного типа прямоугольного сечения

с полностью кессонированными водоохлаждаемыми стенками (рис. 2.7

Размеры печи: ширина – 1,2–2,4 м, длина – 2–9 м, высота – 7–9 м. Площадь

сечения в области фурм – 3–24 м

. Под печи сделан из чугунных плит, охла-

ждаемых с помощью залитых в чугун трубок, по которым циркулирует вода.

Стенки газоходов чугунные с залитыми стальными змеевиками. На внутрен-

ней стороне кессонов для удержания на их поверхности гарнисажа наварены

в шахматном порядке штыри.

Рис. 2.7. Схема фьюминг-печи: 1 – опоры

основания печи; 2 – фурмы; 3 – заливочное

окно; 4 – загрузочная воронка; 5 – выпуск-

ные отверстия; 6 – ввод воздуха; 7 – ввод

углевоздушной смеси

На каждой длинной стороне печи установлены от 11 до 36 фурм (диа-

метром 55–100 мм) в зависимости от размеров печи. Каждая фурма имеет два

ввода: для смеси воздуха с восстановителем и для вторичного воздуха.

Фьюмингование проводят периодически. Процесс включает четыре ста-

дии: заливка шлака, разогрев его, восстановление и отгонку, выпуск шлака.

Масса загрузки шлака в печь в зависимости от ее размеров составляет 35–90 т.

После заполнения ванны фьюминг-печи до уровня 0,9–1,6 м шлак про-

дувают сначала сжатым воздухом, а затем угольной пылью. Температуру

шлака регулируют, меняя соотношение воздух – угольная пыль. На стадии

разогрева шлака подают воздух в количестве 80–100 % от необходимого для

полного сгорания угля. При этом расплавляются все твердые частица шлака

и температура в печи повышается до 1 200 °С. На стадии восстановления в

ванну шлака вдувают углевоздушную смесь с недостатком воздуха (60–75 %)

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.4. Переработка промпродуктов плавильного передела



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

для создания в печи сильно восстановительной атмосферы (около 80 % СО).

В этих условиях протекают реакции

ZnO + C = Zn + CO (2.64)

ZnO + CO = Zn + CО

(2.65)

ZnO·SiO

+ CO = Zn + SiО

+ CО

(2.66)

PbO + CO = Pb + CО

(2.67)

PbO·SiО

+ CO = Pb + SiО

+ CО

(2.68)

Восстановление оксида железа способствует полноте отгонки цинка и

свинца:

FeO + CO = Fe + CO

(2.69)

ZnO + Fe = Zn + FeO (2.70)

PbO + Fe = Pb + FeO (2.71)

PbS + Fe = Pb + FeS (2.72)

В пространстве над жидкой ванной и в газоходе пары металлов вновь

окисляются кислородом воздуха:

2Zn

пар

+ О

= 2ZnO (2.73)

2Рb

пар

+ О

= 2РbО (2.74)

Образовавшиеся оксиды в виде пыли уносятся газами из печи и улав-

ливаются в рукавных фильтрах.

Снижение концентрации цинка в шлаке по мере его отгонки обуслов-

ливает замедление процесса. Поэтому в конце фьюмингования целесообразно

повышать концентрацию СО в газовой фазе и температуру шлака. Повышение

температуры с 1 200 до 1 300 °С интенсифицирует отгонку цинка в 2 раза, а по-

вышение концентрации CO с 75 до 85 % – в 3–4 раза.

Фьюмингование шлака ведут обычно 2-3 ч. Расход угольной пыли дос-

тигает 20–25 % от массы шлака. За это время из шлака извлекают 90–94 %

цинка, 95–97 % свинца, 98 % кадмия, 95 % редких металлов (индий, герма-

ний, таллий, теллур, селен). Остаточное содержание цинка в шлаке составля-

ет 2–3 %, свинца – 0,05–0,1 %.

Медь и благородные металлы при фьюминговании остаются в шлаке,

что является одним из недостатков процесса. Для их извлечения рекоменду-

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.4. Переработка промпродуктов плавильного передела



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

ется обрабатывать жидкие шлаки после фьюмингования сульфидами в при-

сутствии восстановителя с целью выделения меди, серебра и золота в штейн

или сплав.

С целью интенсификации процесса фьюмингования шлаков были про-

ведены исследования по использованию воздуха, обогащенного кислородом,

подогретого дутья, металлургических восстановителей и испытано фьюмин-

гование шлаков с применением паровоздушного дутья.

При фьюминговании шлаков свинцовой плавки с применением возду-

ха, обогащенного кислородом до 25–28 %, обеспечивается увеличение про-

изводительности фьюминг–установки на 45–50 %. При этом расход угольной

пыли снижается на 15–20 %, извлечение цинка в возгоны увеличивается на

5–8 %. Интенсифицирующее действие кислорода объясняется снижением

объема газовой фазы, за счет сокращения количества азота в ней, а также

увеличением температуры в шлаковом расплаве. Подогрев дутья также обес-

печивает повышение температуры процесса, интенсифицируя горение уголь-

ной пыли и процесс восстановления оксида цинка.

Определенный интерес представляют способы усовершенствования

процесса фьюмингования шлаков путем использования в качестве восстано-

вителя таких элементов как железо, марганец, кремний, алюминий.

Железо – наиболее доступный и дешевый восстановитель. Его можно

использовать в виде стружки, магнитного концентрата от обогащения клин-

кера и других продуктов. Промышленные испытания показали, что исполь-

зование железа в качестве восстановителя позволяют интенсифицировать от-

гонку цинка из шлака в 1,5–1,8 раза.

Применение паровоздушного дутья при фьюминговании повышает

восстановительную способность газа за счет разложения водяного пара под

действием углерода при температуре 1 200–1 300 °С по реакциям

O + C = CO + H

– Q (2.75)

O + C = CO

+ 2H

– Q (2.76)

Совместная подача пара и кислорода в дутье повышает извлечение

цинка из шлака на 4–5 %. При подаче дутья во фьюминг-печь с содержанием па-

ров воды до 7 % можно увеличить производительность фьюминг-печи в 1,5 раза.

Это достигается в результате того, что в присутствии паров воды по выше-

приведенным реакциям выделяется водород, который при заданных темпера-

турах процесса является более эффективным восстановителем, чем оксид уг-

лерода. Тепловой эффект реакции взаимодействия паров воды с углеродом

эндотермический, и поэтому для поддержания необходимой температуры

следует обогащать дутье кислородом.

Существенным недостатком процесса фьюмингования шлаков являет-

ся использование угольной пыли. Применение угольной пыли требует строи-

тельства и эксплуатации дорогих и взрывоопасных установок для размола и

сушки угля, транспортировки пыли и дозирования ее при подаче в печь. Уголь-

2. МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

2.4. Переработка промпродуктов плавильного передела



Металлургия тяжелых цветных металлов. Учеб. пособие

ная пыль в шлаковой ванне сгорает не полностью. Механический вынос ее дос-

тигает 25 % от общего расхода. Это усложняет утилизацию тепла отходящих

из печи газов, улавливание и последующую переработку возгонов.

Были проведены исследования как у нас в стране, так и за рубежом по

фьюмингованию шлаков с применением природного газа. Исследования по

осуществлению процесса фьюмингования шлаков с продувкой через шлак

смеси воздуха с природным газом показали, что в этом случае шлак превра-

щается в тестообразную массу, барботаж газов прекращается, шлак из печи

не вытекает. Это происходило вследствие того, что кислород воздуха в пер-

вую очередь окислял оксид железа шлака по реакции

3FeO + 0,5O

= Fe

(2.77)

а не взаимодействовал с метаном и шлак насыщался магнетитом, который

делал шлак вязким и тугоплавким.

Лучшие результаты по фьюмингованию шлаков свинцовой плавки по-

лучаются с применением вместе с природным газом воздуха, нагретого до

550–600 °С, обогащенного кислородом до 32 % и с добавкой к шлаку твердо-

го угля. Тогда можно получить извлечение цинка в возгоны 85–90 % и

уменьшить продолжительность процесса вдвое, по сравнению с воздушным

дутьем и с использованием угольной пыли, и при этом сокращается удель-

ный расход условного топлива на 20 %.

В Гинцветмете и на некоторых отечественных предприятиях проводи-

ли испытания по использованию газа, предварительно сожженного в специ-

альных топках, и подаче горячих восстановительных газов с заданным со-

держанием СО, Н

, СО

и прочих компонентов.

Состав газовой фазы, выходящей из топок предварительного сжигания,

зависит от коэффициента избытка воздуха. Восстановительные характеристики

газовой фазы, а также температуру в ванне печи (от 1 150 до 1 350 °С) можно

регулировать в широких пределах, изменяя соотношение воздух – топливо.

Процесс вельцевания предназначен для переработки твердых шлаков.

Для осуществления процесса шлаки измельчают до крупности 0,3–0,5 мм и

смешивают с коксом. Шихту подают в трубчатую вращающуюся печь, где

при температуре 1 100–1 200 °С оксиды цинка, кадмия и других металлов

восстанавливаются печными газами и сразу же испаряются. Восстановлен-

ные металлы в потоке печных газов снова окисляются и улавливаются в сис-

теме пылеочистки газов, в виде возгонов (вельц-оксидов).

Химизм процесса вельцевания шлаков аналогичен химизму процесса

фьюмингования шлаков (реакции (2.64)–(2.74)

Трубчатая вращающаяся печь

(рис. 2.8) имеет длину 41–90 м и диаметр

2,6–4,5 м. Стальной барабан, внутри футерованный огнеупорным кирпичом,

расположен под углом 3–5

к горизонту, скорость его вращения 1–3 об/мин.

Удельная производительность трубчатой печи составляет 0,1–1,2 т/м

сут.