1.3.3 Плавка на штейн в шахтных печах
Шахтная плавка медных руд является наиболее старым способом плавки на штейн, существовавшим несколько столетий и сохранившим свое практическое значение до настоящего времени.
Шахтная печь представляет собой плавильный аппарат с вертикальным рабочим пространством, похожим на шахту (рис. 1.2). В поперечном сечении шахтные печи цветной металлургии имеют прямоугольную форму. Шихту, состоящую из руды и флюсов, и топливо периодически загружают на колошниковой площадке отдельными порциями, называемыми колоши. В нижней части печи через фурмы вдувают воздух. В области фурм топливо (кокс или сульфиды перерабатываемой шихты) сгорает, и там развиваются самые высокие температуры (до 1300- 1600°С). Зона высоких температур называется фокусом печи. За счет выделяющейся теплоты в фокусе печи происходит плавление шихты и завершается образование продуктов плавки.
Жидкие продукты плавки (шлак и штейн) стекают во внутренний горн, откуда они совместно выпускаются по сифонному желобу в передний горн на отстаивание. Раздельный выпуск штейна и шлака осуществляется из переднего горна.
По мере плавления шихта опускается вниз, а на ее место загружают новые порции. Газы, образовавшиеся в области фурм и выше, поднимаются вверх, пронизывают столб опускающейся шихты и отдают ей свою теплоту. Теплообмен между газами и шихтой по принципу противотока обеспечивает самый высокий коэффициент использования теплоты, наблюдающийся в металлургических печах и достигающий в шахтных печах 80- 85 %.
По сравнению с большинством других плавильных печей в шахтных печах можно плавить только кусковой материал крупностью 20- 100 мм. В случае переработки мелкой шихты (руды или концентратов) ее необходимо подвергать предварительному окускованию методами агломерации или брикетирования.
Применительно к переработке медных руд и концентратов возможны четыре разновидности шахтной плавки: восстановительная, пиритная (окислительная), полупиритная и усовершенствованная пиритная или медно-серная. В современной металлургии меди сохранили свое практическое значение при переработке рудного сырья только два последних метода. Восстановительную шахтную плавку используют до настоящего времени как основной метод получения черновой меди из вторичного сырья.
При восстановительной плавке, пригодной для переработки окисленного или вторичного сырья, вся необходимая для процесса теплота получается за счет сжигания кокса, расход которого составляет не менее 15% от массы твердой шихты.
Пиритная плавка в противоположность восстановительной теоретически полностью может протекать за счет теплоты от окисления (сжигания) самой сульфидной шихты, имеющей теплоту сгорания 5000- 6000 кДж/кг. Вследствие очень напряженного теплового баланса на практике в печь вводили до 2 % кокса. Пиритная плавка, пригодная для переработки только высокосернистых руд, содержащих не менее 42% серы, в чистом виде потеряла свое практическое значение.
Рис.1.2 Схема устройства и работы шахтной печи:
1 — внутренний горн; 2 — колошник; 3 — шахта печи; 4 — фурма; 5 — выпускной желоб; 6 — наружный (передний) горн-отстойник
В тех случаях, когда сульфидов в исходной шихте не хватает для автогенного ведения шахтной плавки, недостаток теплоты компенсируют сжиганием углеродистого топлива. Такой вид шахтной плавки, при которой теплота получается как от горения сульфидов, так и от сжигания топлива, получил название полупиритной. Расход кокса при этом виде шахтной плавки изменяется от 5 до 12 %. Таким образом, полупиритная плавка занимает промежуточное место между восстановительной и пиритной плавками.
Основные процессы, определяющие ход и характер полупиритной плавки, развиваются в фокусе печи, где достигаются максимальные температуры (до 1600 °С) и протекают процессы горения кускового кокса и сульфидов (в твердом и жидком состояниях), плавления компонентов шихты, штейно- и шлакообразования. Основные реакции этой зоны печи следующие:
С + O2 = СO2 + 393780 кДж; (1.8)
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 937340 кДж; (1.9)
2FeO + SiO2 = 2FeO • SiO2 + 92950 кДж. (1.10)
Для успешного и быстрого завершения этих реакций плавку нужно вести форсированно с большим избытком дутья — до 100% от теоретически необходимого. Интенсификации процесса полупиритной плавки способствуют обогащение дутья кислородом и его подогрев.
При большом избытке воздуха кислород дутья не успевает израсходоваться в фокусе печи и в большом количестве выносится в верхние слои шихты, в подготовительную зону. В результате этого в верхней части столба шихты наряду с обычными для этой зоны процессами нагрева, сушки и термической диссоциации высших сульфидов и карбонатов происходит горение твердых сульфидов. [8]
Рис.1.3. Шахтная печь для медной плавки:
1 — газоход; 2 — шатровый колошник; 3 — створки загрузочных окон;. 4 — загрузочные плиты; 5 —шахта печи; 6 — кессоны; 7 — система охлаждения кессонов; 8 — кольцевой воздухопровод; 9 — фурмы; 10 — лещадная плита; 11 — фундамент; 12 — выпускной желоб; 13 — передний горн.
Шахтная печь для полупиритной плавки (рис. 1.3.) покоится на массивном фундаменте. Основание печи — прямоугольную чугунную плиту — устанавливают на стальных колоннах или домкратах. Стены шахты собирают из водоохлаждаемых плоских железных коробок — кессонов. На внутренней (огневой) стороне кессонов нарастает слой застывшего шлака (гарнисаж), который работает как огнеупор.
Кессонированная часть печи в горизонтальном сечении имеет прямоугольную форму, а в вертикальном — форму трапеции с меньшим основанием внизу. В области фурм ширина печи составляет 1,4 м, длина — от 4 до 12 м; высота (от лещади до колошника) — до 7 м. Фурмы для вдувания воздуха закреплены на кессонах.
Жидкие продукты плавки — штейн и шлак — выпускаются непрерывно через желоб с порогом в передний горн с овальным поперечным сечением.
Отстойник представляет собой железное корыто; футерованное изнутри огнеупорным кирпичом и оборудованное 2- 4 шпурами для выпуска штейна и желобами для непрерывного удаления шлака. Свода передний горн не имеет — им служит корка застывшего шлака. В последнее время на некоторых заводах отстойные горны шахтных печей оборудуют электрообогревом, осуществляемым пропусканием через слой жидкого шлака электрического тока с помощью погруженных в него угольных электродов.
Содержание меди в штейнах в зависимости от состава перерабатываемого сырья изменяется от 15 до 50%, шлаки содержат:
SiO2: 35- 40%; FeO: 45- 60%; СаО 3- 12%; Сu 0,3- 0,35%.
Полупиритная плавка характеризуется следующими технико-экономическими показателями:
Содержание меди, %: в шихте 15- 30; в штейне 30- 60; в шлаке 0,5- 1,0.
Содержание серы в шихте, 12- 30 %; степень десульфуризации 60- 75%.
Извлечение меди в штейн 90- 92%; расход кокса от шихты 5- 12%.
Полупиритным процессом можно плавить богатую кусковую руду и агломерат, полученный агломерирующим обжигом флотационных концентратов.
Шахтная плавка является сравнительно дешевым технологическим процессом. Для ее осуществления требуется мало огнеупоров; применяются простые и дешевые конструкции печей, занимающие небольшие производственные площади. Достоинствами этого вида плавки являются пригодность процесса для малых масштабов производства, так как шахтные печи могут быть построены любой длины, и высокая удельная производительность.
Ограниченность применения шахтной плавки обусловлена почти полным отсутствием пригодного для этого вида плавки рудного сырья и низкой степенью комплексности его использования. [9]