ОБЖИГ МЕДНЫХ КОНЦЕНТРАТОВ

В зависимости от содержания серы концентраты плавят без обжига – сырыми или после обжига. Предварительный обжиг – лишний передел, однако расходы на него окупаются за счет лучшего использования серы.

Целью обжига является окисление сульфидов, входящих в состав концентрата, для снижения содержания серы и последующей выплавки достаточно богатого штейна. Сульфиды, нагретые до температуры воспламенения, сгорают, выделяя тепло. Реакции горения сульфидов в общем виде для двухвалентного металла можно представить уравнением:

2МeS + 3О22МеО + 2SO2 + Q,

где Q – теплота, выделяемая реакцией, Дж или кал.

При взаимодействии кислорода с каким-либо сульфидом на поверхности его зерен образуется более или менее плотный и прочный слой оксидов. По ходу обжига толщина слоя оксида увеличивается, проникновение газов через него становится все более трудным, горение сульфида замедляется и может вовсе прекратиться. Понятно, что для мелких частиц это менее вероятно, чем для крупных, на которых слой оксидов может быть более толстым. Предварительное измельчение материала ускоряет обжиг: поверхность на единицу массы сульфида увеличивается (рис. 27).

Рис. 27. Схема окисления зерна сульфидного минерала

Окисление сульфидов требует постоянного обмена веществ между твердой и газовой фазой: доступа кислорода к сульфиду и отвода продукта реакции – сернистого газа. Все это совершается путем диффузии газов через поры и разрывы слоя окислов.

Скорость диффузии газов через поры и разрывы оксидного слоя возрастает с температурой, однако повышение ее ограничивают изза опасности оплавления зерен.

Скорость диффузии зависит и от разности парциальных давлений кислорода и сернистого газа на границе с окисным слоем (см. рис. 27). Чем меньше содержание SO2 и выше содержание О2 в газах, окружающих частицы сульфида, тем интенсивнее диффузионный обмен веществ между твердой и газовой фазой – тем больше скорость обжига. Поэтому частицы, падающие в газе или находящиеся в нем, во взвешенном состоянии обжигаются быстрее лежащих в слое. Горение в слое можно несколько ускорить и перемешиванием.

Меньшая часть тепла, выделяемого при горении сульфида, расходуется на повышении температуры горящего зерна, а большая часть рассеивается в среду. При обжиге падающих или взвешенных частиц приход тепла в единицу времени существенно больший, а скорость отдачи его среде почти прежняя. Поэтому тепло накапливается в горящих частицах, повышая их температуру, а значит и температуру обжига.

Температура воспламенения разных сульфидных минералов различна. Кроме того, она зависит от размера зерна, для крупных зерен температура воспламенения выше, чем для мелких.

Средняя крупность частиц флотационных медных концентратов около 0,07 мм. Их главная горючая составляющая – пирит, содержание которого достигает 40–50 %. При сгорании 1 кг пирита до Fe2O3 выделяется 6749,4 Дж (1607 ккал) – количество тепла, вполне достаточное для самопроизвольного горения концентрата. Поэтому для работы обжиговых печей не требуется затрат топлива и обжиг – сравнительно дешевый процесс.

Для обжига медных концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегребанием и печи кипящего слоя. Многоподовая печь (рис. 28) представляет собой вертикальный цилиндр из листовой стали; печь внутри футерована (выложена) шамотным кирпичом. По высоте печь разделена купольными подами из шамотного кирпича или жаропрочного бетона. Поды нумеруют сверху вниз, причем самый верхний – открытый считают нулевым; это – подсушивающий под.

Рис. 28, Многоподовая обжиговая печь: 1 – кожух; 2 – огнеупорная футеровка: 3 – поды; 4 – центральное пересыпное отверстие; 5 – краевое пересыпное отверстие; 6 – вал: 7 – рукоятка; 8 – гребок; 9 – газоход; 10 – привод; 11 – рабочие окна

 

На стальном вертикальном вале укреплены рукоятки из жаропрочного чугуна, по две над каждым подом, на рукоятки косо насажены лопаткообразные гребки. Нижний конец вала опирается на подпятник и имеет редукторный привод от мотора. Вращаясь со скоростью 2–3 об/мин, вал не только перемешивает гребками материал на подах, но и передвигает его либо от центра к краям, либо от краев к центру пода. Противоположное движение материала на четных и нечетных подах достигается благодаря установке гребков под разными углами к осям рукояток.

Концентраты обжигают в смеси с флюсами, необходимыми при последующей плавке. Это выгодно: шихта хорошо перемешивается в обжиговой печи и нагревается теплом от горения сульфидов.

Шихта непрерывно подается механизированным питателем на середину подсушивающего пода и гребками постепенно пересыпается на первый под. Движение ее по первому поду направлено к кольцеобразному проему, через который она ссыпается на второй под и т. д. Таким образом шихта проходит через всю печь и выгружается из нее. Воздух, необходимый для окисления сульфидов, засасывается через окна. Газы движутся снизу вверх, навстречу шихте, проходя такой же зигзагообразный путь, и удаляются через газоходы с первого пода печи.

При пуске средние и нижние поды печи разогревают форсунками или временными топками, действие которых после воспламенения концентратов прекращают.

Максимальная температура при обжиге 850 °С развивается на средних подах. Более высокая температура опасна из-за возможности частичного оплавления и спекания концентрата и поломки рукояток.

Для удлинения срока службы рукоятки охлаждают воздухом. Каждая из них состоит из двух концентрично установленных труб, внешняя из них заглушена и несет на себе гребки. По внутренней трубе подается охлаждающий воздух, который удаляется в пространство полого вала или в печь.

Обжиговые печи, обычно применяемые для обжига медных концентратов, имеют десять рабочих подов и один подсушивающий. Наружный диаметр такой печи 6,5 м, высота 9,6 м.

Перемещаясь сверху вниз по подам обжиговой печи, концентрат постепенно нагревается до температуры, при которой наступает воспламенение сульфидов или разложение высших сульфидов на простые сульфиды и серу по реакциям:

2FeS2 → 2FeS + S2;

4FeS + 7О2 → 2Fe2O3 + 4SO2;

Cu2S + 2О2 → 2СuО + SO2;

2ZnS + 3O2 → 2ZnO + 2SO2;

S2 + 2O2 → 2SO2.

Подобно высшим сульфидам диссоциирует арсенопирит:

FeAsS → FeS + As.

Мышьяк легко летуч, он испаряется и окисляется в газах до As2O3:

4As + 3O2 → 2As2O3.

При большом избытке воздуха наблюдается дальнейшее окисление:

As2O3 + O2 →As2O5.

Возможно и непосредственное окисление арсенопирита, однако оно приводит к тем же результатам:

2FeAsS + 5Q2 → Fe2O3 + As2O3 + 2SO2.

Давление паров As2O3 достигает 98,1 кПа (1 ат.) уже при 460 °С, поэтому мышьяк легко удаляется из печи с обжиговыми газами. Давление же паров As2O5 сравнительно невелико, кроме того, этот кислотный оксид взаимодействует с основными оксидами FeO или СаО, образуя арсенаты, например Fe3(AsО4)2, чем больше избыток воздуха при обжиге, тем больше мышьяка связывается в арсенаты и остается в огарке.

Сернистый газ частично окисляется избыточным кислородом до SО3, который с окислами металлов может образовать сульфаты, стойкие при высоких температурах, например, сульфаты свинца и кальция.

Твердые составляющие обжигаемого концентрата взаимодействуют между собой: кислотные оксиды SiO2, Аl2О3, Fe2O3 реагируют с основными окислами FeO, СаО, Cu2O и др., образуя соединения типа солей: силикаты, алюминаты и ферриты.

Разложению карбонатов способствует присутствие SiO2 и SО3, образующих более прочные соли, поэтому

СаСО3 + SO3 → CaSO4 + СО2;

2СаСО3 + SiO2 Ca2SiO4 + 2СО2;

2MgCO3 + SiO2 → Mg2SiO4 + 2CO2.

Реакции между твердыми веществами часто не завершаются из-за нарушения контакта между ними, поэтому в обожженном концентрате зачастую находится значительное количество исходных веществ и конечных продуктов реакций.

Температура в обжиговых печах зависит от содержания серы в концентрате, количества концентрата, загружаемого в единицу времени, и количества поступающего в печь воздуха. С повышением температуры производительность печей увеличивается. Выбор температурного режима зависит от состава обжигаемого сырья, главным образом от наличия в нем легкоплавких составляющих. Спекание медных концентратов может быть вызвано образованием сплавов FeSCu2S, минимальные температуры, плавления которых находятся в пределах 960–1000 °С. Температура в отдельных очагах горения, например, около движущегося гребка, часто значительно превышает среднюю в массе шихты. Учитывая все эти факторы, температуру при обжиге медных концентратов обычно поддерживают не выше 850 °С.

Количество подаваемого в печь воздуха ограничено необходимостью получать отходящие газы с содержанием не менее 4 % SO2, чтобы они были пригодны для производства серной кислоты. Кроме того, повышенный расход воздуха приводит к усиленному пылеобразованию: отходящие газы уносят из печи в виде пыли 10–12 % обжигаемого материала.

Многоподовые обжиговые печи громоздки и мало производительны. Одна печь указанного выше размера обжигает в сутки до 250 т шихты, снижая содержание серы в ней с 24–25 до 10–12 %. Обжиговые газы содержат до 7 % SO2. Надо заметить, что и эти сравнительно невысокие технико-экономические показатели достигаются только благодаря постоянному контролю химического состава и крупности шихты, состава огарка, температуры газов на подах и количества подаваемого воздуха. Для постоянного контроля режима обжига – температуры и тяги в печи – применяются самопишущие приборы.

В середине XX века в металлургии меди начали применять более производительный способ обжига – в кипящем слое – (КС). От описанного выше он отличается не только высокой производительностью, но и возможностью получать отходящие газы, более богатые SO2.

Печи КС, используемые теперь для обжига разных материалов, имеют форму цилиндра, реже – призмы. Свод и стены, укрепленные стальным кожухом, футеруют шамотным кирпичом. Подом служит стальная плита, защищенная от действия высокой температуры слоем жаростойкого бетона. В ней сделаны отверстия для воздушных сопел, расположенные в шахматном порядке. Снизу плотно примыкают воздушные коробки (рис. 29).

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector