Р ис. 5.56. Схема распределения химических процессов по высоте шахтной печи при полупиритной плавке
Существо химических процессов в шахтной печи принципиально не отличается от процессов в отражательных печах. В результате плавки образуются те же две жидкие фазы: штейн (содержащий сульфиды Cu2S; FeS; ZnS) и шлак (куда, кроме шлакообразующих SiО2; А12О3; СаО; MgO, переходит и определенное количество FeO и ZnO). Как и при отражательной плавке, основной реакцией в нижней части печи является горение FeS с образованием силиката железа: 2FeS+3О2+ SiО2=Fe2SiО4+2SО2+1030 кДж/моль. (5.14)
Специалистами разработаны методы расчета шахтной плавки, позволяющие определить осноьные технологические показатели.
Так, например, при плавке 100 кг руды, содержащей 5,65% Сu; 25,9% S; 20,0% Fe; 6,2% Zn; 23,3% SiО2; 4,0% CaO; 10,2% A12О3, были получены следующие результаты.
Состав шихты: 100 кг руды; 23 кг конвертерного шлака; 7 кг кокса; 5,7 кг известняка.
Получено при плавке:
26 кг штейна, содержащего 22,1 % Сu; 25,4% S; 11,1 Fe; 5,0% Zn;
79,1 кг шлака, содержащего 43% FeO; 35,4 SiО2; 9,2% СаО; 14,9% А12О3;
142 м3 колошникового газа,
содержащего 6, 0% О2; 8,4% СО2; 5,8% SО2.
Полученные расчетные данные позволили составить тепловой баланс плавки (табл. 5.13).
Электрические печи целесообразно использовать для плавки медных руд в том случае, когда в данном районе имеется достаточное количество дешевой электрической энергии или когда получающиеся шлаки тугоплавки (с повышенным содержанием MgO или А12О3).
Применяемые в цветной металлургии электропечи (рис. 5.57), как правило, имеют прямоугольное сечение (шириной 5-6 и длиной 12-25 м), 3 или 6 электродов (диаметром 1,2-1,5 м), расположенных в одну линию.
Для обеспечения устойчивой работы печи шихта не должна содержать влагу и пылевидные фракции. Наиболее целесообразно рудный материал в плавке использовать в виде аг-
ломерата или окатышей крупностью 10-20 мм.
Таблица 5.13
Тепловой баланс полупиритной плавки
Загрузка шихты в печь производится через отверстия в своде, а периодический выпуск шлака и штейна - через соответствующие шпуровые отверстия, находящиеся в противоположных торцевых стенках.
Рис. 5.57. Схема электрической печи для выплавки штейна:
I - загрузочные устройства;
2 - огнеупорная кладка; 3 - электроды; 4 - токоподводы
С теплотехнической точки зрения электрические печи являются более совершенными агрегатами, чем отражательные - коэффициент использования тепла составляет 60-80%. Здесь не требуется расходовать тепло на нагрев газа, так как тепло выделяется в результате прохождения электрического тока через расплавленный оксидный шлак. Регулирование мощности печи, а следовательно, и температуры производят путем изменения глубины погружения электродов в шлак, а также изменением величины напряжения на электродах. Во избежание короткого замыкания ни к коем случае нельзя опускать электроды в штейн (электропроводность которого в 100-200 раз выше, чем шлака).
Печь работает с глубокой ванной: толщина слоя шлака 1900 мм, штейна 600-800 мм.
При выплавке медного штейна газовая фаза печи не играет сколько-нибудь существенной роли - все химические процессы протекают в расплавах (штейне и шлаке). В газ переходит лишь небольшое количество SO2, образовавшегося в результате окисления FeS «твердым» кислородом Fe2О3 и Fe3О4. Концентрация SO2 в газе 1-2%.
Положительной особенностью работы электрических печей является интенсивное кругообразное движение шлака вблизи электродов. Благодаря этому ускоряется процесс плавления и растворения твердой шихты.
Для завершения физико-химических процессов, разделения шлака и штейна необходимо выдержать расплавы в печи не менее 6 ч.
Обычно газовая атмосфера в электропечи слабо окислительная (за счет подсоса воздуха). Но в случае необходимости ее можно сделать восстановительной, загрузив на поверхность шлака некоторое количество кокса. В этом случае будет происходить восстановление оксидов ZnO, РЬО.
Удельный расход электроэнергии на плавку на разных заводах изменяется от 400 до 800 кВт ч/т шихты. В пересчете на тепло это составляет 400 3,6 = 1440 - 2880 МДж/т шихты.
Наиболее перспективными способами плавки пылевидных концентратов являются автогенные, когда в максимальной степени используется теплотворная способность сульфидных минералов и сокращается до минимума расход углеродистого топлива. Благодаря высокой удельной поверхности мелких концентратов процессы нагрева, окисления, плавления завершаются в течение нескольких секунд, в то время как продолжительность плавки в отражательных, электрических и шахтных печах составляет несколько часов. При автогенной плавке расширяются возможности регулирования процессов десульфуризации, т.е. содержания меди в штейне, вплоть до получения черновой меди.
В зависимости от места окисления сульфидов газообразным кислородом автогенные процессы можно разделить на две группы:
- процессы с окислением и плавлением шихты в газовой фазе;
- процессы с окислением и плавлением шихты в объеме расплава.
К первой группе относятся циклонная, кислородно-факельная плавка, плавка во взвешенном состоянии, наиболее широко применяющаяся в металлургии меди.
Кислородно-взвешенная плавка («финская плавка»). Схема плавильного агрегата приведена на рис. 5.58.