Интенсификация процесса плавки медного сырья

Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.

Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в первую очередь, температуры их плавления приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ.

Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение более тугоплавких веществ в этих расплавах.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения являются диффузионными и поэтому протекают значительно медленнее процессов расплавления легкоплавких компонентов.

Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций.

В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.

На скорость растворения кремнезема в фаялитовом расплаве наибольшее влияние оказывает интенсивность движения шлака, крупность частиц флюса и его реакционная способность. В условиях отражательной плавки (при которой наблюдается наименее интенсивное перемешивание по сравнению с другими известными пирометаллургическими процессами) около 50—60 % кварцевого флюса, несмотря на длительное пребывание в расплаве (10—15 ч), не успевает полностью раствориться в шлаке. Мелкие частицы кварца образуют тонкую взвесь, а более крупные плавают на поверхности шлаковой ванны в виде "кварцевой шубы". Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.

Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака.

Значительная часть меди находится в шлаках в виде эмульсии — мелких капель штейна. Кроме того, при восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц.

Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом

Наиболее эффективным приемом ускорения коалесценции штейно-вой взвеси является перемешивание шлака с получающимся при плавлении штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шпака каплями штейна заметно обедняют шлак.

Сочетание процессов восстановления и перемешивания шлака со штейном позволяет резко интенсифицировать укрупнение штейновых частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака требуется менее 1 ч вместо 8—12 ч.

Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.

Анализ переработки сульфидного сырья на штейн позволил выявить роль и взаимосвязь последовательных элементарных стадий физико-химических превращений и установить, что оптимизация технологии плавки требует определенного сочетания следующих условий:

8 создание условий для высокой степени использования кислоро

9 да газовой фазы в локальной зоне металлургического реактора, от

10 деленной от конечных продуктов плавления;

11 обеспечение высокой скорости массообменных процессов в сис

12 теме исходные твердые компоненты — конечные расплавы;

3) создание условий для достижения заданного приближения к

равновесию между конечными продуктами плавки;

4} ускорение укрупнения диспергированного штейна или металла и обеспечение полноты разделения продуктов плавки.

Результаты научных разработок позволили сформулировать основной принцип новой технологии: плавление сырья и массообмен осуществляются в турбулентно перемешиваемой ванне эмульсии штейна (металла) в шлаке.

Перемешивание расплава при барботаже его технологическими газами, образующимися при, подаче дутья в расплав через боковые фурмы, обеспечивает требуемую степень турбулизации для ускорения металлургических превращений в зоне расплава выше уровня фурм.

При этом обеспечивается коалесценция мелких штейновых капель и формирование составов фаз, близких к конечным. Расслаивание штейна и шлака организовано в прямоточном потоке вертикально движущихся расплавов. Это обеспечило совмещение в одном агрегате для непрерывного процесса реакционной зоны с высокой степенью турбулентности движения барботируемого расплава и зоны с ламинарным движением расплава, необходимой для организации разделения и отдельного выпуска шлака и штейна (металла).

Научно обоснованная оптимизация организации физико-химических процессов и движения расплава позволила создать новую технологию — плавку в жидкой ванне