Шахтная восстановительно - сульфидирующая плавка на штейн.

Плавка на штёйн окисленных никелевых руд проводится в шахтных печах, которые требуют прочной кусковой, пористой шихты. Этим требованиям природные окисленные никелевые руды не удовлетворяют, и перед плавкой их подвергают окускованию методом бри­кетирования или агломерации.

Брикетирование проводят на валковых прессах в брикеты яйцеобразной формы массой 0,2-0,3 кг каждый. Перед брикетированием руду измельчают на мо­лотковых дробилках и подсушивают. Связующим материа­лом служит глина, содержащаяся в руде. В состав шихты брикетирования вводят сульфидизатор. Гото­вые брикеты сушат теплом отходящих газов шахтных пе­чей. Брикетирование без связующего - сравнительно деше­вая и простая операция. Однако получающиеся брикеты имеют недостаточную прочность, совершенно негазопрони­цаемы и содержат влагу. Их плавка требует повышенного расхода топлива и характеризуется меньшей удельной про­изводительностью.

Агломерация (спекание) - более дорогой и сложный метод подготовки руды по сравнению с брикетированием. Однако с технологической точки зрения он является более совершенным процессом. Агломерация позволяет по­лучать термически подготовленный пористый ма­териал с достаточно высокой механической прочно­стью. Для агломерации использу­ют ленточные агломерационные машины с площадью вса­сывания 50 и 75 м².

Рис.6.3 Агломерационная машина площадью спекания 50 м²:

1-привод; 2-бункер для загрузки постели; 3-бункер для загрузки шихты; 4-горн для зажигания шихты; 5-тележка; 6-камеры разрежения; 7-каркас машины [3, стр.166]

Для приготовления шихты к руде добавляют обо­ротный агломерат и коксик (мелкий кокс), расход которых от массы руды соответственно составляет 18-20 и 8-10 %. Крупность руды и оборота 20-30 мм, коксика 5 мм. При смешении шихты ее увлажняют до оптимальной влажно­сти 21-23 %. Агломерат или брикеты являются рудной составляющей шихты при плавке на штейн. Цель шахтной плавки - мак­симальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Образование штейна происходит в результате восстановления и сульфидирования никеля, кобальта и частично железа, содер­жащихся в руде в форме оксидов и силикатов. Поэтому плавка окисленных никелевых руд в шахтных пе­чах получила название восстановительно-сульфидирующей плавки.

Никелевый штейн представляет собой сплавы сульфи­дов никеля и железа, в котором растворены свободные ме­таллы - никель и железо (ферроникель). Такой штейн на­зывают металлизированным; он характеризуется перемен­ным содержанием серы. Правило Мостовича на никелевый штейн не распространяется. Обычно заводской штейн со­держит, %: 15-18 Ni; 60-63 Fe; 0,4-0,6 Со; 16-20 S и 1-2 прочих. Получение более богатого никелем штейна нежелательно, так как это ведет к увеличению потерь ни­келя в шлаках.

Шихта для плавки состоит из брикетов или агло­мерата, оборотов, флюсов и сульфидизатора. Так как окис­ленные никелевые руды являются силикатными, то в ка­честве флюса при плавке используют основной флюс - из­вестняк. Сульфидизаторами железа и никеля служат гипс или пирит, а топливом - кокс. Расход сульфидизатора (гипса или пирита) определя­ется требованиями к составу получаемого штейна и вели­чиной десульфуризации при плавке.

Основными процессами шахтной плавки окисленных никелевых руд являются горение топлива, штейно- и шлако­образование и разделение жидких продуктов плавки.

Качество сжигания топлива и распределение газовых по­токов являются едва ли не самыми главными факторами, определяющими многие технологические параметры шахт­ной плавки: производительность печей, расход топлива, из­влечение металлов и т. д. Горение углерода кокса происхо­дит за счет кислорода, подаваемого в печь через фурмы с воздухом или обогащенным дутьем. Вблизи фурм, имеется большой избыток кислорода, кокс сгорает по реакции

С + О₂= СО₂ + 393780 кДж.

По мере удаления от фурм горение становится неполным

C+1/2 O₂= CO + 172200 кДж

Зона печи, в которой в газо­вой фазе присутствует свободный кислород, называется кислородной. В шахтных печах она простирается от фурм вверх и внутрь печи на 500-600 мм.  Образующиеся при горении кок­са горячие газы поднимаются вверх, нагревают шихту и вступают с ней в химическое взаимодействие. В пер­вую очередь это взаимодействие приводит к образованию новых ко­личеств СО по реакции

СО₂ + С = 2СО.

В результате - в облас­ти фурм концентрация СО в центре печи достигает 24 %.

Для шахтных печей ни­келевой плавки типичен периферий­ный ход печи, что связано с нерав­номерным распределением шихты, при ее загрузке в условиях низкой высоты столба шихты. Для периферийного хода характерно распределение температур, показанное на рис. В фокусе печи развиваются температуры до 1600-1700 °С. На вы­ходе из печи газы содержат 10-16 % СО₂ и 8-16 % СО и имеют температуру около 500-600 °С.

Цель шахтной плавки окисленных никелевых руд - максимальное извлечение никеля и кобальта в штейн и ошлакование пустой породы. Процессы штейно- и шлако­образования тесно связаны с протеканием реакций восста­новления оксидов и их сульфидирования.

Реакции восстановления протекают при взаимодействии газовой фазы, содержащей значительные количества СО, и твердого углерода кокса с брикетами или агломератом и получающимися при плавке расплавами. Результатом вос­становления является образование низших оксидов железа и металлической фазы по реакциям:

NiО + СО = Ni + CO₂

NiSiO₃ + СО = Ni+ СО₂ + SiO₂

Fe₂O₃ + СО = 2FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Химизм сульфидирования более сложен и различен при использовании гипса и пирита. Гипс под воздействием высоких температур в конечном итоге полностью превращается в оксид кальция (СаО), пе­реходящий в шлак, по реакциям:

CaSO₄ ^.2H₂O = CaO + SO₃ + 2 H₂O

CaSO₄ + 4 СО = CaS + 4 СО₂

3CaSO₄ + CaS = 4 CaO + 4 SO₂

Образовавшиеся по реакциям cepycoдержа­щие газы и частично сульфид кальция сульфидируют ни­кель и железо:

3 NiО + 7 СО + 2 SO₂ = Ni₃S₂ + 7 CO₂

FeO + 3 СО + SO₂ = FeS + 3 СО₂

FeO + CaS = FeS + СаО

Получившаяся в результате восстановления и сульфидирования сульфидно-металлическая фаза (Ni₃S₂, FeS, CoS, Ni, Fe), сплавляясь, образует никелевый штейн.

При сульфидировании пиритом FeS₂ процесс начинается с его термического разложения на FeS и элементарную се­ру, которые вместе с SO₂, образующимися при окислении сульфидов железа и серы, сульфидируют закись никеля.

Процессы сульфидирования заканчиваются в нижних горизонтах печи по реакции

3 NiО + 2 FeS + Fe = Ni₃S₂ + 3 FeO.

Использование пирита в качестве сульфидизатора поз­воляет регулировать состав штейнов и получать их с мень­шим количеством ферроникеля, т.е. более сернистыми. К обеднению штейнов никелем ведет введение в шихту больших количеств пирита, вследствие чего в штейн переходит больше FeS. Избыток гипса такого эффекта не дает, так как гипс в конечном итоге весь переходит в шлак в ви­де СаО. Выход штейна при плавке окисленных никелевых руд не­большой и составляет от 3 до 8 % от массы руды.

Образование шлака происходит в результате взаимо­действия оксидов пустой породы с оксидами железа, обра­зующимися при восстановлении и сульфидировании и их плавлении. Выход шлака при плавке окисленных никелевых руд достигает иногда 120-130 % (обычно 95-105 %) от мас­сы переработанного рудного сырья. Это обусловлено необ­ходимостью вводить в шихту в качестве флюса больших количеств известняка (до 30% от массы руды), особенно при переработке высококремнистых руд. Следовательно, плавка окисленных никелевых руд на штейн фактически является плавкой на шлак. По этой причине правильный выбор состава шлака определяет многие технико-экономи­ческие показатели и особенно потери никеля со шлаками. Оптимальными при плавке на никелевый штейн счита­ются шлаки, содержащие, %: 44-46 SiO₂; 18-22 FeO; 15-18 СаО; 8-12 % MgO; 4-10 % А1₂О₃.

Содержание никеля в шлаках зависит от многих факто­ров и в значительной степени от содержания оксида желе­за в шлаке и никеля в штейне. Чем больше будет в шлаке FeO и чем богаче никелем будет получающийся штейн, тем больше никеля перейдет в шлак. Практически установленное правило, согласно которо­му процентное соотношение никеля в штейне и в шлаке (коэффициент распределения) равно примерно 100±10, хо­рошо соблюдается для заводских условий. При плавке на штейн с 15-18% Ni шлаки обычно содержат 0,12-0,2 % Ni. Это отвечает прямому извлечению никеля в штейн в пределах 70-85 %, а в шлак до 25 % Ni от его содержания в руде.

Количество уносимой газами пыли зависит от расхода воздуха, физического состояния шихты и высоты ее за­грузки. В среднем при плавке агломерата пылевынос сос­тавляет около 15 %, а при плавке брикетов 5-10 %. Пыль по химическому составу почти не отличается от шихты и после улавливания направляется в оборот.

Шахтные печи никелевой плавки имеют те же конструктивные элементы, что и другие шахтные печи за­водов цветной металлургии. Применяемые в никелевой про­мышленности шахтные печи в области фурм имеют площадь поперечного сечения 13,5-25 м, длину до 15 м, ши­рину в области фурм 1,4-1,6 м и высоту шахты 4,5-6 м. Поперечный профиль печей характеризуется либо парал­лельностью боковых стен, либо расширением их книзу (рис.6.4).

Шахтные печи для плавки окисленных никелевых руд отличаются большим объемом внутреннего горна и отсут­ствием водяного охлаждения его стенок. При охлаждении расплава в горне он зарастает в результате выделения (кристаллизации) тугоплавкого ферроникеля.

До недавнего времени стены шахтных печей на никеле­вых заводах изготавливали из водоохлаждаемых кессонов, а шатер на колошнике выполняли в виде огнеупорной клад­ки в металлическом каркасе или также из кессонов. Кессоны шахтных печей - сварные коробчатые конструкции из листовой стали с патрубками для ввода и вывода охлаждающей воды. Перепад темпе­ратуры входящей и выходящей воды обычно составлял 5-15 °С. В этих условиях каждый литр (кг) воды отбирал максимально 4,18-15=630 кДж тепла (4,18 - теплоем­кость воды, кДж/(кг-°С)).

Рис.6.4 Профили шахтной печи с испарительным охлаждением стенок шахты и шатра:

1-кессонированный колошник; 2-шахта печи; 3-кольцевой воздухопровод; 4-фурма; 5-горн печи; 6-фундамент [6, стр.62]

В настоящее время применяют более эффективный спо­соб отвода избыточного тепла - испарительное охлажде­ние. Сущность способа состоит в использовании скрытой теплоты испарения воды (2253 кДж/кг), т. е. замены холод­ной воды на кипящую. Если принять во внимание, что температура поступающей воды обычно составляет около 30°С, то для ее нагрева до тем­пературы кипения потребуется еще около 290 кДж тепла. Таким образом, при испарительном ох­лаждении каждый килограмм во­ды будет отбирать от охлаждае­мых элементов около 2550 кДж тепла, т. е. примерно в 40 раз больше, чем при использовании кессонов. Во столько же раз уменьшается расход охлаждаю­щей воды. Полученный при испаритель­ном охлаждении пар можно ис­пользовать для хозяйственных и технологических нужд, тогда как при кессонном охлаждении тепло нагретой в кессонах на ~10°С воды полностью и безвозвратно терялось при ее охлаждении на воздухе. Охлаждающие элементы ис­парительного охлаждения пред­ставляют собой сваренные из труб кессоны, объединенные дву­мя коллекторами: нижним- для подвода воды и верхним- для отвода пара. Для испарительного охлаждения пригодна химически очищенная вода.

Разделение жидких продуктов плавки - никелевого штейна и шлака - можно проводить как во внутреннем горне, так и с использованием внешних отстойников. В пер­вом случае печь оборудуется шпуром для периодического выпуска штейна и шлаковой леткой почти непрерывного действия, расположенных на противоположных сторонах печи.

Рис.6.5 Кессон испарительного охлаждения:

а-кессон опытной установки; б-трубчатый кессон с выносным коллектором; 1-собирающий коллектор; 2-пеношамот; 3-фланец; 4-каркас; 5-раздающий коллектор; 6-кожух [3, стр.170]

При использовании наружного отстойного горна штейн и шлак совместно поступают в него по за­крытому наклонному каналу. Нижняя часть горна запол­нена штейном до уровня, показанного на рис.9.6 штрихо­вой линией. Шлак в этом случае, всплывая на поверхность расплава, проходит через слой штейна, подогревает его и обедняется в результате захвата взвешенных в шлаке сульфидных включений штейновым расплавом. Отстойный горн оборудован шпуром и леткой.

Рис.6.6 Наружный отстойный горн Л.К.Петрова:

1-наружный горн; 2- соединительный канал; 3-внутренний горн шахтной печи [3, стр171]

Интенсификации процесса шахтной плавки и снижению расхода кокса способствуют подогрев дутья и обогащение воздуха кислородом. При плавке агломерированной ших­ты нагрев дутья до 300 °С ведет к экономии топлива на 15,2%, а при 400 °С - на 23,3% и к росту проплава соот­ветственно на 10 и 15,3%. Обогащение дутья кислородом до содержания 25 % позволяет повысить проплав печи на 22,2 %, а расход кокса уменьшить на 17 %. Плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах на штейн характеризуется следующими основными технико-экономическими показателями:

Таблица 6.1 Показатели шахтной плавки окисленных никелевых руд.

Показатели	Плавка брикетов	Плавка агломерата
Удельный проплав,т/(м2-сут)	39-41	25-27
Извлечение в штейн, %: Дата добавления: 2018-06-01; просмотров: 1423; Мы поможем в написании вашей работы! Поделиться с друзьями: ⇐ Предыдущая123Следующая ⇒ Мы поможем в написании ваших работ! . . © 2014-2024 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.045)