Расчет технологического процесса отражательной плавка сульфидного медного концентрата

  Переработка в отражательных печах жидкого  конвертерного шлака с низким содержанием кремнезема (16— 20%) и высоким магнетита отрицательно влияет на процессы штейно- и шлакообразования в ванне печи. При плохом перемешивании кислого печного шлака с основным конвертерным последний может располагаться в надштейновом слое, что затрудняет образование усредненного по составу отвального шлака. При значительном насыщении расплавов магнетитом происходит концентрация его в промежуточном слое, ухудшается разделение шлака и штейна. Вопросы влияния конвертерного шлака на технологию отражательной плавки рассматриваются в отдельной главе данной книги.

  В целом  процессы штейно- и шлакообразования являются завершающими и во многом определяют производительность и качественные показатели отражатель-пых печей. Поэтому подбору состава шихты должно уделяться большое внимание с целью максимально возможного снижения ее тугоплавкости и получения раоплавов с оптимальными физико-химическими свойствами.

4. Десульфуризация  при отражательной плавке

  Десульфуризация при отражательной плавке сырой  шихты в основном определяется диссоциацией высших сульфидов, при плавке обожженной—химическим взаимодействием сульфидов и окислов. При нормальном ведении процесса плавки газовая фаза в рабочем пространстве печи имеет слабоокислительный характер и не оказывает заметного влияния на десульфуризацию. При больших подсосах воздуха в печь или сжигании топлива при повышенном расходе    воздуха   в   газовой фазе увеличивается содержание кислорода, который при плавке малосернистой шихты может частично окислять сульфиды, что повышает десульфуризацию.

  Десульфуризация при  отражательной плавке изучена В. И. Смирновым с сотрудниками [21]. Анализ   показывает,    что   высшие окислы железа' оказывают двоякое влияние на степень десульфуризации. При плавке шихты с высоким содержанием серы окислы железа не влияют на степень   десульфуризации. Это вполне логично, так как при диссоциации сложных сульфидов выделяется    элементарная сера, которая восстанавливает    окислы    железа.    При плавке обожженной или малосернистой сырой    шихты окислы железа    взаимодействуют с простыми    сульфидами, повышая степень десульфуризации.

  Степень десульфуризации при отражательной плавке, определяющая выход штейна и шлака, может быть с достаточной степенью точности рассчитана исходя из рационального состава шихты. При плавке сырой.высокосернистой шихты она может быть также определена и по методике X. К. Аветисяна.

При отражательной плавке сырого стандартного концентрата, т. е. содержащего серу только в виде пирита и халькопирита, количество удаляемой в газовую фазу серы определяется диссоциацией этих соединений. При термической диссоциации халькопирита из него удаляется 25%, а при термической диссоциации пирита 50% S. Если учесть, что в халькопирите содержится равное количество меди и серы, то общее количество удаляемой серы при плавке стандартного концентрата составит

Д = 0,25 Сu + 0,5 (S - Сu) = 0,5 S — 0,25 Си.

В этом случае степень диссоциации будет равна

D =( 0.5S — 0,25 Сu / S)100%

где Сu — содержание меди в концентрате, доли единицы; S — содержание серые концентрате, доли единицы. 

2. ШТЕЙНЫ  И ШЛАКИ

1. Физико-химические свойства штейнов

  Основные  компоненты штейнов медной .плавки, главным образом определяющие их физико-химические свойства _ медь, железо, сера. В штейнах отражательной плавки сумма указанных компонентов составляет   85 —95%

  Твердые штейны хорошо изучены. Р. Раддл, проанализировав -многочисленные исследовательские работы по структуре застывших штейнов, пришел к выводу, что Cu₂S и FeS не образуют химических соединений, а штейны представляют собой эвтектические оме-си. Жидкие промышленные штейны изучены недостаточно, некоторое представление о свойствах таких штейнов можно получить из диаграммы состояния системы Сu— Fе—S и исследовательских данных, которые приводятся ниже. 

  На  диаграмме Гюртлера и Рело видна  широкая область расслаивания жидких фаз, тройная перитектика около  медного угла и тройная эвтектика вблизи линии Cu₂S—FeS. Область расслаивания не доходит до грани Fe—S.

  Составы промышленных штейнов, как отмечает А. А. Цейдлер, располагаются в зоне, находящейся между гранью FeS—Cu₂S и областью расслаивания. Максимальное теоретическое содержание серы в штейнах не может превышать пределов, ограниченных линией FeS— Cu₂S, так как избыточная сера при атмосферном давлении удаляется из расплавов.

  Расположение  составов промышленных штейнов в  указанной зоне определяет относительно небольшие колебания содержания серы, даже при значительном изменении концентрации меди. Колебания концентрации серы в штейнах еще более сглаживаются тем, что с повышением содержания FeS возрастает растворимость магнетита в штейнах. Эта особенность медных штейнов отражается в известном правиле В. Я. Мостовича — заводские штейны содержат всегда около 25% серы,— которым широко пользуются для приближенных металлургических расчетов.

Физико-химические свойства штейнов оказывают значительное влияние «а процесс образования  и полноту разделения фаз при отражательной плавке. Эти свойства определяются главным образом составом штейна, а он в свою очередь зависит от состава перерабатывае мого сырья. В связи с этим в условиях отражательной плавки управление составов и свойствами штейна ограничено. Тем не менее знание физико-химических свойств штейнов и влияния отдельных факторов на них имеет не только теоретическое, но и 'практическое значение. К основным физико-химическим свойствам штейнов относятся плотность, поверхностное натяжение и электропроводность.

  Плотность синтетических' медных штейнов исследована А. В. Ванюковым с сотрудниками. Штейн, содержащий 20% Си и 28% S при температуре 1250°С, имеет плотность 4,57 г/см³. При указанной температуре повышение содержания магнетита с 0 до 8% увеличивает плотность штейна с 4,57 до 4,98 г/см³, а повышение содержания сульфида цинка снижает плотность с 4,57 до 4,06 г/ом³. Увеличение содержания серы в штейне прямолинейно уменьшает его плотность. Плотность штейнов значительно уменьшается с повышением температуры. Так, например, плотность штейна, приведенного выше состава, при нагреве 1380°С снижается до 4,26 г/см³.

  Плотность жидких промышленных штейнов изучена  недостаточно, некоторые сведения по плотности штейнов отражательной  плавки приводятся в табл. 1.

                          Таблица 1

плотность жидких штейнов отражательной плавки при 1250°С

  Из  приведенных данных трудно установить какую-либо зависимость плотности  штейна от содержания меди. Это связано с тем, что в более бедных штейнах повышено содержание магнетита, а в более богатых серы магнетит и сера оказывают противоположное      влияние на плотность расплава.

  Жидкие  штейны имеют меньшую плотность, чем твердые, поэтому использование данных по плотности твердых штейнов в исследовательской практике может привадить « серьезным ошибкам. В то же время применение их вполне допустимо для инженерных расчетов.

  Поверхностное натяжение синтетических штейнов  изучалось рядом исследователей. Диаграмма поверхностного натяжения  системы Cu₂S—FeS, составленная О. А. Поверхностное натяжение системы снижается с повышением концентрации FeS. Это объясняется большей энергией связи Сu—S; в данном случае железо, как и сера, является поверхностно активным компонентом.

Значительное  влияние на поверхностное натяжение  штейнов оказывает магнетит и  сульфид цинка. Добавка магнетита  к синтетическому медному штейну (20% Си, 28% S) в количестве от 0 до 9% снижает поверхностное натяжение штейна при 1250⁰С  с 306 до 209 дин/см добавка  сернистого цинка в пределах 0—6% незначительно влияет на поверхностное натяжение—оно уменьшается с 306 до 272 дин/ем.

  Поверхностное натяжение медных штейнов увеличивается с повышением температуры. Так, например, при повышении температуры с 1250 до 1380°С поверхностное натяжение штейна приведенного выше состава увеличивается с-306 до 347 дин/см. Известно, что повышение температуры приводит к снижению межчастичного взаимодействия жидких фаз и уменьшению вследствие этого поверхностного натяжения. Поэтому поведение медных штейнов является аномальным, объяснение этому явлению до сих пор не найдено.

  К сожалению, приведенные выше данные относятся только к синтетическим штейнам, сведения по поверхностному натяжению промышленных медных штейнов в литературе отсутствуют.

  Расплавленное сернистое железо при 1200°С имеет  удельное сопротивление 0,000588 Ом/см³, т. е. оно всего лишь в 4—5 раз выше, чем у чистого железа. Удельное, сопротивление полусернистой меди равно при той же температуре 0,0120 см/см³, при добавлении к сернистому железу полусернистой меди сопротивление равномерно увеличивается. Достаточно высокая электропроводность медных штейнов позволяет сделать вывод, что она имеет металлический или ионный характер.

  Следует отметить, что электропроводность промышленных медных штейнов не изучена, а в целом исследовательских работ по структуре жидких сульфидов и штейнов крайне недостаточно, что не позволяет удовлетворительно объяснять некоторые физико-химические явления в жидких штейнах, в частности положительный температурный коэффициент поверхностного натяжения медных штейнов.

2. Состав промышленных штейнов

  Промышленные  штейны медной плавки имеют сложный химический состав. Они содержат, кроме меди, железа, серы, целый ряд других компонентов: кислород, цветные, благородные, редкие металлы и шлакообразующие окислы.

  Содержание  меди в штейнах отражательной  плавки колеблется в широких пределах — от 17 до 60%, что связано с переработкой концентратов различного состава и их обжигом.

  Наиболее  бедные штейны получают уральские заводы при плавке сырой шихты. Предварительный обжиг концентратов на Красноуральском комбинате и СУМЗе определяет получение штейнов с более высоким содержанием меди. Богатые штейны характерны почти для всех замбийских и чилийских заводов, перерабатывающих концентраты с высоким содержанием меди и низким содержанием железа и серы. Богатые штейны получают на Карсакпайском заводе, на этом заводе в отдельных случаях при плавке джезказганского концентрата без добавки пирита содержание меди в штейнах достигает 70%.

  Содержание  железа в штейнах изменяется от 10 До 50%, наибольшее количество железа имеют бедные по меди штейны.

  Содержание  серы в штейнах отражательной  плавки изменяется в относительно небольших  пределах—от 24 до 28%. Обращает на себя внимание очень высокое содержание серы в штейне завода «Сан-Мануэль» (США). На получение штейнов с 30% серы на Красно-уральском заводе указываете своей работе и В. И. Смирнов. Высокое содержание серы в штейнах отражательной плавки сырой шихты он объясняет большой . скоростью процесса плавления и цеполным разложением высших сульфидов. Этот вопрос, на наш взгляд, требует дополнительного изучения.

  Кислород  является одним из составляющих штейнов. Кислород в медных штейнах находится  в форме ферритов закиси железа переменного состава (FeO)х(Fe₂O₃)у, частным случаем которых может быть магнетит. Содержание кислорода в штейнах в промышленной практике повсеместно оценивается по количеству магнетита.

  Содержание  магнетита в штейнах отражательной  плавки зависит от многих факторов: поступления магнетита с перерабатываемым в печах сырьем (шихтой и жидким конвертерным шлаком), образования и восстановления его в процессе плавки, распределения между жидкими продуктами процесса (шлаком и штейном).

  Распределение магнетита между жидкими продуктами плавки зависит от растворяющей способности шлака и штейна. Растворимость магнетита в штейне определяется содержанием в нем меди и температурой, что видно из диаграммы X. В. Моссмена Повышение температуры и снижение содержания меди в штейне увеличивают растворимость магнетита. Эта диаграмма показывает предельно возможное содержание магнетита в штейнах при определенной концентрации меди и температуре, действительное содержание определяется указанными выше факторами.