ЛЕКЦИЯ 5. ХАРАКТЕРИСТИКА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Обжиг – гетерогенный процесс термической обработки сырья с целью его подготовки для последующей плавки или выщелачивания.

По химизму процессов можно выделить следующие разновидности обжига: окислительный, восстановительный, сульфатизирующий, хлорирующий и фторирующий, сульфатохлорирующий, восстановительно–сульфатизирующий и др. Основным процессом является плавка с получением штейна и шлака.

Агломерация – это процесс спекания мелкой руды или концентратов в прочный кусковый и пористый материал – агломерат. Агломерация является самым распространенным способом окускования. При окусковании сульфидных материалов происходит полное или частичное удаление серы, в этом случае агломерация является процессом обжига-спекания.

При агломерации материалы шихты претерпевают физико-химические превращения, вызывающие образование легкоплавкой массы. Последняя цементирует и сваривает тугоплавкие компоненты шихты в кусок агломерата. Тепло для нагрева и частичного оплавления шихты получают за счет горения вводимого коксика (агломерация оксидных руд) или за счет окисления сульфидов рудного сырья. В цветной металлургии используют спекание на ленточных машинах с прососом или продувом газов.

Процесс агломерации методом просасывания заключается в следующем. Подготовленная шихта загружается на непрерывную ленточную машину с днищем, представляющим собой колосниковую решетку, набранную из отдельных тележек (паллет). Под решеткой расположены камеры, в которых дымососом создается разрежение, обеспечивающее просасывание воздуха через слой шихты (обычно его высота 250–300 мм) на колосниковой решетке. Горючие компоненты (коксик, антрацит или сульфиды) воспламеняются на поверхности слоя за счет горячих (1250–1300°С) газов зажигательного горна, отапливаемого природным газом или мазутом. Образующиеся горячие газы просасываются через шихту, и зона горения топлива постепенно перемещается из верхних горизонтов шихты в нижние, пока не дойдет до колосниковой решетки и процесс горения топлива не прекратится. За счет горения углерода, окисления сульфидов, процессов ошлакования некоторых оксидов температура в слое достигает 1200–1250°С. Эта температура обеспечивает образование жидкой фазы, необходимой для получения агломерата.

Агломерирующий обжиг с полным или частичным удалением серы в газовую фазу используют в металлургии свинца, цинка, при переработке сульфидных медных и медно-никелевых руд и концентратов.

При агломерации сульфиды металлов, присутствующие в шихте, подвергаются действию горячих газов зажигательного горна и затем кислорода просасываемого воздуха.

Некоторые из сульфидов (пирит, халькопирит, пирротин, пентландит, ковеллин, миллерит) при температурах обжига-спекания диссоциируют

Me_nS_n+1 = nMeS + ½ S₂.

Выделяющиеся пары серы окисляются до SО₂. Между сульфидами металлов и кислородом происходят экзотермические реакции, приводящие к окислению сульфидов:

MeS + 2O₂ = МеSO₄;

MeS + 1,5O₂ = MeO + SO₂;

MeS + O₂ = Me + SO₂.

Устойчивое существование основных компонентов обжигаемой шихты – сульфидов, сульфатов и оксидов металлов – определяется их упругостью диссоциации, составом газовой фазы, температурой, твердофазными взаимодействиями их друг с другом. В агломерате практически отсутствуют сульфаты, в небольших количествах может быть металлическая фаза (типично для свинцового агломерата).

В сульфидных концентратах цветных металлов железо может присутствовать в виде пирита (FeS₂) или пирротина (Fe_nS_n+1). При нагревании пирит диссоциирует:

FeS₂ = FeS + ½ S₂.

В условиях агломерирующего обжига диссоциация пирита протекает быстро и практически полностью. Благодаря диссоциации и способности растрескиваться пирит является легко обжигающимся сульфидом.

Конечные реакции обжига сульфидов железа могут быть представлены реакциями:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fе₂O₃ + 8SO₂;

3FeS + 5O₂ = Fе₃O₄ + 3SO₂;

16Fе₂O₃ + FeS₂ = 11Fе₃O₄ + 2SO₂;

10Fе₂O₃+ FeS = 7Fe₃O₄ + SO₂;

3Fе₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5 (2FeO · SiO₂) + SO₂.

При температурах свыше 920 К оксид железа (III) связывает в ферриты оксиды Fe(II), Сu, Zn, Pb, Ni, Co, Cd, образуя соединения nМеО·mFе₂О₃. Последние способствуют спеканию агломерата и уменьшают, в частности, улетучивание свинца, кадмия в газовую фазу.

Оптимальный состав шихты имеет большое значение при агломерирующем обжиге. Шихта должна удовлетворять определенным требованиям по химическому составу и физическим свойствам (крупность, влажность, газопроницаемость).

Количество сульфидов (или углеродистого топлива для спекания окисленных руд) в шихте должно быть таким, чтобы теплоты, выделяемой при их окислении, было достаточно для поддержания нужной температуры при обжиге и спекании.

Установлено, что 6–8 % сульфидной серы в шихте агломерирующего обжига достаточно для ведения процесса. В редких случаях, когда топлива в виде сульфидов недостаточно, в шихту обжига добавляют в небольшом количестве углеродистое топливо (коксовую мелочь, каменный уголь и т. п.). К такому же приему прибегают и в случае необходимости сохранения сульфидной серы шихты для образования сульфидного расплава при последующей плавке агломерата на медный или медно-никелевый штейн.

Шихта агломерации должна иметь определенный гранулометрический состав: быть не крупнее 6–8 мм для сульфидного и 10–12 мм для окисленного сырья. Для создания хорошей газопроницаемости мелкие (~ 0,1 мм) флотационные концентраты тщательно перемешивают с относительно крупными флюсами, оборотными агломератами, шлаками, предварительно измельченными до крупности 5–6 мм. При наличии в шихте кусков руды или флюсов крупностью 20–30 мм невозможно равномерно распределить шихту по ширине паллеты и обеспечить равномерный просос воздуха.

Перед агломерацией шихту всегда увлажняют. Влажность шихты обратно пропорциональна ее крупности. Содержание влаги в шихте изменяется от 4–6 до 20–22%. Увлажненная шихта более пориста, вследствие чего легче и равномернее проникает воздух для окисления сульфидов или углерода. Вода также защищает шихту от распыления, выполняет роль терморегулятора.

Для снижения содержания сульфидной серы, проведения обжига в одну стадию в шихту агломерации вводят оборотный агломерат. Он также уменьшает усадку и улучшает газопроницаемость шихты.

Доля оборотного агломерата в шихте изменяется от 25–30% (для окисленных никелевых руд) до 200–250% (для сульфидных свинцовых концентратов).

В цветной металлургии используют агломерационные машины двух типов: с прососом воздуха через слой шихты сверху вниз и продувом шихты воздухом снизу вверх.

Шихта агломерации поступает в бункер над аглолентой, с помощью маятникового питателя ее загружают на движущиеся паллеты. Зажигание шихты осуществляется под горном при прососе воздуха. Окончание спекания совпадает с прохождением паллетой последних вакуум-камер, над которыми просасываемый воздух охлаждает спек. На закругленной направляющей разгрузочного участка тележка переворачивается, ударяется о предыдущую и от общего массива агломерата отрывается кусок, равный длине паллеты. Выпавший спек попадает на колосниковый грохот, затем поступает в дробилку и вновь на грохот. Верхний продукт грохота крупностью +20 – 100 мм является готовым агломератом и идет в плавку. Нижний продукт грохота измельчают и вводят в шихту как оборотный агломерат.

Удельная производительность агломерационных машин изменяется от 8–10 т/(м²·сут) (для свинцовых концентратов) до 20–25 т/(м²·сут) (для медного и никелевого сырья).

Расход топлива на зажигание шихты составляет 1,5–2,0%; затраты углеродистого топлива на спекание окисленного рудного сырья 8–12 % от массы шихты.

Существенный недостаток агломерационных машин с прососом для спекания сульфидного сырья – сильное разубоживание обжиговых газов воздухом. Вследствие этого среднее содержание SO₂ в отходящих газах не превышает 1,5–3,0 %. Особенно разубоживаются обжиговые газы в хвостовых вакуумных камерах. Для предотвращения разбавления богатые серосодержащие газы отбирают из головных камер и направляют на производство серной кислоты, а бедный газ из хвостовых камер либо используют как оборотный, либо выбрасывают. Недостатком агломерации с прососом воздуха являются получение рыхлого, недостаточно прочного агломерата и приваривание спека к колосникам.

Отмеченные недостатки в значительной степени устраняются при использовании агломерационных машин с подачей дутья снизу вверх. Вся рабочая часть агломашины оборудована укрытием (колпаком) для сбора серосодержащих газов. Пространство в колпаке условно разделено на зоны богатого и бедного (в хвостовой части) газа. Под зоной богатого газа расположено 9 дутьевых камер, куда вентилятором нагнетается воздух с давлением 3– 4 кПа, в области бедного газа – 6 камер с отдельным вентилятором.

Газы из-под колпака отсасываются раздельно двумя вентиляторами, разрежение под колпаком около 20 Па.

Богатые газы с 5–7 % SО₂ направляют в сернокислотное производство, бедные – с 2–2,5 % SО₂ или возвращают на дутье в первые 9 камер (работа с рециркуляцией), или после пылеочистки выбрасывают.

Агломерационные машины с дутьем по сравнению с обычными машинами имеют в 1,5–2 раза более высокую удельную производительность, устраняют припекание шихты к колосникам, уменьшают коррозию в газоходах и камерах, позволяют повысить степень использования серы из газов до 85–90 %.

Однако агломерационные машины любых типов являются сложными и громоздкими, требуют значительных капитальных и эксплуатационных затрат. Агломерация не всегда обеспечивает получение качественного спека. Этот процесс приводит к серьезному загрязнению окружающей среды.