План
Введение
1 Особенности технологического процесса плавки в жидкой ванне (на примере медного сульфидного сырья)
1.1 Теоретические основы процесса плавки в печи Ванюкова
1.2 Технология плавки
2 Характеристика отходящих газов
3 Конструкция печи Ванюкова
3.1 Строение печи
Введение
Печь Ванюко́ва (плавка в жидкой ванне) — автогенная плавильная печь для переработки медных, медно-никелевых и медно-цинковых концентратов. Плавка происходит в шлако-штейновой ванне печи, куда интенсивно подается кислородно-воздушная смесь.
Технология предложена советским металлургом Андреем Владимировичем Ванюковым.
Промышленные печи Ванюкова применяются для плавки следующих типов сырья: сульфидных никелевых руд, медных, никелевых и свинцовых концентратов: две печи на горно-металлургическом комбинате в городе Балхаше, Республика Казахстан; три печи в городе Норильске, Россия; две печи в городе Ревда, Россия; одна печь двухзонной конструкции в городе Орск, Россия
Особенности технологического процесса плавки в жидкой ванне (на примере медного сульфидного сырья)
1.1. Теоретические основы процесса плавки в печи Ванюкова
В шлаке, благодаря непрерывно вводимому дутью кислорода, протекают экзотермические реакции. Тепло выделяемое в этих реакциях и поддерживает необходимую температуру процесса. Вследствие этого через некоторое время температура частицы в шлаке достигает средней температуры в печи и приповерхностная пленка шлака нагревается и разжижается, что приводит к ускорению химических реакций взаимодействия между частицами шихты и шлаком. При попадании в ванну расплава сульфидных минералов медного сырья последовательно происходит диссоциация медных сульфидов, например:
CuFeS2 = 1/2 Cu2S + FeS + 1/4 S2FeS2 = FeS + l/2 S2Cu5FeS4 = 5/2 Cu2S + FeS +1/4 S2
Происходит также разложение известняка:
СаСО3 = СаО + СО2
Низшие сульфиды (Cu2S, FeS) расплавляются и образуют капельки штейна и частично растворяются в шлаке При подаче кислородсодержащего дутья в расплав происходит окисление компонентов шихты и расплава. В соответствии с термодинамическими характеристиками реакций при использовании топлива "в первую очередь" окисляются углеводородные компоненты шихты:
С + О2=СО2СН4 + 2 О2 = СО2 + 2 Н2О
Оставшийся кислород идет на окисление элементарной серы газовой фазы, сульфидов железа штейна и сульфидов железа и меди, растворенных в шлаке.
В соответствии с термодинамикой в газовой фазе помимо СО2, Н2О, SO2 в некоторых количествах должны присутствовать и компоненты неполного окисления, например, такие как Н2, СО, SO, S2, H2S и др. Содержание горючих компонентов в газовой фазе определяется прежде всего термодинамическими параметрами системы - активностями компонентов и температурой процесса. Происходят и ряд других реакций, например, ошлакования и частичного окисления FeО до магнетита. Наличие в расплаве в фурменной зоне сульфидов железа, серы и восстановителей создает хорошие возможности для восстановления магнетита, возможно также сульфидирование шлака элементарной серой газовой фазы.
1.2. Технология плавки
Процесс представляет собой непрерывное плавление и окисление в шлаковой ванне расплава медного сульфидного сырья. Ванна барботируется кислородсодержащим дутьем. Образующийся при плавке штейн непрерывно выводится из печи через штейновый сифон в нижней части шлаковой ванны.
Сульфидная шихта подается в ванну расплава печи через три загрузочные течки. Кусочки холодной шихты, при загрузке в печь, погружаются в горячий жидкий шлак с температурой 1250-1600 °C.. Жидкий шлак смачивает поверхность твердых частиц шихты и нагревает их до температуры, при которой между ними начинается интенсивные физические и химические взаимодействия, в результате чего формируются конечные продукты плавки. Одновременно, на глубине около 0,5 м от поверхности, на плавку в шлаковый расплав подается кислородсодержащее дутье (если необходимо для теплового баланса, природный газ или жидкое топливо).
Кислород дутья и природный газ вступают во взаимодействие со шлаком, генерируя тепло за счёт экзотермических реакций, и создают требуемые окислительно-восстановительные условия в расплаве. Скорость движения газовой струи на срезе фурмы составляет 150—220 м/сек. Перемешивание газом расплава и включений перерабатываемых материалов интенсифицирует химические и физические взаимодействия в надфурменной зоне ванны расплава.
Такие высокие скорости подачи газовой струи обеспечивают устойчивый канальный характер струи на расстоянии 100-400 мм от среза фурмы. Далее движение газов дутья перестает иметь канальный характер и струя разбивается на газове пузыри. Химическое взаимодействие кислорода дутья и расплава протекает на стенках канала, поверхностях газовых пузырей и капель расплава.
Фурменная (барботируемая) зона печи ПВ является местом, где происходят основные физико-химические взаимодействия - окисление кислородом дутья компонентов шихты, растворение кварца и других тугоплавких составляющих шихты, формирование шлака и штейна. Образующиеся капли штейна оседают в подфурменную зону и далее в донную штейновую фазу. В условиях непрерывного поступления сульфидной шихты в фурменную зону и отсадки из неё штейновых капель в зоне барботажа образуется шлако-штейновая эмульсия с определённым соотношением шлака и штейна. При этом сплошной фазой в эмульсии является, шлак и диспергированной - штейн. Шлако-штейновая эмульсия состоит на ~95% по объёму из шлака и ~5% по объёму из штейна. Большие скорости тепло- и массообмена обеспечиваются барботажем и энергичным перемешиванием шлако-штейновой эмульсии в фурменной зоне печи. Загружаемый в фурменную зону материал быстро распределяется по всему объёму шлака в барботируемой зоне. Это приводит к быстрому выравниванию средней температуры и состава продуктов плавки по всей барботируемой зоне. Ниже оси фурм (подфурменной зоне) жидкие фазы, образующиеся в результате реакций, формируют отдельные слои, разделяясь по удельному весу. Затем жидкие фазы выводятся по раздельным выпускным каналам. При непрерывной загрузке в расплав шихты, подаче дутья и выпуске расплавов и газов в печи при неизменности входных параметров устанавливаются некоторые постоянные во времени условия, которые определяют состав получаемых жидких и газообразных продуктов плавки. Многочисленные исследования показывают, что эти условия весьма близки к условиям термодинамического равновесия, что достигается, прежде всего, за счёт высоких скоростей физико-химических превращений в процессе Ванюкова.
Количество штейна в условиях плавления шихты в барботируемой шлаково-штейновой эмульсии невелико – не превышает 5-8%. Мелкие капли имеют высокую вероятность встречи, они коалисцируют, укрупняются и уходят из надфурменной зоны. Таким образом, разрушение крупных капель и укрупнение тонких включений приводит к тому, что основное количество штейна шлако-штейновой эмульсии содержится в каплях размером 100—500 мкм. Такие капли оседают в подфурменной зоне с большой скоростью.
2. Характеристика отходящих газов
В процессе плавки Ванюкова часть шихты (до 2% от веса загрузки) и мелкие брызги шлака уносятся отходящими газами в газоходный тракт, не достигая ванны расплава.
Следует отметить, что частицы шихты, двигаясь по газоходу, окисляются подсосами воздуха и сульфатизируются. Этому способствует понижение температуры газов по длине газохода. Так, если в пыли котла—утилизатора около половины соединений составляет сульфиды меди и железа, часть — оксиды железа и цинка, и лишь около трети — сульфаты, то пыль электрофильтра практически целиком представлена сульфатами при небольшой доле оксидов железа.
Температура отходящих газов в аптейке 1100—1300 °C. Содержание диоксида серы в отходящих газах зависит от степени обогащения дутья и состава штейна по меди: чем выше процент обогащения дутья по кислороду и ниже содержание меди в штейне, тем выше концентрация диоксида серы в газе. Отходящие газы перед подачей на сернокислотное производство необходимо охладить и очистить от грубой и тонкой пыли.
3. Конструкция печи Ванюкова
Проведение процесса плавки в печи ПВ неотделимо от непрерывной работы систем, составляющих комплекс ПВ; систем подачи шихты, подачи кислородсодержащего дутья и природного газа, охлаждения кессонированных элементов печи, непрерывного отвода продуктов плавки — шлака, штейна и технологических газов, очистки, охлаждения и утилизации технологических газов, аспирации, систем. Все кессонированные элементы печи охлаждаются оборотной химически очищенной водой в количестве до 1000 м³/ч при давлении на входе в кессоны и фурмы 0,6 МПа
Комплекс печи ПВ работает с потреблением различных видов топлива: угля и природного газа — для технологических нужд и для отопления сифонов штейна и шлака, обогрева желобов для выдачи штейна и шлака. Основным видом топлива является природный газ.
3.1. Строение печи
Печь ПВ состоит из нескольких узлов:
· Подины.
· Горна, вмещающего донный штейн.
· Кессонированной шахты, состоящей из трех рядов кессонов.
· Кессонированного фурменного пояса для продувки расплава.
· Фурменных устройств второго и третьего ряда.
· Сифонов для непрерывной выдачи штейна и шлака с желобами.
· Кессонированного свода
· Загрузочных устройств.
· Желоба для заливки конвертерного шлака в заливочное окно печи.
· Аптейка для отвода технологических газов.
· Каркаса печи с площадками для обслуживания печи.
· Столбчатого железобетонного фундамента.
Прямоугольное рабочее пространство печи выполнено из водоохлаждаемых кессонов и огнеупоров. Боковые и торцевые стены шахты смонтированы из массивных водоохлаждаемых медных кессонов с залитыми внутри змеевиками. На поверхности кессонов, обращенной внутрь печи, образуется гарнисаж, который надежно защищает их от воздействия высоких температур и эрозии. Кессоны монтируют в три яруса по высоте. Ниже кессонированного пояса рабочее пространство выполнено из хромомагнезированного кирпича на шамотной засыпке. В кессонах нижнего яруса на высоте 2…2,5 м от подины предусмотрены отверстия для установки водоохлаждаемых фурм для подачи дутья, а если необходимо, через них подается и углеродистое топливо (природный газ, мазут или угольная пыль).