Современное состояние процесса конвертирования медных штейнов и перспективы развития производства
Лекция 14. Современное состояние процесса конвертирования медных штейнов и перспективы развития производства.
Вопрос 1. Теория конвертирования
Плавка сульфидных медных руд и концентратов за исключением способов прямого производства черновой меди (Direkt-To-Blister Flach smelting) заканчивается получением промежуточного продукта - медного штейна, который направляют на конвертирование.
Целью конвертирования является удаление из штейна железа, серы и получение черновой меди, в которую также концентрируют благородные металлы. Попутными продуктами являются конвертерный шлак, пыль и серусодержащие газы.
Процесс получения черновой меди состоит из двух периодов, продолжительность которых зависит от содержания меди в штейне и количества подаваемого воздуха. Так, при работе на богатые штейны (более 40-45 % Cu) первый период длиться 6-9 ч, а при бедном (менее 20% Сu) 16-24 ч. Продолжительность второго периода составляет 2-3 ч.
Химизм первого и второго периодов конвертирования может быть в первом приближении соответственно, представлен схемами
[Cu-Fe-S] + {O2}+ [SiO2] → [Cu-S] + (FeO-SiO2-Fe3O4) + SO2,
[Сu-S] + {O2} → [Cu] + SO2
Расслоение фаз и разрыв областей гомогенности расплавов разных периодов конвертирования схематично иллюстрирует развертка диаграммы Cu-Fe-S-O (рис. 1), построенная в общем виде.
Рекомендуемые материалы
Рис.1. Развертка диаграммы состояния системы Сu-Fе-S-О
На боковых сторонах диаграммы показаны широкие области разрыва смесимости псевдобинарных систем Fe-FeO; Cu-Cu2O; FeO-Cu2S относительно составов промышленных штейнов АВСDEF. Введение кислорода приводит к достижению расплавом предела насыщения по кислороду, на что указывают почти смыкающиеся области расслаивания. Линия, соединяющая состав бедных медных штейнов (АВС) и FeO-Fe3O4 неглубоко проникает в область расслаивания, поэтому образуется сравнительно небольшое количество металлизированной фазы, растворяющейся в штейне. Получается более высокий выход первичного шлака, чем металлизированной фазы. Избыточное сверх стехиометрии металлическое железо, взаимодействует с кислородом дутья
2Fe + O2 = 2FeO
В результате образуются первичный шлак и, насыщенный кислородом штейновый расплав с растворенным металлическим железом, выгорающим по мере конвертирования.
Введение флюса (SiO2), как отмечалось ранее, существенно расширяет области расслаивания системы Cu-Fe-S-O и способствует шлакообразованию. Однако окисление сульфидов газообразным кислородом преимущественно осуществляется в фурменной зоне, а кварц, имея меньшую плотность, рассредоточен по поверхности расплава. Поскольку скорость окисления сульфидов в условиях барботажа высокая, о чем свидетельствует практически полное усвоения кислорода в области фурм, то общая скорость шлакообразования лимитируется скоростью растворения кремнезема. В этом случае целесообразна подача тонкоизмельченного флюса непосредственно в зону реакции например, с использованием известных в инжекционной металлургии , методов ввода в расплав газопорошковых струй (ПГС).
Роль кремнезема, заключается еще и в снижении активности закиси железа в шлаке, что способствует протеканию реакции
3Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO*SiO2)+SO2
и уменьшает содержание магнетита. В реальных условиях кислотность шлака определяется скоростью образования FeO (расходом дутья) и скоростью растворения SiO2 в шлаке, которая возрастает с увеличением температуры . В связи с необходимостью увеличения срока службы футеровки, температурный режим конвертирования ограничен величиной t =1300-1350 оС., что способствует высокой концентрации магнетита в шлаке (до 25-28%).
Оптимальная концентрация кремнезема составляет ~ 25 %. Более низкая повышает содержание Fe3O4 в шлаке, а более высокая ( ~ 30%), приводит к нецелесообразному расходу флюса и увеличивает выход шлака.
Крупность кварца, способствующая его быстрому усвоению ванной и соответствующая наименьшим механическим потерям с пылью находится в пределах 10-20 мм. Предпочтительно использовать кремнезем с высоким содержанием SiO2 (95-96 %) и минимальным количеством тугоплавких составляющих (MgO, CaO, Al2O3). Последние уменьшают скорость его растворения, увеличивают выход шлака и снижают кислотность. В этой связи, применение золотосодержащих кварцевых флюсов с повышенным количеством примесей, должно быть экономически обосновано с учетом способа обеднения конвертерных шлаков и оценки общего извлечения меди. Флюсы наиболее полно усваиваются ванной при горячем ходе конвертера.
Общую картину фазового состояния второго периода конвертирования можно также проследить по стороне развертки стороны диаграммы Cu2S-Cu2O-Cu или более наглядно на схеме диаграммы Cu-S (рис. 2). Предположим, что продувку белого матта (Сu2S) осуществляем при температуре 1200оС. Фигуративная точка, показывающая изменение массы расплава перемещается влево и на участке ab (рис. 5.31), конвертерная масса представляет однородный раствор меди в
Рис.2. Диаграммма равновесий в системе Cu-S
Cu2S. На последующем участке bc процесс осуществляется в двухфазной области, где в контакте находятся сульфидная фаза состава b и металлическая с. Точка b соответствует содержанию Сu2S 19.6 % ( 1200oC), а точка с- отвечает концентрации серы в металлической меди ~ 1 % S. После точки с сульфидная фаза исчезает и остается только металлическая, насыщенная сульфидами.
В связи с тем, что белый матт находится в контакте с остатками конвертерного шлака, то парциальное давление серы в газовой фазе и концентрация серы в меди определяются условиями равновесия реакции взаимодействия Cu2S с Cu2O. Содержание меди в последних сливах шлака составляет 20-25% и низкая активность кислорода (Cu2O) в шлаке и Cu, являются причинами, что при конвертировании получают черновую медь с концентрацией не более 0.01% S. Направление конод, сходящихся в медном углу диаграммы указывает, что окисление полусернистой меди протекает с образованием металлической фазы Cu.
В ходе первого периода осуществляют постепенное накопление в конвертере богатой сульфидной массы, чередуя порционную заливку штейна c его продувкой и слива шлака. Эти операции повторяют несколько раз до появления в конвертере достаточного количества обогащенной массы. Изменение содержания меди в штейне носит циклический характер, увеличивается при сливе шлака и снижается при заливке штейна (рис. 3).
Рекомендация для Вас - Замерзание и оттаивание почвы.
Соответственно изменяются физико-химические свойства расплава. По мере продувки штейна и выгорания поверхностно активного железа, образования шлака и обогащения массы, возрастает величина межфазного натяжения на границе штейн-шлак, что способствует разделению расплавов. Более высокая температура в первом периоде снижает вязкость и плотность шлака по сравнению со вторым периодом.
Теоретическое содержание сернистого ангидрида в атмосфере конвертера также различается по периодам конвертирования. Например, для воздушного дутья и при степени использовании кислорода 95-99 % (без учета образования магнетита и SO3,) концентрация SO2 составляет, %, об: 14.2-14.8 SO2 (первый) и 19.5-20.8 SO2 (второй) периоды. Полученные значения в целом, соответствуют практическим данным первого (12.1-13.7 SO2; 0.91-1.2 SO3; 0.09-0.33) и второго (15.38-15,62 SO2; 1.55-2.38 SO3; 0.23-0.3) периодов конвертирования, если рассматривать суммарную концентрацию SO2 и SO3 [89].
. Рис.3. Изменение состава штейна при его продувке
Наличие SO3 в отходящих газах, направляемых в сернокислотное производство, необходимо учитывать в связи со следующим обстоятельствами.
При совместном присутствии серного ангидрида и влаги, возможна коррозия оборудования конвертеров и газового тракта, изготовленного из металла, особенно на участках газового тракта с низкой температурой, где высока вероятность выпадение росы. Такими местами могут быть газоход перед электрофильтрами, электрофильтры, участок тракта после электрофильтров и пр. В частности, содержание SO3 в газоходе после электрофильтров может составлять 0.01-0.1 % , а концентрация влаги до 2 %. ( без подачи воды на охлаждение) и 7-10 % ( при системе искусственного орошения газохода). В этих условиях температура точки, согласно диаграмме ( рис. 5.33.), составляет без добавок воды 167 и 180 оС при ее впрыскивании. Наличие оксидов цинка и свинца в газах в какой-то мере, нейтрализует воздействие SO3 за счет связывания серного ангидрида в форму сульфатов, однако на практике коррозия газоходов и оборудования происходит. Одним из мероприятий снижающих износ оборудования может являться тщательный контроль температуры газового поток, не допуская его охлаждения ниже точки выпадения росы.