Поведение примесей

Лекция 15. Поведение примесей .

Вопрос 1. Распределение основных спутников меди

Распределение примесей в  продукты конвертирования приводится в табл. 1

 Цинк, обязательный компонент Уральских предприятий, практически  полностью распределяется между шлаком и пылью (газом). Переход цинка в пыль может достигать 15-20 %. Улетучивание цинка происходит за счет возгонки паров металлического Zn, образующегося по реакции

2 ZnO + ZnS = 3Zn + SO₂,                                                                                                                             

константа равновесия которой существенно зависит от температуры 

При низких температурах Zn находится в конденсированной фазе, а при t>1000^oC равновесное давление цинка превышает атмосферное и он интенсивно переходит в газовую фазу, где окисляется до ZnO. Таким образом, поведение цинка при конвертировании зависит главным образом,  от температуры процесса. При t=1200^oC до 75-80 % Zn переходит в шлак. При более высоких температурах (1300-1350) эта величина снижается до 50-60 %.

 (5.22).

Таблица 1

Рекомендуемые материалы

Распределение примесных элементов по продуктам конвертирования

Возгонке цинка способствует также протекание реакции

ZnS+2Cu=Zn+Cu₂S                                                                                                                              Пары металлического цинка окисляются в газоходной системе, и цинк переходит в пыль в форме оксида.

Сульфиды олова и свинца штейна по аналогии с ZnS, первоначально окисляются кислородом дутья, а потом распределяется между шлаком и газом. Однако учитывая более высокую летучесть SnS и PbS ( P_SnS = 26.7, P_PbS=2.1 кПа, 1200^о С  преимущественно переходят в газовую фазу. Оксид свинца (1) как сильное основание хорошо шлакуется кремнеземом,  поэтому при конвертировании свинец практически полностью выводится из меди и практически поровну распределяется между шлаком и пылью.

В первом периоде удаляется из штейна основное количество мышьяка и сурьмы. Эти металлы связаны с медью в форме арсенидов и антимонидов (Сu₂As, Cu₂Sb), возможно также присутствие сульфида сурьмы (Sb₂S₃). При продувке арсениды и антимониды окисляются с образованием оксидных соединений различной валентности:

2СuAs (Sb)+2.5O₂=2Cu₂O+As₂O₃ (Sb₂O₃)                                                                                                              2Cu₂As(Sb)+3.5O₂=2Cu₂O+As₂O₅ (Sb₂O₅).                                                         

Летучие оксиды (As₂O₃, Sb₂O₃) преимущественно возгоняются и частично шлакуются, а нелетучие (As₂O₅, Sb₂O₅)- переходят в шлак. В обычной практике около 70% As извлекают в газы, 16-20% в шлак. Сурьма почти на 40% переводится в шлаковую фазу, и примерно такое же количество - в пыль, остальная ее часть переходит в черновую медь.

Селен и теллур в штейнах связаны с медью и благородными металлами (Cu₂Se, Cu₂Te, AgSe, Ag₂Tе). В окислительных условиях селен переходит в газовую фазу в виде легколетучего соединения SeO (=0.1 МПа при t = 317^оС). Металлический теллур хорошо возгоняется (=0.1 МПа при t = 1012^oC) по сравнению с оксидом теллура  ( =0.1 МПа при t = 1261^oC),  однако совместно с Te_мет. переходит в газовую фазу.

 Распределение  Se и Te между продуктами конвертирования следующее, %:  черновая медь 67 Se, 37 Te; конвертерный шлак 12 Se, 39 Te; пыль 21 Se, 24 Te.  Селен и теллур выгорают практически полностью и остаточные  их концентрация в черновой меди составляют тысячные доли процента.

Индий и германий в основном концентрируются в шлаке (75-85%) и в пыли (15-25%); 75-80 % рения удаляется в виде Re₂O₇ в газы, MoS₂ окисляется до MoO₃ (t_к = 1000^оС) и переходит в газ.

Распределение висмута зависит от содержания меди в штейне При конвертировании богатых штейнов (более 60% Cu) большая часть Bi переходит в черновую медь в связи с повышенной металлизацией таких штейнов и сохранении висмута в металлической фазе.

Благородные металлы в штейне находятся в свободном состоянии и в форме сульфидов. Сульфид серебра окисляется до оксида, но в связи с высоким парциальным давлением Ag₂O конечным продуктом окисления является металлическое серебро. Во втором периоде также протекает обменная  реакция

2Cu + Ag₂S = 2Ag + Сu₂S                                                                                       

и образовавшееся  серебро растворяется в первых порциях металлической меди. Золото во втором периоде переходит из белого матта в  черновую медь. В результате благородные металлы практически полностью концентрируются в  черновой меди и лишь небольшая их часть в виде штейновых включений может входить в состав конвертерного шлака. Извлечение золота и серебра в черновую медь составляет 99-99.5 %.

Вопрос 3. Температурный режим. Температура процесса конвертирования является важным технологическим параметром от которого зависят в частности, полнота усвоения флюса и шлакообразования, объем переработки холодных материалов и пр., а также влияет на срок службы огнеупорных материалов.

 В таблице 2. представлены рекомендации различных авторов  по оптимальным значениям температуры процесса.

Из таблицы 2. следует, что интервал оптимальной температуры варьируется в широких пределах (1100-1300^оС) и соответствует современной практике конвертирования.

Чем выше температура расплава, тем в более теплонапряженных условиях находится футеровка конвертера и, в особенности, кладка зоны фурменного пояса. Резкие колебания температуры, обусловленные цикличностью работы конвертера (заливка штейна, выпуск шлака,  вынужденные простои и остановы), периодичность процесса,  отрицательно влияют на стойкость огнеупоров.

О заметных колебаниях температур могут свидетельствуют высокие скорости разогрева и охлаждения, приведенные в табл. 5.22. По данным Л.М. Шалыгина температура в области фурм  достигает 1600-1700^оС,  тогда  перепад температур составляет 500-600^оС, что является причиной высоких термонапряжений в огнеупорах и низкого срока их службы.

 Результаты компьютерного моделирования температурных полей в футеровке горизонтального конвертера в области сопел и горловины показали, что максимальные температурные градиенты характерны  в  момент загрузки штейна .

При сложившейся практике переработки холодных оборотных материалов значительнымипорциями,  единовременная их загрузка сопровождается резким охлаждением конвертерной

Таблица 2

Температурные характеристики ванны расплава в горизонтальных конвертерах

*Расчетные данные при различных расходах дутья (12-24 тыс. м³/ч)

Бесплатная лекция: "10 Защита прав на земельные участки" также доступна.

массы. Это  вызывает падение температуры в районе средних фурм почти на 100^оC и также может являться причиной термических напряжений в футеровке.

При уменьшении температуры увеличивается вязкость расплава и  снижается степень усвоения кислорода дутья. Последнее обстоятельство следует учитывать в случае переработки богатых по содержанию штейнов (>50%), т. к. условия тепловой работы конвертера в этом случае значительно ухудшаются  из-за меньшего количества  сульфида железа (рис. 1.) в конвертерной массе.

Рис.1. Зависимость температуры массы в кон­вертере от времени продувки для штейнов с со­держанием 30 (а) и 50% меди (б, в) при различ­ных способах загрузки холодных оборотов [92]: а, б - единовременная; в - постепенная, в течение 20 мин. Теоретическое время продувки, мин.: а - 120; б, в - 60

Из данных рис. 1 следует, что при единовременной загрузке холодных материалов в течение около 5 мин (рис. 1 а, б) происходит резкое снижение рабочей температуры, в то время как подача холодных оборотов в течение 20 мин  заметно уменьшает перепад температур (рис. 5.36 в). При этом создаются условия для уменьшения образования гетерогенного магнетита и его накопления в конвертере. Холодные обороты и флюсы на более протяженном участке повышенной температуре быстрее усваиваются ванной, что подтверждено на практике.

На заводе Норддойче Аффинери (Германия)  тщательный контроль за температурой расплава и отходящих газов позволил оптимизировать процесс добавок холодных материалов. Посредством интенсификации процесса конвертирования количество загрузок  увеличено до 4,2 раз в сутки. Время под дутьем  составило  более 69%.