Структура пирометаллургического процесса и влияние его отдельных стадий на производительность металлургических агрегатов
Любой пирометаллургический процесс характеризуется одновременным или последовательным протеканием многочисленных физико-химических превращений – элементарных стадий. Наиболее сложным из них по структуре является рудная плавка. При плавке сульфидных руд и концентратов, каким бы методом она не проводилась, важнейшими элементарными стадиями являются:
1) нагрев шихты;
2) диссоциация неустойчивых химических соединений;
3) окисление сульфидов;
4) расплавление легкоплавких составляющих шихты с образованием первичных расплавов;
5) растворение наиболее тугоплавких компонентов в первичных расплавах;
6) разделение продуктов плавки.
Наряду с перечисленными процессами имеют место и другие, например взаимодействие сульфидов и оксидов, разрушение магнетита сульфидами и др.
Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физикохимических свойств компонентов шихты, температуры, интенсивности массо- и теплообмена, а производительность агрегатов в целом определяется скоростью завершения наиболее медленной из элементарных стадий.
Нагрев шихты практически полностью лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев крупных кусков шихты из-за сравнительно низкой теплопроводности шихтовых материалов протекает относительно медленно. Условиями теплопередачи и размерами кусков определяется также в значительной степени начало термического разложения неустойчивых химических соединений.
|
|
|
Одним из приемов, обеспечивающих высокие скорости нагрева, является распыление шихты в нагретом до высокой температуры газовом пространстве при высокой степени турбулентности потока. В этом случае мелкая шихта нагревается за считанные доли секунды. Исключительно быстро протекает нагрев шихты также при загрузке ее в расплав, находящийся в состоянии энергичного барботажа. В автогенных процессах, где источником теплоты служат реакции окисления сульфидов концентрата, теплота выделяется непосредственно на поверхности частиц или в ванне расплава, т.е. там, где оно расходуется на процессы плавления. Поэтому нагрев мелких частиц шихты в условиях интенсивного массообмена осуществляется быстро и не лимитирует производительности плавильных агрегатов.
Окисление сульфидов кислородом является экзотермическим процессом и протекает на границе раздела фаз. Многочисленные исследования кинетики реакций окисления сульфидов показали, что скорость их протекания зависит от многих факторов: температуры, природы фаз, их физико-химических свойств и агрегатного состояния, крупности сульфидных частиц, размеров поверхности контакта реагентов и т.п.
|
|
|
С момента воспламенения окисление (горение) сульфидов идет очень интенсивно и ускоряется с ростом температуры. Однако скорость гетерогенных процессов, протекающих на границе раздела фаз (твердой, жидкой и газообразной), не может неограниченно расти с температурой, т.к. начинает зависеть от процессов массообмена. Это обусловлено тем, что суммарная скорость в данном случае будет определяться соотношением скоростей собственно химической реакции и подвода реагентов к реакционной поверхности. Таким образом, для обеспечения высоких скоростей окисления необходимы большая реакционная поверхность и интенсивный массообмен.
При правильной организации металлургического процесса окисление сульфидов идет очень быстро. На это указывает высокий коэффициент использования кислорода (95–100 %) в случае окисления сульфидов в конвертерах и в процессе обжига в кипящем слое при очень малом времени пребывания кислорода в слое сульфидного материала. Время прохождения воздуха через слой жидкого штейна в конвертере составляет примерно 0,13 с. Время пребывания кислорода в кипящем слое не превышает 2–3 с.
Экспериментальные и практические данные подтверждают, что собственно химический акт процесса окисления сульфидов при высоких температурах протекает крайне быстро. Поэтому при выборе наиболее рационального метода сжигания сульфидов можно и нужно стремиться не столько к достижению максимальных скоростей окисления, сколько к повышению качественных показателей процесса в целом: получению богатых по содержанию SО2 газов, высокой степени использования теплотворной способности сульфидов и минимальным потерям металлов с отвальными шлаками.
|
|
|
Конечная цель любого вида плавки – перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное состояние с получением штейна или чернового металла и шлака с их последующим разделением.
Значительные различия в физико-химических свойствах соединений, в первую очередь в их температурах плавления, приводят при нагревании шихты только к постепенному формированию расплава конечного состава. Сначала идет образование первичного расплава из наиболее легкоплавких компонентов. Далее в нем растворяются более тугоплавкие вещества. Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования включают в себя две элементарные стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение в первичных расплавах более тугоплавких веществ.
|
|
|
Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом природные сульфидные эвтектики по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше, чем процессы шлакообразования, и идут с большими скоростями.
Шлакообразование начинается позднее из-за более высоких температур плавления не только свободных оксидов, но и оксидных эвтектик. Образование первичных шлаковых расплавов – процесс достаточно быстрый и скорость его практически совпадает со скоростью нагрева шихты до температуры плавления легкоплавких компонентов. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах важное значение имеют процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.
Процессы растворения являются значительно более медленными по сравнению с прямым расплавлением легкоплавких компонентов и лимитируются малой скоростью диффузии.
В реальных условиях растворение твердой фазы в жидком растворителе (при плавке растворителем является первичный расплав) проходит в три этапа: диффузия растворителя к поверхности твердой фазы, химическое взаимодействие реагентов с образованием растворимого соединения и его диффузия в массу раствора. Поэтому конечная скорость шлакообразования существенным образом зависит от гидродинамических условий, т.е. от интенсивности массообмена между компонентами твердой шихты и жидкими продуктами плавки, устраняющей диффузионные сопротивления.
Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения железосиликатных эвтектик фаялитового состава или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций на основе силиката оксида железа FeO. В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и в первую очередь кремнезем, содержащийся в рудном сырье или вводимый в шихту в качестве кварцевого флюса.
На скорость растворения кремнезема в фаялитовом расплаве наибольшее влияние оказывают интенсивность массообмена, крупность частиц флюса и его реакционная способность.
Возможность значительного ускорения процесса растворения тугоплавких составляющих в первичных расплавах путем интенсивного их перемешивания не вызывает никаких сомнений. Так, автогенные плавки, осуществляемые в барботируемых расплавах, отличаются очень высокими скоростями формирования шлаков. В существующих процессах, в частности при отражательной плавке и плавках во взвешенном состоянии, скорость растворения флюсов может быть увеличена только путем очень тонкого их измельчения и перемешивания расплава в зонах отстаивания.
Таким образом, скорость растворения тугоплавких составляющих (скорость формирования конечного шлака) в отдельных случаях, когда перемешивание расплавов в плавильных печах отсутствует или происходит очень медленно, может существенно влиять на скорость плавки в целом.
Полнота перевода меди и никеля в штейн в значительной степени определяется полнотой восстановления магнетита при его взаимодействии с сульфидами. В ряде случаев целесообразно даже восстанавливать магнетит углеродистыми восстановителями. Процесс восстановления магнетита сульфидами протекает относительно медленно и, хотя он и не определяет общей производительности печи, влияние магнетита на содержание растворенной меди и разделение фаз необходимо учитывать при создании современной технологии и принимать все возможные меры для обеспечения максимально полного его восстановления. Для обеспечения достаточной скорости восстановления магнетита прежде всего необходимо вести процесс при повышенной температуре (не менее 1 300–1 350 °С) и энергичном перемешивании расплава газами для снятия диффузионных сопротивлений и снижения парциального давления SO2. Нужно также обеспечить необходимое время контакта шлака с сульфидами. Эти требования наиболее полно реализуются при осуществлении процесса плавления в барботируемых расплавах.
Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 56; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!