Отражательная плавка сырых (необожженных) концентратов
Характер физико-химических превращений между компонентами шихты определяется вещественным составом перерабатываемого материала. Минералогический состав концентратов следующий, %: Cu2S – 14–20; CuFeS2 – 10–45; Cu5FeS4 – 1–26; FeS2 – 3–50; PbS – 1–2; ZnS – 1–10; Fe2O3 – 1–3; SiO2 – 1–25; CaCO3 – 0,2–4,0.
В газовом пространстве отражательной печи (по условиям сжигания топлива) содержится минимальное количество свободного кислорода. Поэтому правомерно атмосферу при отражательной плавке в первом приближении рассматривать как нейтральную или слабоокислительную, не оказывающую фактически влияния на десульфуризацию и не участвующую в химических взаимодействиях с шихтой и расплавом.
Химические процессы, протекающие в отражательной печи, можно разделить на четыре группы.
Первая группа процессов, протекающих при нагревании шихты в нейтральной атмосфере, включает испарение влаги и реакции термической диссоциации неустойчивых химических соединений – высших сульфидов, карбонатов, гидроксидов и так далее.
Основные реакции термической диссоциации сульфидов медных концентратов описаны уравнениями:
3 NiFeS2 → Ni3S2 +3 FeS + S(п)
2Cu5FeS4 → 5Cu2S + 2FeS + 1/2S2 (6.1) 2CuFeS2 → Cu2S + 2FeS + 1/2S2 (6.2) 4CuS → 2Cu2S + S2 (6.3)
FeS2 → FeS + 1/2S2 (6.4)
Известняк разлагается по реакции
|
|
|
CaCO3 → CaO + CO2 (6.5)
Сера, выделяющаяся при разложении высших сульфидов, окисляется до SО2 за счет кислорода, присутствующего в газовом пространстве печи и поступающего в него главным образом за счет подсосов воздуха через неплотности в кладке.
Скорость разложения минералов при нагревании зависит от ряда факторов, из которых основными являются: крупность частиц шихты, индивидуальные свойства минералов, температура нагрева и парциальное давление паров серы или газов.
Выше 743 °С пирит разлагается при любом давлении паров серы. Высокие температуры в печи способствуют быстрому и полному разложению пирита. Аналогично пириту ведут себя ковеллин, халькопирит и другие высшие сульфиды. Полностью разлагаются при плавке и все карбонаты.
За счет разложения высших сульфидов в газовую фазу переходит значительное количество серы (при разложении пирита и ковеллина удаляется 50 % серы, халькопирита – 25 %). На практике при плавке сырого медного концентрата за счет диссоциации высших сульфидов суммарно выделяется серы примерно 45 % от общего ее содержания в концентрате.
|
|
|
Ко второй группе химических превращений при отражательной плавке относятся реакции взаимодействия ферритов (МеО·Fе 2О3) с сульфидами, которые также сопровождаются удалением серы. Важнейшее значение имеет реакция взаимодействия магнетита с сульфидом железа в присутствии кремнезема:
FeS + 3Fe3O4 + 5SiO2 = 5(2FeO·SiO2) + SO2 (6.6)
Аналогично протекают реакции разложения других ферритов. Полнота протекания этих реакций определяет количество как окислившейся серы, так и остаточного магнетита в шлаке и штейне. Энергичное протекание реакции (6.6) начинается при температуре выше 1 200 °С. С повышением температуры скорость и полнота ее протекания существенно возрастают. Восстановлению магнетита сульфидами способствует присутствие SiO2 и других кислотных оксидов вследствие снижения активности FeO в шлаке.
Повышение содержания магнетита в шлаке и штейне оказывает вредное влияние на их физико-химические свойства. С увеличением концентрации Fe3O4 снижается межфазное натяжение на границе раздела шлак–штейн, возрастает вязкость шлаковых расплавов. Все это приводит к повышенным потерям меди со шлаками. Кроме того, вследствие ограниченной растворимости магнетита как в шлаках, так и в штейнах его накопление в печи в условиях пониженных температур может привести к образованию полурасплавленного промежуточного слоя между шлаком и штейном и образованию магнетитовых настылей и шихтовых перемычек на лещади. Настыли и перемычки загромождают печь, уменьшают объем ванны печи и сокращают время пребывания (отстаивания) шлака, а следовательно, способствуют получению богатых по меди шлаков.
|
|
|
Снижение концентрации магнетита на границе раздела оксидных фаз (шлака и промежуточного слоя) со штейном объясняется интенсивным протеканием на этом участке расплавов реакции (6.6).
Источником магнетита при отражательной плавке сырых концентратов является оборотный конвертерный шлак, который заливают в жидком виде в отражательные печи. Конвертерный шлак, как правило, имеет меньшую температуру, чем шлак в отражательной печи, и большее содержание оксидов железа. Поэтому он обладает большой плотностью и при заливке в отражательную печь опускается на границу раздела шлака и штейна, участвуя тем самым в образовании промежуточного слоя. Так как температура в этой части печи сравнительно низкая, восстановление магнетита сульфидами протекает медленно и недостаточно полно. Разложение магнетита конвертерного шлака в лучшем случае протекает на60 %. Распределение магнетита конвертерных шлаков между продуктами плавки таково: переходит в штейн 40 %, в шлак – 40 % и восстанавливается 20 %.
|
|
|
Относительно низкая температура на границе штейна и шлака, где концентрируется основная масса заливаемого конвертерного шлака, малая степень восстановления магнетита и недостаточно благоприятные условия для коалесценции мелкой сульфидной взвеси являются причиной того, что извлечение меди из жидких конвертерных шлаков в отражательных печах сравнительно низкое (60–70 %). Большая степень восстановления магнетита (до 80 %) достигается при переработке твердых конвертерных шлаков.
Все перечисленное выше свидетельствует о том, что переработка жидких конвертерных шлаков в отражательных печах неэффективна и часто является причиной серьезных нарушений их работы. Рациональнее перерабатывать конвертерные шлаки отдельно в специальном процессе.
Таким образом, при отражательной плавке сырых концентратов десульфуризация происходит за счет термического разложения высших сульфидов и за счет взаимодействия ферритов (главным образом, магнетита) с сульфидами, в результате которого удаляется дополнительно 7–10 % серы. Конечная степень десульфуризации при плавке сырых медных концентратов обычно составляет 50–55 %, что является небольшой величиной по сравнению с окислительными плавками.
Низкая степень десульфуризации при отражательной плавке приводит к тому, что отражательные печи выполняют фактически лишь функцию переплавки шихты и перевода пустой породы в шлак. Содержание меди в штейне по сравнению с ее содержанием в концентрате увеличивается незначительно.
Малая степень десульфуризации наряду с большим объемом топочных газов обусловливает также низкое содержание SО2 в отходящих газах (менее 1,5 %), что в свою очередь затрудняет и сильно удорожает обезвреживание газов и извлечение из них серы в товарную продукцию. При плавке сырых концентратов около 50 % исходной серы теряется безвозвратно.
Третья группа химических реакций, протекающих в отражательной печи, это реакции взаимодействия оксидов цветных металлов с сульфидами. Поскольку в необожженных медных концентратах в наибольшем количестве присутствует сульфид железа, взаимодействие именно этого сульфида с оксидами шихты и расплавов будет определяющим. В общем виде взаимодействие между оксидами и сульфидом железа описывается уравнением обратимой реакции:
(MeO) + [FeS] ↔ [MeS] + (FeO) (6.7)
Эта группа реакций обусловливает распределение металлов между шлаком и штейном. Направление и полнота их протекания определяются разностью в сродстве металлов к сере и кислороду и активностью (концентрацией) продуктов реакции в контактирующих фазах.
Металлы, обладающие большим сродством к кислороду (Si, Са, Mg, Al и др.), при плавке практически полностью переходят в шлак в форме соответствующих оксидов. В свою очередь, такие металлы, как медь и никель, обладающие повышенным сродством к сере, концентрируются в основном в штейне. Так, медь при высоких температурах обладает большим сродством к сере и меньшим к кислороду, чем железо. По этой причине при наличии сульфидов железа равновесие реакции
(Cu2O) + [FeS] ↔ [Cu2S] + (FeO) (6.8)
практически целиком сдвинуто вправо, и медь в расплавах почти целиком находится в форме сульфида. Лишь при очень богатых штейнах некоторое количество меди может присутствовать в шлаке в оксидной форме за счет обратимости реакции (6.8). Почти так же ведет себя никель. Распределение железа между шлаком и штейном в отражательной печи определяется содержанием его сульфидов и оксидов в исходной шихте. Изменения в распределении железа, которые при этом вносит десульфуризация, невелики. Поэтому единственным путем управления распределением железа между шлаком и штейном, а вместе с этим и содержанием меди в штейне является предварительное окисление сульфида железа перед отражательной плавкой.
Четвертая группа процессов охватывает распределение ценных компонентов между продуктами плавки.
Благородные металлы – обязательные спутники меди в рудном сырье (главным образом, золото и серебро) – при отражательной плавке практически полностью концентрируются в штейне. Небольшие потери благородных металлов в шлаках приурочены к механической взвеси капелек штейна.
Распределение ценных спутников зависит от состава концентрата и условий ведения плавки.
Практически все железо, которое было связано с серой, так и остается в сульфидной форме и целиком переходит в штейн. Меняется лишь форма его соединения: в концентрате – FeS2, а в штейне – FeS. В результате количество штейна получается высоким, а содержание меди в нем низким – 16–20 %.
Для того, чтобы повысить содержание меди, шихту необходимо подвергать предварительному окислительному обжигу.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 97; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!