Печь для обжига медных концентратов
Рис. 1. Многоподовая обжиговая печь: 1 — газоход; 2 — корпус; 3 —поды; 4 — футеровка; 5 — центральные пересыпные отверстия; 6 — гребкодержатель; 7 — гребок; 8—краевые пересыпные отверстия; 9 — вал; 10 — привод; 11 — рабочие окна
Концентраты обжигают в смеси с флюсами, нужными для образования шлака во время последующей плавки, при этом шихта хорошо перемешивается и нагревается от горения сульфидов. Флюсами обычно служат кварц и известняк. Первый часто содержит благородные металлы и это выгодно: золото и серебро при последующей плавке переходят в штейн, а из него — в медь, потом их можно извлечь при электролитическом рафинировании. Флюсы предварительно измельчают до 1—4 мм с помощью разных дробилок и смешивают с концентратами.
Шихта непрерывно подается механизированными питателями на середину подсушивающего пода. Гребками она перемещается и постепенно пересыпается на первый под. Движение здесь направлено к проемам у края. Перемещаясь и далее зигзагообразно, шихта проходит через всю печь и выгружается в виде огарка. Воздух, необходимый для окисления сульфидов, засасывается через окна. Газы движутся снизу вверх, навстречу шихте. Пройдя такой же извилистый путь, они удаляются в газоход.При пуске средние и нижние поды разогревают газовыми горелками или иными временными топками, действие которых после воспламенения сульфидов прекращают. Горение регулируют подачей шихты и доступом воздуха.
При обжиге максимальная температура (около 850° С) развивается на средних подах. Перегрев опасен из-за возможности частичного оплавления и спекания концентрата, вызывающего, помимо замедления обжига, поломки гребкодержателей. Для удлинения срока службы последние охлаждаются воздухом.
Каждый состоит из двух коаксиально установленных труб. Внешняя заглушена и несет на себе гребки, по внутренней подают охлаждающий воздух, он удаляется через пространство полого вала или в печь.
Обжиговые печи обычно имеют десять рабочих подов и один подсушивающий; наружный диаметр 6,5 м и высоту 9,6 м.
Перемещаясь по подам сверху вниз, концентрат постепенно нагревается до температур 600—700° С, при которых разлагаются сложные сульфиды:
2FeS2 = 2FeS + S2,
4CuFeS2 = 2Cu2S + S2+ 4FeS.
Вероятно и прямое окисление, например: 8CuFeS2 + 25О2 = 4CuFe2O4 + 2Cu2О + 16SО2.
Простые сульфиды — продукты разложения сложных минералов либо первичные — окисляются до соответствующих устойчивых окислов — Cu2О, Fe2О3, Fe3О4, ZnO, РbО, в частности:
2Cu2S + 3О2 = 2Cu2О + 2SО2.
Образованию ферритов меди (II), железа (II), цинка, никеля и других металлов способствует тесный контакт с окисью железа в сложных минералах и совместное окисление. Состав полученных соединений часто нестехиометричен и переходит в твердые растворы типа шпинелей. Поэтому в общем виде:
nМеО + mFe2О3 = (МеО)n (Fe2О3)m
пример FeO + Fe2О3 = Fe3О4.
Свободная окись железа (II) неустойчива в окислительной среде и может присутствовать только в составе ферритов либо силикатов.
Свободная окись меди (II) также маловероятна; хотя давление диссоциации ее не превышает 1013,25 Па, оно ниже парциального давления кислорода в газах. Причиной перехода СuО в Сu2О может быть и восстановление сульфидами или серой пирита, например:
8CuO + S2 = 4Cu2O + 2SO2; ΔZ0850°C = — 400 кДж
Сернистый газ частично окисляется до SO3, каталитически этому способствуют окислы железа, а термодинамически — образование прочных сульфатов:
2SO2 + O2 = 2SO3; ΔH0298= —193 кДж;
Из константы равновесия видно, что для образования SO2 благоприятно повышение парциальных давлений сернистого ангидрида и кислорода. Отрицательная величина ΔH0, по правилу Ле-Шателье, показывает, что повышение температуры сдвигает равновесие влево. Также должно действовать снижение общего давления смеси газов, например в результате разбавления их азотом: реакция идет с уменьшением объема. Все это иллюстрируется рис. 3.
Серный ангидрид может давать с окислами металлов сульфаты по общей схеме:
MenOm + mSO3 = Men(SO4)m; Kp = 1 : pSmO3
Пример: Fe2O3 + 3SO3 = Fe2 (SO4)3; Kp = 1 : pS3O3
С увеличением парциального давления SO3 в газах сульфаты образуются, а с уменьшением — разлагаются. На рис. 4 равновесные давления SO3 для разных сульфатов сопоставлены с парциальным давлением серного ангидрида, максимально возможным при обжиге на воздухе; цифры под формулами отмечают температуры равновесия сульфатов с чистым SO3 при p = 98066,5 Н/м2. Сульфаты, образовавшиеся на поверхности зерен сульфидов, могут разлагаться:
Me SO4 + Me S = 2Me О + 2SO2
Мышьяк в сульфидном сырье присутствует преимущественно в виде арсенопирита, который при нагревании до 600—700°С уже активно диссоциирует, выделяя быстро окисляющиеся пары мышьяка:
4FeAsS = 4FeS + As4,
As4 + 3О2 = As4O6.
Возможно и прямое окисление
4FeAsS + 10О2 = 2Fe2О3 + As4О6 + 4SО2.
CaCО3 + SО3 = CaSО4 + CO2 2CaCО3 + SiО2 = Ca2 SiО4
Давление паров AS4O6 достигает 98,1 кН/м2 при 460° С. Если избыток кислорода мал, мышьяк легко удаляется из печи с обжиговыми газами. В сильно окислительной среде в присутствии основных окислов As (III) частично окисляется до As (V) и
остается в огарке в виде сложных солей орто- или пиромышьяковой кислот — арсенатов.
Антимонит Sb2S3— чаще других встречаемый минерал сурьмы, окисляется до Sb4О6, а выше 570° С образует Sb2О4, содержащую Sb (III) и Sb (V), оба окисла остаются в огарке в виде антимонитов и антимонатов.
Селениды и теллуриды, ассоциированные с пиритом и другими сульфидами, сгорают подобно сере до двуокисей: SeО2 и ТеО2; первая частично возгоняется и увлекается газами, а теллур почти полностью остается в огарке.
Твердые продукты обжига реагируют между собой: кислотные окислы (SiО2, Fe2О3, Аl2О3) взаимодействуют с основными (СаО, FeO, ZnO, СаО), образуя силикаты, ферриты, алюминаты. Достаточно быстро это происходит только в отдельных зернах, где совместно присутствуют участники реакций, или в случае образования легкоплавкими смесями капельных участков жидких фаз.
Разложению карбонатов кальция и магния способствует контакт с SiО2 и SО3:
CaCО3 + SО3 = CaSО4 + CО2
2CaCО3 + SiО2 = Ca2SiО4
Реакции между твердыми веществами обычно не завершаются из-за нарушения контакта между ними, в обожженном концентрате остаются значительные количества соединений, способных к взаимодействию.
Температура обжига зависит от содержания серы в шихте, скорости загрузки и притока воздуха, на подах она должна быть <850°С. Помимо перегрева подача воздуха ограничена необходимостью получать газы, содержащие более 4% SО2, пригодные для производства серной кислоты. Все это позволяет обжигать в сутки не более 250 т шихты со снижением в ней серы с 25 до 10%. В обжиговых газах бывает до 7% SО2; однако это возможно только при постоянном контроле состава и крупности шихты, температуры на подах и регулировании подачи воздуха.
За последние годы в металлургии начали широко применять более производительный обжиг в кипящем слое — КС. Он отличается высокой производительностью и возможностью получать богатый сернистый газ.
Печи КС, используемые теперь для обжига разных материалов, имеют форму цилиндра, реже — призмы. Свод и стены, укрепленные стальным кожухом, футеруют шамотным кирпичом. Подом служит стальная плита, защищенная от действия высокой температуры слоем жаростойкого бетона. В ней сделаны отверстия для воздушных сопел, расположенные в шахматном порядке. Снизу плотно примыкают воздушные коробки (рис. 5). Если на такой под загружать шихту, а снизу через сопла подавать сжатый воздух, мелкий или зернистый материал переходит в состояние, называемое псевдоожижением. Частицы его поднимаются струйками воздуха на некоторую высоту, а затем падают, витая в потоке газов. Псевдоожиженный слой способен перетекать с высшего уровня на низший, по внешнему виду он похож на кипящую жидкость, поэтому и назван кипящим. Каждая витающая частица, окруженная потоками воздуха, сгорает быстро благодаря интенсивному газообмену. Чтобы поддержать температуру на нужном уровне, приходится даже отводить тепло. Для этого ставят водяные холодильники.
Шихту загружают непрерывно через загрузочную воронку, а в противоположном конце пода огарок «стекает» в желоб. Степень десульфуризации зависит от времени пребывания в печи — от скорости загрузки. Иногда более половины шихты уносится газами в виде пыли, которую улавливают и вместе с огарком направляют на плавку. Для меньшего распыления шихту иногда окатывают, пересыпая ее в несколько увлажненном состоянии в наклонном вращающемся барабане или по поверхности та-рели (рис.6).
При близких габаритах многоподовая механическая печь обжигает в сутки 180— 330 т шихты, а печь КС 700— 1400 т. Выход огарка соответственно 83 и 87%, а безвозвратные потери меди 0,6 и 0,5%. Удельная производительность обжига в печах КС превышает 60 т/м2 площади пода, десульфуризация более 55%, содержание SО2 в отходящих газах из-за малого избытка воздуха 10—13%.
Надо отметить и одну из отрицательных особенностей этого-прогрессивного обжига. В многоподовых печах отдельные частицы шихты, взаимно соприкасаясь, реагируют между собой и с парами серы, сравнительно медленно уходящими из пор сыпучего материала. Железо (III) в большей мере восстанавливается до железа (II), пирит сгорает преимущественно по реакции (66). В огарке печей КС больше Fe2О3 . Частицы, сгорающие неполно, из-за накопления в них тепла оплавляются. При этом сульфиды диспергируются в среде окислов и хуже сливаются в крупные капли при последующей плавке. Обжиг витающих или взвешенных частиц всегда приводит к сравнительно большим потерям меди в отвальных шлаках.
Статья на тему Устройство печей для обжига медных концентратов, Обжиг медных концентратов, Печь для обжига медных концентратов