Устройство шахтной печи
ВЫПЛАВКА ШТЕЙНА ИЗ РУД
Рис. Шахтная печь для медной плавки: 1 — загрузочные окна; 2 — шатер; 3 — газоотводные трубы; 4 — Кессоны; 5 —колонны; 6 — фундамент; 7 — выпускной же лоб; 8 — передний горн;-,9 — крлйектор для подачи воздуха в фурмы
Устройство шахтной печи
Печь для плавки медных руд (рис.) представляет собой высокую шахту, заполненную смесью кусковой руды, флюсов и кокса. В нижнюю часть ее через фурмы вдувают воздух, необходимый для горения топлива и окисления сульфидов. Стены сделаны из кессонов — плоских железных коробок, сваренных из листов котельного железа, охлаждаемых проточной водой Огнеупором при этом служит слой проплавляемого материала настывающий на обращенной в печь поверхности кессонов -гарниссаж. Основание печи — прямоугольная чугунная плита укрепленная на стальных колоннах или домкратах, установленных на фундаменте. Кессонированная часть имеет в вертикальном сечении форму трапеции, обращенной меньшим основанием вниз. Торцовые кессоны стоят попарно, вертикально. Сечение печи в плане прямоугольное, на уровне фурм ширина его 1,4 м, длина 4—15 м; высота печи до 7 м.
Фурмы для вдувания воздуха укреплены на кессонах и соединены с воздухопроводом, воздух иногда обогащают кислородом и подогревают.
Шихту, состоящую из руды и флюса, а также кокс загружают сверху до уровня несколько ниже верхнего края кессонов отдельными порциями — колошами. Высокий столб шихты должен быть хорошо проницаем для газов, поэтому все материалы загружают крупными кусками (от 20 до 100 мм в поперечнике).
В шахтной печи главный источник тепла — горение пирита, содержащегося в медной руде. Но его не всегда достаточно для плавки, поэтому приходится добавлять немного кокса.
В присутствии кварца пирит сгорает по реакции:
2FeS2 + 5О2 + SiО2⇄Fe2SiО4 + 4SО2 • • • •
ΔH0298= — 1381 кДж.
От сгорания 1 кг пирита выделяется (1380 • 1000) : (2 • 120) =5754 кДж
1120 — молекулярная масса FeS2h что эквивалентно 0,20 кг кокса.
Надо оговориться, что пирит может до сгорания диссоциировать на FeS и S2, а часть FeO — окислиться до Fe3О4 и Fe2О3; однако для приближенной оценки теплотворности это можно опустить. Теоретически теплоты от сгорания пирита достаточно для плавления руды, если его больше 75% (по массе). Такие руды редки и дополнительным источником тепла служит кокс.
В фокусе горения в нижней части печи около фурм температура достигает 1400—1450° С, тепло передается газами, движущимися вверх по шахте.
Плавление начинается в слоях шихты, где температура около 1000—1100° С. Не сгоревшие сульфиды железа и меди начинают здесь вытапливаться из кусков руды, оставляя после себя пористый скелет из кварца, окислов железа, кальция, магния и алюминия. Наиболее легкоплавкие сплавы SiО2, СаО и FeO становятся жидкими при 1100° С. Стекая вниз, они постепенно растворяют в себе другие окислы пустой породы.
Пористая масса окислов, образовавшаяся после вытапливания легкоплавких составляющих, играет существенную роль в плавке. На ее поверхности расплавленный поток сульфидов встречается с горячими кислородсодержащими газами. Здесь интенсивно протекает главная реакция плавки:
2FeS + 3O2 + SiO2 = Fe2SiO4 + 2SO2; ΔH°298 = —966 кДж. (85)
Расплавленная смесь сульфидов и силикатов стекает вниз и непрерывно сливается в передний горн овальной формы, длинная ось его перпендикулярна фасаду печи (см. рис.).
Горн выкладывают из хромомагнезита или талькового камня в кожухе из листового железа. За время пребывания здесь расплав расслаивается на штейн и шлак. Шлак стекает по желобу в конце горна, противоположном месту поступления. Штейн выпускают периодически через отверстия — летки в боковых стенках на уровне лещади.
Газы отходят через шатер из шамотного кирпича, укрепленный металлическим каркасом и перекрывающий печь над колошниковой площадкой. В боковых стенках его сделаны окна для загрузки, закрываемые шарнирно подвешенными дверцами. К своду шатра подходят железные газоотводные трубы, футерованные огнеупорным кирпичом, по ним газы поступают в пылевую камеру.
Шихта всегда содержит некоторое количество мелких частиц; кроме того, по мере плавления столб ее опускается, а куски при этом истираются и измельчаются. Поступающие снизу газы с большой скоростью пронизывают сыпь и уносят с собой мелкие ее частицы.
Вынос пыли достигает 5% от массы шихты. Она частично оседает в газоходах и осадительной камере, а более мелкая улавливается электрофильтрами. По составу пыль близка к руде, ее перерабатывают в отражательных печах вместе с медными концентратами.
Извлечение меди в штейн при шахтной плавке 88—95%. Такие сравнительно низкие цифры объясняются большим выходом шлака —4—6 единиц на единицу массы штейна. Суточный проплав шихты относят к 1 м2 сечения печи в области фурм, он колеблется в пределах 30—100 т/м2.
По расходу кокса (в % от массы шихты) различают пиритную (2—3%) и полупиритную (>6%) плавки, последняя более производительна, но кокс дорог и дефицитен. Если его добавляют в небольшом количестве (пиритная плавка), углеродсгорает в верхних частях сыпи и не доходит до области фурм. При большем расходе кокса на горение его затрачивается часть вдуваемого воздуха и десульфуризация снижается. Виесте с тем горение в области фурм создает более устойчивый тепловой режим и позволяет свободнее регулировать состав шлаков. При обогащении дутья кислородом и его подогреве с применением природного газа проплав шихты удается доводить до 150 т/м2.
Загрузка шихты и уборка продуктов плавки теперь повсюду механизированы. Задача ближайших лет — полная автоматизация управления работой печей, в частности регулирование давления и расхода дутья по датчикам высоты сыпи, температуры и состава газов.
Содержание меди в штейнах колеблется в пределах 15— 25%; в отдельных случаях при богатых рудах оно достигает 45—50%. Содержание меди в шлаках 0,12—0,50%, обычно около 0,3%.
Кампания печи длится от 4 месяцев до 1,5 лет, в среднем 10—12 месяцев.
Шлаки шахтной плавки содержат 35—40% Si02, 40—55% FeO и 7—12% СаО.
Невозможность предварительного обогащения не позволяет использовать ценные составляющие комплексных руд — цинк, свинец, молибден и другие металлы, все они переходят в шлак и пыль. Отходящие газы сильно разбавлены подсасываемым
воздухом, получать из них серную кислоту нельзя. Электрофильтры для улавливания тонкой пыли устанавливают не всегда, и она вместе с сернистым газом загрязняет окружающую среду. Кроме того, с возгонами теряются ценные примеси: селен, теллур, германий.
Наряду с этим для шахтной плавки требуется сравнительно мало топлива и огнеупоров, а производительность ее, отнесенная к единице цеховой площади, далеко опережает достигаемую в других печах.
Статья на тему Устройство шахтной печи