Вопрос 2. Характеристика шахтной плавки.

В металлургии меди до конца промышленного освоения флотационного способа обогащения шахтная плавка являлась единственным вариантом плавки медных руд. К несомненными достоинствам процесса следует отнести высокую удельную производительность (45-120 т/(м²*сут), высокий коэффициент использования тепла (до 70%), высокую степень десульфуризации (50-95%) и незначительный расход огнеупоров в связи с применением кессонированных стенок. В зависимости от состава газов в печи различают восстановительную и окислительную шахтную плавку. Восстановительная плавка частично сохраняет свое значение для переработки вторичного медьсодержащего сырья с получением черной меди (Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь», г. Кировград). При этом часть летучих составляющих шихты отгоняется с газами и в последующем извлекается в системе тонкой очистки газов. Среди разновидностей окислительной шахтной плавки (после закрытия в конце 80-х г.г. на медногорском медно-серном комбинате (ММСК) медно-серной плавки) в основном используется полупиритная шахтная плавка.

Использование дутья, обогащенного кислородом, позволило существенно повысить технико-экономические показатели полупиритной плавки и перевести ее в новую категорию - автогенных шахтных процессов (АШП). Основанием для разработки нового процесса послужил выбор оптимального варианта реконструкции ММСК, перерабатывающего пиритные руды Южного Урала, запасы которых были практически исчерпаны. В этой связи возникла необходимость поиска эффективного способа плавки сульфидных концентратов, вторичного медьсодержащего сырья, клинкера и пр. медьсодержащих материалов в шахтных печах с последующей утилизацией газов в сернокислотном производстве.

Вопрос.3. Схема процессса АШП

Состоит из шахтной печи с поперечным сечением в области фурм 1.0 м²и системы пылеулавливания, включающей осадительную камеру, электрофильтр и конденсатор серы (рис. 5.1). Печь высотой от лещади до колошника 6.7 м имела футерованный внутренний горн с сифонным выпуском расплава в наружный горн-отстойник емкостью 4.9 м³. Нижняя часть печи (3.0 м) кессонирована, верхняя (4.5 м) - футерована шамотным и теплоизоляционным кирпичом. Герметичность загрузки достигалась использованием двухконусного загрузочного аппарата. Два ряда фурм обеспечивали подачу дутья, один из которых (верхний), установленный на высоте 0.6 м от нижнего, предназначался для ввода природного газа в восстановительную зону печи с целью восстановления сернистого ангидрида. Сопоставимый анализ технико-экономических показателей различных вариантов плавки приведен в табл. 2.

Таблица 2

Сравнительные показатели различных видов шахтной плавки

Показатели	Возуш ное дутье	Дутье, обогащенное кислородом
		Автогенная плавка на штейн			Плавка с восстановлением SO2
		бедный	богатый	коксом		пр. газом
Содержание кислорода, %, об Расход кокса к массе руды, % Расход природного газа, м^3/т Удельный проплав, т/(м^2 ∙сут): руды………………….. шихты………………… Содержание меди, %: в руде………………… в штейне……………... в шлаке………………. Содержание серы в руде, %... Степень десульфуризации, % Извлечение элементной серы, % Состав отходящих газов, %, об: SO2…………………….. H2S……………………. COS…………………… CO2……………………. CO……………………... O2………………………	21 10.1 0 38.2 48.5 3.0 11.0 - 40.6 70.4 48.8 2.7 1.1 0.8 - - -	30 0 0 43.6 70.5 1.9 16.3 - 46.1 90.5 41.7 23.3 0.1 0.2 4.6 0.2 1.9	31.3 0 0 46.4 71.1 2.1 37.6 - 49.2 94.1 42.0 22.4 0.2 0.1 5.5 0.2 1.9	28 10 0 42.0 63.9 2.0 27.4 - 45.3 92.6 65.9 8.9 0.3 2.2 13.3 1.8 1.8		30 0 64 45.3 69.5 2.32 30.1 0.35 47.6 92.8 57.7 11.6 1.3 1.4 9.5 1.6 2.0

Из данных табл. 2. следует, что на дутье, обогащенном кислородом, возможна автогенная бескоксовая плавка при степени десульфуризации 94.1% и получении богатых штейнов (37.6% Cu). В автогенном режиме извлечение элементной серы снижается с 49 до 42% при увеличении концентрации SO₂ в газах с 2.7 до 22%. В ходе внутришахтного восстановления извлечение элементной серы повышается с 49 до 58-66%, концентрация SO₂снижается до 8-10%.На основе длительных промышленных испытаний авторы работы формулируют вывод о возможности плавки высокосернистой руды на дутье, обогащенном кислородом до 28-32%, при содержании меди в штейне 20-30% и в шлаке - 0.25-0.35%. Во всех режимах плавки образуются отходящие газы, пригодные для производства серной кислоты, удельный проплав по сравнению с воздушным дутье повышается на 10-20%.

После ввода в эксплуатацию на ММСК (1986 г.) кислородной станции производительностью 5300 м³/ч основную часть сульфидного сырья перерабатывали в печах бывшей сократительной плавки (1987 г.) на обогащенном кислороде дутье методом АШП по технологической схеме (рис.1); технико-экономические результаты для переработки различных видов сырья приведены в табл. 3.

Рис. 1. Схема технологии по АШП

Таблица 3

Технико-экономические показатели АШП различных видов сырья

Показатели	Кусковая руда				Брикеты
	медная	медно- цинковая	серно- колчеданная	Из медных концентратов		Из медно- цинковых концентратов	Из медно- цинко вого пром-продукта
Содержание в руде (брикетах), %: Cu………… Zn………… S………….. О2 в дутье, % об в штейне, %: Cu………… Zn………… в шлаке: Cu………… Zn………… Степень десульсуль фуризации, %. Извлечение элемент. S, % То же при восст. палавке, % Конц-ция SO2 в отх. газах, % То же при восст. палавке, % Удельный проплав, т/(м^2·сут): руды (брикетов)… шихты……………	2.3 1.4 47.6 30.0 30.1 1.2 0.33 1.31 92.8 40-42 57-65 22-24 8-12 43-45 68-70	3.6 7.0 43.7 32.0 24.0 3.5 0.28 5.5 88.0 40-42 - 23-25 - 57-59 82-84	0.59 - 50.3 32.0 8.4 - 0.1-0.2 - 95.0 43-45 - 22-24 - 58-62 85-88	14.4 4.4 39.0 25.0 49.8 2.8 0.41 4.2 76.3 25-30 - 14-15 - 50-52 73-75		7.2 13.2 37.5 32.5 45.8 5.4 0.52 9.3 86.9 25-30 - 17-21 - 59-61 92-94	12.0 10.3 36.4 36.0 46.6 5.1 0.55 7.50 80.3 25-30 - 20-25 - 60-62 97-100

Показано, что благодаря высокой степени сокращения при АШП возможно получение штейнов, пригодных для конвертирования в одну стадию (20-30% Cu), вместо двухстадийного на воздушном дутье. Содержание SO₂ при внутрипечном восстановлении и без него составляет 8-12 и 22-24%, соответственно. Отвальные шлаки содержат незначительное количество магнетита (менее 3-5%), что объясняется специфичными условиями окисления сульфидов в шахтной печи на кварце, когда постоянный контакт с SiO₂ предотвращает возможность переокисления Fe²⁺ до Fe³⁺.

При брикетировании шихты был учтен опыт работы заводов «Легница» и «Глогув 1» ( Польша), а также Мансфельдского комбината (Германия), применявших валковые прессы высокого давления и сульфит-целлюлозный щелок в качестве связующего. Брикетирование мелкой шихты проводили также с использованием гидросиликатной технологии. Внедрение АШП на ММСК позволило осуществлять плавку 85-90 % первичного сульфидного сырья в сократительных печах, предназначенных для переработки твердого штейна.

В среднем состав шихты плавки был следующий, % масс.: брикеты из мелкой руды, концентратов и клинкера 54.5; кусковая руда 25.3; штейн от плавки брикетированного клинкера, кусковой руды и рядовых брикетов, полученный в печах рудного передела на воздушном дутье 13.5; окатыши из концентратов 6.7 .

В 2002 г. на ОАО ММСК проведена замена кокса доменного класса брикетированной мелкой фракцией нефтекокса и крупнокусковым нефтекоксом. В результате удельный расход топлива уменьшился с 33.4 до 29.6 кг нефтекокса на т шихты. Итоги производственной деятельности комбината при частичной замене кокса крупным нефтекоксом и брикетированной мелочью в 2002 г., а также состав газовой фазы приведены в табл. 4.

Таблица 4

Показатели работы передела АШП

Показатели	Период
	Работа на коксе (2001 г.)	Частичная замена кокса (2002 г.)
Проплав шихты на печах, т Расход топлива, т в т.ч. кокс крупный нефтекокс брикеты нефтекокса Состав газов, %: О2. СО СО2. СOS SO2	470934 15734 15734 - - 7.9 1.3 11.2 0.5 7.6	482416 14266 4904 6648 2714 8.81 1.56 12.42 0.18 9.62

Из данных табл. 4. следует, что частичная замена топлива нефтекоксом не оказала заметного влияния на состав отходящих газов, хотя сопровождается снижением общего расхода топлива на плавку и некоторым увеличением производительности процесса. Брикеты мелкой фракции нефтекокса имели влажность 5-6.5%, прочность на сбрасывание после часовой выдержки 20 раз (при норме 10) и прочность на раздавливание 25-30 кг/см² (при норме 20 кг/см²)

Химический состав штейна и шлака (% масс.) сохранился на уровне 2001-ного года: штейн - 29.6 Cu, 44.2 Fe, 24.9 S, шлак - 0.34 Cu, 35.9 Fe, 31.5 SiO₂, 7.7 CaO. Температура отходящих газов и штейнового расплава составляла 400-680 и 1150^оС, соответственно. Объем дутья и количество кислорода, а также цветность серной кислоты не изменилась. Годовой экономический эффект в 2002 году составил более 6 млн. руб. [ 8].

Шахтная плавка в настоящее время используются на трех уральских предприятиях (ОАО «Медногорский медно-серный комбинат»; ЗАО «Карабашмедь»; Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь» г. Кировград), где перерабатывают разнообразное по характеру комплексное сырье (состав частично приведен в табл. 5.1, 5.4, 5.5). В связи с ограниченностью поставок рудного сырья в шихту плавок входит также вторичное медьсодержащее сырье и основным продуктом, получаемым в шахтных печах, является медный штейн (состав - в табл. 2.1).

Несмотря на наличие кислородных станций, в существующем варианте шахтная плавка не является автогенным процессом, осуществляется в режиме, близком к полупиритной плавке и сопровождается сравнительно высоким расходом углеродсодержащего топлива (кокс, нефтекокс, клинкер). Причиной этого являются низкая механическая стойкость брикетов, невозможность увеличения содержания кислорода в дутье (т.к. в этом случае возрастает тепловая нагрузка на кессоны), недоработанность схемы утилизации тепла отходящих газов. Система загрузки и пылеулавливания не герметична и с учетом значительных подсосов отходящие газы разубоживаются и характеризуются более низкой концентрацией SO₂ (7-9% об), чем в атмосфере печи. Не постоянный гранулометрический состав шихты приводит к возрастанию пылевыноса и появлению продувов, что вызывает необходимость сокращать расход дутья и уменьшать производительность.

Вместе с тем АШП в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к современным процессам (высокая производительность, комплексность использования сырья, минимальный расход топливно-энергетических ресурсов, возможность оперативного управления режимами плавки и обеспечение охраны окружающей среды).

Необходимо отметить, что аппаратурную основу АШП составляет наиболее совершенный в теплотехническом отношении агрегат с многолетним опытом эксплуатации. Характеристика печей и технико-экономические показатели плавки уральских предприятий приведены в таблице 5

Показатели	Предприятия
	ЗАО «Карабашмедь»	ППМ ОАО«Уралэлеткромедь»	ОАО ММСК»
Высота печи от фундамента, м. Высота печи от фундамента до колошника, м Длина печи, м. Площадь сечения в области фурм, м^2 Уд. производительность по шихте, т/(м^2сут) Объем переднего горна, м^3 Количество фурм, шт. Количество кессонов, шт. Расход дутья, тыс. м^3/ч Содержание O2 в дутье, % об. Давление дутья, МПа . Температура дутья, ^оС Температура отходящих газов, ^оС Расход топлива, кг/т шихты: кокс нефтекокс Состав шихты, %: смесь медесодержащая отходы вторцветмета оборотный шлак известняк кварцит Уровень загрузки печи, м Степень десульфуризации , % Степень сокращения Извлечение меди в штейн, % Система очистки газов Пылевынос, % от массы шихты: в циклон (грубые пыли) в УРФ(возгоны) Содержание SO2 в отх. газах, % об.	13.5; 3.5;13.5 6.0; 6.0;6.0 11.4; .64;11.4 15.0; 3.0;15.5 37-45 110; 90; 75 73; 61;72 76; 72;76 20.0-35.0 до 27.0 0.015-0.025 300-400 250-450 89-100 - 50-62 5-10 21-25 7-10 10-15 1.5-2.5 65 3.3-5.0 90.0 циклоны; уст. мокрой очистки «Болиден»; труба	13.5 5.6 6.065 8.35 50-65 15 26 60 30-35 - 0.015-0.025 300-400 400-800 47-50 38-40 47 10 31 7 5 2.0-2.5 - 3-3.5 95.0 циклон; рукавные фильтры; труба 6.0 4.0 0.1	9.4 8.0 10 12.0 58-67 15 21 73 14-15^1) до 33 0.018 до 50 400-680 10.16 19.4 37.5-38.5 - 37.5-38.5 5-7.8 15-20 2.0-2.5 65-70 4-5 91-93 пыл. камеры: циклоны; электроф. труба 1-2 - - до 6.5

Лекция 13. Модернизация пламенных печей.