Способ получения медного штейна
Изобретение относится к способу переработки в шахтных печах сульфидных медных руд, концентратов и иных медьсодержащих материалов с целью получения медного штейна. Способ получения медного штейна включает загрузку в шахтную печь шихты, содержащей исходное медьсодержащее сырье и топливо, в состав которого входит кокс, и последующую окислительную плавку шихты, причем в состав топлива дополнительно вводят антрацит, компоненты топлива берут при следующем соотношении кокс/антрацит, мас.%: (50-95):(50-5) соответственно, зольность антрацита составляет не более 15%, термостойкость - не менее 70% и крупность антрацита составляет не менее 20 мм, обеспечивается сохранение качества медного штейна при одновременном удешевлении способа получения медного штейна и расширение сырьевой базы топлив. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к способу переработки в шахтных печах сульфидных медных руд, концентратов и иных медьсодержащих материалов с целью получения медного штейна.
Получение медного штейна происходит в процессе переработки сульфидного медьсодержащего сырья, как правило, в процессе его окислительной шахтной плавки (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта", - М.: Металлургия, 1966 г., т. I, стр.146-147). При этом в качестве топлива используется кокс, расход которого составляет 10% и более от веса шихты. Сульфиды при этом виде плавки подвергаются окислительному действию кислорода дутья в твердом или расплавленном состоянии.
Распространенным процессом шахтной плавки (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта". - М.: Металлургия, 1966 г., т. I, стр.45-47, 168-169) является полупиритная плавка медных руд и агломерированных концентратов. Этот процесс не предъявляет жестких требований к составу проплавляемых материалов и его можно осуществлять с получением шлаков разнообразного состава. Кроме руды и агломерата в плавку может поступать клинкер, бедный штейн, оборотные шлаки и т.п. Окислительная атмосфера шахтной печи осуществляется за счет избыточного (до 100%), подаваемого через фурмы, воздушного дутья и распространяется не только на фурменную зону, но и на весь объем шахтной печи, в том числе на верхние горизонты. При этом окислению подвергаются как жидкие, так твердые сульфиды. В фокусе печи происходит горение (окисление) углерода кокса за счет кислорода дутья и одновременное окисление сернистого железа
Ств+O2=СO2 
2FeS2+3O2+2SiO2 =2FeO× SiO2+2SO2
В окислительной атмосфере подготовительной зоны шахтной печи происходит преимущественное окисление сульфидов железа по реакции
3FeS2+8O 2=Fе3O4+6SO2
По физико-химическим условиям плавки магнетит не полностью разлагается, часть его переходит в продукт плавки - шлак. Сульфиды меди, пройдя ряд превращений, переходят в штейн в виде полусернистой меди. Простые и комплексные сульфиды никеля переходят в штейн. Сульфиды цинка окисляются незначительно и остаются нерасплавленным веществом, частично растворенным в расплавах штейна и шлака и частично выпадающим в виде настылей в наружном и внутреннем горнах шахтной печи. Сульфиды свинца частично окисляются, в значительных количествах улетучиваются в виде окиси и сульфида и извлекаются при помощи фильтров.
Образующийся штейн содержит 15-50% меди, а содержание меди в шлаке не превышает 0,4%.
Диоксид углерода (СО2 при температуре выше 800° С может вступать в реакцию с углеродом кокса с образованием оксида углерода (СО)
СO2+Ств=2СО,
но в окислительной атмосфере подготовительной и фурменной зон шахтной печи (содержащих большой избыток кислорода) оксид мгновенно догорает до СО2
2СО+O2=2СO2 .
Для устойчивой работы шахтных печей при ведении окислительной плавки необходимо, чтобы часть топлива - металлургического кокса сгорала в зоне фурм шахтных печей. Поэтому требуется очень высококачественный кусковый кокс с низкой реакционной способностью, чтобы в условиях 100% избытка воздушного дутья часть кокса опускалась и сгорала в области фурм шахтных печей. Процесс горения топлива в окислительной плавке по сравнению с восстановительной плавкой более усложнен, т.к. зона горения топлива очень растянута по высоте и может "заканчиваться" в верхних горизонтах шахтных печей при температуре 500-650° С. Таким образом, зона горения распространяется почти на весь объем шахтной печи от области фурм, где наблюдаются максимальная скорость горения топлива и максимальная температура материалов до зон с температурой материалов 500-650° С и низкой (затухающей) скоростью горения.
Вышеуказанный способ окислительной плавки характеризуется значительным (12-18% от суммы твердых минеральных компонентов плавки) расходом дорогостоящего кускового металлургического кокса. Колебания в расходе кокса обусловлены, главным образом, различным содержание серы в потребляемом сырье - чем выше содержание серы, тем ниже расход кокса.
Известен также способ шахтной плавки с применением нагретого воздушного дутья (1. В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта". - М.: Металлургия, 1966 г., т. II, стр.56-59; 2. Набойченко С.С., Смирнов В.И. и др. "Металлургия меди, никеля, кобальта". Изд. 2, ч. II, 1977, стр.140-144).
В этом случае реально удается понизить расход металлургического кокса на 15-25% от количества кокса, потребляемого при холодном дутье.
Известен способ шахтной плавки с применением воздушного дутья, обогащенного кислородом (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта", М.: Металлургия, 1966 г., т. II, стр.59-60). По эффективности этот способ близок к способу с нагревом дутья.
Все вышеперечисленные способы плавки относятся к окислительным и выбор того или иного способа определяется, главным образом, наличием соответствующих технических возможностей.
За прототип выбран способ получения медного штейна при окислительной плавке шихты, включающей медьсодержащее сырье и топливо - кокс (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта". - М.: Металлургия, 1966 г., т. I, стр.45-47, 168-169).
Недостатком прототипа, а также иных известных способов получения медного штейна является то, что они не позволяют существенно снизить расход дорогостоящего кускового металлургического кокса, не позволяют расширить сырьевую базу топлива.
Сократить расход кокса и расширить сырьевую базу топлив при применении известных способов не представляется возможным.
Задачей предлагаемого изобретения, касающегося способа получения медного штейна, является устранение указанного недостатка путем замены части кокса более дешевым и доступным топливом - антрацитом.
Достигаемый технический результат - сохранение качества выходного продукта - медного штейна при одновременном удешевлении способа получения медного штейна; расширение сырьевой базы топлив.
Поставленная задача и технический результат достигаются за счет того, что в способе получения медного штейна, включающем загрузку в шахтную печь шихты, содержащей исходное медьсодержащее сырье и топливо, в состав которого входит кокс, последующую окислительную плавку шихты, в состав топлива дополнительно вводят антрацит, при этом компоненты топлива взяты при следующем соотношении кокс/антрацит, мас.%: (50-95):(50-5) соответственно; зольность антрацита составляет не более 15%, термостойкость - не менее 70%, крупность антрацита составляет не менее 20 мм.
Поставленная задача решается также за счет того, что используют антрацит крупностью преимущественно 25-120 мм.
Поставленная задача решается также за счет того, что содержание в антраците кусков крупностью 25-120 мм составляет не менее 80%, а содержание кусков менее 25 мм не более 10%.
Поставленная задача решается также за счет того, что загрузку кокса и антрацита в шахтную печь осуществляют последовательно (послойно) или одновременно в виде смеси. Способ загрузки зависит от наличия технических средств.
Проведенные авторами изобретения опытно-промышленные окислительные плавки с заменой части металлургического кокса антрацитом показали возможность осуществления технологии по предлагаемому с заменой до 50% металлургического кокса антрацитом.
При замене более 50% кокса антрацитом может снизиться равномерность газопроницаемости шихты, что отрицательно отразится на устойчивости технологического процесса. Заменить кокса антрацитом более чем на 50% возможно только после очень хорошей подготовки минеральной части сырья путем окускования.
Замена менее 5% кокса антрацитом нецелесообразна также вследствие снижения эффективности и повышения удельных затрат на организацию производства.
Антрациты - природное сырье, не требующее специальной технологической обработки (коксования) для того, чтобы быть пригодным к использованию их в качестве топлива. Возможность замены части кокса антрацитами приведет к значительному удешевлению процесса получения медного штейна за счет сокращения объемов использования дорогостоящего компонента топлива - кокса.
Замена части кокса антрацитами не приведет к ухудшению технологического режима плавки, т.к. низшая теплота сгорания антрацитов находится, как правило, в пределах от 6500 до 7400 ккал/кг, а металлургического кокса - 6300-6700 ккал/кг. Высшая теплота сгорания антрацитов выше, чем кокса, поэтому замена части кокса на антрацит не будет влиять на тепловой режим процесса. Таким образом, при замене части кокса антрацитами обеспечивается тепловой режим не худший, чем при использовании в качестве топлива только кокса.
Ограничение термостойкости антрацита не менее 70% обусловлено необходимостью сохранения топлива в кусковом виде и газопроницаемости шихты. При опускании кусков антрацита с термостойкостью менее 70% от уровня загрузки в зону высоких температур некоторая часть кусков может разрушиться с образованием мелких (менее 25 мм) кусков, что может привести к снижению газопроницаемости, изменению теплового и окислительного режима по объему печи и другим технологическим нарушениям. Поэтому, чем выше термостойкость топлива, тем выше устойчивость технологического процесса.
Обеспечение однородности гранулометрического состава топлива необходимо для сохранения его хорошей газопроницаемости. Следовательно, гранулометрический состав антрацита должен приближаться к гранулометрическому составу кокса. Поэтому крупность кусков антрацита исходя из вышеуказанных причин и условий работы сортировочных комплексов должна быть не менее 20 мм, преимущественно 25-120 мм, а также 50-120 мм. Содержание кусков 25-120 мм, а также 50-120 мм в сортовом антраците должно быть не менее 80%, а содержание кусков крупностью менее 25 мм не более 10%. Снижение нижней границы крупности кусков антрацита сопровождается увеличением их поверхности, интенсификацией горения в более высоких горизонтах печи, снижением доли топлива, опускающегося в зону фурм, а также приводит к снижению газопроницаемости. Это может сопровождаться нарушением хода печи и увеличением расхода топлива.
Увеличение верхней границы крупности кусков топлива (антрацита) и доли крупных может привести к снижению равномерности распределения топлива и, следовательно, к снижению равномерности обогрева печи. Одновременно увеличение эквивалентного диаметра кусков топлива (антрацита) в указанных пределах, например при использовании кусков крупностью 50-120 мм, будет сопровождаться снижением внешней поверхности топлива (антрацита) и интенсивности его горения в верхних горизонтах печи, увеличением доли топлива, сгорающего в области фурм.
Ограничение зольности A d антрацита не более 15 мас.% обусловлено снижением эффективности работы шахтных печей за счет увеличения в шихте балластной части - золы. Поэтому предпочтительно использовать антрацит с зольностью 10% и менее.
Совокупность признаков, характеризующих заявляемый способ, неизвестна из уровня техники, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию патентоспособности "новизна".
Из уровня техники не известны отличительные признаки, отличающие заявляемый способ от прототипа, не известно также влияние отличительных признаков изобретения на достижение заявляемого технического результата и решение поставленной задачи, следовательно, заявляемый способ соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ был проверен в полупиритной (окислительной) шахтной плавке сульфидных медных руд, концентратов и медьсодержащих материалов на промышленной шахтной печи, имеющей следующие характеристики:
длина печи, мм - 11400;
высота (от фундамента до колошника), мм - 6000;
площадь сечения в плоскости фурм, м2 - 15,5;
количество фурм, шт. - 73;
способ загрузки компонентов шихты в шахтную печь - механизированный, односторонний, при помощи вагонеток через окна, закрываемые заслонками;
расход воздушного дутья, тыс. н.м3/час - 20-40;
расход кислорода на обогащение дутья, тыс. н.м3 - до 2;
расход топлива, кГ/т твердой шихты - 90-130;
объем переднего горна, м3 - 90.
Продукты плавки из шахтной печи с температурой 1200-1300° С равномерно выпускаются в передний горн и механически разделяются (по плотности) путем отстаивания на шлак и штейн. Шлак выпускается постоянно самотеком по чугунному желобу на струю воды с образованием мелкого (до 6 мм) гранулята. Штейн выпускается через сифон периодически по мере накопления.
Проверка проводилась путем осуществления способа на одной из печей и одновременного осуществления на двух других печах технологии по прототипу. При этом минеральная составляющая оставалась одинаковой для сравниваемых способов плавки.
Применялся следующий порядок (очередность) загрузки компонентов (см. табл.1).
По предлагаемому способу и прототипу применялся по возможности близкий суммарный расход топлива.
Смесь медьсодержащих материалов приготовляется на складе и используется одновременно для технологии по прототипу и по предлагаемому способу.
Качество кокса в период проведения испытаний, %:
А d=11,2; Vd=0,66; Sd=0,5.
Использовался металлургический кокс крупнее 40 мм.
Теплотворная способность, ккал/кГ:
высшая - 8185;
низшая - 6790.
Качество антрацита, использованного в вариантах 1,2 и 4,%:
А d=3,5; Vd=2,5; Sd=0,22.
Термостойкость (ГОСТ 7714-75),% - 90.
Теплота сгорания, ккал/кГ:
высшая - 8200;
низшая - 7220.
Крупность, мм - 25-120.
Качество антрацита в варианте 3,%:
Аd =8,7; Vd=4,5; Sd=1,8.
Термостойкость (ГОСТ 7714-75),% - 85.
Теплота сгорания, ккал/кГ:
высшая - 8100;
низшая - 7030.
Крупность, мм - 50-120.
Аd - зольность топлив на сухую массу;
Vd - выход летучих веществ на сухую массу топлив;
Sd - содержание серы в сухой массе топлив.
Осуществлена замена 20,0; 25,0; 28,6; 30,0 и 40,2 кокса антрацитом.
Результаты приведены в таблице 2.
В таблице 2 в графе 3 указан расход топлива. При этом в числителе приведено значение, соответствующее расходу топлива (кГ) на 1 тонну твердой шихты; в знаменателе указано значение, соответствующее процентному расходу топлива от суммарной массы твердой шихты.
В графе 9 таблицы 2 указано сокращение объема использования кокса по предлагаемому способу относительно прототипа (при использовании в качестве топлива одного кокса).
Результаты опытно-промышленных плавок, приведенные в таблице 2, подтверждают, что возможна замена части металлургического кокса на антрацит в заявляемых пропорциях при сохранении качества выходного продукта - штейна.
Таким образом, данные результаты подтверждают заявляемый результат -возможность значительного удешевления процесса получения медного штейна за счет снижения объемов использования дорогостоящего компонента топлива - кокса и замены части его более дешевым и доступным топливом - антрацитом при одновременном сохранении содержания меди в штейне и в шлаке.
Возможность замены части кокса антрацитом позволит расширить сырьевую базу топлив, используемых в окислительных плавках при получении медных штейнов.
Кроме того, принимая во внимание, что антрацит - готовый продукт, не требующий дополнительной подготовки для того, чтобы его можно было использовать в качестве топлива, процесс получения медных штейнов при использовании предлагаемого способа позволяет снизить экологическую нагрузку, связанную с производством кокса (снижаются проблемы, связанные с экологией, которые имеют место при производстве кокса).
Формула изобретения
1. Способ получения медного штейна, включающий загрузку в шахтную печь шихты, содержащей исходное медьсодержащее сырье и топливо, в состав которого входит кокс, последующую окислительную плавку шихты, отличающийся тем, что в состав топлива дополнительно вводят антрацит, при этом компоненты топлива взяты при следующем соотношении кокс:антрацит = (50-95):(50-5) мас.%: соответственно, зольность антрацита составляет не более 15%, термостойкость не менее 70%, крупность антрацита составляет не менее 20 мм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют антрацит крупностью преимущественно 25-120 мм.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что содержание в антраците кусков крупностью 25-120 мм составляет не менее 80%, а содержание кусков менее 25 мм - не более 10%.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что загрузку кокса и антрацита в шахтную печь осуществляют последовательно послойно или одновременно в виде смеси.
