Плавка в жидкой ванне

Ванюков А.В., Быстров В.П., Васкевич А.Д. и др.

Металлургия, 1988 г.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПЛАВКИ В ЖИДКОЙ ВАННЕ

1. Сущность процесса плавки в жидкой ванне

При создании автогенного процесса плавки в жидкой ванне ставилась задача оптимизировать все важнейшие физико-химические процессы с целью удовлетворения требований современной технологии.

Плавка руд и концентратов, каким бы методом она ни осуществлялась, это комплекс отдельных процессов. Среди них в случае переработки сульфидных материалов важнейшее значение имеют:

1) нагрев шихты и диссоциация химических соединений;

2) окисление сульфидов, взаимодействие сульфидов и оксидов;

3) расплавление легкоплавких составляющих шихты с образованием первичных расплавов;

4) растворение наиболее тугоплавких компонентов в первичных расплавах;

5) разделение продуктов плавки;

6) распределение ценных компонентов между продуктами плавки.

Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры и интенсивности массо- и теплообмена, а произзодительность агрегатов в целом определяется временем, затраченным на завершение самой медленной стадии. Поэтому необходимо выявить наиболее медленные из них для ускорения процесса в целом.

Рассмотрим кратко важнейшие стадии процесса плавки и их кинетические закономерности.

Нагрев шихты лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев крупных кусков шихты из-за сравнительно низкой теплопроводности шихтовых материалов протекает относительно медленно. В этом случае прогрев шихты лимитируется теплопроводностью и может быть ускорен лишь уменьшением размеров кусков. Однако возможно ограничение скорости нагрева и мелкодисперсной шихты в том случае, если она уложена толстым слоем как в случае отражательной плавки.

В настоящее время, когда на плавку поступает преимущественно концентрат с малыми размерами частиц (70 мкм и меньше), легко достичь очень высоких скоростей их нагрева. Одним из приемов, обеспечивающих высокие скорости нагрева, является распыление шихты в нагретом до высокой температуры газовом пространстве. Исключительно быстро протекает нагрев шихты также при загрузке ее в ванну расплава в условиях энергичного барботажа. Важно отметить, что в автогенных процессах источником тепла служат реакции окисления   сульфидов   концентрата.   Тепло   выделяется   на   поверх-

ности реагирующей частицы или в расплаве, т.е. там, где оно расходуется на процессы плавления. По этим причинам в современных автогенных процессах, протекающих во взвешенном состоянии или в расплаве, нагрев шихты осуществляется быстро и не лимитирует производительность плавильных агрегатов.

Реакции окисления сульфидов кислородом являются экзотермическими процессами и протекают на границе раздела фаз.

С   момента воспламенения окисление   (горение)   сульфидов идет очень интенсивно и ускоряется с повышением температуры.

На эго, в частности, указывает и высокий коэффициент использования кислорода (95-100 %) во всех автогенных процессах при очень малом времени контакта кислорода с сульфидами.

Обширные данные, известные из литературы и практики, подтверждают, что собственно химический акт процесса окисления сульфидов при высоких температурах протекает крайне быстро.

Значит, при выборе наиболее рационального метода окисления сульфидов нужно стремиться не столько к достижению повышения скоростей окисления, сколько к высоким показателям процесса в целом - получению газов, богатых по содержанию S0₂, высокой степени использования теплоты сгорания сульфидов и к минимальным потерям металлов с отвальным шлаком.

Целью плавки любого типа является перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное и газообразное состояние с получением штейна или чернового металла, возгонов и шлака и их разделением.

Значительные различия физико-химических свойств химических соединений, составляющих шихту и, в первую очередь, температуры их плавления приводят к постепенному формированию расплава. Сначала образуется первичный расплав из наиболее легкоплавких компонентов, а затем происходит растворение в них более тугоплавких веществ.

Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования протекают в две стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение более тугоплавких веществ в этих расплавах.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды (за исключением ZnS). При этом их эвтектические смеси по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше процессов шлакообразования и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее и происходит медленнее потому, что для большинства оксидов шихты температура плавления выше, чем температура в печи. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения являются диффузионными и поэтому протекают значительно медленнее процессов расплавления легкоплавких компонентов.

Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения оксидно-сульфидных эвтектик или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций.

В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и, в первую очередь, кремнезем, вводимый обычно в шихту в виде кварцевого флюса.

На скорость растворения кремнезема в фаялитовом расплаве наибольшее влияние оказывает интенсивность движения шлака, крупность частиц флюса и его реакционная способность. Согласно исследованиям, выполненным И.А. Монтильо, на уральских медеплавильных заводах в условиях отражательной плавки (при которой наблюдается наименее интенсивное перемешивание по сравнению с другими известными пирометаллургическими процессами) около 50—60 % кварцевого флюса, несмотря на длительное пребывание в расплаве (10—15 ч), не успевает полностью раствориться в шлаке. Мелкие частицы кварца образуют тонкую взвесь, а более крупные плавают на поверхности шлаковой ванны в виде "кварцевой шубы". Эксперименты показывают, что принудительное перемешивание расплава вызывает резкое ускорение процесса растворения тугоплавких составляющих шихты.

Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, у которых время завершения других стадий мало, является коалесценция сульфидных капель и разделение штейна и шлака.

Значительная часть меди и никеля находится в шлаках в виде эмульсии — мелких капель штейна. Основные причины образования эмульсии будут рассмотрены ниже. Кроме того, при восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно образуется дополнительное количество капель металлсодержащей фазы, отстаивание которых происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому необходимо обеспечить принудительное укрупнение штейновых или металлических частиц [3].

Можно однозначно утверждать, что именно медленное укрупнение мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одним из самых медленных этапов плавки в целом. Например, по данным авторов процесса КИВЦЭТ для получения относительно бедных шлаков требуется выдержка в электрической печи не менее 8—12 ч. При "взвешенных" же плавках даже длительное естественное отстаивание не дает приемлемого обеднения шлаков.