Исследования по применению воздуха, обогащенного кислородом, при бессемеровании медных штейнов были начаты в период 1932—1934 гг. Московским институтом цветных металлов и золота им. М. И. Калинина. Опыты, проведенные в 30-кг конвертере с концентрацией кислорода в дутье до 38%, показали возможность сокращения продолжительности процесса и увеличения процентного содержания сернистого ангидрида в отходящих газах. Однако отсутствие в то время возможности получения дешевого кислорода в крупных промышленных аппаратах привело к перерыву исследований, не имевших перспективы скорого производственного внедрения.
В период 1946—1949 гг. Уральским филиалом Академии наук совместно с Красноуральским медеплавильным заводом были проведены укрупненные опыты применения кислорода при бессемеровании медных штейнов в специальном аппарате — ковше-конвертере (10-т заводской ковш, футерованный и оборудованный двумя фурмами). Эти опыты подтвердили преимущества применения обогащенного дутья. Однако вследствие несовершенства установки и отсутствия возможности бесперебойной подачи кислорода опыты были прекращены без соответствующей количественной сценки эффективности метода.
В 1949—1951 гг. объединенная бригада Гинцветмета, УФАНа и Красноуральского медеплавильного завода (под руководством Н.П. Диева. Д.Н. Клушина и И.С. Елисеева) продолжила работы в условиях, приближающихся к промышленным. Установка состояла из конвертера с 14 фурмами диаметром 25 мм производительностью 3 т черновой меди за плавку, воздуходувки и кислородной рампы. Эта рампа давала возможность одновременно подключать 300 баллонов с кислородом и по Двум параллельным газопроводам подавать его в воздухопровод конвертера.
Между местом присоединения кислородопровода к воздухопроводу был установлен предохранительный клапан, предотвращающий возможность попадания кислорода в воздуходувку при ее внезапной остановке. Весь набор конвертера состоял из шести ковшей емкостью 2 т каждый. Температура заливаемого в конвертер штейна была 950—1100°. Плавки вели на шлаках с максимально возможным содержанием кремнезема.
Всего за период исследований было проведено 68 плавок, переработано свыше 750 т штейна и получено более 130 т меди.
Содержание кислорода в дутье варьировало по плавкам от 20,9 до 50%. Использование кислорода вследствие меньшего ферритообразования было более полным, чем при чисто воздушном дутье, что для первого периода конвертирования может быть иллюстрировано следующими данными:
Результаты исследований показали, что производительность конвертера повышается примерно пропорционально росту содержания кислорода в дутье (рис. 8). Уже при содержании 35% кислорода прочистки фурм практически не требуется; это весьма облегчает труд фурмовщиков и позволяет уменьшить потери дутья.
Возможность повышения содержания кремнезема в шлаках при работе ка обогащенном дутье приводит к увеличению их выхода, однако, как это видно из рис. 9, содержание меди в шлаке снизилось, а общие потери меди со шлаками уменьшились. Кроме того, с увеличением содержания кремнезема уменьшается (рис. 10). Наконец, повышение количества кремнезема и связанное с ним уменьшение содержания ферритов в конвертерном шлаке улучшает переработку его в отражательной печи.
Применение дутья, обогащенного кислородом, способствует более полному удалению вредных примесей меди.
Первоначально при изменении содержания кислорода в дутье количество холодных присадок и кварца, загружаемых в конвертер, оставляли постоянным и равным их количеству при обычных воздушных плавках; соответственно температура ванны повышалась, достигая в первый период 1380—1400° при содержании кислорода в дутье 35—40%. Дальнейшие исследования 1949—1951 гг. показали, что при увеличении содержания кислорода в дутье следует одновременно увеличивать количество загружаемого в конвертер кварца и холодных присадок; тогда температура ванны хотя и повысится, но в значительно меньшей степени, с увеличением кислорода в дутье более 40—50% бесперебойная подача требуемого количества холодных присадок обычными методами становится затруднительной, да и количество их становится столь большим, что это в основном и ограничивает предельное содержание кислорода в дутье в первый период ведения процесса. Следует, однако, заметить, что вследствие различной тепловой мощности конвертеров различных размеров оптимальная концентрация кислорода в дутье также окажется различной, понижаясь с повышением размера конвертера.
При работе на дутье с оптимальной концентрацией кислорода и с введением необходимого количества холодных присадок изменения стойкости футеровки не наблюдалось, но специально этот вопрос не изучался.
Как видно из рис. 11, применение дутья, обогащенного кислородом, сильно меняет состав отходящих газов: при практически неизменном содержании в них кислорода резко возрастают содержания SО2 и SO3. Известно, что при работе без герметизированного напыльника подсосы воздуха не дают возможности иметь устойчивый, по сернистому ангидриду, состав газа. Однако герметизация, осуществленная для настоящих исследований, снизила степень разбавления газа с 4—5 до 1,4— 1,5-кратного и обеспечила устойчивый по сернистому ангидриду состав газа, сделав его вполне пригодным к использованию в сернокислотном производстве.
Остается отметить некоторый рост запыленности газов, связанный с меньшим ошлакованием свинца и цинка (табл. 11).
Наряду с работой в 3-г конвертере были осуществлены опытные продувки штейна на дутье с 26—31% кислорода в 40-т агрегате, давшие аналогичные результаты. Полученная черновая медь была хорошего качества и по содержанию в ней вредных примесей соответствовала марке МК-1.
На основании исследований, проведенных на Балхашском медеплавильном заводе в 1958 г., построена кислородная станция производительностью 3600 кислорода в час и впервые в отечественной и мировой практике начато промышленное применение воздуха, обогащенного кислородом, для конвертирования медных штейнов.
Исследование процесса, проведенного на конвертерах Балхашского завода, показало, что при концентрации кислорода в дутье 23 и 24% продолжительность продувки 1 т штейна сократилась соответственно на 8 и 17% по сравнению с длительностью продувки при обычном воздушном дутье. Расход дутья на 1 г штейна сократился на 12% при содержании в дутье 23% кислорода и на 21% при 24% кислорода.
Применение воздуха, обогащенного кислородом, обеспечило возможность переработки большего количества холодных добавок и получение более кислых конвертерных шлаков, что способствовало лучшему их усвоению отражательной печью.
Исследования 1959 г. на Балхашском медеплавильном заводе одновременно показали, что оптимальная концентрация кислорода в дутье для больших конвертеров должна быть значительно меньше, чем для малых (3—10-г) конвертеров. Вопрос о стойкости футеровки больших конвертеров является предметом наших дальнейших исследований.
В последнее время высказываются предположения о целесообразности введения кислорода в ванну конвертера через горловину посредством водоохлаждаемой фурмы. Преимущество этого метода подачи кислорода, по сравнению с обычным, авторы предложения видят в увеличении срока службы футеровки, так как в этом случае реакционная зона — зона высоких температур — находится в центре конвертера, а не около фурменного пояса. Целесообразность применения этого метода подачи кислорода в ванну конвертера предстоит проверить.