» » Циклонная плавка
29.05.2015

Интенсификация металлургических процессов, связанных с явлениями диффузии и теплообмена, может быть достигнута как за счет увеличения поверхности реагирующего материала, так и за счет повышения скорости газовой среды (относительно частиц шихты), обеспечивающей перенос тепла или вещества.
Стремление интенсифицировать процесс плавки за счет высокоразвитой поверхности измельченного материала привело к созданию метода плавки во взвешенном состоянии. Однако при этом методе скорости частиц плавящегося материала относительно газового потока становятся ничтожно малыми, так как частицы, находясь во взвешенном состоянии, практически движутся вместе с газовым потоком. В этом случае процессы массо- и теплообмена между газовой средой и взвешенными в ней частицами определяются зависимостью
Циклонная плавка

Как известно, при плавке во взвешенном состоянии, так же как и при камерном сжигании топлива, для частиц около десятков микрон критерий Нуссельта является величиной практически постоянной и равной примерно двум. Это обстоятельство и ставит предел возможности интенсификации процесса плавки во взвешенном состоянии.
Разработанная в последние годы циклонная плавка измельченных руд и концентратов, прошедшая к настоящему времени стадию полупромышленных испытаний на Балхашском горнометаллургическом комбинате, позволяет реализовать оба указанных выше фактора и дает в связи с этим возможность осуществить высокоинтенсивный процесс в агрегате малых габаритов.
Сущность циклонной плавки состоит в следующем. В циклонную камеру 2 (рис. 1), представляющую собой цилиндр с выходным отверстием в виде обращенного суженного сопла 4 или плоской диафрагмы, тангенциально через соответствующие сопла 3 с большой скоростью (свыше 100 м/сек) подают воздух. При этом в камере образуется быстро вращающийся вихрь — циклон, на периферии которого повышенное давление, а в центре, как и во всяком циклоне, — пониженное и даже отрицательное. Такая структура потока обеспечивает интенсивный возврат горячих газов к передней стенке циклонной камеры, что в свою очередь способствует быстрому разогреву и воспламенению подаваемого в циклон материала. Топливо подают в камеру через соответствующее горелочное устройство 1. В верхнюю часть циклонной камеры (или через горелку вместе с топливом) вводят шихту. Попадающие в циклон твердые частицы топлива и шихты подхватываются вихрем и под воздействием центробежной силы отбрасываются на стенку камеры. При этом происходит сегрегация частиц; более крупные достигают стенки очень быстро, не успев сколько-нибудь значительно выгореть (топливо) или оплавиться (шихта) в объеме циклонной камеры, а наиболее мелкие, наоборот, успевают сгореть или расплавиться, не достигнув стенки.
Решение задачи о сгорании и движении частиц в циклонной камере может быть дано с помощью некоторых упрощающих предположений при совместном решении двух уравнений, записанных в общем виде:
Циклонная плавка

Решение этих уравнений, проведенное методом конечных разностей, показывает, что гранулометрический состав и гравитационные свойства применяемых твердого топлива и шихт обычно таковы, что подавляющая масса частиц не успевает сгореть или сплавиться в объеме Циклона (рис. 2), а попадает на стенку, где и происходит в основном процесс горения и плавления материала. Благодаря высоким температурам, господствующим в циклонной камере, стенки ее покрываются пленкой жидкого расплава. Частицы под воздействием центробежных сил попадают на эту пленку, прилипают к ней и омываются потоком горячих газов, движущихся с весьма высокой скоростью. Следует отметить, что в период нахождения частиц в объеме циклонной камеры они также обладают высокой по отношению к газам скоростью, так как движутся не вместе с потоком, а перерезая его в радиальном направлении. Таким образом, принцип циклонной плавки позволяет удачно сочетать фактор развитой поверхности (в период движения частиц в объеме циклонной камеры) с фактором повышенных скоростей движения газов по отношению к частицам и благодаря этому резко интенсифицировать процессы конвективного теплообмена.
Кроме того, вследствие подачи в циклон горячего воздуха, а также работы с малым его избытком (α = 1.05) циклонный процесс характеризуется высоким пирометрическим эффектом, в связи с чем значительно возрастает роль радиационного теплообмена. Все это приводит к тому, что данный метод позволяет резко ускорить процессы, происходящие в циклонной камере, по сравнению с отражательной плавкой и, следовательно, повысить производительность и сократить габариты плавильного агрегата. Наконец, циклонный эффект в сочетании с наличием пленки расплава на стенках создает благоприятные условия для хорошего улавливания твердого уноса в пределах циклонной камеры 85—90%, так как она работает по существу как центробежный пылеуловитель с жидкой пленкой.
Продукты расплава, образующиеся в циклонной камере, поступают далее (см. рис. 1) в отстойную камеру 6, где продолжается взаимодействие между ними и происходит разделение на штейн и шлак, которые, как обычно, выпускаются через шлаковое окно 7 и шпуровое отверстие 8. Отстойная камера обогревается выходящими через суженное сопло 4 газами, которые далее направляются в установки для утилизации тепла и последующей их переработки, например на сернокислотное производство.
Циклонный принцип может быть использован для процессов как окислительной, так и восстановительной плавки с возгонкой содержащихся в шихте летучих металлов. В соответствии с этим схема установки для переработки различных материалов, а также конструкция самой циклонной камеры могут иметь некоторые отличия.
Для циклонного плавильного агрегата характерно повышенное содержание твердых частиц в единице объема несущего газового потока (в 4—5 раз больше, чем в топке) и, соответственно, повышенное содержание расплавленной массы. Это предъявляет особые требования к надежной эвакуации жидкого расплава из циклона, ибо несвоевременное удаление расплава приводит к накапливанию его в циклонной камере и нарушению ее нормальной работы. В связи с этим циклонную плавильную камеру целесообразнее располагать не горизонтально или наклонно, как это делается для обычных циклонных топок, а вертикально над отстойником, что способствует более равномерному распределению плавящегося материала на стенках циклонной камеры и существенно облегчает стекание расплава в отстойник. При этом коническое выходное сопло, характерное обычно для циклонных топок, заменяют плоской диафрагмой. Такая замена, как показали проведенные исследования, не ухудшая аэродинамику процесса, упрощает конструкцию и облегчает удаление расплава из циклонной камеры.
Конструкция циклонной плавильной камеры отличается от энергетического циклона увеличенной относительной длиной. Если для циклонных топок обычнее отношение длины циклонной камеры к ее диаметру L:D составляет 1,0—1,2, то для плавильного циклона L:0 = 1,6/2,0, что обусловлено необходимостью иметь достаточное время для протекания всех реакций в пределах циклонной камеры. Для этого в верхней части камеры необходимо организовать устойчивое горение топлива, шихту же подавать таким образом, чтобы она подхватывалась вращающимся вихрем и отбрасывалась на стенку уже в зоне высокоразвитых температур.
Схема установки, предназначенной для плавки сульфидных медных концентратов, приведена на рис. 3.
Циклонная плавка

Циклонная камера выполнена в виде охлаждаемого водой кессона, ошипована изнутри и покрыта хромитовой обмазкой толщиной 50 мм. Опыт показал, что под воздействием высоких температур и стекающего расплава обычная футеровка из огнеупорного кирпича длительно работать не может, в то время как в охлаждаемой ошипованной камере первоначальная обмазка замещается гарниссажем. Газы, пройдя через отстойную камеру, направляются далее в рекуператор. Последний для обеспечения высокого подогрева воздуха (550—650°) желательно выполнять из жароупорной стали.
Следует отметить, что надежная и длительная работа рекуператора возможна лишь в случае очистки его от заносов. Для этой цели может быть рекомендована проверенная на циклонной установке Балхашского горнометаллургического комбината очистка поверхности нагрева рекуператора чугунной дробью.
Горячий воздух через тангенциальные сопла подводится к циклонной камере со скоростью более 100 м/сек скорость на входе в циклон регулируют соответствующими шиберами. Шихту из бункера шнековым или другим, отвечающим условию сохранения герметичности, питателем подают в распределитель, расположенный над циклонной камерой, через соответствующие загрузочные течки. Топливо можно использовать как жидкое, так и твердое (угольная пыль угрубленного размола = 60—70% и даже мелкодробленный уголь). Жидкое топливо подают в циклонную камеру через форсунку, расположенную в центре верхней крышки циклона, твердое же топливо можно подавать в смеси с шихтой через те же загрузочные течки или через специальное горелочное устройство.
Циклонный метод позволяет осуществить процесс плавки сульфидных материалов с высокой степенью десульфуризации и получить богатые штейны и газы с высоким содержанием сернистого ангидрида (10—12%). Поэтому после рекуперации газы целесообразно направлять для переработки на сернокислотное производство.
Предварительные исследования показывают, что процесс циклонной плавки сульфидных концентратов может быть существенно интенсифицирован применением дутья, обогашенного кислородом.
Для плавки полиметаллических руд, промпродуктов и кеков с возгонкой содержащихся в них летучих металлов (цинк, свинец и др.) схема установки аналогична описанной, а газоотводящая система может быть принята, согласно предложению С.М. Шульзингера и В.В. Цыганова.
На укрупненной опытной установке Института энергетики АН Казахстана производительностью по шихте до 10 т/сутки были проведены исследования плавки медных, медно-цинковых и полиметаллических концентратов, а также цинковых кеков. Процесс плавки на всех перечисленных материалах проходил весьма интенсивно (удельная производительность единицы объема циклонной камеры по шихте составляла до 4,0 т/м3час) и завершался в пределах циклонной камеры, о чем свидетельствовали непрерывное вытекание расплава и выход прозрачных продуктов сгорания в отстойную камеру (при плавке сульфидных медных концентратов).
В табл. 1—4 приведены основные результаты некоторых опытов по плавке медных концентратов Балхашского медеплавильного завода, медно-цинковых концентратов Среднеуральского завода, полиметаллических концентратов и цинковых кеков. Как видно из таблиц, циклонный метод дает возможность успешно перерабатывать с извлечением ценных компонентов весьма различные по составу материалы. Так, например, при плавке медных концентратов удается получать различные по содержанию меди штейны, причем изменение степени десульфуризации регулируется в желаемых пределах изменением количества воздуха, подаваемого в циклонную камеру для окисления сульфидов.
Циклонная плавка
Циклонная плавка

Плавку уральских медно-цинковых концентратов также проводили в окислительной атмосфере (содержание кислорода в продуктах сгорания 2—3%), что обеспечивало высокую степень десульфуризации (до 91,5%) и получение богатых штейнов с содержанием меди до 55,83%, в то время как в исходной шихте оно составляло 7.15%. При плавке этих материалов возгонялось до 60% цинка.
За счет режимных факторов извлечение цинка в возгон при переработке таких шихт может быть доведено до 80—88%, как это получено в опытах на СУМЗе.
Как видно из таблиц, циклонный метод плавки применим также для переработки материалов в восстановительной атмосфере, например цинковых кеков, при переработке которых в возгон переходит практически весь свинец и ~ 85% цинка. При необходимости ведения восстановительной плавки целесообразно организовать процесс таким образом, чтобы реакции восстановления протекали главным образом на стенке циклона, в пленке расплава. Создание сильновосстановительной атмосферы в объеме циклонной камеры может вызвать снижение температуры в ней, что для процесса нежелательно, так как приводит к замедлению скорости протекания реакций и может привести к переходу реакции в кинетическую область, при которой циклонный эффект сводится к нулю, не говоря уже об ухудшении условий возгонки. Поэтому в шихту необходимо подмешивать крупнозернистый восстановитель, который вместе с материалом, подлежащим восстановлению, под влиянием центробежных сил отбрасывается на стенку и здесь же реагирует в пленке расплава. Восстановленный таким способом металл переходит в газовую фазу и удаляется из циклона вместе с продуктами сгорания и далее в виде окислов улавливается в соответствующих пылеуловителях. Количество воздуха, подаваемого в циклон при работе по такой схеме, регулируют с таким расчетом, чтобы в продуктах сгорания содержание окиси углерода поддерживалось в пределах 1—3%.
Как уже указывалось ранее, газообразные продукты, выходящие из циклонной камеры, содержат малое количество твердого уноса. При плавке сульфидных медных концентратов на укрупненной установке запыленность газового потока составляла до 2 г/нм3. Естественно, что переработка полиметаллических материалов приводит к повышенной запыленности газового потока за счет содержания в газах окислов возгоняющихся металлов. Так, например, при плавке медно-цинковых концентратов эта величина достигала 5 г/нм3, а при плавке цинковых кеков около 10 г/нм3 (из них 5,33 г Zn и 1,32 г Рb). Полученные пыли являются пригодными для дальнейшей гидрометаллургической переработки.
Вопросы обезмеживания шлаков при циклонной плавке требуют проведения дополнительных исследований. Рациональные анализы шлаков циклонной плавки указали присутствие в них около 50% меди в окисленной форме. Аналогичное явление происходит и при методе плавки во взвешенном состоянии, используемом на заводах «Оутто-Кумпу» и «Коппер Клифф». Поэтому обезмеживание шлаков на первом заводе производят в электропечах, а на втором — вдуванием пирротина в плавильное пространство печи. Такие же методы обезмеживания могут быть использованы и при циклонной плавке, хотя целесообразнее, по-видимому, производить обезмеживание непосредственно в отстойной камере, вдувая, например, в расплав пиритные материалы.
Благодаря проведенным исследованиям, в настоящее время представляется возможным рассчитать ожидаемый расход топлива на крупных плавильных агрегатах циклонного типа. В основу таких расчетов могут быть положены следующие исходные данные: потеря тепла при охлаждении водой циклонной камеры составляет (80/120)*10 ккал/м2 час; температура газов и расплава на выходе из циклона 1400°, коэффициент избытка воздуха, подаваемого в циклон α=1,05/1,07. Тогда для шихты, содержащей 20% Сu; 20,3% Fe, 26,7% S, 17,0% SiO2. 4,72% AI2O3, 8,35% CaO и 0,37% MgO при плавке на штейн с содержанием меди 50% при температуре подаваемого в циклон воздуха 400° расход условного топлива составит около 7%, при плавке на 60%-ный штейн — 6,4% и т. д..
Таким образом, удельный расход топлива при циклонной плавке по сравнению с обычной отражательной плавкой сокращается почти в три раза. Это объясняется следующими обстоятельствами: вследствие, интенсивности циклонного процесса резко сокращаются габариты плавильного агрегата, что приводит к уменьшению потерь тепла в окружающую среду; при циклонном методе плавки используется тепло окисления сульфидов и почти в два раза уменьшается объем продуктов сгорания, а следовательно, на такую же величину снижаются потери тепла с отходящими газами.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют наметить следующие основные расчетные параметры для промышленных циклонных плавильных агрегатов. Размеры циклонной камеры выбирают исходя из удельной производительности ее объема 2,0—2,5 т/м3 час. Уменьшение производительности против полученной на опытных установках обусловлено тем, что переход на большие размеры циклона неизбежно связан с ухудшением центробежного эффекта и относительным уменьшением поверхности циклонной камеры. Соотношение высоты и диаметра плавильного циклона должно составлять, как уже указывалось, L:D=1,5/1,7. Удлинение циклона свыше этих пределов сопряжено с существенным изменением его аэродинамики (потеря воздушным потоком вихреобразного движения) и может привести к резкому ухудшению процесса и увеличению выноса шихты из циклонной камеры.
Диаметр выходного отверстия в диафрагме выбирают по отношению его к диаметру циклона, равному 0,38—0,45.
Отстойные камеры следует рассчитывать на время отстаивания расплава 5—8 час. Сечение отстойной камеры выбирают, принимая, что скорость движения газов равна 6—8 м/ceк. Минимальной температурой подводимого в циклон воздуха следует считать 400°. Крайне желателен подогрев воздуха до 600—700°, так как при этих температурах на некоторых материалах можно осуществить процесс плавки без углеродистого топлива. Необходимую упругость дутья перед циклоном, в зависимости от его конструктивных параметров, определяют из выражения
Циклонная плавка

Как уже указывалось, циклонный метод допускает переработку измельченного материала с размером частиц 0—5 мм. Это обстоятельство дает возможность перерабатывать различные материалы, не предъявляя особых требований к гранулометрическому составу перерабатываемого сырья.
К недостаткам циклонной плавки относятся следующие:
1. Необходимость подогрева дутья до значительных температур Это требование, однако, может быть выполнено за счет использования тепла газов.
2. Необходимость интенсивного охлаждения циклонной камеры водой, связанного с дополнительной потерей тепла.
3. Наблюдаемое в отстойной камере вращение расплава, которое приводит к усиленному вымыванию стен отстойной камеры в местах размещения циклона.
По-видимому, для устранения размыва стен отстойных камер их размеры должны быть увеличены или же на выходных диафрагмах циклонов следует размещать дефлекторы, предназначенные для гашения «вращения» газового потока, как это выполняется на некоторых энергетических циклонах, или компоновать циклон с отстойником при помощи кессонированной форкамеры.
Учитывая возможность высокой отгонки цинка и свинца, рассматриваемый способ переработки может оказаться весьма эффективным для переработки шлаковых отвалов свинцовых заводов, так как для этого не требуется, как при фьюминг-процессе, предварительного их расплавления.
С целью окончательного решения вопроса о целесообразности циклонного метода плавки для различных материалов необходима полупромышленная проверка с последующими технико-экономическими расчетами и сравнением показателей циклонной и автогенной или воздушной взвешенной плавок.