Общая характеристика шахтной плавки

По химизму происходящих процессов различают три основ­ные разновидности шахтной плавки: восстановительную, окис­лительную и окислительно-восстановительную. Восстановительная плавка в свою очередь имеет в цветной металлургии две раз­новидности: восстановительную плавку без сульфидирования и восстановительно-сульфидирующую плавку. Окислительная пла­вка представлена в цветной металлургии пиритной и полупирит- ной плавками. Окислительно-восстановительной плавкой явля­ется медносерная плавка.

По характеру подготовки материалов к плавке различают: плавку руды, плавку агломерата и плавку брикетов.

Все разновидности шахтной плавки в цветной металлургии осуществляются в шахтных печах с водоохлаждаемыми стенками из кессонов, вследствие чего в литературе эти печи иногда на­зываются ватер-жакетными печами. Шахтные печи являются одним из главных металлургических агрегатов для переработки, руд и концентратов в металлургии свинца, никеля и меди.

Работа шахтных печей представлена рядом сложных хими­ческих и физических процессов, протекающих в шихте, прони­зываемой встречным потоком газов и недоступных для непос­редственного их наблюдения.

Общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в шахтных печах могут быть представлены следующим образом. Шихту, состоящую из руды, флюсов, оборотов и кокса, периоди­чески загружают в шахтную печь отдельными порциями — коло­шами. состоящими из определенного весового набора всех ма­териалов. Шихту обычно загружают слоями в следующем поряд­ке: сначала кокс, а затем обороты, флюсы и руда. Шихта распо­лагается в печи в виде вертикального столба, опирающегося на ванну расплавленных продуктов и частично на боковые стенки печи. Значительная доля веса шихтового столба уравновешивается встречным потоком газов, оказыва­ющим на шихту динамическое давление.

Столб шихты движется, постепенно оседая вследствие образования в нижних слоях шихты пустот из-за выгорания топлива; и выплавления штейна и шлака.

Воздух, поступающий в шахтную печь через фурменные от­верстия, встречается в фурменной зоне шахтной печи с шихтовой смесью, состоящей из кусков кокса и наиболее тугоплавких компонентов шихты. В результате пробивания воздушными струями, истекающими из фурм, слоя раскаленного кокса и шихты в фурменной зоне шахтной печи развивается активный процесс горения кускового топлива, а также окисление сульфидов в рас­плавленном состоянии. Вследствие значительных тепловыделе­ний, происходящих в ограниченном объеме фурменной зоны, температура здесь достигает максимального значения для шахтной печи (1400—1600°). Фурменная зона шахтных печей, обладающая максимальной температурой, носит название фокуса печи. Тем­пература фокуса находится в определенной зависимости от тем­пературы плавления шлака и обычно превышает ее не более чем на 100—250°.

Газы, образующиеся в фурменной зоне нормально работа­ющей печи, имеют температуру 1300—1500° и непрерывным по­током движутся вверх навстречу опускающейся шихте, пронизы­вая и омывая ее.

Между составляющими шихты и газами непрерывно про­исходят процессы химического взаимодействия и теплообмена, в результате которых температура шихты по мере ее опускания постепенно повышается, а температура встречного потока газов понижается.

По мере опускания шихты в ней последовательно протекают процессы физико-химических превращений: сушка, дегидрата­ция, диссоциация, окисление или восстановление, штейнообра- зование, шлакообразование и др. По мере приближения к фо­кусу печи в шихте начинаются процессы размягчения и плавле­ния и жидкие продукты плавки, фильтруясь через коксовый слой, стекают во внутрений горн печи.

Состав коксового слоя, заполняющего фурменную зону печи, может быть различным в зависимости от разновидности плавки, Если в шихте, поступающей в плавку, содержится мало сульфи­дов и плавка ведется с повышенным расходом кокса, достигаю­щим 8—12% от веса шихты, то в коксовом слое преобладает кокс. Наоборот, если шихта содержит много сульфидных минералов и плавка ведется с пониженным расходом кокса, не пре­вышающим 3—5% от веса шихты, то в слое у фурм преобладает кварц, и тугоплавкая порода. Чем больше кокса содержится в слое в области фурм, тем менее окислительный характер имеет плавка вследствие того, что кислород дутья преимущественно расходуется на горение кокса и газы, выходящие из фокуса печи, имеют пониженное содержание кислорода.

При малом содержании кокса в фурменном слое кислород дутья в основном расходуется на окисление сульфидов в жидком и твердом состоянии. Сульфиды в твердом состоянии окисля­ются в верхних горизонтах печи газами, выходящими из фоку­са вследствие значительного содержания в них свободного кис­лорода.

В соответствии с этим, степень десульфуризации пои шахтной плавке колеблется в широких пределах — от 30 до 80%, а степень сокращения — от 2 до 8.

Приход тепла в шахтной печи осуществляется за счет углеродистого и минерального топлива, представленного сульфид­ными минералами, содержащимися в руде. В зависимости от со­держания сульфидов в руде соответственно изменяется приход тепла за счет углеродистого топлива, который обычно колеб­лется от 20 до 90% от общего прихода тепла. Приход тепла от экзотермических реакций окисления сульфидов с.оответственно колеблется от 80 до 10% от общего прихода тепла.

Чем большее количество тепла выделяется в рабочем прост­ранстве шахтной печи в единицу времени, тем большее количе­ство шихты будет расплавлено и удалено из нижних горизонтов печи в виде штейна, веркблея и шлака и тем быстрее будет опус­каться вниз столб шихты и возрастать производительность печи.

Количество тепла, выделяющееся в шахтной печи в единицу времени, определяется количеством углеродистого топлива и сульфидов, окисляемых (сжигаемых) в единицу времени, т. е. интенсивностью горения кокса и сульфидов.

Интенсивность горения кокса и сульфидов в свою очередь является прямой функцией от количества воздуха, поступающего в печь в единицу времени, т. е. от количества дутья.

Следовательно, производительность шахтной печи в первую очередь зависит от количества дутья и возрастает в прямой за­висимости от него.

Нельзя при этом забывать, что к моменту поступления в зону плавления шихта должна быть соответствующим образом подготовлена и в ней должны быть закончены необходимые химические реакции, обеспечивающие надлежащий состав продуктов плавки.Для этого шихта должна минимально необходимое время находиться в верхних горизонтах печи под тепловым и химическим  воздействием восходящего газового потока. В отличие от пламенных печей передача тепла между газами  и кусковой шихтой в шахтных печах протекает в условиях  весь­ма хорошего контакта и развитой поверхности соприкосновения. Поэтому теплообменные процессы в шахтной печи обычно не лимитируют ход плавки, хотя и существенно влияют на ее тепловые показатели.

Изложенное показывает, что основным средством повышения производительности шахтных печей является увеличение количества дутья, подаваемого в печь. Естественно, возникает вопрос, до каких же пределов целесообразно увеличивать коли­чество дутья? Исследования показывают, что количество дутья пока еще не лимитируется скоростями процессов горения кокса, окисления сульфидов или восстановления окислов, а в основном к зависит от механики движения шихтового столба и газового потока. Для нормальной работы шахтных печей важнейшим условием является правильное и равномерное встречное движение шихты и газов, т. е. механика шихты и газов. Основным в движе­нии шихты вниз является равномерное ее опускание по всему поперечному сечению печи без остановок и рывков. Основным в движении газов вверх является более или менее равномерное распределение газовых потоков в поперечном сечении печи, без местных продувов или непродуваемых участков.  Оказывается, что при увеличении количества воздуха, подаваемого в шахтную печь, может наступить такой момент, когда динамическое давление газового потока уравновесит вес шихтового столба. В резуль­тате этого равномерное движение шихты сверху вниз прекратит­ся, шихта начнет подвисать, в ней будут возникать продувы и ка­налы. Нарушение нормального схода шихты и нормального рас­пределения в ней газовых струй вызывает расстройство тепло­вого и технологического процесса плавки, чрезмерный вынос пы­ли и т. п.

Количество дутья, вызывающее эти явления, называется пре­дельным количеством дутья. Предельное количество дутья явля­ется функцией от состава и свойств шихтовых материалов и характеристики газового потока. Соответствующими изменениями состава и свойств материалов шихты, например увеличением .крупности кусков, можно значительно повысить предельное количество дутья. Повышать предельное количество дутья можно также, изменяя характеристику газового потока, например при помощи повышенного давления на колошнике.

Основные преимущества шахтных печей: высокая удельная производительность печей, достигающая 40—120 т/м² • сутки; вы­сокая степень десульфуризации и сокращения, составляющая со­ответственно 30—80 и 2—8%; улучшенное использование тепла в печи, выражающееся в повышенном значении термического к. п. д., равном 40—60%, и пониженном расходе топлива, рав­ном 3—12% от веса шихты.

Основные недостатки шахтных печей: повышенные требова­ния к крупности шихты, регламентирующие поступление в плав­ку материалов размером кусков не менее 10—20 мм; повышен­ный пылеунос,  достигающий при мелкой шихте до 4—12% от веса шихты; значительное потребление кокса.