Взвешанная плавка никелевого концентрата в печи взвешанной плавки
Страница 2
Произведя несложный расчет, можно убедиться что 1 кг материала с удельным весом 4 г/см3 при среднем диаметре зерна 0,04мм, что соответствует размеру зерен флотационных концентратов., имеет удельную поверхность 59,5 м2/кг, Будучи взятым в виде компактного шара, тот же I кг материала имеет поверхность всего 0,019 м2. Таким образом, измельчение материала влечет за собой резкое увеличение его удельной поверхности, Однако, излишнее переизмельчение шихтовых материалов нежелательно, так как в этом случае возрастает пылеунос,
Движение частиц в газовом потоке.
Очень важным параметром процесса плавки во взвешенном состоянии является время пребывания шихтовых частиц в потоке от момента поступления в пространство реакционной шахты до соударении с поверхностью расплава в отстойной зоне печи.
Поскольку и газы, и частицы шихты движутся в одной направлении сверху вниз, очевидно, что время пребывания шихтовых частиц в полете определится суммой скоростей свободного падения частицы и движения газового поток. В условиях плавки сульфидных флотационных концентратов скорость собственного падения самых крупных зерен концентрата не превышает I м/сек. Сульфидные частицы, вдуваемые в реакционную шахту, незначительно опережают газовый поток и время, необходимое для прохождения частиц концентрата по всей высоте плавильной шахты, равно 0,8 - 0.9 времени прохождения газом этого же пути, И если газ проходит шахту печи за 2,8 сек., то частицы флотационного концентрата будут находиться во взвешенном состоянии примерно 2,20 – 2,50 сек.
Нагрев пылевых частиц и теплопередача
В начальной стадии загрузки шихты в реакционную шахту, шихта подогревается за счет тепла, получаемого ею при конвективном теплообмене с подогретым до 200 С технологическим воздухом. Воспринимаемый частицей тепловой поток описывается уравнением .
Q=a x S x t(T1-T2)
a - коэф-т передачи тепла конвекцией, ккал/м2/час
S – воспринимающая тепловой поток поверхность, м2
t - время, час
Тепла этого явно недостаточно для воспламенения сульфидного материала, т.к. даже сера в зависимости от содержания кислорода в газовой фазе воспламеняется в интервале температур от 260 до 360 °C. Сульфидные же частицы в зависимости от размера зерен воспламеняются при температурах от 280 до 740 С.
Опускаясь ниже, распыленная шихта попадает в зону высоких температур, где она за счет излучения от факела или футеровки реакционной шахты нагревается до температур воспламенения сульфидов.
Количество передаваемого тепла за счет радиационного нагрева описывается уравнением Стефана-Больцмана:
Q= S x K x t x (T1/100)4-(T2/100)4
Тепло, полученное поверхностью частицы, передается к ее центру, Передаче тепла в глубь частицы, даже если она и очень мала, осуществляется за счет теплопроводности и для случая шаровидной частицы подчиняется уравнению:
qx = Q/(4Пх2 х t)= l(Тп-Тх)/r2(1/x-1/r)
Из уравнения следует, что удельный тепловой поток к центру частицы обратно пропорционален квадрату радиуса ее. Это означает, что при малых размерах частиц, которые имеют зерна флотационных концентратов, нагрев материала будет проходить в доли секунды.
Реакции окисления сульфидов протекают со значительным выделением тепла. Так как для окисления сульфида необходим подвод кислорода в зону реакции, тo становится понятным, что эти процессы могут протекать только на поверхности зерен. Из этого следует, что на некотором отрезке времени, начиная с момента воспламенения, от поверхности сульфидной частицы возникает дополнительный тепловой поток в глубь сульфидного зерна.
При воспламенении сульфидной частицы температура ее поверхности скачкообразно возрастает достигая в малые доли секунды 1500-1700°С. Процесс окисления сульфидов приобретает наивысшую скорость, так как в этот момент поверхность зерен максимальна, содержание кислорода в газах еще высокое и окисная пленка на поверхности сульфидного зерна только что зарождается. Средняя температура факела в этой зоне резко повышается до 1400°С и более за счет тепла, выделяющегося при интенсивном окислении всей массы сульфидных зерен. В зоне максимальных температур выделяется основная часть тепла экзотермических реакций плавки, т.к. именно здесь протекают с максимальными скоростями большинство реакций.
В последней зоне, называемой зоной усреднения температур, скорости всех окислительных процессов быстро падают, так как, во-первых, падает содержание кислорода в газовом потоке и, во-вторых, на поверхности окисляющихся сульфидных зерен нарастает пленка продуктов реакции, тормозящая диффузию кислорода в глубь зерна. Если на поверхности частицы образуется плотная корка твердого окисла, лишенная трещин и прочих дефектов, то диффузия кислорода через нее будет чрезвычайно затруднена и процесс окисления может прекратиться, не дойдя до конца. Рыхлые, трещиноватые пленки тормозят процесс в меньшей степени, так же, как и жидкие окисные пленки, скорость диффузии через которые примерно на три порядке выше, чем через твердую пленку. В целом процесс окисления в реакционной шахте печи лимитируется диффузией кислорода через пленки продуктов реакции и обратной диффузией -сернистого ангидрида в ядро газового потока.
В устье реакционной шахты окислительные реакции полностью заканчиваются. Об этом свидетельствуют результаты анализа газа на содержание свободного кислорода: парциальное давление кислорода на выходе из реакционной шахты снижается до 10 мм рт.ст.
Диссоциация сульфидов при плавке во взвешенном состоянии
В составе концентратов присутствуют высшие сульфиды, которые диссоциируют при нагревании на низшие сульфиды и серу. Ниже приведены реакции диссоциации.
FeS2®FeS+S
Fe11S12®11FeS+S
Fe7S8®7FeS+S
3NiFeS2®3FeS+Ni3S2+1/2S2
2CuFeS2®Cu2S+2FeS+S
2CuS®Cu2S+S
3NiS®Ni3S2+S
2CuFe2S3®Cu2S+4FeS+S
2Cu5FeS4®5Cu5S+2FeS+S
В интервале температур от 550 С до 650 С первым диссоциирует пирит, давление диссоциации которого при 631°С до 0,1 атм. Наиболее устойчив борнит, диссоциирующий в температур 8400-850°С. Все реакции идут с поглощением тепла. Отщепляющаяся сера воспламеняется, в зависимости от содержания кислорода в дутье, в интервале температур 280 С-560 С.
Конечными продуктами диссоциации высших сульфидов во всех случаях являются низшие сульфиды которые в дальнейшем частично окисляются, образуя окислы соответствующих металлов переходящие в шлак.
1/2S2+O2=SO2 (без катализатора)
1/2S2+3/2O2=SO3 (с катализатором)
Ni3S2+7/2O2=3NiO+2SO2
Cu2S+1,5O2=Cu2O+SO2
FeS+1,5O2=FeO+SO2
3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2
Неокислившиеся низшие сульфиды переходят в штейн. Окисление сульфидов сопровождается образованием больших количеств магнетита, особенно в поверхностных слоях частиц. Переокисление железа до магнетита зависит также от степени десульфуризации при плавке. С возрастанием степени десульфуризации и получением более богатых штейнов все большая часть железа переводится в форму магнетита.
К числу важнейших элементарных стадий, протекающих в отстойной камере печи, относятся:
1) сульфидирование образовавшихся в факеле оксидов ценных металлов;
2) растворение тугоплавких составляющих (CaO, Si02, AI2О3, и MgO и др.) в первичных железистых шлаках и формирование шлака конечного состава;
3) восстановление магнетита сульфидами;
4) формирование штейна конечного состава и укрупнение мелких сульфидных частиц;
5) разделение штейна и шлака.
9NiO+7FeS=3Ni3S2+7FeO+SO2
Cu2O+FeS=Cu2S+FeO
Образование фаялита
2FeO+SiO2=(FeO)2SiO2
Разложение магнетита
3Fe3O4+FeS+5SiO2=5(FeO)2xSiO2+SO2
Плавкость сульфидов
В сравнении с окислами сульфиды являются более легкоплавкими соединениями. Температуры плавления основных сульфидов, входящих в состав медных и никелевых штейнов:
Сульфид железа 1171 С
Халькозин – 1135 С
Сульфид кобальта – 1140 С