Печи для автогенной плавки меди (стр. 2 из 3)

n — коэффициент, равный отношению массы штейна к массе переплавляемой шихты;

Q_ш, Q_д — соответственно теплопотребление шихты и дутья, идущего на ее окисление, кДж/кг шихты;

Q_пот — потери тепла через ограждение печи, кВт.

Из уравнения (1) следует, что интенсивность теплообмена в рабочем пространстве печи (величина теплового потока

) будет равна, кВт

Q_п=0,28A(

-n ) (2)

Ее величина должна соответствовать технологическим параметрам процесса, которые выбираются таким образом, чтобы в печи были созданы условия для наиболее полного разделения продуктов плавки. Известно, что повышение средней температуры в зоне технологического процесса с одной стороны ведет к снижению вязкости шлака и тем самым способствует ускорению разделения продуктов плавки, с другой — к увеличению растворимости штейна в шлаке и (в окислительной среде) к росту так называемых химических потерь меди со шлаком.

В случае переработки конкретного сырья в зоне окисления сульфидов, как правило, стремятся поддерживать оптимальную температуру, значение которой определяется экспериментально. Так как соединения, полученные в результате окисления сульфидов, являются одновременно продуктами плавки, то их действительная температура должна быть равна средней температуре зоны технологического процесса. Из определения теплового эквивалента шихтовых материалов следует, что это условие соблюдается, когда поток тепла, отводимого от продуктов окислительных реакций, достигает своего максимального значения и будет равен, кВт

(3)

где Q_х.шQ_х.пр — соответственно теплота сгорания шихты и продуктов плавки, кДж/кг.

Расчеты величин, входящих в уравнение (2), производятся по данным материального и теплового балансов плавки. Для приближенных расчетов могут быть использованы значения тепловых эквивалентов шихты и штейна, кВт

(4)

где S, Сu — соответственно содержание серы и меди в шихте, %;

Т₀ — заданное значение средней температуры в зоне технологического процесса, К;

— соответственно начальные температуры шихты и дутья, К;

О₂ — содержание кислорода в дутье, %.

Физический смысл рассчитываемой по формуле (3) величины заключается в том, что она показывает, какое количество тепла за единицу времени должно быть отведено в процессе теплообмена от продуктов окисления сульфидов с тем, чтобы избежать их перегрева относительно средней температуры процесса.

При определении интенсивности теплообмена в рабочем пространстве печи, соответствующей заданным параметрам технологического процесса, необходимо также учитывать характер протекания реакций окисления сульфидов. В реальных условиях это чрезвычайно сложный многостадийный процесс. Однако, для его энергетической оценки можно воспользоваться упрощенной двухстадийной моделью, которая описывается следующими уравнениями

1 2Cu₂S + ЗО₂ - 2Cu₂O + 2SO₂ + 2015 кДж

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ — 304 кДж

2 Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂ — 304 кДж

Cu₂S + О₂ = 2Cu + SO₂ +1711 кДжна1 кг меди

3 9FeS + 15O₂ = 3Fe₃O₄ + 9SO₂ + 9258 кДж

FeS + 3Fe₃O4 = l0FeO + SO₂ — 896 кДж

4 FeS + 3Fe₃O4 = 10FeO + SO₂ — 896 кДж

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂ + 8389 кДжна 1 кгжелеза

Из анализа уравнений реакций 1—4 следует, что при многостадийном характере процесса величина, характеризующая количество тепла, выделившегося в зоне окисления сульфидов, может существенно отличаться от своего среднего значения, рассчитанного по данным теплового баланса процесса (т. е. по суммарным тепловым эффектам реакций). В рассматриваемом случае для завершения второй стадии химических превращений, предусмотренных принятой технологией, необходимо, чтобы «дополнительное» (по сравнению со средними балансными характеристиками) тепло, полученное на первой стадии окисления сульфидов, в процессе теплообмена поступило в зону протекания эндотермических реакций. Интенсивность теплообмена (тепловой поток

кВт), соответствующая двух стадийному характеру протекания процесса окисления сульфидов, определяется по данным его материального и теплового балансов и может быть рассчитана по формуле

(5)

Тепло, которое поступает в зону технологического процесса за счет теплообмена (отводится от продуктов окисления сульфидов), расходуется в рабочем пространстве печи на нагрев и плавление сульфидных соединений, образующих штейн, флюсов и породообразующих компонентов шихты, а также на компенсацию потерь тепла через ограждение печи в окружающую среду.

Зная состав шихты и продуктов плавки и задаваясь производительностью печи, нетрудно определить, какое количество тепла в единицу времени необходимо подвести к компонентам шихты, не участвующим в экзотермических реакциях, для того, чтобы нагреть их до средних температур процесса. Для приближенных расчетов могут быть использованы следующие формулы

(6)

(7)

где

— соответственно потоки тепла, поступающие на поверхность сульфидных частиц и флюсов, кВт.

Расчеты по формулам (5)—(7) позволяют установить взаимосвязь между основными параметрами технологического, теплового и температурного режимов работы печей для автогенной плавки, а также могут быть использованы при количественной оценке экспериментальных данных, полученных в процессе их эксплуатации.

В качестве примера возможного применения предложенной расчетной модели может быть рассмотрена типичная производственная ситуация, возникающая при необходимости повышения концентрации меди в штейне с целью уменьшения количества поступающего на конвертирование материала. Из формулы (1) следует, что рост степени десульфурации (снижение величины коэффициента п) при прочих равных условиях ведет к увеличению тепловой нагрузки агрегата и улучшению его теплового баланса. В этом случае, если согласно уравнениям (5) и (7) увеличение тепловой нагрузки сопровождается интенсификацией теплообмена в зоне технологического процесса, создаются благоприятные условия для сокращения энергозатрат на производство черновой меди за счет снижения температуры дутья или концентрации содержащегося в нем кислорода.

Изменение технологических параметров процесса без соответствующей коррекции его энергетических характеристик влечет за собой, как показал опыт работы промышленных печей, значительное ухудшение тепловой работы агрегата, связанное с серьезными нарушениями температурного режима плавки. Например, при переработке типового концентрата, содержащего 35% и 19 % Си, в печи взвешенной плавки на кислородном дутье изменение концентрации меди в штейне с 35 — 40 до 45 — 50% ведет сначала к возникновению промежуточного магнетитового слоя между шлаком и штейном, а затем к интенсивному образованию настылей на подине печи, представляющих собой смесь застывшего шлака и штейна с большим содержанием магнетита.

Появление магнетитового слоя можно объяснить тем, что В повышением степени десульфурации в технологическом факеле стало больше окисляться сульфидов железа. Насыщение ванны расплава магнетитом повлекло за собой увеличение скорости эндотермических реакций и как следствие охлаждение и затвердевание шлак-штейнового расплава в области их протекания. Оценка этого явления с помощью расчетных формул (4) и (6) показала, что переход к получению богатых штейнов в рассматриваемом случае должен был сопровождаться интенсификацией теплообмена в зоне окисления сульфидов на 30%, а в зоне протекания эндотермических реакций в полтора раза.

В печах взвешенной плавки на штейн интенсификация процессов теплообмена в ванне расплава представляет собой сложную научно-техническую задачу. Поэтому при повышении степени десульфурации соответствие параметров теплового режима плавки и ее технологических показателей достигается обычно за счет уменьшения производительности печи. Удельная производительность современных печей взвешенной шавки на штейн в зависимости от состава перерабатываемого сырья колеблется в пределах 4,5 — 15 т/м² в сутки, т. е. находится примерно на том же уровне, что и удельная производительность отражательных печей, отнесенная к единице площади зеркала ванны, расположенной между откосами.

Для целого ряда шихтовых материалов снижение производительности агрегата ведет к резкому ухудшению его теплового баланса. В этих случаях становится необходимым сжигание в рабочем пространстве печи традиционных видов топлива, как это делается, например, в печи взвешенной плавки на штейн, работающей на медеплавильном заводе фирмы «Норддойче Аффинери». С той же целью на аналогичной печи фирмы «Тамано» в отстойнике установлены электроды, позволяющие организовать электрообогрев ванны, одновременно интенсифицируя в ней процессы тепло- и массопереноса,