СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНОГО ШТЕЙНА
METHOD OF PRODUCING COPPER MATTE

Изобретение относится к способу переработки в шахтных печах сульфидных медных руд, концентратов и иных медьсодержащих материалов с целью получения медного штейна.
Получение медного штейна происходит в процессе переработки сульфидного медьсодержащего сырья, как правило, в процессе его окислительной шахтной плавки (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта", - М., 1966 г.,: "Металлургия", т. I, стр.146-147). При этом в качестве топлива используется кокс, расход которого составляет 10%  и более от веса шихты. Сульфиды при этом виде плавки подвергаются окислительному действию кислорода дутья в твердом или расплавленном состоянии.
Недостатком данного способа является повышенный расход кокса и повышенный вынос меди со шлаком (повышенное содержание меди в шлаке).
За прототип выбран способ получения медного штейна при окислительной плавке шихты, включающей медьсодержащее сырье и топливо - кокс (В.И.Смирнов, А.А.Цейдлер, И.Ф.Худяков, А.И.Тихонов "Металлургия меди, никеля и кобальта", - М., 1966 г.,: "Металлургия", т. I, стр.45-47, 168-169).
Недостатком данного способа также является повышенный расход кокса и повышенный вынос меди со шлаком (повышенное содержание меди в шлаке).
Техническим результатом является снижение расхода топлива и увеличение проплава медьсодержащего сырья за счет повышения теплотворной способности и снижения реакционной способности кокса, снижение содержания меди в шлаках за счет взаимодействия кокса, имеющего высокое содержание серы, с медью из расплава и перевода ее в сульфид серы, переходящий в штейн.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения медного штейна, включающем загрузку в шахтную печь шихты, содержащей исходное медьсодержащее сырье и топливо, в состав которого входит кокс; последующую окислительную плавку шихты, согласно изобретению в качестве топлива применяют кокс, являющийся результатом коксования шихты, содержащей продукт с выходом летучих веществ от 14 до 25% в количестве (5-100) мас.%, полученный путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков.
При осуществлении окислительной плавки требуется высококачественный кокс с низкой реакционной способностью, т.к. при окислительной плавке кислород присутствует во всем объеме печи. Т.е. имеет место 100%-ный избыток воздуха и при использовании высокореакционного кокса горение будет распространяться на весь объем печи, при этом в печи будут образовываться так называемые «козлы».
Кокс, полученный при коксовании нефтяных полукоксов с выходом летучих веществ от 14 до 25%, обогащенных в процессе замедленного полукоксования высокомолекулярными летучими веществами (шихта 6 Табл.1) отличается от нефтяного кокса, получаемого при прокалке нефтяных полукоксов с выходм летучих веществ 8-10% (до 14%), например, в кольцевых или вращающихся барабанных печах, более высокой прочностью, повышенной крупностью кусков кокса (Д, мм), пониженной реакционной способностью (CRI), повышенной послереакционной прочностью (CSR). Таким образом, это специальный кокс с улучшенными свойствами. Добавки такого полукокса к угольным шихтам (шихты 1-5 Табл.1) улучшают качество получаемого кокса.
Кокс, полученный из шихты, содержащей продукт (полученный путем замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков) с выходом летучих веществ от 14 до 25% в количестве (5-100) мас.%, обладает свойствами, приведенными в табл.1.
Для удобства изложения, продукт с выходом летучих веществ от 14 до 25%, полученный способом замедленного полукоксования тяжелых нефтяных остатков, далее по тексту обозначим как добавку ДК.
Угольная часть шихты приведена как один из частных случаев для примера. Возможны другие компоненты и комбинации шихт.
При этом в табл.1 приведены примеры шихт, которые обозначены как шихты 1,2,3,4,5,6 и показатели качества кокса из этих шихт.
Пример 7: Шихта 7 составлена из 50 процентов нефтяного полукокса с выходом летучих веществ 14,2% и 50% нефтяного полукокса с выходом летучих веществ 24,8%, при этом получен кокс с показателями CSR=70,5%, CRI=23,8%. При испытании в плавке получены результаты, аналогичные результатам согласно примеру 6.
r
d
daf
d
t
Показатель W  - показатель массовой доли общей влаги. A - зольность кокса в сухом состоянии; V - выход летучих веществ на сухое беззольное состояние кокса; S - содержание серы на сухое состояние кокса; CRI - показатель реакционной способность кокса; CSR - показатель послереакционной прочности кокса.
Испытания, результаты которых приведены в таблице 1 и в таблице 2, проводились на печи Николаева, показывают, что послереакционная прочность кокса из шихты с добавкой ДК выше, чем у кокса без добавки. Зависимость CSR кокса от содержания добавки в шихте близка к логарифмической: lgCSR=А+BlgC, где С - содержание добавки ДК в шихте.
Плавка с использованием кокса с добавкой ДК должна сопровождаться при сохранении ранее применяемых условиях загрузки (величина колоши) более полным сгоранием (использованием химического потенциала) ввиду снижения высоты колоши, снижения поверхности кусков кокса, повышения газопроницаемости.
Предлагаемый способ был проверен в полупиритной (окислительной) шахтной плавке сульфидных медных руд, концентратов и медьсодержащих материалов на промышленной шахтной печи, имеющей следующие характеристики:
длина печи, мм - 11400;
высота (от фундамента до колошника), мм - 6000;
2
площадь сечения в плоскости фурм, м - 15,5;
количество фурм, шт. - 73;
способ загрузки компонентов шихты в шахтную печь - механизированный, односторонний, при помощи вагонеток через окна, закрываемые заслонками;
3
расход воздушного дутья, тыс. н.м/час - 20-40;
3
расход кислорода на обогащение дутья, тыс. н.м/час - до 2;
расход топлива, кГ/т твердой шихты - 90-130;
3
объем переднего горна, м - 90.
Продукты плавки из шахтной печи с температурой 1200-1300°С равномерно выпускаются в передний горн и механически разделяются (по плотности) путем отстаивания на шлак и штейн. Шлак выпускается постоянно самотеком по чугунному желобу на струю воды с образованием мелкого (до 6 мм) гранулята. Штейн выпускается через сифон периодически по мере накопления.
Испытания проводились на одинаковой (одной и той же) медьсодержащей шихте на одной печи согласно заявляемому способу (примеры 1-5) и согласно способу по прототипу. В прототипе в качестве топлива-восстановителя применялся каменноугольный металлургический кокс крупнее 40 мм.
По предлагаемому способу (примеры 1-5) применялся кокс из угольной шихты и добавки коксующейся ДК, качество которого приведено в таблице 1.
Состав компонентов шихты по примерам представлен в Таблице 2:
Таблица 2
Состав твердой шихты по прототипу
Состав твердой шихты по предлагаемому способу
Пример 1
Кокс металлургический
Кокс с из угольной шихты с добавкой ДК в количестве 5%
Смесь медьсодержащих материалов
Смесь медьсодержащих материалов
Флюсы (оборотный конверторный шлак)
Флюсы (Оборотный конверторный шлак)
Пример 2
Кокс с из угольной шихты с добавкой ДК в количестве 10%
Смесь медьсодержащих материалов
Флюсы (оборотный конверторный шлак)
Пример 3
Кокс с из угольной шихты с добавкой ДК в количестве 30%
Смесь медьсодержащих материалов
Флюсы (оборотный конверторный шлак)
Пример 4
Кокс с из угольной шихты с добавкой ДК в количестве 50%
Смесь медьсодержащих материалов
Флюсы (оборотный конверторный шлак)
Пример 5
Кокс с из угольной шихты с добавкой ДК в количестве 100%
Смесь медьсодержащих материалов
Флюсы (оборотный конверторный шлак)
В качестве медьсодержащего материала для окислительной полупиритной плавки в шахтной печи по существующей технологии (прототип) и согласно заявляемому способу (примеры 1-5 таблица 2) использовались: «пирог» из усредненной смеси медьсодержащих материалов (мелкие фракции руды, концентратов, клинкер, мелкий лом, мелкие отходы меди, драгметаллы, содержащие медь); крупные фракции отходов вторичного медьсодержащего сырья (лом, стружка, вырезки); кусковая медьсодержащая руда.
Смешивание и усреднение составляющих «пирога» осуществлялось при помощи экскаваторов и бульдозера. Содержание меди в «пироге» - 12,5%.
В качестве флюса использовались известняк и оборотный конверторный шлак, который также позволяет регулировать температуру расплава.
Загрузка компонентов в шахтные печи производилась согласно технологической инструкции через загрузочные окна «колошами в следующем порядке:
- кокс;
- медьсодержащее вторичное сырье;
- «пирог», включая мелкие фракции руды;
- флюс (известняк);
- крупные фракции кусковой медьсодержащей руды;
- флюс (оборотный конверторный шлак).
Загрузка компонентов осуществлялась согласно инструкции с интервалом (30±5) мин.
Состав загружаемой шихты, %:
«пирог» - (50-60);
- медьсодержащее вторичное сырье - (5-10);
- крупные фракции кусковой медьсодержащей руды - (10-15);
- флюс (оборотный конверторный шлак) - (20-40)
- флюс (известняк) - (5-10).
3
2
2
2
Расход обогащенного кислородом до 24% воздушного дутья составлял 38-43 тыс. нм/час. Избыток дутья составлял 100%, при этом горение углерода кокса в фокусе печи происходит до СО:C+O=СО.
Одновременно благодаря избытку кислорода происходят окислительные реакции как в фокусе печи, так и в подготовительной зоне. Поэтому для такой плавки требуется крупнокусковой низкореакционный кокс.
В подготовительной зоне осуществляются реакции окисления сульфидов железа по реакции:,
а оксиды железа в фокусе печи в присутствии кремнезема связываются в силикаты и при отстаивании переходят в шлак: .
По физико-химическим условиям плавки полного разложения содержащегося в руде и концентратах магнетита не происходит, часть его переходит в продукты плавки.
Горячие печные газы проходя через слой шихты осуществляют ее термическую подготовку и окисление отдельных ее компонентов.
Сульфиды меди, пройдя ряд преобразований, в виде полусернистой меди переходят в штейн. Сульфиды никеля простые и комплексные также переходят в штейн.
Полученная при плавке расплавленная масса выходит через центровое отверстие печи с температурой 1200-1300°С в передний горн печи.
В переднем горне происходит механическое разделение расплавленной массы на штейн и шлак за счет разницы в их удельном весе.
Шлак непрерывно выпускается и гранулируется струей воды.
Химический состав шлака по результатам плавки согласно заявляемому способу был следующий, %:
SiO<sub>2</sub>
FeO
CaO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Cu
32-38
15-20
6-12
10-15
до 0,3
Выдача штейна производится периодически при наличии штейна в горне.
Ранее по статистическим данным авторов изобретения было установлено, что расход кокса крупнее 40 мм при плавке медьсодержащих материалов на 15% ниже по сравнению с расходом кокса крупнее 25 мм. Следовательно, расход более крупного кокса при прочих равных условиях должен снижаться.
Авторами были проведены испытания и были определены показатели окислительной плавки медьсодержащих материалов согласно заявленному способу с коксом из шихты с содержанием добавки ДК в количестве от 5 до 100 мас.%.
Осуществлено несколько этапов (периодов) промышленных плавок с применением в качестве топлива кокса согласно заявляемому способу при разном долевом участии. В базовом периоде использовали только каменноугольный металлургический кокс крупнее 40 мм.
Результаты проведенных авторами испытаний отражены в таблице 3.
Проведенные авторами предлагаемого изобретения промышленные окислительные плавки медьсодержащих материалов с заменой части металлургического кокса специальным коксом с добавкой ДК в количестве от 5 до 100 мас.% показали возможность снизить расход кокса при плавке медьсодержащих материалов, показали, что при использовании добавки ДК снижаются потери меди (снижается содержание меди в шлаке).
Кроме того, за счет снижения зольности кокса и в связи с этим снижения флюсов на шлакование золы кокса также снижается количество шлаков и потери меди с этой частью необразующихся шлаков.
Результаты проведенных испытаний показали, что при замене части металлургического кокса на специальный кокс из шихты с добавкой ДК происходит сокращение расхода кокса и увеличение проплава по сравнению с металлургическим коксом.
Сокращение расхода кокса, получаемого из угольсодержащих шихт с добавкой ДК, происходит по двум причинам. Во-первых, у кокса с добавкой ДК ниже зольность, а во-вторых, выше крупность кусков кокса. Показатель зольности приведен в табл.1. Промышленная проверка производства кокса из шихты с содержанием добавки ДК в количестве от 5 до 100 мас.% показало, что средний размер кусков такого кокса при содержании добавки ДК в количестве 40% составляет 90 мм. При этом средние размеры металлургического кокса составляют 55-65 мм.
3
3
3
3
Кроме того, кокс с добавкой ДК имеет повышенную плотность - 1,25 г/см, против 1,00 г/см у кокса без добавки ДК, а также более высокую истинную плотность 1,830-1,840 г/см против 1,790-1,815 г/см для коксов из шихт без добавки ДК.
Расход крупного кокса всегда ниже при одинаковых температурных режимах и рациональной технологии загрузки за счет более полного горения углерода кокса (полного использования химического потенциала, т.е. дожигания СО). Одновременно улучшаются экологические условия за счет снижения расхода топлива и его более полного химического сжигания (снижение выбросов СО). Высокое содержание серы кокса используется в плавке для получения медного штейна.
Следует также отметить, что с ростом содержания добавки ДК в шихте снижается стоимость кокса, следовательно, удешевляется процесс производства медного штейна.