ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ КОНВЕРТЕР И СПОСОБ СОВМЕЩЕННОЙ ПЛАВКИ-КОНВЕРТИРОВАНИЯ
HORIZONTAL CONVERTER AND COMBINED MELTING-CONVERTING METHOD

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к переработке полиметаллического сульфидного медно-свинцово-цинкового концентрата в горизонтальных конвертерах медеплавильного производства.
Известны способы переработки сульфидных концентратов в стандартных и переоборудованных горизонтальных конвертерах медеплавильного производства с боковым дутьем (Гудима Н.В., Шейн Я.П. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. М.: Металлургия 1975, 535 с.; Набойченко С.С., Агеев Н.Г., Дорошкевич А.П., Жуков В.П. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург, УРО РАН, 2005, 699 с.; Скопов Г.В., Старков К.Е., Харитиди Г.П. и др. Способ переработки сульфидных медно-свинцово-цинковых материалов. RU 2520292, Б.И., 2014, 17; Жуков В.П., Скопов Г.В., Холод С.И. Пирометаллургия меди. Екатеринбург, УРО РАН. 2016. 640 с.). Недостатками указанных методов переработки и конструктивного оформления агрегата является интенсивный износ огнеупорных материалов боковой зоны фурменного пояса, что ограничивает газовую нагрузку на фурмы и применение кислорода, снижает скорость циркуляции расплава в объеме ванны, уменьшает производительность процесса.
Известны также аналоги изобретения с организацией только нижней (донной) продувки расплава (Вэй Кэцзянь, Цзян Юми, Чжан Чженмин и др. Способ и печь для конвертирования медных штейнов посредством донной продувки. RU 2647418. БИ, 2017, 3; Жуков В.П., Скопов Г.В., Холод С.И. Пирометаллургия меди. Екатеринбург, УРО РАН. 2016. с. 361-364). Для увеличения зоны барботажа и интенсификации процесса конструктивно, донные фурмы устанавливают в шахматном порядке, что позволяет расширить границы реакционной зоны вертикального факела. Донная продувка расплава снижает теплонапряженность в области боковой кладки огнеупоров, что увеличивает кампанию горизонтального конвертера, но не в состоянии обеспечить интенсивное развитие циркуляционных потоков и существенно повысить производительность плавки и конвертирования.
Прототипом изобретения (Жуков В.П., Скопов Г.В., Холод С.И. Пирометаллургия меди. Екатеринбург, УРО РАН. 2016. С. 361-364) является модифицированный конвертер медеплавильного производства, именуемый в дальнейшем, как ПАП (Плавильный Агрегат «Победа»). Совмещенная плавка полиметаллического сульфидного сырья и конвертирования в ПАП, реализована (Скопов Г.В., Старков К.Е., Харитиди Г.П. и др. Способ переработки сульфидных медно-свинцово-цинковых материалов. RU 2520292, БИ №17, 2014) на Медногорском медно-серном комбинате (ООО «ММСК»). Технические характеристики ПАП приведены ниже.
Технические характеристики ПАП
3
3
3
2
Плавильный агрегат ПАП (фиг. 1) представляет собой цилиндрический реактор (1), конструктивно оформленный в виде удлиненного конвертера с газовой горловиной (3), смещенной к одному из торцов. Дутье подается через ряд боковых горизонтально расположенных к зеркалу ванны фурм (9), установленных ниже уровня расплава на расстоянии 750 мм от продольной горизонтальной оси конвертера. Для увеличения стойкости фурм и срока службы футеровки в области их установки, используют конструкцию типа «труба в трубе». Во внешнюю межтрубную полость (оболочка) подают защитный газ (компрессорный воздух) с расходом 150-300 м/ч, а по центральной трубе (основной канал) окислитель: воздух с расходом 800-1000 м/ч, или кислород 800-1000 м/ч. Конвертер футерован хромомагнезитовым кирпичом. С целью снижения скорости износа огнеупорной футеровки фурменного пояса ПАП, в нем установлены охлаждаемые элементы выше и ниже оси фурм, которые охлаждаются от системы водяного охлаждения под разряжением (ВОПР). Наличие системы ВОПР позволяет использовать кислородно-воздушное дутье (КВС), содержащее 22,9% об. О и достичь максимальной производительности 405,6 т концентрата в сутки при увеличении кампании агрегата до 205 суток.
Шихтовые материалы загружают непрерывно через загрузочную горловину (2), слив штейна осуществляют периодически, а шлака непрерывно в изложницы шлакоразливочной машины (12). Сыпучие, кусковые и брикетированные материалы загружают через загрузочную горловину в области реакционной зоны агрегата. Загрузку крупногабаритных материалов проводят через газовую горловину. Заливка штейна производится через горловину, служащую для отвода газов. Для заливки штейна ПАП поворачивается на 52° в сторону, противоположную линии фурм.
Выпуск обогащенного штейна производят через выпускное отверстие в торцевой стенке печи (8) и далее по футерованному желобу (7) сливают в ковш (6). Шлак с поверхности расплава удаляют непрерывно с торцевой части печи через летку (10), противоположной загрузке, и далее по футерованному желобу (11) сливают непосредственно в ковши, либо в изложницы. Для эвакуации газообразных продуктов предусмотрена газовая горловина, установленная в стороне от реакционной зоны. Напыльник пароиспарительного охлаждения состоит из двух частей: стационарной (4) и поворотной (5). Стационарная часть выполнена в виде прямоугольного фланца, подсоединенного к газоходной магистрали. Поворотная часть напыльника при подъеме в верхнее положение полностью открывает доступ к горловине для выполнения технологических операций.
Основными недостатками прототипа являются:
1. Слаборазвитая циркуляционная зона в объеме ванны, обусловленная установкой только бокового ряда фурм, ограничивает производительность плавки, конвертирования;
2. Применение только боковых фурм, даже при наличии системы ВОПР, лимитирует дальнейшее увеличение срока службы зоны фурменного пояса;
Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование конструкции ПАП и способа ввода дутья в расплав с оптимизацией его расходов, обеспечивающая:
- увеличение производительности;
- повышение срока службы фурм и элементов конструкции в области их установки.
б
н
б
н
Указанная задача решается тем, что в ПАП устанавливается дополнительно к боковому ряду еще один нижний ряд фурм (13). При плавке шихтовых материалов или конвертировании печь поворачивают таким образом, чтобы вертикальная ось нижних фурм совпала с центральной вертикальной осью ПАП (фиг. 2). В этом случае достигается максимальный объем реакционной зоны расплава, подвергаемой воздействию нижнего дутья. К данному положению агрегата привязано место обработки расплава струями бокового дутья, определяемое расстоянием между нижними и боковыми фурмами в интервале значений от 0,4 м до 0,8 м. Комплексная продувка расплава нижним и боковым дутьем при соотношении расхода газов, подаваемых в верхний ряд фурм Q к нижнему Q, равном Q/Q = (1-2)/(4-6), изменяет характер движения циркуляционных потоков в пристеночной области и объеме ванны, в отличие от аналогов и прототипа изобретения. Это приводит к увеличению производительности плавки твердой шихты и более высокой усвояемости ванной кускового флюса. Установка боковых фурм под углом β=2°-8° к зеркалу расплава, или к центральной горизонтальной оси поперечного сечения ПАП, приводит к закручиванию потока расплава в его объеме, при умеренном его воздействии на кладку боковой зоны фурменного пояса.
В предлагаемом изобретении в качестве защитного газа вместо компрессорного воздуха рассматривается водяной пар, что обеспечивает протекание эндотермической реакции
3
3
2
Расчетный эндотермический эффект Q при окислении только FeS составляет 18 кДж (t=1300°C). При максимальной подаче по межтрубной полости фурм 29000⋅3/5=17400 м/ч дутья, количество поглощаемой теплоты в общей пристеночной области работы фурм составит 17400⋅18/22,4 ~ 14000 кДж или 14000⋅10/3600 ~ 3900 Вт (3,9 кВт). Тепловая нагрузка на кладку зоны фурменного пояса по условиям прототипа изменяется в диапазоне 63-85 кВт/м, что предполагает снижение теплонапряженности в этой области на 4,6-6,0%. При кампании футеровки 205 суток можно приблизительно экстраполяцией оценить увеличение срока ее службы в этих условиях до 213-217 суток.
Возможно в качестве защитного газа применение смеси водяного пара и компрессорного воздуха.
Соотношение в фурме водяной пар (оболочка)-компрессорный воздух (основной канал) менее 1/8 не обеспечивает должного охлаждения фурмы и области кладки в зоне установки фурм. Соотношение более 3/5 снижает производительность плавки и скорость десульфуризации.
Интервал изменения основных величин формулы предлагаемого изобретения определяли методом холодного моделирования. В качестве модельных жидкостей использовали воду и вакуумное масло.
Типичная картина движения жидкости показана на фиг. 2. Циркуляция обеспечивает непрерывное обновление поверхности раздела фаз расплав-газ в зонах продувки, растворение твердых материалов шихты, подвод реагента в первую очередь сульфидов, в зону продувки и отвод продуктов реакции. Кроме того, движение расплава под действием струи снижает степень его перегрева в реакционной зоне и выравнивает профиль концентраций и температур в ванне.
Из фиг. 2 видно, что в объеме расплава, обозначенном как область "В", направление движения массивов жидкости при боковой и нижней продувке совпадают. На этом участке отмечены и максимальные скорости перемещения жидкой фазы, составляющие 0,3-0,5 м/с. В области боковой фурмы циркуляция составляет 0,04-0,07 м/с. При максимальной газовой нагрузке сверх отношения бокового дутья к нижнему более 2/4 скорость в пристеночной области зоны фурменного пояса резко возрастает до 0,4 м/с, поэтому здесь вероятен наиболее максимальный эрозивный износ кладки и фурмы. При соотношении менее 1/6 с преимущественной продувкой нижними фурмами показывает, что нижние потоки жидкости и струи пересекают боковые, последние распадаются на мелкие пузыри и скорость циркуляции снижается. По условиям прототипа скорость циркуляции расплава при значении критерия Архимеда (Ar=58) в зоне боковых фурм составляет 0,2 м/с.
Увеличение угла наклона боковых фурм к зеркалу ванны более >8° в большей степени закручивает поток в пристеночной области боковых фурм, что увеличивает линейную скорость перемещения жидкости до ~0,1 м/с и нецелесообразно с точки зрения механического воздействия на футеровку в данной области. Установка фурм с β<2° уменьшает скорость циркуляции в реакционной зоне и снижает полноту десульфуризации расплава, а также производительность процесса.
Поскольку скорость десульфуризации лимитируется диффузией серы в объеме расплава (Жуков В.П., Скопов Г.В., Холод С.И. Пирометаллургия меди. Екатеринбург, УРО РАН. 2016. 640 с.) ориентировочную оценку скорости окисления определяли в зависимости от циркуляции расплава и массоотдачи серы согласно уравнению
2
о
где υ - удельная скорость окисления г-ат S/см/c, С - концентрация серы в объеме расплава, принимаем постоянной, β - коэффициент массоотдачи серы в объеме, рассчитываемый из критериального уравнения
-10
2
-6
2
как  где D - коэффициент диффузии серы в оксидно-сульфидном расплаве, 10 м/с (1400°С); Re - критерий Рейнольдса, равный wR/v; w - скорость циркуляции, м/с; R - радиус выхлопного сопла фурмы 0,024 м; v - коэффициент кинематической вязкости оксидно-сульфидного расплава, равный 1,5⋅10 м/с (1300°С); Pr - критерий Прандтля, определяемый как v/D.
После подстановки граничных значений величин β в уравнение (3), рассчитываемых в зависимости от скорости циркуляции жидкости по условиям прототипа (0,2 м/с) и в предлагаемом изобретении (0,3-0,5 м/с), получим, что при использовании комбинированного дутья, наряду с повышением кампании ПАП и фурм, можно ориентировочно увеличить скорость десульфуризации и плавления в 1,1-1,3 раза.