Концентраттарды күйдіру

Күйдіруге көбіне құрамында 8 - 25% Cu бар кедей концентраттар ұшырайды. Бай мыс концентраттары күйдірусіз балқытылады. Ең жетілген тәсіл қайнаушы қабатта күйдіру болып табылады. Қайнаушы қабат құбылысының мәні келесіде: егер түйіршікті материал қабаты арқылы газдың өршуші ағынын жіберсек, онда аз жылдамдықтарда қатты бөлшектер қозғалмайды, бұл ретте қабат көлемі өзгермейді, бұл шахталық пештерде өтетін үрдістерге тән. Егер жылдамдықты арттырсақ, онда оның қандай да бір мәнінде материал бөлшектері еркін болады және қарқынды қозғалады: қабат көлемі ұлғаяды және ол қайнап жатқан сұйықтыққа ұқсас болады. Қайнаушы қабат түзуге қажетті газды ағынның жылдамдығы күйдірілетін материал бөлшектерінің диаметрі мен тығыздығына тәуелді.

 

 

Сурет 9.1 - Мыс алудың пирометаллургиялық тәсілі

 

Қайнаушы қабатта күйдіруге арналған пештің төмеңгі бөлігінде табаны бар, қимасы тікбұрыш, тігінен орналасқан камера болады. Камераның түбінен күмбез арқылы сығылған ауа беріледі. Шихталық материалдар (70 ‑ 80%мыс концентраттары, 15 - 20% кварцты флюстер, 2 - 3% әктастар және 2 - 3% айналмалы материалдар) жүктеу құрылғысы көмегімен пеш табанына беріледі. Күйдіру 850°С - та өтеді, бұл ретте мыс пен темір сульфидтерінің ауа оттегісімен өзара әсерлесуі жүреді. Күйдіру кезінде жүретін негізгі реакциялар келесілер болып табылады:

3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂,

Cu₂S₄ + 2O₂ = 2CuO + SO₂.

Күйдіру нәтижесінде өртенділер (огарок) алынады, олардың құрамындағы күкірт мөлшері 10 - 12% құрайды, ал бастапқы концентратта ол 24 - 28% болады. Күйдіру үшін механикалық қыздырумен көп табанды пештер қолданылады. Пеш отқа төзімді кірпіштермен шегенделген цилиндр болып келеді. Пеште отқа төзімді кірпіштерден салынған 8 - 13 табан - сөрелер бар. Пеш осімен қалақ тәріздес ескектер бекітілген ескек ұстағыштары бар бос денелі тік білік өтеді. Ескектер білік айналғанда (2 - 3 айн / минут) олар материалдың бір сөрелерде периферияға, басқаларында кері бағытта жылжуын қамтамасыз ететіндей орналасқан. Жоғарыдан жүктелетін шихта біртіндеп төмен қарай иек тәріздес жолмен табаннан табанға жылжиды. Сульфидтерді ішінара тотықтыруға қажетті ауа цилиндр құраушысы бойында орналасқан терезе арқылы сорылады. Ауа төменнен жоғары қарай шихтаға қарсы қозғалады. Күйдіру температурасы шихтаның бірігуін болдырмау үшін 850°С - тан артпауы керек. Осы себептен шихтадағы күкірт мөлшері 27% - дан артық болмауы қажет. Пештен шығарылатын газдар күкірт қышқылын өндіру үшін пайдаланылады. Алдын ала олар шаңнан тазартуға ұшырайды.

Штейнге балқыту

Шағылдыру және электрлік пештерде штейнге балқыту

Шағылдыру пештерінде, сонымен қатар пештердің басқа түрлерінде мыс концентраттарын штейнге балқытудың негізгі мақсаты екі сұйық өнімді - штейн мен қожды ала отырып, шихтаны балқыту болып табылады. Бұл ретте мыс пен басқа бағалы элементтерді, мысалы, асыл металдарды, штейнге толығырақ ауыстыру, ал бос жынысты қождау мәселесі қойылады.

Шағылдыру балқытуының мәнісі жүктелген шихтаның көміртекті отынды пештің көлденең жұмысшы кеңістігінде жағудан бөлінетін жылу есебінен балқитындығында. Отын жанғанда пайда болатын факел балқытпа бетінде орналасады.Ылғалды және кептірілгенконцентраттарды балқытуда жүктелген шихта пештің бүйір қабырғалары бойында құламалар түзеді, өртендіні (огарок) балқытуда ол қожды балқытпа айнасының бетімен ағады.

Шағылдыру пештерінде шихта және балқытпа беті күмбездің ішкі бетінен шағылысқан жылулық сәулелердің және ыстық жағу газдарының факелінің сәуле шығару есебінен қыздырылады. Жылу беруде күмбездің жылулық сәулеленуді шағылдыру арқылы қатысуы пештерді шағылдырушы деп атауға себепші болды.

Шихта қабаты ішінде жылу беру тек жылу өткізгіштік есебінен ғана жүзеге асуы мүмкін. Шағылдыру пештерінде балқытпа ішінде масса алмасудың болмауы балқытпаның төмеңгі қабаттарына жылудың берілуі тек жылу өткізгіштік есебінен жүретіндігін білдіреді. Бұл кезде шихта мен қожды балқытпаның жылу өткізгіштігі төмен екенін ескерген жөн.

Шағылдыру пешінде балқыту механизмін келесі түрде айтуға болады. Факелден шығарылатын жылу есебінен құламалар бетінде жатқан шихтаны қыздырумен материалды кептіру және жоғары сульфидтер мен басқа тұрақсыз қосылыстардың термиялық диссоциациясы бірге жүреді. Қыздыру шамасына байланысты шихталық құламалардың беткі қабаттарында шихтаның жеңіл балқитын құраушылары - сульфидті және оксидті эвтектикалар балқи бастайды. Бұл кезде түзілетін біріншілік балқытпа құламалар бетімен ағады, өзінде қиын балқитын компоненттерді ерітеді және қожды балқытпа қабаттарына түсіреді. Осы кезден бастап қожды және штейнді фазалардың бөлінуі басталады, оксидті фазаның тамшылары пештегі қождың жалпы массасында ериді, ал штейн тамшылары қож қабаты арқылы өтеді және ваннаның төмеңгі бөлігінде өзіндік штейндік жентек түзеді.

Штейн тамшыларының тұну жылдамдығы олардың өлшемдері үлкен болған сайын, соншалықты жоғары болады. Шағылдыру пештері жағдайында (тыныш ванна) өте ұсақ штейндік қоспалар пеште балқытпаның болу уақытында (10 - 14 сағат) толықтай тұнып үлгермейді және қожбен бірге шығарылады.

Шағылдыру пештерінде термиялық дайындықтан өткен, күйдірілген концентраттарды қайта өңдеуде балқыту механизмі басқаша болады. Өртенді (огарок) бөлшектері қожды ванна бетімен аға отырып, онымен байланысады, осының нәтижесінде бөлшектердегі оксидті қабыршақтар қожда ериді, ал сульфидті түйіршіктер штейн түзе отырып, балқытпа түбіне тұнады.

Шикі және күйдірілген концентраттарды балқытуда балқыту механизмі де әртүрлі болады. Шикі концентраттарды балқыту кезінде негізгі химиялық үрдістер болып жоғары сульфидтердің ыдырауы және темір сульфидтерінің айналмалы конвертерлік қожбен пешке келіп түсетін магнетитпен төмендегі реакция бойынша өзара әсерлесуі болып табылады:

FeS + 3Fe₃O₄ +5SiO₂ = 5(2FeO · SiO₂) + SO₂.

Бұл жағдайда жалпы дусульфуризация әдетте 45 - 55% құрайды. Өртендіні (огарок) балқыту (күйдіру кезінде жоғары сульфидтердің ыдырауы толықтай біткендіктен ) оксидтер мен сульфидтер арасында химиялық өзара әсерлесуге келтіріледі. Бұл балқытуда негізгі реакциялар:

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO,

10Fe₂O₃ + FeS = 7Fe₃O₄ + SO₂,

сонымен қатар кремнезем болғандағы FeS Fe₃O₄ - пен өзара әсерлесу болып табылады.

Күйдірілген мыс концентраттарын балқытуда десульфуризация 20 - 25% - дан аспайды. Мыс концентраттарын балқытуға арналған шағылдыру пеші - көлденең жұмысшы кеңістігі бар балқыту агрегаты. Заманауи шағылдыру пештерінің ішкі өлшемдері келесідей: ұзындығы 28 - 35м, ені 6 - 10м, күмбезден табанға дейінгі биіктігі 4 - 4,5м. Мұндай пештердің табанының ауданы 180 - 350м² аралығында болады.

Конструкциялық шағылдыру пеші фундаменттен, қабырғалардан, табаннан (пештабан), күмбезден, қаңқасынан, балқыту өнімдерін шығару және шихтаны жүктеуге арналған құрылғылардан, отынды жағуға арналған оттықтардан (форсункалардан) тұрады.

Пеш фундаменті (негізі) құйма қождан, бетоннан, кірпіштен немесе кесек тастан дайындалған. Фундаментте пісіру пештабаны орналасқан. Пісіруді құрылыс және отқа төзімді кірпіштердің бірнеше қабаттарында кварцты құмды балқытумен жүргізіледі. Пештабанның жалпы қалыңдығы 0,6 ‑ 1,5м.

Шағылдырып балқытудың өнімдері штейн, қож, шаң және газдар болып табылады. Оларды шығару және жою арнайы қондырғылар арқылы жүзеге асырылады.

Шағылдырып балқытудың зауыттық мыс штейндері қайта өңделетін шикізат және балқыту тәсіліне (күйдірусіз немесе күйдірумен) байланысты құрамында 15 - 60% Cu, 6% - ға дейін Zn, 0,5% - ға дейін Ni, 1% - ға дейін Pb, 30 ‑ 40% Fe, 23 - 26% S болады. Бұдан басқа олардың құрамында асыл металдар, селен, теллур және басқа бағалы және зиянды қоспалар болады.

Штейнді шығару пеш табаны үстіндегі ванна түбінен периодты жұмыс істейтін шпурлар арқылы немесе байланыстырушы ыдыстар принципі бойынша жұмыс жасайтын сифондық құрылғылар арқылы жүргізіледі. Штейндік сифон үзіліссіз режимде жұмыс жасай алады. Шпурды сазды тығынмен, ал сифонды сазды тығызағыш көмегімен бітейді.

Шағылдырып балқыту қожтарының жеке қож түзуші компоненттерінің мөлшері бойынша құрамы үлкен аралықтарда өзгеруі мүмкін. Ол бірқатар жергілікті жағдайлардан - қайта өңделетін шикізат құрамы мен түрінен, арзан және қол жетімді флюстердің бар болуынан, технологиялық факторлардан тәуелді. Флюстеуші қоспалардың минимал рұқсат етілген шығысында, бірақ сол кәсіпорын үшін аударма қожтың оңтайлы құрамынан қашықтамай жұмыс істеуге ұмтылады. Шағылдырып балқытудың нақты қожтарындағы жеке қож түзуші компоненттердің мөлшері келесі аралықтар өзгереді, %: Cu 0,3 - 0,8; SiO₂ 32 - 46%, FeO 35 - 55, CaO 1,5 - 22, Al₂O₃ 3 - 10%, Zn 6 - 8 дейін, S 0,5 - 1,5.

Шағылдырып балқыту штейнінің құрамында 80 - 90% мыс және темір сульфидтері болады, ал олардың құрамына 15 - 55% Сu, 15 - 50% Fе, 20 - 30% S, 2% Zn, сонымен қатар асыл және басқа металдар кіреді. Қож кремний, темір, кальций және алюминий (SiO₂, FeO, CaO, және 0,5% Cu) оксидтерінен тұрады.Мыс пен асыл металдарды штейнге шығару дәрежесі96 - 99,5% - ға жетеді.

Штейн қорытуға арналған жетілген агрегат электрлік пеш болып табылады. Онда жоғары өнімділікке қол жеткізіледі, пеште балқытумен қарағанда шығарумен жоғалтулар төмендейді. Бірақ шағылдыру және электрлік пештерде балқытудың бірқатар кемшіліктері бар. Бірінші кезекте олардың қатарына төмен меншікті өнімділік жатады. Шағылдыру пештерін ол 4,0 - 4,5т / тәулік, ал электрлік пештерде аздап жоғары құрайды. Электрлік пешке шикізатты пайдаланудың айтарлықтай төмен кешенділік тән, яғни біраз бағалы металдар (қорғасын, мырыш, кадмий, германий, рений және басқалары) штейнге шықпайды және барлығы дерлік жоғалады.

ТМД елдерінде сұйық ваннада балқыту деп аталатын балқытудың жаңа сызбасы ұсынылды. Бұл тәсіл 50 - 60т / (м² · тәулік) - ке дейінгі өте жоғары меншікті өнімділікке, отынның төмен шығысына ие (шағылдыру деңгейімен салыстырғанда шамамен үш есе кем), бұдан басқа мыстың және басқа түсті металдардың шығу дәрежесі артады. 20 - 40% күкіртті ангидридтен тұратын шықпа газдар күкірт қышқылын өндіру үшін қолданылады.

Сұйық ваннада балқытуға арналған пеш ұзындығы 10м, ені 2 - 3м және биіктігі 6 - 6,5м болатын тікбұрышты шахта болып келеді (9.2 - ші сурет). Пештің бүйір қабырғаларында үрлеуге арналған сумен суытылатын үрлегіштер орналасқан. Шахта қабырғалары сумен салқындатылатын кессондар түрінде орындалған. Пештің төменгі бөлігі (көміш) отқа төзімді кірпіштермен шегенделген. Балқыту үзіліссіз жүргізіледі. Қож пен штейнді шығару көмішпен тоғыцсқан және қосылған қожтық және штейндік сифондар арқылы жүреді. Шихталық материалдар күмбездегі тесіктер арқылы жүктеледі, олар ленталық қоректендіргіштер көмегімен бункерден беріледі.

 

 

Сурет 9.2 - Сұйық ваннаға арналған пеш құрылғысының сызбасы: 1 - Готейн; 2 - Үрлегіштер; 3 - Қож

 

Шахталық пештерде штейнге балқыту

Мыс кендерін шахталық балқыту бірнеше ғасыр сақталған және қазіргі уақытқа дейін практикалық маңызы жойылмаған штейнге балқытудың ескі тәсілі болып табылады. Шахталық пеш шахтаға ұқсас тік жұмысшы кеңістігі бар балқыту аппараты болып келеді. Түсті металлургияның шахталық пештерінің көлденең қимасының формасы тікбұрышты. Кен мен флюстерден тұратын шихтаны және отынды периодты түрде салысдар деп аталатын жеке порциялармен мойындық алаңшаға жүктейді. Пештің төменгі бөлігіне үрлегіш арқылы ауа үрленеді. Үрлегіш маңында отын (қайта өңделетін шихтаның сульфидтері немесе кокс) жанады және сол жерде өте жоғары температуралар дамиды (1300 - 1600°С -қа дейін). Жоғары температуралар зонасы пеш фокусы деп аталады. Бөлінетін жылу есебінен пеш фокусында шихтанфың балқуы жүреді және балқыту өнімдерінің түзілуі аяқталады.

Балқытудың сұйық өнімдері (қож бен штейн) ішкі көмішке ағады, одан олар қату үшін алдыңғы көмішке сифондық астауша арқылы бірге беріледі. Штейн мен қожтың бөлек шығуы алдыңғы көміштен жүзеге асырылады. Балқыту шамасы бойынша шихта төмен түседі, ал оның орнына жаңа порциясы жүктеледі. Үрлегіш маңында және одан жоғарыда пайда болған газдар жоғары қарай көтеріледі, түсуші шихта бағанынан өтіп, оған өзінің бар жылуын береді. Қарсы ағын принципі бойынша газдар мен шихта арасындағы жылу алмасу металлургиялық пештерде байқалатын және шахталық пештерде 80 - 85% - ға жететін жылуды пайдаланудың өте жоғары коэффициентін қамтамасыз етеді.

Көптеген басқа балқыту пештерімен салыстырғанда шахталық пештерде тек ірілігі 20 - 100мм кесекті материалды балқытуға болады.Ұсақ шихтаны (кенді немесе концентраттарды)қайта өңдеу жағдайларында оны агломерация немесе брикеттеу тәсілдерімен алдын ала кесектеу қажет. Мыс кендері мен концентраттарын қайта өңдеуге шахталық балқытудың төрт түрі қолданылады: тотықсыздандыру, пиритті (тотықтандыру), жартылай пиритті және жетілдірілген пиритті немесе мысты-күкіртті. Қазіргі заманғы мыс металлургиясында кенді шикізатты өқайта өңдеуде тек екі соңғы тәсіл ғана практикалық маңызын жоғалтқан жоқ. Тотықсыздандырып шахталық балқыту қазіргі уақытқа дейін екіншілік шикізаттан қара мыс алудың негізгі тәсілі ретінде қолданылады.

Тотыққан немесе екіншілік шикізатты қайта өңдеуге жарамды тотықсыздандырып балқытуда үрдіске қажетті барлық жылу шығысы қатты шихта массасының 15% - нан кем емес болатын коксты жағу есебінен алынады.

Пиритті балқыту тотықсыздандырып балқытуға қарағанда жану жылуы 5000 - 6000 кДж/кг болатын сульфидті шихтаның тотығуынан (жануынан) бөлінентін жылу есебінен теориялық толығымен жүре алады. Өте шиелініскен жылулық баланс әсерінен практикада пешке 2% - ға дейіне кокс енгізілді. Құрамында 75% - дан кем емес пирит (~ 42% күкірт) болатын жоғары күкіртті кендерді ғана қайта өңдеуге жарамды пиритті балқыту таза күйінде практикалық мәнін жоғалтты.

Бастапқы шихтадағы сульфидтер шахталық балқытуды автогенді ендіруге жеткіліксіз болған жағдайларда жылу жетіспеушілігі көміртекті отын жағумен толықтырылады. Жылу сульфидтердің жануынан да, отын жағудан да алынатын шахталық балқытудың бұл түрі жартылай пиритті деген атауға ие болды. Шахталық балқытудың бұл түріндегі кокс шығысы 5 ‑ 12% аралығында өзгереді. Осылай жартылай пиритті балқыту тотықсыздарып және пиритті балқытулары арасында аралық орын алады.

Жартылай пиритті балқыту барысын және сипатын анықтайтын негізгі үрдістер пеш фокусында дамиды, мұнда максимал температураға (1600^оС ‑ қа дейін) қол жеткізіледі және кесекті костер мен сульфидтердің (қатты және сұйық күйінде) жану, шихта компоненттерінің, штейндік және қожтық түзілімдерді балқыту үрдістері жүреді.

Клаасикалық нұсқадағы мысты-күкіртті балқыту күкіртті қарапайым күйде алу мақсатында пеш газдарын өңдеудің жетілдірілген тәсілімен бірге, құрамында 40 - 42% - дан кем емес күкірт бар жоғары күкіртті кендерді пиритті балқыту болып келеді. Ол үшін кокстың артқан мөлшерімен (12% - ға дейін) және кварцты флюспен сульфидті кенді биіктігі өсірілген герметизацияланған шахталық пеште балқытады.

Мысты-күкіртті балқыту үшін пеште биіктік бойынша үш анық көрінетін: тотықтырып балқыту (төменгі), тотықсыздандыру (ортаңғы) және дайындық (жоғарғы) зоналарының болуы тән.

Үрлегіш маңында орналасқан және өте шектелген өлшемдерге ие тотықтырып балқыту зонасында пештегі жоғары температуралар (1200 - 1450^оС) орын алады. Балқытуға қажетті жылу пиритті балқытудың негізгі реакциясы жүруі нәтижесінде бөлінеді:

 

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeO · SiO₂ + 2SiO₂ + 1030290кДж.

Классикалық пиритті балқытуда реакция реагенттерінің стехиометриясынан ешқандай ауытқуларға жол берілмейді. Кез келген бастапқы реагенттің артық болуы немесе жетіспеуі балқытудың жылулық режимінің, пеш фокусының қысқаруына немесе созылуына әкеледі. Пиритті балқытуда теория жүзінде үрілген барлық оттегі үрлегіш маңында толығымен шығындалуы қажет және фурмаға децйін кокс жетпеуі керек. Кері жағдайда пиритті эффект жоғалады және пеш «теке» түзе отырып қата бастайды.

Пиритті балқытудың сұйық өнімдері пештің ішкі көмішіне және ары қарай сыртқы тұндырғышқа ағады, ал толығымен дерлік күкірт ангидриді мен азоттан тұратын газдар жоғары ұмтылады және қызған кокспен толған ортаңғы, тотықсыздандывру зонасына келіп түседі.

Концентраттарды шағылдыру немесе электрлік пештерде штейнге балқытылады. Шағылдыру пеші ұзындығы 30 - 40м, ені 8 - 10м және табаннан күмбезге дейінгі биіктігі 3,5 - 4,5м болатын тікбұрышты камера болып келеді. пештің жұмысшы кеңістігі династық немесе хромомагнезиттік кірпішпен шегенделген. Күмбез династық кірпіштен жасалған аркалы немесе магнезиттен жасалған аспалы болып келеді. Пеш мазутпен, табиғи газбен немесе көмір шаңымен қыздырылады. Оттықтар немесе форсункалар пештің алдыңғы торцтық қабырғасында бір қатарда орналасады. Жанудың газ тәріздес өнімдері шихтаны шаяды, артқы қабырғаға өтеді және газ өткізгіштен пеш көмейіне жіберіледі.

Пештің бүйір қабырғаларына жақын орналасқан күмбездегі тесіктер арқылы шихта жүктеледі. Қож пен штейн пештің бүйір қабырғаларындағы арнайы есіктер арқылы периодты түрде шығарылып отырады. Штейнге балқытуда келесі реакциялар жүреді. Алдымен шихтаны қыздыру шамасына байланысты мыс оксидінің темір сульфидімен өзара әрекеттесуі жүреді:

 

6CuO + Fe = 3Cu₂O + SO₂ + FeO.

Түзілген мыс оксиді темір сульфидімен мына реакция бойынша өзара әрекеттеседі:

 

Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO.

Бұл реакция штейнге балқытуда негізгі болып табылады. Бұл ретте мыс пен темір сульфидтері балқып, сұйық штейн түзеді. Бір уақытта темір силикаттары мен басқа оксидтерден сұйық қож қалыптасады.

Шағылдырып балқыту штейнінің құрамында 80 - 90% мыс және темір сульфидтері болады, ал олардың құрамына 15 - 55% Сu, 15 - 50% Fе, 20 - 30% S,2% Zn, сонымен қатар асыл және басқа металдар кіреді. Қож кремний, темір, кальций және алюминий оксидтерінен тұрады.Мыс пен асыл металдарды штейнге шығару дәрежесі96 - 99,5% - ға жетеді.