4
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПЕЧИ ВАНЮКОВА ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ ОНВЕРТИРОВАНИЕ
МЕДНОГО ШТЕЙНА
Хидиров Ш.У.
Национальный исследовательский технологический университет
«МИСиС», Москва
https://doi.org/10.5281/zenodo.13235751
Целью работы является разработка технического предложения по повышению
эффективности процесса конвертирования медных штейнов с применением процесса
Ванюкова на основе анализа результатов модельных исследований.
В последнее время в медной промышленности наблюдается рост производства
благодаря инвестициям в совершенствование технологий. Это в значительной степени
достигается за счет использования процессов непрерывной плавки, главным образом
для производства штейна. До недавнего времени эта прогрессивная тенденция не
распространялась на переработку медного штейна. Конвертер Пирса-Смита широко
используется в медной промышленности уже более 100 лет, прочно занимает свои
позиции в технологии выплавки черновой меди благодаря своим очевидным
преимуществам, но по своей сути ограничен в глубокой модернизации [1].
В последние десятилетия в мировой практике все чаще используются процессы
непрерывного преобразования медного штейна, в том числе технологии, основанные
на взвешенной плавке Kennecot–Outotec (Финляндия, Канада), процесс Mitsubishi
(Япония), Ausmelt-C3, Isaconvert (Австралия, США), конвертирование в печи Ванюкова
(КПВ) [2].
Существующая производственная схема в Узбекистане не отвечает многим
современным требованиям, предъявляемым к предприятиям такого уровня.
Модернизация существующего передельного передела в горизонтальных конвертерах
путем строительства одной или двух установок типа КПВ, оснащенных
дополнительной камерой для обедненной переработки высокоуглеродистых шлаков,
обеспечит увеличение производительности передела до 270 тыс. тонн черновой меди в
год и более. Это позволит нам перейти на экономичную, экологически чистую и более
технологичную схему производства черновой меди на этом предприятии
Для переработки гранулированного медного штейна в черновую медь
предлагается реализовать непрерывную конвертированию. (с переработкой
конвертерных шлаков) на основе процесса Ванюкова, которая включает в себя
следующие этапы [3]:
1)
Приемку и складирование исходных гранулированных богатых медных штейнов,
флюсов и твердого топлива.
2)
Дозированную подачу смеси богатых медных штейнов, флюсов, оборотной пыли и
твердого топлива.
3)
Непрерывную окислительную плавку в конвертерной камере печи Ванюкова
шихты с получением черновой меди, непрерывную восстановительную плавку
богатого по содержанию меди конвертерного шлак в обеднительной камере печи
Ванюкова с получением медно-железистого сплава, и запыленных газов с высоким
содержанием сернистого ангидрида.
5
4)
Накопление в миксере-копильнике и транспортировку жидкой черновой меди и
медного сплава на последующий передел.
5)
Накопление в миксере-копильнике и транспортировку обедненного жидкого
шлака в отвал.
6)
Эвакуацию, охлаждение, очистку от грубой пыли (возвращаемой в конвертерную
плавку) и возгонов отходящих газов конвертерной печи Ванюкова, далее
направляемых на производство серной кислоты.
7)
Очистку аспирационных газов в газоочистном оборудовании с возвратом
оборотной пыли в плавку на штейн.
Процесс Ванюкова (ПВ), успешно применяющийся более четырех десятков лет
для переработки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов на ЗФ ОАО
«ГМК «Норильский никель», на ОАО «Среднеуральский медеплавильный завод», на
медном заводе компании «Казахмыс» в г. Балхаш (Казахстан), является наиболее
подходящим для осуществления непрерывного конвертерного процесса.
Процесс представляет собой непрерывное плавление и окисление в шлаковой
ванне
расплава
медного
сульфидного
сырья.
Ванна
барботируется
кислородсодержащим дутьем. Образующиеся при плавке шлак и штейн непрерывно
выпускаются раздельно из нижней части ванны с помощью сифонов [4].
Двухзонная печь Ванюкова представляет собой агрегат, рабочее пространство
которого состоит из 2 камер (плавильной и восстановительной), разделенных
перегородкой, набранной из двух рядов водоохлаждаемых медных брусков, размерами
65×65 мм. Точно такими же перегородками отделены от печи и шлаковый и
штейновый сифоны. Печь имеет сифонные устройства для непрерывного раздельного
выпуска штейна и отвального шлака, снабжена индивидуальными системами подачи
медесодержащего сырья, конвертерного шлака, угля, природного газа и дутья по
зонам.
Для поддержания необходимого уровня расплавов в рабочем объеме плавильной
и восстановительной зонах ПВ и организации непрерывного раздельного выпуска
жидких продуктов печь имеет штейновый и шлаковый сифоны, примыкающие к
торцевым стенам шахты печи. Печь снабжена устройством для удаления отходящих
газов – аптейком [5].
Основным преимуществом ПВ является возможность соединить в одном
двухкамерном агрегате глубоко окислительный процесс конвертирования медных
штейнов и восстановительно-обеднительный процесс переработки высокомедистых
конвертерных шлаков до отвальных по содержанию меди, создать обособленный (или
«автономный») непрерывно работающий передел. Переход на непрерывное
конвертирование в таком варианте позволит успешно решить вышеописанные
проблемы предприятия. Двухкамерная конвертерная печь Ванюкова (ДКПВ) может
улучшить технико-экономические показатели производства, поскольку позволяет
перерабатывать как рядовые, так и богатые штейны с получением черновой меди. В
данном агрегате есть возможность полной герметизации, что позволяет получать газы,
удовлетворительной для производства серной кислоты концентрации SO
2
, а также
создает благоприятные условия для работы в цехе и исключает выбросы вредных
газов в атмосферу[6].
6
Предлагаемая технологическая схема переработки гранулированного медного
штейна на черновую медь включает следующие операции:
1)
Приемку и складирование исходных гранулированных медных штейнов, флюсов
и твердого топлива.
2)
Дозированную подачу медных штейнов, флюсов, оборотной пыли и твердого
топлива.
3)
Непрерывную плавку в окислительной камере двухкамерной конвертерной печи
Ванюкова (ДКПВ) шихты на основе медных штейнов с получением черновой меди,
высокомедистого конвертерного шлака и запыленных газов с высоким содержанием
сернистого ангидрида.
4)
Накопление в миксере меди и транспортировку жидкой черновой меди на
последующий передел – огневое рафинирование.
5)
Непрерывную
передачу
высокомедистого
конвертерного
шлака
на
обеднительную обработку в восстановительную камеру ДКПВ.
6)
Непрерывную
обработку
высокомедистого
конвертерного
шлака
в
восстановительной камере двухкамерной конвертерной печи Ванюкова с получением
железосодержащего медного сплава, обедненного (отвального) шлака и отходящих
газов, передаваемых (после дожигания) в газовое пространство окислительной
камеры.
7)
Выпуск и передачу медного сплава в миксер меди для совместной
транспортировки с черновой медью на огневое рафинирование.
8)
Накопление в миксере шлака и транспортировку жидкого обедненного
(отвального) шлака в отвал.
9)
Эвакуацию, охлаждение, очистку от грубой пыли (возвращаемой в ДКПВ на
окислительную плавку) и возгонов объединенных отходящих газов двухкамерной
конвертерной печи Ванюкова, далее направляемых на производство серной кислоты.
10)
Очистку аспирационных газов в газоочистном оборудовании с возвратом
уловленной пыли в плавку на штейн.
Принципиальная технологическая схема непрерывного конвертирования медных
штейнов в ДКПВ применительно к условиям МПЗ Алмалыкского ГМК представлена на
рисунке 1.
Для обеспечения технологического процесса переработки твердых медных
штейнов на черновую медь необходимы также следующие обеспечивающие
(вспомогательные) системы [7]:
снабжения конвертерной печи Ванюкова кислородно-воздушной смесью (КВС)
регулируемого состава 40 – 96 % O
2
, включающую подачу дутьевого воздуха и
технологического кислорода к фурмам и отопительным горелкам;
снабжения конвертерной печи Ванюкова природным газом, подаваемым к
фурменным газовым трубкам и отопительным горелкам;
снабжения металлического и шлакового миксеров КВС регулируемого состава и
природным газом для подачи к отопительным горелкам, включая обогреваемые
переливочные желоба;
охлаждения кессонированных элементов и узлов ДКПВ циркулирующей водой;
7
транспортировки
жидких
продуктов
технологического
процесса
на
соответствующие переделы;
контрольно-измерительных и регистрирующих приборов, средств автоматизации
и устройств управления исполнительными механизмами систем производства.
Рисунок 1 - Принципиальная технологическая схема непрерывного
конвертирования медных штейнов в ДКПВ
В переработку поступают гранулированные медные штейны. В качестве флюсов
используются кварц и известняк. Основным видом топлива служит природный газ.
Каменный
уголь
является
дополнительным
(аварийным)
топливом
и
восстановителем. Исходные медные штейны, флюсы и уголь завозят на крытый склад,
где они хранятся в отдельных отсеках. Со склада сырья и материалов шихтовые
компоненты доставляются к расходным бункерам двухкамерной конвертерной печи
Ванюкова (отдельный бункер для каждого компонента шихты). Один из бункеров
предназначен для дозирования оборотной пыли ДКПВ. Кроме того, предусматривается
один резервный бункер, например, для твердых богатых медных оборотных
материалов, и один для угля. Расходные бункера должны быть рассчитаны на
бесперебойную подачу материалов в течение не менее 10 часов и снабжены
питателями, непрерывно дозирующими компоненты шихты на сборный конвейер.
8
Сборным конвейером осуществляется непрерывная подача шихты (и угля в случае
необходимости) к загрузочным воронкам конвертерной печи. Отходящие газы ДКПВ,
концентрированные по содержанию сернистого ангидрида, после охлаждения, очистки
от грубой пыли и возгонов направляются на производство серной кислоты совместно с
отходящими газами плавильной печи Ванюкова. Тепло отходящих газов может быть
использовано в котле-утилизаторе для производства пара.
Химический состав медного штейна, который был проведен рассчет
материального и теплового баланса процесса, приведен в таблице
Таблица 1 - Химический состав медного штейна
Компонент
Содержание, %
Cu
42,08
Zn
0,45
Pb
1,18
Fe
28,32
S
22,95
O
2,78
Прочие
2,24
Результаты модельных расчетов параметров окислительной плавки твердого
медного штейна с содержанием меди от 30 до 65% на черновую медь (непрерывного
конвертирования) при заданной производительности одной ДКПВ 135 тыс. тонн в год
и постоянном составе конвертерного шлака в табличном виде приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Химический состав медного штейна
Наименование
Значение
Содержание меди в
штейне, %
30
42
45
50
60
65
Извлечение, %
97,46
98,80
99,08
99,29
99,35
99,58
Прямой выход меди в
черновую медь, %
30,78
59,97
65,89
71,69
81,43
86,34
Концентрат SO
2
в
отходящих газах, %
13,78
14,56
14,35
14,29
13,34
13,90
Зависимость часовой производительности ДКПВ по перерабатываемому штейну
от его состава при окислительной плавке представлены на рисунке2.
Повышение содержание меди в перерабатываемом штейне взывает потребность в
использование природного газа как дополнительного топлива, расход которого сильно
зависит от условий его сжигания, то есть от состава КВС.
9
Рисунок
2
-
Зависимость
часовой
производительности
ДКПВ
по
перерабатываемому штейну от его состава при окислительной плавке
Изменение расхода природного газа в зависимости от содержания меди в штейне,
а также от содержания кислорода в КВС (рисунок 11) наглядно показывает, что с
обогащением штейна по меди расход природного газа для поддержания температуры
плавки в заданном интервале закономерно возрастает из-за уменьшения доли
сульфида железа в штейне. С увеличением содержания кислорода в КВС расход
природного газа (при постоянном составе штейна) заметно снижается. Окислительная
плавка будет протекать в автогенном режиме с повышением содержания меди в
штейне до 45 % и концентрации кислорода в дутье 60 %, а при 70 % О2 в дутье
автогенность плавки сохранится для штейнов с содержанием меди до 60 %.
Таким образом, рекомендуемый дутьевой режим окислительной плавки должен
находиться в интервале от 60 до 70 % (об.) кислорода в КВС. Учитывая высокую
чувствительность температурного хода окислительной плавки к составу КВС и расходу
природного газа, плавную регулировку температуры плавки следует осуществлять
небольшим изменением потока природного газа с соответствующей количественной
корректировкой расхода дутья. Он должен быть основным способом управления
температурным ходом плавки в заданном технологическом режиме ее осуществления.
В работе рассмотрены существующие на сегодняшний день технологии
переработки медных штейнов, проанализированы преимущества и недостатки каждой
из них. Предложена новая технология переработки медных штейнов на основе
процесса Ванюкова.
На основе методики представленных в работе металлургических расчетов
разработана
математическая
модель
двухстадийного
(окислительного
и
восстановительного) процесса переработки медных штейнов на черновую медь с
обеднительной обработкой высокомедистых конвертерных шлаков.
10
С использованием модели был получен массив технологических показателей и
параметров ДКПВ при изменении состава перерабатываемого штейна от 30 до 65%
меди.
References:
1.
Лукавый С.Л. Совершенствование процесса Ванюкова применительно к
непрерывному конвертированию медных штейнов: дис…канд. техн. наук.– М., 2013–
139 с.;
2.
Гальнбек А. А. Непрерывное конвертирование штейнов. - М.: Металлургия, 1993.;
3.
Ванюков А.В., Уткин Н.И. Комплексная переработка медного и никелевого сы-
рья.– М.: Металлургия, 1988.;
4.
Автогенные процессы в цветной металлургии / В.В. Мечев, В.П. Быстров, А.В.
Тарасов и др. – М.: Металлургия, 1991.;
5.
Kellogg H.H., Diaz C. Bath Smelting Process in non-ferrous Pyrometallurgy //
Proceedings of Savard/Lee Intern. Symposium on Bath Smelting, ed. by J. K. Brimacomber et.
al. (Warrendale, PA: TMS, 1992).–P. 39-63.;
6.
Shibasaki T., Kanamori K., and Hayashi M. Development of Large Scale Mitsubishi Fur-
nace at Naoshima // Proceedings of Savard / Lee Intern. Symposium on Bath Smelting, ed. by
J. K. Brimacomber et. al. (Warrendale, PA: TMS, 1992).–P. 147-158.;
7.
Казачков Е.А. Расчет по теории металлургических процессов. – М.: Металлур-гия,
1988.
