«Значительно повысить извлечение металлов из руд, улучшить комплексное использование сырья.» - такова одна из наиболее важных задач, поставленных Директивами XXIV съезда КПСС перед цветной металлургией в девятой пятилетке.
В беседе с нашим корреспондентом Е. Муслиным вице-президент Академии наук Казахской ССР, директор Института металлургии, и обогащения А. М. Кунаев рассказывает, какой вклад в решение этой задачи вносят ученые руководимого им института. Их работы по проведению процессов обжига, и плавки медно-сульфидных руд в одном агрегате - циклоне стали составной частью большого исследования, ведущегося совместно многими научными институтами страны, заводами по созданию нового технологического процесса комплексного использования медных руд.
Рассказывает академик АН Казахской ССР А. КУНАЕВ.
ДВУЕДИНАЯ ЗАДАЧА
Казахстан располагает большими запасами полезных ископаемых. В его недрах сосредоточено немало свинца, цинка, бокситов, благородных, и редких металлов. А по ресурсам медных руд наша республика прочно занимает первое место в стране. Поэтому естественно, что наши ученые уделяют серьезное внимание теоретическим, и прикладным проблемам цветной металлургии.
Цветные металлы «в одиночку» в природе попадаются довольно редко. Обычно они встречаются в виде полиметаллических руд. В казахстанских, к примеру, медных рудах содержатся еще, и цинк, и благородные металлы, а также редкие, и рассеянные элементы, необходимые для развития электроники, ракетной техники, приборостроения, атомной энергетики. Естественно, что комплексное использование таких полиметаллических руд - важная задача, приобретающая по мере прогресса техники все большее значение.
Но технический прогресс в цветной металлургии не исчерпывается только проблемой наиболее полного извлечения металлов из исходного сырья. Необходимо еще добиться резкой интенсификации металлургических процессов, их максимальной механизации, и автоматизации, что приведет в конечном счете к повышению производительности труда, и одновременно улучшит его условия.
Таковы две задачи, стоящие перед теми, кто работает над совершенствованием технологических процессов цветной металлургии.
Все эти требования невозможно выполнить без коренного изменения традиционных методов плавки, без внедрения новых, прогрессивных схем. Это относится, как к процессам обогащения, так, и к пирометаллургии (огневой металлургии). И вот почему.
Современное производство цветных металлов, как правило, немыслимо без предварительного обогащения исходных руд. Обусловлено это тем, что богатые руды встречаются в природе сравнительно редко. Если говорить, например, о сернистых медных рудах, то приходится перерабатывать такие, в которых меди содержится лишь около одного процента. Непосредственная плавка столь бедных руд экономически нецелесообразна. Поэтому такие руды измельчают, и затем обогащают (обычно флотацией). В результате отделяется пустая порода (она попадает в отвал), и получается флотационный концентрат, который идет на обжиг, и плавку. Замечу, что примерно 80 процентов выплавляемой во всем мире меди получают именно таким способом из сульфидных руд.
ТРАДИЦИОННОЕ НЕСОВЕРШЕНСТВО
Интенсивность пирометаллургических процессов, естественно, растет с повышением температуры, увеличением концентрации, и скорости перемешивания реагирующих веществ, а также их удельной поверхности.
Поэтому весьма благоприятным обстоятельством является то, что флотационный концентрат, как раз, и представляет собой мелкодисперсный материал (размеры частиц меньше десятой доли миллиметра). У такого порошка очень большая поверхность. Если бы, например, килограмм концентрата с удельным весом 4 представить в виде одного шарообразного куска, то его поверхность составила бы около 200 квадратных сантиметров. В действительности же поверхность килограмма флотационного концентрата благодаря измельчению составляет около 200 тысяч квадратных сантиметров.
И тем не менее переработка такого измельченного сырья в печах классического типа, наиболее широко используемых в цветной металлургии - отражательных, и шахтных, - не приводит к резкой интенсификации металлургических процессов.
Дело в том, что, например, в отражательной медеплавильной печи пламя горящего факела «лижет» только наружную поверхность откосов, образованных рудными концентратами. По мере их оплавления откосы восстанавливаются за счет загрузки через свод печи свежих порций материала. Однако при таком взаимодействии газовой среды с материалом процессы передачи тепла, плавления, окисления, восстановления затрагивают лишь тысячные доли суммарной поверхности частичек концентрата, находящихся в откосах. Не удивительно, что удельная производительность лечи оказывается низкой.
Достигнутая в настоящее время скорость газов в этих печах (примерно 8 метров в секунду) может считаться пределом, так, как дальнейшее ее повышение приведет к резкому возрастанию выноса пыли из печи. Можно несколько интенсифицировать работу печи, увеличив температуру в ее рабочем пространстве. Но тогда недопустимо сократится срок службы огнеупоров.
Наконец, процесс отражательной плавки не обеспечивает комплексного использования ценных составляющих сырья. Так, при переработке в отражательной печи медно-цинковых концентратов достаточно полно извлекаются лишь медь, и благородные металлы.
Цинк, и медь извлекать одновременно невозможно для меди нужна окислительная атмосфера, а для цинка - восстановительная. Поэтому цинк попадает в отвальные шлаки, где практически, и остается. Чтобы изменить эту ситуацию, потребовались бы дополнительные агрегаты, постройка которых связана с большими капиталовложениями.
И еще один важный «упрек» традиционным процессам. Сульфидные медные концентраты надо рассматривать не только, как продукт, пригодный для получения содержащихся в нем металлов. Такие концентраты при известных условиях могут заменить полностью топливо, расходуемое на нужды пирометаллургического процесса. Сульфиды, в первую очередь железа (пирит, пирротин), являющиеся в рудах, и концентратах цветных металлов основной составляющей частью, окисляются со значительным выделением тепла свыше полугора тысяч килокалорий на каждый килограмм сульфида.
Однако окисление сульфидов сопровождается не только тепловым эффектом. При любой пирометаллургической схеме переработки сульфидных материалов образуется, и газовая фаза - сернистый ангидрид. Очевидно, существенным критерием комплексного использования сырья явилась бы возможность получения на его основе серной кислоты. Но содержание сернистого ангидрида в газах отражательной печи обычно бедное, для его утилизации требуется сложная система пылеулавливания.
ОСНОВНОЙ ПУТЬ ПОИСКОВ
Устранить недостатки существующих процессов переработки сульфидного полиметаллического сырья пытаются многие исследователи.
8 подавляющем числе предложений наблюдается четкая тенденция, о которой мы уже говорили использовать развитую поверхность шихты для быстрого осуществления необходимых физико-химических превращений. Аналогичный принцип уже нашел широкое применение в технике, в частности при сжигании топлива, когда его размалывают в порошок или распыляют через форсунки.
Реализовать эту идею применительно к пирометаллургии - значит создать установку, в которой руда или концентрат плавились бы во взвешенном состоянии, в огненном вихре раскаленных газов.
Казалось бы, изобретать ничего не надо. Ведь в цветной металлургии уже давно, и успешно работают печи с кипящим слоем, где за счет использования мелкого сырья, и повышенной скорости дутья слой материала всплывает в потоке воздуха, и приходит в состояние, сходное с кипением жидкости. Благодаря этому вся поверхность частиц реагирует с омывающим ее потоком газов, что приводит к значительной интенсификации физико-химических процессов.
Однако печи кипящего слоя служат главным образом для обжига. При этом допустимы лишь относительно низкие температуры, исключающие возможность спекания, а тем более плавление материала. Ведь в противном случае прекратится «кипение» слоя, работа печи нарушится, и ее придется останавливать.
Дальнейшее развитие способов переработки сырья в распыленном состоянии привело к созданию высокотемпературных процессов, совмещающих обжиг, плавку, и возгонку в одном агрегате. Первая такая печь была сооружена в нашей стране в 1934 году на Дегтярском заводе (Урал) по предложению молодого инженера, ныне известного ученого-металлурга, доктора технических наук Г. Я. Лейзеровича. Эта печь предназначалась для взвешенной плавки сульфидных медных концентратов.
В сороковых годах способ взвешенной плавки таких концентратов на подогретом воздухе был внедрен в Финляндии; впоследствии в Канаде был освоен вариант автогенной взвешенной плавки сульфидных медных концентратов на техническом кислороде («автогенная» означает в данном случае, что для плавки не требуется дополнительного топлива, так, как тепла поступает достаточно за счет окисления серы, содержащейся в руде).
В последнее время подобные процессы испытываются, и внедряются в СССР, Японии, и Румынии.
Таким образом, сегодня ясно, что процессы плавки сульфидных материалов в распыленном состоянии - это один из основных путей технического прогресса в цветной металлургии, особенно в области пирометаллургии меди.
ИЗ ЭНЕРГЕТИКИ - В МЕТАЛЛУРГИЮ
Ученые нашей республики также работали в направлении усовершенствования, и интенсификации процессов, использующих распыленное сырье. Надежды на успех мы связывали с созданием оптимальной аэродинамической структуры потока, и соответствующей формы рабочего пространства печи.
Исследовательские работы привели к созданию циклонного агрегата, прототипом которого дослужили циклонные топки, предназначенные для интенсификации процесса сжигания топлива.
В цилиндрическую камеру через сопло, расположенное к ней по касательной, со скоростью порядка 100 метров в секунду вдувается воздух. Подхватывая частички размолотого топлива, воздушная струя образует вращающийся огненный вихрь. Этот вихрь прожорливее любой форсунки, так, как образует непревзойденную по -эффективности структуру пламени. При прочих равных условиях в таком вихре сгорает вдесятеро больше топлива, и соответственно удесятеряется выделение тепла в единице топочного пространства. Именно по этой причине циклонные топки быстро завоевали прочное положение в мировой энергетике.
В начале 50-х годов ученые Академии наук Казахской ССР предложили использовать такие топки для переработки полиметаллических руд, для так называемой циклонной плавки.
Произошло это не случайно. Дело в том, что изучение циклонных процессов было нашим традиционным научным направлением.
Циклонная плавка происходит следующим образом. В циклонную камеру, где бушует огненный вихрь, подают сверху шихту. Подхваченные газовым потоком частицы приводятся во вращение, и под действием центробежных сил начинают описывать спирали, приближаясь к периферии. Мелкие частицы материала успевают расплавиться в объеме, не достигнув стенки, а крупные прилипают к пленке расплава, которая покрывает внутреннюю поверхность камеры. Омывающий ее с большой скоростью поток раскаленных газов быстро расплавляет эти прилипшие крупинки.
Продукты плавки - газы, и расплав - поступают через диафрагму в отстойную камеру. Шлак, содержащий цинк, всплывает, а штейн - расплав сульфидов меди, и железа - остается внизу. Выпущенный шлак можно обработать (коксом), восстановив окись цинка; штейн, как обычно, поступает в конвертор для извлечения меди. Что касается газов, то они направляются в установки для утилизации тепла, и улавливания отогнанных летучих, и редких элементов.
У энергетиков роль циклонной камеры сводится к сжиганию топлива, у нас к этому прибавляются сложные процессы обжига, плавления, и разделения химически активной руды. Введение кислорода еще более усиливает агрессивность перерабатываемой среды. В сочетании с высокими скоростями газовых, и пылевых потоков это приводит к возникновению сложных технических проблем, далеко не все из которых полностью решены.
Исследования показывают, что высокая скорость частиц, и развитая поверхность измельченного материала позволяют интенсифицировать процессы тепло и массообмена в десятки раз по сравнению с отражательной плавкой.
Тем не менее стенки циклонной камеры не выложены толстым слоем огнеупорного материала. От прогорания их спасает вода, которая циркулирует внутри полого корпуса камеры, а также гарниссаж - непрерывно возобновляющийся пластический слой, который образуется из жидкой шихты. Конечно, пока трудно сказать, насколько будет налажен гарниссаж при работе крупных промышленных установок.
Объем, занимаемый циклонной камерой, примерно в 100 раз меньше объема агрегата традиционного типа с такой же производительностью (если не считать отстойника, конденсатора для цинка, и т.д.), а период ее пуска и остановки не превышает часа. Это может обеспечить недостижимую прежде мобильность, и гибкость производственного процесса.
Благодаря вращающемуся потоку газов и жидкой пленке расплава, находящейся на стенках камеры, циклонный способ переработки сырья характеризуется малой величиной уноса пыли. Впрочем, это не удивительно конструктивно циклонная камера одновременно является, как бы пылеулавливателем центробежного типа, в котором пылинки отбрасываются к периферии, и улавливаются. Последнее обстоятельство позволяет использовать такие агрегаты для пироселекции (разделения составляющих элементов сырья при разных температурах на фракции). Пироселекция в циклонах уже успешно осуществляется в промышленности редких металлов.
Циклонный метод обработки материалов нашел применение не только в металлургии.
В результате исследований, проведенных учеными-химиками республики в тесном содружестве с учеными-теплотехниками Московского энергетического института, на Джамбулском заводе сооружен и успешно эксплуатируется энерготехнологический циклонный агрегат, в котором фосфориты Каратау перерабатываются на высококачественные кормовые обесфторенные фосфаты.
Циклонный способ переработки диспергированного сырья благодаря усилиям ряда научно-исследовательских институтов успешно реализован в установках для обезвреживания токсичных сточных вод ряда предприятий химической промышленности, для сжигания жидкой серы в сернокислотном производстве, для получения стекломассы, порошковой извести, обжига каолина, и др.
КИВЦЭТ
Процессы, протекающие в циклонных камерах, очень сложны и пока еще недостаточно изучены. Надежных принципов моделирования тоже нет. Поэтому для проверки эффективности циклонной плавки нам пришлось проделать весьма трудоемкую работу испытать несколько геометрически подобных камер разных размеров, работающих на разных материалах.
Уже первые эксперименты (проводившиеся совместно с Казахским научно-исследовательским институтом энергетики) дали положительные результаты.
В процессе исследований было переработано около 15 тысяч тонн концентратов. Удалось наметить целесообразные конструктивные решения, оптимизировать технологические режимы.
В результате был создан вариант плавильного агрегата с раздельным выводом газов, и расплава (см. схему на стр. 39).
Но этими исследованиями не завершилось еще решение двуединой задачи, о которой я говорил в самом начале.
Естественно, надо было создать установку и отработать технологию комплексной переработки сульфидных медно-цинковых концентратов, годную для промышленного использования. Эти исследования возглавил Всесоюзный научно-исследовательский институт цветной металлургии (ВНИИцветмет), находящийся в богатейшем рудном районе - Восточном Казахстане.
В них приняли участие научные коллективы еще нескольких институтов нашей республики (Казахского научно-исследовательского института энергетики, Казахского проектного института цветных металлов, нашего института), и московского Государственного научно-исследовательского института цветных металлов.
Работы эти привели к созданию агрегата, получившего название КИВЦЭТ, и соответственно нового способа.
Слово КИВЦЭТ составлено из первых букв слов «кислород», «взвешенный», «циклон», и «электротермический». Процессы обжига, и плавления протекают в разработанной на ми циклонной камере, причем концентрат находится во взвешенном состоянии, и в циклон подается технический кислород (или воздух, обогащенный кислородом); шлаки, содержащие цинк, восстанавливаются электротермическим способом (см. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки).
Сейчас на Иртышском полиметаллическом комбинате при активном участии его инженерно-технического персонала, и всех, кто занят этим большим комплексным исследованием, идут опытно-промышленные испытания такой установки.
А ученые нашего института продолжают исследования, и совершенствование циклонного способа плавки, уверенные в его большой эффективности для металлургии, и ряда других областей народного хозяйства страны.
КО 2 - 3-й СТР. ЦВЕТНОЙ ВКЛАДКИ
На вкладке, на схеме слева, условно показаны основные стадии традиционного процесса получения меди из медно-цинковых сульфидных руд. В результате обогащения повышается относительное содержание металла в оставшейся руде, называемой концентратом. Современные способы обогащения хотя, и позволяют выделить из полиметаллических руд относительно чистые, и богатые сульфидные монометаллические концентраты, однако некоторые медно-цинковые руды разделить с достаточно высокими технологическими показателями просто не удается. В таких случаях получают медно-цинковый сульфидный концентрат.
Первый пирометаллургический процесс, проводимый с медно-цинковым сульфидным концентратом, - окислительный обжиг, цель которого - удаление избыточной серы. Для обжига концентратов обычно применяют многоподовые обжиговые печи, агломерационные машины, и в последнее время более совершенные, и производительные печи для обжига в кипящем слое.
В результате обжига получаются агломерат, или огарок, который направляют на плавку, и сернистые газы, содержащие SO., от 3 процентов (в многоподовых печах) до 12 - 14 процентов (в печах кипящего слоя). Эти газы могут идти на производство серной кислоты.
Обожженный концентрат в зависимости от крупности плавят в шахтных, отражательных или электротермических печах.
При плавке получают медный штейн, который подвергается дальнейшей переработке - процессу конвертирования, при котором медь отделяется в черновой металл, сера окисляется воздухом, а железо переходит в шлак. Цинк переходит в шлак, который почти на всех медных заводах не перерабатывается, и попадает в отвал.
Таким образом, при всех существующих процессах обжига, и плавки медно-цинковых сульфидных концентратов наиболее полно извлекается медь, а цинк, и сера или извлекаются незначительно, или просто теряются.
В 60-х годах учеными института ВНИИцветмет (г. Усть-Каменогорск) был предложен, и разработан в опытном масштабе комбинированный (кислородо-взвешенно-циклонно-электротермический) процесс для переработки медно-цинковых сульфидных концентратов.
Новый процесс объединил циклонный способ обжига, и плавки, и электротермический способ доработки расплава с конденсацией цинка в жидкий металл. Циклонная плавка проходит на кислородном дутье.
Опытный агрегат (КИВЦЭТ) состоит из питающего устройства, циклона, плавильной камеры, которая отгорожена (по газовому пространству) водо-охлаждаемой перегородкой от электротермической части; с плавильной камерой соединен конденсатор.
Работает агрегат следующим образом.
Высушенный медно-цинковый концентрат подают в бункер, а из него системой питателей в циклонную камеру. Транспортируют концентрат с помощью технического кислорода, придающего концентрату необходимое ускорение.
Обжиг, и плавление происходят автогенно. Расплав стекает в плавильную часть, а газы, содержащие более 8 процентов SO2, проходят очистку, и могут быть использованы для производства серной кислоты или жидкого SO2.
При плавке цинк переходит в шлак, а сульфиды меди, и железа образуют штейн Горячий расплав стекает в электротермическую часть агрегата. Здесь штейн оседает на дно, и по мере накопления выпускается через специальное отверстие. В электротермической части на поверхность расплавленного шлака загружают кокс - для восстановления окиси цинка. Пары металлического цинка поступают в конденсатор, где они превращаются в жидкий металл. Для ускорения конденсации установлен специальный разбрызгиватель жидкого цинка.
Медный штейн перерабатывается обычным способом, а шлак, свободный от цинка. идет в отвал.
Так в одном агрегате достаточно полно извлекаются медь, цинк, и сера.
На процесс, и агрегат получены авторские свидетельства, и процесс запатентован во многих странах мира.
