В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №4 (апрель 2008) / Металлургия меди " с древнейших времен до наших дней (ЧАСТЬ 2)
← оглавление номера

Цветные металлы:

Металлургия меди " с древнейших времен до наших дней (ЧАСТЬ 2)

Илья Чудаев, Юрий Верещагин 

С середины XX века в пирометаллургии меди начинают господствовать процессы, которые наряду с непрерывными, а также одностадийными технологиями получения металла из концентрата задают вектор развития всей отрасли в целом.

Автогенные процессы

Большим шагом в пирометаллургии меди стало изобретение современных агрегатов автогенной плавки, то есть плавки, идущей автогенно без затрат топлива. Первый такой агрегат был введён в действие в 1953 г. компанией Inco на комплексе Коппер-Клифф (Copper-Cliff) в Онтарио (Канада). Данная технология получила название Inco Flash Smelting и больше известна как кислородно-факельная плавка, то есть автогенная плавка сульфидов во взвешенном состоянии с использованием кислородного факела (рис. 1).

Обычно печи для этой плавки достаточно компактны. Пирометаллургический процесс в них идёт следующим образом. Сухой концентрат вместе с флюсом через две горелки, установленные в торце печи, вносится в пространство печи с двух сторон струёй технического кислорода, что приводит к формированию пылегазового факела, в котором окисляются и расплавляются материалы. Завершается процесс образованием в ванне печи расплава, который расслаивается на штейн и шлак. Отходящие газы через дымоход, расположенный в середине печи, уходят на очистку. Этот процесс достаточно гибкий и может быть отрегулирован в зависимости от того, какое содержание меди в штейне нужно получить.

Другим процессом, который также становится автогенным при применении дутья, обогащённого до 40% O2, является процесс «Outokumpu flash smelting» - это кислородно-взвешенная плавка (КВП) сульфидов металлов с использованием подогретого кислородно-воздушного дутья (рис. 2). Технология была введена в конце 40-х гг. компанией Outokumpu на заводе Харьявалта (Harjavalata) в Финляндии. Горелка для подачи в печь сухого концентрата и подогретой кислородно-воздушной смеси установлена в центре свода шахты печи. Частицы шихты при выходе из горелки во взвешенном состоянии расплавляются, затем в виде капель попадают в отстойную часть печи, осаждаются на жидкую ванну продуктов плавки и расслаиваются на штейн и шлак. Штейн, содержащий 45-75% меди, обычно перерабатывают в конвертерах, а диоксид серы, содержащийся в отходящих газах, используется для производства серной кислоты. Технология позволяет, регулируя объем подаваемого в печь кислорода, на выходе иметь стабильный и непрерывный поток диоксида серы, пригодный для экономичного производства серной кислоты. В настоящее время этот процесс используется при производстве около 40% меди в мире.

В 1978 г. компанией Outokumpu в Польше была установлена первая печь, которая позволяет по данной технологии напрямую получать черновую медь из концентратов, содержащих не менее 30% меди. А с 1985 г. Outokumpu совместно с Kennecott Corporation начинают проводить эксперименты по применению инновационной технологии - взвешенному конвертированию (flash converting) в печи КВП на опытном заводе в Финляндии. В течение 1992-1995 гг. по непрерывной технологии получения меди с использованием кислородно-взвешенной плавки Outokumpu и взвешенного конвертирования Kennecott-Outokumpu модернизируется завод в Солт-Лейк-Сити (Salt Lake City) в США (рис. 3). Эта промышленная непрерывная технология, которая позволяет улавливать до 99,9% серы в отходящих газах и считается одной из самых чистых в мире.

В России в середине прошлого века также был разработан оригинальный процесс автогенной плавки сульфидных медных и медно-цинковых концентратов, который называют плавкой в жидкой ванне (ПЖВ) или по фамилии её создателя, профессора А. В. Ванюкова - плавкой Ванюкова. Весьма интересна история освоения этого метода плавки.

«Метод плавки сульфидов в жидкой ванне Ванюков, 32-летний аспирант МИСиС, говорят, и придумал, сидя в ванне - как Архимед, воскликнувший «Эврика!». Избавлять руду от серы не на откосах печи, а в самом расплаве - по тем временам это было невероятно дерзкое и смелое решение, и против молодого доцента-выскочки восстали все маститые светила металлургии. Ванюков оказался с характером и решил добиваться промышленных испытаний своей технологии. Он еще не знал, с чем ему предстоит столкнуться: убеждать оппонентов в своей правоте ему пришлось 20 лет.

Неудачи преследовали Ванюкова по пятам: его не хотели слушать ни коллеги, ни металлурги, испытания откладывались, опытные установки, уже готовые дать первый штейн, по чьей-то указке демонтировались. Пять лет Ванюков добивался разрешения «обкатать» свою технологию на одном из действующих заводов Урала - разрешение дали, но в последний момент запретили проводить на производстве сомнительные опыты. Еще через пять лет Ванюков добился строительства опытной установки на полигоне в Казахстане - новый министр цветной металлурги, не разобравшись, объявил идею Ванюкова бесперспективной, а установку распорядился сломать. Попытка построить «печь Ванюкова» на оловозаводе в Рязани вообще закончилась скандалом - выяснилось, что директор завода строил опытную печь на свой страх и риск.

К концу 60-х, после двадцати лет сплошных неудач и разочарований, Ванюков уже был готов отказаться от дальнейшей борьбы, но тут один из его аспирантов, норильский металлург Валентин Мечев, предложил ему попробовать последний раз - на Норильском комбинате. Ванюков рискнул.

В Норильске с Ванюковым произошла очень трогательная история. Новый директор медного завода, обходя предприятие, увидел в углу цеха непонятного назначения «кастрюлю» - опытную установку Ванюкова, и распорядился ее сломать. Узнав об этом, Ванюков срочно прилетел в Норильск, ворвался в кабинет директора для объяснений и... разрыдался. Директор был ошеломлен и несколько часов слушал профессора не перебивая. Из кабинета они вышли вместе и сразу поехали к директору комбината - пробивать 25 миллионов рублей на строительство в плавильном цехе медного завода уже не опытной, а опытно-промышленной установки. С этого момента плавка Ванюкова получила постоянную прописку на металлургическом переделе Норильского комбината» (Газета «Заполярная правда», ?104 от 13.07.2000, статья «История в плавках», Владислав Толстой).

Для автогенной и полуавтогенной плавки сульфидных медных концентратов с получением богатого штейна используют частично кессонированную печь шахтного типа (рис. 4). Содержание кислорода в дутье для обеспечения автогенного режима при плавке сухой шихты с влажностью менее 1-2% составляет 40-45%, влажной (6-8% влаги) - 55-65%. В печи можно плавить как мелкие материалы, так и кусковую шихту. Крупную и влажную шихту загружают непосредственно на поверхность расплава. При необходимости сухие мелкие и пылевидные материалы могут вдуваться через фурмы. Таким образом, плавление шихты и окисление сульфидов в процессе ПЖВ осуществляются непосредственно в слое расплава.

Горизонтальной плоскостью по осям фурм расплав в печи делится на две зоны: верхнюю надфурменную (барботируемую) и нижнюю подфурменную, где расплав находится в относительно спокойном состоянии.

В надфурменной зоне происходит плавление шихты, окисление сульфидов и укрупнение мелких сульфидных частиц. Крупные капли сульфидов быстро оседают в слое шлака, многократно промывая шлак за время его движения сверху вниз в подфурменной зоне.

Шлак и штейн выпускаются раздельно из нижней части ванны с помощью сифонов. Высокая степень использования кислорода упрощает управление составом штейна и соотношением количеств подаваемого через фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диапазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Среднее содержание меди в шлаке 0,5-0,6%, SO2 в отходящих газах - 20-40%.

Технологии, не получившие широкого распространения

В истории пирометаллургии меди также существуют примеры оригинальных процессов, которые дошли до промышленной стадии, но не смогли найти широкого применения. Например, такие как Контоп (Contop) и Воркра (Worcra). Отдельные агрегаты, которые получили некоторое применение в металлургии меди, более широко используются в металлургии других металлов, например свинца и цинка. Среди таких можно выделить процесс Кено - Шуманна - Лерджи (Queneau-Schuhmann-Lurgi) [QSL, КШЛ] и КИВЦЭТ (кислородно-взвешенный циклонно-электротермический процесс).

В 1979 г. компанией KHD Humboldt Wedag AG в Германии был разработан процесс комбинированной автогенной огневой плавки в водоохлаждаемом циклоне с верхним дутьём (Контоп), в результате которой получается штейн с высоким содержанием меди (до 80%). Температура при этом процессе достигает 1500-1700°C, из-за столь сильного нагрева улетучиваются мышьяк, висмут, свинец, селен, цинк и другие элементы. Это и стало причиной ограниченного применения данной технологии, так как необходима очень тщательная очистка отходящих газов.

Агрегаты Воркра и КШЛ имеют много общего с конвертором Норанда (Noranda) (см. «Металлургия меди с древнейших времен - до наших дней. Часть первая», УРМ, ? 3, 2008 г.).

Процесс КШЛ был разработан в середине 70-х гг. ХХ в. Он позволяет получать черновую медь напрямую из концентрата в турбулентной ванне расплава, создаваемой путем продувки кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, через донные фурмы или погруженные дутьевые трубы. Реактор КШЛ представляет собой длинный горизонтальный вращающийся цилиндр с кирпичной футеровкой (рис. 5). Шлак перемещается к летке на одном конце ванны, а медь - к летке в зоне окисления. Процесс КШЛ требует предварительного смешивания и мокрого гранулирования концентратов и флюсов. Отходящие газы могут содержать до 80% диоксида серы.

Печь Воркра была разработана в Австралии профессором Говардом Ворнером (Howard Worner) в период его работы в компании CRA (Conzinc Riotinto of Australia), отсюда и название WorCRA. Запущена она была в середине 60-х гг. ХХ в., являлась стационарной и работала по типу процесса КШЛ, но ввиду сложности контроля процесса плавки и быстрого износа фурм и футеровки печь была остановлена.

Процесс КИВЦЭТ разработан в 1960-х гг. в Казахстане работниками ВНИИцветмет и Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината (рис. 6). КИВЦЭТ - это совмещённый процесс обжига и плавки в техническом кислороде в циклонной топке с последующим разделением на два слоя в отстойной зоне, с обеднением шлаков и отгонкой низкокипящих компонентов. Установка состоит из циклонной, плавильной камеры, разделительной водоохлаждаемой перегородки и электротермической отстойной части (рис. 7). В плавильной зоне окисляют сухой (влажность < 1,0%) концентрат по реакции 2MeS+2О2+SiO2 = 2МеО
  • SiO2+2SO2, являющейся основным источником теплоты для расплавления всего материала. В электротермическую зону, которая сверху отделена перегородкой, с целью не допустить попадания сюда отходящих газов, загружают твердый кокс или уголь для восстановления окисленных металлов. Печь снабжена системой очистки газов, которые после очистки направляют на производство H2SO4. Содержание SO2 в отходящих газах - 25-30%, меди в штейне 40-50%.

Процессы с использованием погружной фурмы

К самым современным пирометаллургическим процессам следует отнести процессы с использованием погружной фурмы (TSL - Top Submerged Lance) - Аусмелт (Ausmelt) и Исасмелт (Isasmelt). Обе технологии берут начало от такого ноу-хау, как процесс Сиросмелт (Sirosmelt), который был разработан организацией CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) в 1970-х гг. в Австралии.

В начале 80-х гг. компания MIM Holdings построила в Австралии близ г. Маунт-Айза (Mount Isa) первое экспериментальное плавильное предприятие по выпуску свинца и меди по технологии Исасмелт. Конструктивная схема агрегата приведена на рис. 8: в рабочее пространство печи, имеющее форму вертикального цилиндра, поступает сжатый кислород для создания турбулентной среды. Наряду с кислородом также подаётся топливо различных видов (нефть, газ или уголь), их соотношение и количество можно варьировать в зависимости от вида сырья, стоимости топлива и его наличия. Степень окисления сульфидов контролируется путем регулирования соотношения подаваемых кислорода и топлива, а также количеством твердого топлива, при необходимости добавляемого в расплавленную смесь. Процесс можно осуществлять непрерывно.

Полученные продукты направляют в печь-отстойник, где происходит разделение на черновую медь и шлак.

Печь Аусмелт (рис. 9) была разработана одноимённой компанией, основатель которой - один из главных разработчиков технологий Сиросмелт и Исасмелт - Джон Флойд (John Floyd). Компания была основана в 1981 г., а в начале 90-х гг. в Зимбабве для холдинга Rio Tinto был построен первый завод, работавший по процессу Аусмелт. Там получали малосернистый штейн с предварительным обессериванием расплава.

Процесс Аусмелт позволяет получать штейн из медных концентратов и вторичного сырья. Штейн и шлак, полученные во время плавки, непрерывно сливаются в печь-отстойник.

При плавке Аусмелт все процессы (растворение сырья, перенос энергии, массо- и теплоперенос) происходят в слое шлака. Интенсивный барботаж в объеме печи обеспечивает высокую скорость проходящих реакций.

Изюминка агрегата - это вертикально подвешенная фурма, погруженная в расплавленную ванну. Технологические газы (воздух и кислород) и топливо вдуваются через фурму. Топливо сгорает на выходе из фурмы. Шлак перемешивается потоками технологических газов. Контролируемое вихревое движение технологического воздуха в фурме охлаждает внешний слой, образуя гарнисаж, который защищает фурму от разрушения в высокоагрессивной среде.

Степень окисления и восстановления в процессе управляется путём изменения соотношения между топливом и кислородом, поступающих в фурму, а также пропорцией исходного сырья и восстановительного агента, например угля. Это обеспечивает возможность работы печи в зависимости от заданных условий в различных атмосферах - от окислительной до восстановительной.

Отметим следующие основные направления развития пирометаллургии меди:

- интенсификация процессов, проходящих в агрегатах, что, в свою очередь, потребует применения огнеупорных материалов с улучшенными характеристиками, а также более эффективного охлаждения конструктивных элементов металлургических агрегатов;

- применение более надёжных датчиков для непрерывного измерения в реальном времени таких параметров, как температура и состав исходных материалов, продуктов плавки и отходящих газов;

- в связи с ужесточением норм по защите окружающей среды от загрязнений всё большее распространение будут находить «зелёные» технологии, такие как Kennecott-Outokumpu, Mitsubishi, Isasmelt и Ausmelt;

- применение непрерывных, а также одностадийных технологий для сокращения времени между операциями и других технологических задержек, а также для более компактного размещения производства;

- укрупнение медеплавильных предприятий и увеличение ёмкости агрегатов, так как при этом снижается себестоимость единицы продукции (эффект масштаба);

- также, в связи с удорожанием топлива и электроэнергии, автогенные процессы будут получать все более широкое распространение.

 

При подготовке статьи были
использованы материалы сайтов:
www.sulphuric-acid.com,
www.gazetazp.ru,
www.outotec.com,
www.hinfotech.com,
www.chem.mtu.edu,
vcm.ukg.kz,
материалы шестой международной конференции «Cu 2007»,
Торонто, Канада

Об истории, процессах и агрегатах гидрометаллургии меди читайте в следующем номере журнала.

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта