Теоретические основы процесса плавки в печи Ванюкова

В шлаке, благодаря непрерывно вводимому дутью кислорода, протекают экзотермические реакции. Тепло выделяемое в этих реакциях и поддерживает необходимую температуру процесса. Вследствие этого через некоторое время температура частицы в шлаке достигает средней температуры в печи и приповерхностная пленка шлака нагревается и разжижается, что приводит к ускорению химических реакций взаимодействия между частицами шихты и шлаком. При попадании в ванну расплава сульфидных минералов медного сырья последовательно происходит диссоциация медных сульфидов, например:

CuFeS₂ = 1/2 Cu₂S + FeS + 1/4 S₂

FeS₂ = FeS + l/2 S₂

Cu₅FeS₄ = 5/2 Cu₂S + FeS +1/4 S₂

Происходит также разложение известняка:

СаСО₃ = СаО + СО₂

Низшие сульфиды (Cu₂S, FeS) расплавляются и образуют капельки штейна и частично растворяются в шлаке. При подаче кислородсодержащего дутья в расплав происходит окисление компонентов шихты и расплава. В соответствии с термодинамическими характеристиками реакций при использовании топлива «в первую очередь» окисляются углеводородные компоненты шихты:

С + О₂=СО₂

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2 Н₂О

Оставшийся кислород идет на окисление элементарной серы газовой фазы, сульфидов железа штейна и сульфидов железа и меди, растворенных в шлаке.

В соответствии с термодинамикой в газовой фазе помимо СО₂, Н₂О, SO₂ в некоторых количествах должны присутствовать и компоненты неполного окисления, например, такие как Н₂, СО, SO, S₂, H₂S и др. Содержание горючих компонентов в газовой фазе определяется прежде всего термодинамическими параметрами системы — активностями компонентов и температурой процесса. Происходят и ряд других реакций, например, ошлакования и частичного окисления FeО до магнетита. Наличие в расплаве в фурменной зоне сульфидов железа, серы и восстановителей создает хорошие возможности для восстановления магнетита, возможно также сульфидирование шлака элементарной серой газовой фазы.

Технология плавки

Процесс представляет собой непрерывное плавление и окисление в шлаковой ванне расплава медного сульфидного сырья. Ванна барботируется кислородсодержащим дутьем. Образующийся при плавке штейн непрерывно выводится из печи через штейновый сифон в нижней части шлаковой ванны.

Сульфидная шихта подается в ванну расплава печи через три загрузочные течки. Кусочки холодной шихты, при загрузке в печь, погружаются в горячий жидкий шлак с температурой 1250—1600 °C.. Жидкий шлак смачивает поверхность твердых частиц шихты и нагревает их до температуры, при которой между ними начинается интенсивные физические и химические взаимодействия, в результате чего формируются конечные продукты плавки. Одновременно, на глубине около 0,5 м от поверхности, на плавку в шлаковый расплав подается кислородсодержащее дутье (если необходимо для теплового баланса, природный газ или жидкое топливо).

Кислород дутья и природный газ вступают во взаимодействие со шлаком, генерируя тепло за счёт экзотермических реакций, и создают требуемые окислительно-восстановительные условия в расплаве. Скорость движения газовой струи на срезе фурмы составляет 150—220 м/сек. Перемешивание газом расплава и включений перерабатываемых материалов интенсифицирует химические и физические взаимодействия в надфурменной зоне ванны расплава.

Такие высокие скорости подачи газовой струи обеспечивают устойчивый канальный характер струи на расстоянии 100—400 мм от среза фурмы. Далее движение газов дутья перестает иметь канальный характер и струя разбивается на газовые пузыри. Химическое взаимодействие кислорода дутья и расплава протекает на стенках канала, поверхностях газовых пузырей и капель расплава.

Фурменная (барботируемая) зона печи ПВ является местом, где происходят основные физико-химические взаимодействия — окисление кислородом дутья компонентов шихты, растворение кварца и других тугоплавких составляющих шихты, формирование шлака и штейна. Образующиеся капли штейна оседают в подфурменную зону и далее в донную штейновую фазу. В условиях непрерывного поступления сульфидной шихты в фурменную зону и отсадки из неё штейновых капель в зоне барботажа образуется шлако-штейновая эмульсия с определённым соотношением шлака и штейна. При этом сплошной фазой в эмульсии является, шлак и диспергированной — штейн. Шлако-штейновая эмульсия состоит на ~95 % по объёму из шлака и ~5 % по объёму из штейна. Большие скорости тепло- и массообмена обеспечиваются барботажем и энергичным перемешиванием шлако-штейновой эмульсии в фурменной зоне печи. Загружаемый в фурменную зону материал быстро распределяется по всему объёму шлака в барботируемой зоне. Это приводит к быстрому выравниванию средней температуры и состава продуктов плавки по всей барботируемой зоне. Ниже оси фурм (подфурменной зоне) жидкие фазы, образующиеся в результате реакций, формируют отдельные слои, разделяясь по удельному весу. Затем жидкие фазы выводятся по раздельным выпускным каналам. При непрерывной загрузке в расплав шихты, подаче дутья и выпуске расплавов и газов в печи при неизменности входных параметров устанавливаются некоторые постоянные во времени условия, которые определяют состав получаемых жидких и газообразных продуктов плавки. Многочисленные исследования показывают, что эти условия весьма близки к условиям термодинамического равновесия, что достигается, прежде всего, за счёт высоких скоростей физико-химических превращений в процессе Ванюкова.

Количество штейна в условиях плавления шихты в барботируемой шлаково-штейновой эмульсии невелико — не превышает 5-8 %. Мелкие капли имеют высокую вероятность встречи, они коалесцируют, укрупняются и уходят из надфурменной зоны. Таким образом, разрушение крупных капель и укрупнение тонких включений приводит к тому, что основное количество штейна шлако-штейновой эмульсии содержится в каплях размером 100—500 мкм. Такие капли оседают в подфурменной зоне с большой скоростью.