РАСПЛАВЫ
2 • 2014!
УДК 669.333.5
© 2014 г. С. А. Лямкин1, И. Н. Танутров, М. Н. Свиридова
КИНЕТИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА ИЗ РАСПЛАВЛЕННОЙ МЕДИ ПРОДУКТАМИ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
Рассмотрено восстановление кислорода, находящегося в расплавленной меди, основными компонентами конверсированного природного газа — водородом и монооксидом углерода согласно анализу экспериментальных данных, процесс раскисления жидкой меди протекает в кинетическом режиме. Проведен расчет скорости раскисления расплавленной меди в циркуляционном газлифте.
Ключевые слова', расплав меди, водород, монооксид углерода, циркуляционный газлифт, продолжительность раскисления.
ВВЕДЕНИЕ
Раскисление жидкой меди продуктами конверсии природного газа — водородом и монооксидом углерода — применительно к процессам цветной металлургии изучено недостаточно. Данный вопрос представляет интерес в связи с разработкой новых технологий и усовершенствования существующих способов раскисления расплавленной меди в процессе огневого рафинирования. К сожалению, литературные сведения по данному вопросу немногочисленны.
В публикации [1] приведены данные лабораторных исследований процесса восстановления окисленной меди природным газом после предварительной его конверсии. Было установлено, что полученный газ, содержащий (мас. %) 15—17СО и 30—35Н2 восстанавливает медь быстро и полно.
В работе [2] в укрупненно-лабораторном масштабе изучено дразнение окисленной меди конверсированным природным газом различного состава, который продували через окисленную жидкую медь, нагретую до 1150°С, и определяли степень использования водорода и монооксида углерода в зависимости от остаточной концентрации кислорода в металле. Выявили, что скорость восстановления возрастает с увеличением концентрации восстановителей в газе. Пробы меди, продутые таким способом, содержали 0.15—0.20 мас. % О2
Авторы [3] исследовали кинетику раскисления меди при продувке расплава продуктами неполного сжигания природного газа. Из кинетических кривых раскисления меди от суммарной концентрации Н2 и СО в газовой фазе, температуры и расхода восстановительного газа следует, что удаление кислорода из меди проходит с большими скоростями в начале процесса и монотонно падает в конце него. Порядок реакции по О2 оказался близким к единице. Значение кажущейся энергии активации составило 113 кДж/моль. Повышение расхода газа от 150 до 220 л/ч увеличивает скорость удаления О2 из меди в 1.4 раза. Авторы [3] полагают, что лимитирующим звеном процесса раскисления меди является внешний массоперенос.
По нашему мнению, процесс восстановления кислорода из жидкой меди газовой фазой протекает в режиме, близком к кинетическому. Во-первых, перемешивание металла пузырьками в данном случае не выявляет режима процесса. Во-вторых, значение энергии активации, полученное в работе (113 кДж/моль), значительно превышает
1Ьуашк1п SA@gmail.com.
Таблица 1
Влияние температуры и глубины погружения колонны газлифта на объемный расход жидкой меди (т/мин)
Г, к Глубина погружения газлифта Н, м
0.5 0.6 0.7 0.8
1423 1473 1523 4.89 4.88 4.86 5.67 5.64 5.60 6.43 6.39 6.35 6.43 6.39 6.35
таковые для диффузии в газовой фазе (10—30 кДж/моль). В-третьих, увеличение скорости раскисления меди связано с ростом поверхности реагирования газ—металл. В-четвертых, "дразнение" жидкой меди деревом также подчеркивает наше мнение о протекании процесса в кинетическом режиме.
В работе [4] приводятся экспериментальные данные о кинетических закономерностях восстановления жидкой окисленной меди (1 мас. % О2) в условиях барботажа расплава Н2 и СО. Авторы получили данные, что порядок реакции по кислороду близок к единице. Значение кажущейся энергии активации процесса раскисления водородом составило 94 кДж/моль, а монооксидом углерода — 19 кДж/моль.
После окислительной стадии рафинирования черновой меди она содержит значительное количество кислорода (1.0—1.5 мас. %). Поэтому проводят последующее раскисление жидкой меди различными восстановителями. Это древесина, угольная пыль, мазут, генераторный газ, аммиак, природный газ. Наиболее предпочтительным из них является конверсированный природный газ, содержащий такие компоненты, как водород и монооксид углерода.
РАСКИСЛЕНИЕ ЖИДКОЙ МЕДИ В КОЛОННЕ ГАЗЛИФТА И ЕЕ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ
Поскольку технологические характеристики работы газлифта как при окислении жидкой меди кислородом, так и при последующем ее взаимодействии с конверсированным природным газом описываются одними и теми же уравнениями [5], то в настоящей работе приводятся только конечные формулы и результаты расчетов по ним процесса восстановления кислорода из расплавленной меди.
Объемный расход жидкой меди в колонне газлифта
Усп = ^СиРрЫ, (1)
здесь ^Сп — объемный расход меди, м/с; Г — поперечное сечение колонны газлифта, равное 0.079 м2; рСп — плотность меди; ? — время, с. Результаты расчетов приведены в табл. 1. Расчет объемного расхода газа (Ут, м3/ч) проводили по уравнению
^г.опт. ^г.опт.РРг^,
(2)
где ^гопт — объемный расход газа, м/с следующего состава, об. %: СО2 — 1.814; СО — 18.92; Н2О — 18.63; Н2 — 30.85; N — 37.79. Вычисленные значения КЕоптуказаны в табл. 2.
Время восстановления кислорода в печи с использованием циркуляционного газлифта в печи описывается формулой
к =■
Оси
0.5 + -
Г0си
тСи
3К проРСпфНР _
где тСи — масса жидкой меди, QCu — производительность печи по металлу.
Кинетика восстановления кислорода из расплавленной меди
69
Таблица 2
Влияние температуры и глубины погружения газлифта на объемный расход газа-восстановителя (Уг, м3/ч)
т, к Глубина погружения газлифта h, м
0.5 0.6 0.7 0.8
1423 2767 1331 654 273
1473 2807 1342 663 279
1523 2815 1348 668 281
Таблица 3
Значение величины к в зависимости от температуры и глубины погружения колонны газлифта
т, к Глубина погружения газлифта h, м
0.5 0.6 0.7 0.8
1423 0.012 0.012 0.012 0.009
1473 0.013 0.014 0.014 0.011
1523 0.015 0.015 0.016 0.013
Таблица 4
Влияние температуры и глубины погружения колонны газлифта на время раскисления жидкой меди (?, ч)
т, к Глубина погружения газлифта h, м
0.5 0.6 0.7 0.8
1423 2.50 2.20 2.33 2.89
1473 2.00 1.92 1.97 2.37
1523 1.84 1.73 1.73 2.02
Для расчета константы скорости восстановления (к) по уравнению (3) необходима величина Р0. Ее значение вычисляли по данным [3]:
Т, К 1423 1473 1523
Р0, м/мин 0.200 0.276 0.373
Массу меди в рафинировочной печи принимали равной 500 т, Кп = 2, Н = 1.0 м. Значения гп, ф, QCuбрали по данным [5]. Вычисленные значения к представлены в табл. 3. В то же время известно, что продолжительность стадии раскисления ванны промышленной печи составляет 8 ч.
Исходное содержание кислорода в окисленной меди принимали равным 1.0 мас. %, а конечное — 0.2 мас. %. Время раскисления меди в печи с применением газлифта представлено в табл. 4. Эти данные показывают, что время раскисления жидкой меди мало зависит от температуры процесса и глубины погружения колонны реактора. В то же время из результатов вычисления расходных характеристик газлифта следует, что лучшие показатели (меньший расход газа-восстановителя) имеют данные при глубине
погружения колонны на 0.7—0.8 м. Таким образом, длительность стадии раскисления ванны стационарной рафинировочной печи может быть значительно сокращена.
ВЫВОДЫ
1. Применение циркуляционного газлифтного реактора, погруженного в жидкий металл, позволяет рассматривать процесс раскисления меди, состоящий из двух стадий: удаления кислорода внутри колонны газлифта и разбавления окисленного металла в объеме печи жидкой медью, обработанной в газлифте.
2. Показано, что использование газлифтной технологии в качестве реактора восстановления и перемешивания расплавленной меди в стационарной промышленной печи позволяет значительно сократить продолжительность стадии раскисления жидкой меди.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Быстрова О.А., Комлев Г. А., Левковский О.В. и др. Восстановление окисленной анодной меди природным газом. — Тр. Ур. науч.-иссл. и проект. ин-та медной пром-сти. Сведловск, 1966, вып. 9, с. 363—365.
2. Комлев Г.А., Левковский О.В., Широков А.В. Восстановление жидкой окисленной меди природным газом. — Цветные металлы, 1964, № 9, с. 13—14.
3. Широков А.В., Пискунов И.Н., Миллер О. Г. Исследование кинетики раскисления меди продуктами неполного сжигания природного газа. — Цветметинформация, Бюлл. "Цветная металлургия", 1966, № 11, с. 34—37.
4. Широков А.В., Миллер О . Г. , Турцов О. А. Кинетика восстановления жидкой окисленной меди водородом и окисью углерода. —Цветные металлы, 1968, № 10, с. 59—61.
5. Ефименко С.П., Мачикин В.И., Лифенко Н . Т. Внепечное рафинирование металла в газлифтах. — М.: Металлургия, 1986. — 264 с.
Институт металлургии УрО РАН Екатеринбург
Поступила в редакцию 19 апреля 2013 г.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.