Напсиков В.В., аспирант Мирвалиев С.А., аспирант Теляков Н.М., доктор технических наук, профессор
Салтыкова С.Н., кандидат технических наук, доцент Теляков А.Н., кандидат технических наук
(Санкт-Петербургский государственный горный университет)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЛАВКИ СУЛЬФИДНОГО МАТЕРИАЛА В АППАРАТЕ ГАЗОСТРУЙНОГО ВРАЩЕНИЯ
Данная работа описывает идею нового аппарата для переработки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов с целью повышения извлечения цветных металлов и увеличения производительности переработки, по сравнению с существующими технологиями. С точки зрения контроля степени окисления расплава рассмотрен вопрос о точном контроле расхода воздуха, подаваемого в реакционную зону. Так же проводится анализ тепловой работы агрегата на основе созданной математической модели с целью определения теплового режима плавки.
Ключевые слова: сульфидный концентрат, плавка, автогенный процесс, окисление, штейн, цветные металлы.
CHARACTER DETERMINATION OF FUSION MODE OF SULPHIDIC MATERIAL IN THE GAS-JET ROTATION FURNACE
This paper describes the idea of a new furnace for processing sulphide concentrates in order to improve extraction of nonferrous metals processing and increased performance compared to similar technologies. From the standpoint of controlling oxidation of melt taken up the question of the precise control of flow of air supplied to the reaction zone. Just analyze the heat of the unit based on the established mathematical model to determine the boundaries of autogenous melting mode.
Keywords: sulphidic concentrate, fusion, autogenous process, oxidation, matte, nonferrous metals.
При разработке новых технологий для плавки сульфидных концентратов на штейн и аппаратурного оформления к ним особое внимание следует уделять возможности управления степенью окисления расплава в реакционной зоне и равномерности процесса окисления. В связи с этим развитие теории окисления и поведения сульфидов в расплаве имеет большое значение для проектирования аппаратов плавления сульфидных концентратов и выявления возможности управления ими.
Имеется мнение [1], что окисление пирита - основного сульфидного соединения медно-никелевых концентратов и источника тепла - протекает в 2 стадии, первой из которых является разложение пирита с образованием элементарной серы, причем сера выделяется с высокой скоростью и полнотой, образуя при этом большие концентрации сернистого газа. Поэтому при плавке сульфидных руд, наряду с реакцией окисления сульфидов кислородом воздуха в условиях недостатка кислорода в зоне реакции имеет место взаимодействие сульфидов с диоксидом серы. При этом окисление диоксидом серы сульфидов кобальта и никеля происходит в меньшей степени, чем окисление им сульфида железа из-за различий в энергиях активаций реакций. С учетом этого выявляется возможность уменьшить возможное переокисление расплава при приближении тепло-массообмена к идеальному.
С целью создания агрегата с более интенсивным тепломассообменом представляется привлекательной предложенная Л.М. Шалыгиным идея аппарата струйного вращения, заключающаяся в следующем. Плавка проводится в цилиндрической реакционной камере с продувкой штейно-шлакового расплава энергонасыщенными газовыми струями, направлен-
ными под углом к поверхности расплава 15-20о на радиальном расстоянии 0.7-0.8 радиуса ванны. В результате происходит вращение расплава и интенсивное перемешивание. Вследствие тангенциальной направленности струй к поверхности расплава разбрызгивание происходит в меньшей степени [2]. Продувка ведется дозировано с расходом дутья, близким к сте-хиометрически необходимому, что при интенсивном тепло-массообмене предупредит возможность переокисления и повысит степень извлечения цветных металлов.
В данной технологии необходим точный контроль расхода подаваемого дутья. Для этого следовало изучить экспериментально существующие выражения для определения расхода воздуха и, при необходимости, на основании эмпирических данных выявить дополнительное для конкретных условий. Обработка результатов выполненного эксперимента по определению расхода воздуха, истекающего из фурмы, позволила получить эмпирическую формулу для определения удельного расхода воздуха (л/(мм2 с):
Г ГD-3,72? Г^изб -4,218V ^
QУд = 4,99 ^ехр
1,211
+
2,364
(1)
V У
где D - диаметр отверстия, мм; PИЗБ - избыточное давление воздуха в фурме, ати.
Предложенная технология может быть использована для переработки различных видов сульфидного сырья. В зависимости от его состава возможны различные режимы тепловой работы агрегата. При малом содержания серы в сырье возникает недостаток тепла для обеспечения автогенного режима работы агрегата. В этом случае возможна подача в расплав вместе с кислородом дутья необходимого количества горючего топлива. Подача осуществляется через дополнительные отверстия в фурмах распылением в струю воздушного дутья. Для определения теплового режима плавки по основным параметрам далее предложена математическая модель, учитывающая реакции окисления сульфидов металлов диоксидом серы. Данная модель является базой для дальнейшего ее усовершенствования и уточнения. Сульфидный концентрат может поступать на окислительную плавку в следующем вещественном составе, при этом обозначим процентный состав концентрата следующим образом:
NiFeS2 - а; NiCoS2 - Ь; CuFeS2 - с; Fe7S8 - d; FeS2 - e; FeS - f;
CuS - g; Си2Ь - А;Ш3S2 - /; CoS - у; Fe3O4 - SiO2 - I; CaO - m;
MgO - п; А1203 - о; Влага - р.
Примем, что а + Ь + с + d + е + f + g + А + / + у + k +1 + т + п + о + р = 100%.
С помощью приведенного ниже уравнения можно анализировать тепловую работу АГСВ в зависимости от параметров в, 5, у, в, а, аи, q, X:
(1 - а)(в(2585,9-а + 2517,6 -с + 4998,4 ^ + 3852,6 + 5255,9f) + + у(1067,1-с + 2045,7 - g + 2458,8А) + 5(2075,1-а + 203 8-Ь + 4632/) + + в(1931Ь + 3854,8у) + 675,5 - а + +664,2 -Ь + 979,5 - с + 551,7 - d +
+ 3006,2 - е + 1891,5 - g - 656^ - 26,21 + 2625 + 26—^7 + 43540 - X) =
q
= в(854,3 - а + 796 - с + 1583 - d + 1219 - е + 1662,9 f) + + у(508,3 - с + 974,5 - g + 1172,8А) + 5(721,6 - а + 707 - Ь + 1609/) +
+ в(825 -Ь + 1644у) + 1716 (1 - q)7 + 1812(аи -1)7 + 1141- а +
q
+1154 - Ь + 1230,7 - с + 1102,5 - d + 2294,8 - е + 816 f + 1567,1- g + + 916,9А + 951,6/ + 839,4 у + 1155^ + 1560т + 1560п + 1560о;
Z = р(0,188 -a + 0,183- c + 0,363 - d + 0,280- e + 0,382f) -0,048k + +Y(0,091- c + 0,175- g + 0,211h) + 5(0,146- a + 0,143- b + 0,326i) + +s(0,185 - b + 0,369j) + 0,042a + 0,041b + 0,061c + 0,034d + 0,186e + 0,117 g); где в - степень окисления FeS, 5 - степень окисления Cu2S, у - степень окилсения Ni3S2, s -степень окисления CoS, о - доля потерь тепла в ОС, аи - коэффициент избытка кислорода, q - доля кислорода в дутье, X - количество керосина, кг на 100 кг сырья.
На основании описанной модели в среде MS Excel составлен алгоритм выражений, позволяющий, задавая вышеупомянутые исходные параметры, в том числе и состав концентрата, мгновенно вычислять конечные параметры процесса. С целью проверки модели на адекватность была проведена серия экспериментов по плавке Соколово-Сарбайского пиритного концентрата. При этом тепла, выделяемого в результате экзотермических реакций, было достаточно для проведения процесса плавки в автогенном режиме, что также подтверждает и математическая модель.
Так же модель была построена по сульфидному медно-никелевому концентрату комбината Печенганикель. Тепла экзотермических реакций, согласно модели, недостаточно и необходимо через фурмы подавать в реакционную зону печи топливо. При использовании в качестве топлива керосина на 100 кг концентрата необходимо 1,2 кг, при температуре дутья 25оС.
ВЫВОДЫ
1. Получена эмпирическая зависимость расхода воздуха от диаметра отверстия истечения и избыточного давления в фурме.
2. Построена математическая модель плавки сульфидного концентрата, учитывающая реакции окисления сульфидов диоксидом серы и позволяющая определять тепловой эффект.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бумажнов Ф. Т. Исследование физико-химических закономерностей сульфатизирующего обжига // Записки ЛГИ, 1966, т. 46. в. 3. C. 47-58.
2. Шалыгин Л.М. Условия подачи дутья в расплавы и разработка средств интенсификации дутьевого режима. / Шалыгин Л.М., Коновалов Г.В., Косовцева Т.Р // Записки Горного института, СПб, 2006. Том 169 С. 231.
THE LITERATURE
1. Bumazhnov F. Т. Research of physicochemical laws of sulphatization burning // Proceedings of LMI., Том 46, Vol. 3, 1966, P.47-58,
2. Shalygin L.M. The terms of the blast in the melt and the development of an intensification of the blast regime. / Shalygin L.M., Konovalov G.V., Kosovceva T.R. // Proceedings of Mining Institute, SPb, 2006. Vol 169 P. 231.
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.