Общая характеристика конвертирования штейнов

По химизму протекающих в конвертере реакций процесс име­ет явно окислительный характер, в результате которого состав­ляющие штейна, обнаруживающие сродство к кислороду, быст­ро окисляются и удаляются из конвертера в виде шлаков, газов или пыли. Наиболее легко и полно при продувке штейнов удаля­ются железо, кобальт, сера, цинк, свинец и мышьяк.

Основной исходный материал для конвертеров — расплавленные штейны, получающиеся в результате рудной плавки медных, никелевых или медно-никелевых руд. Кроме жидкого штейна, в конвертеры загружают холодные материалы: штейн, медь, сплавы, руды, а также кварцевые флюсы. Топливо или электроэнергия при переработке штейнов в конвертере обычно не требуется, так как необходимое тепло получается в результате экзотермических реакций окисления железа и серы.

Конвертеры являются основным металлургическим агрегатом для переработки штейнов в металлургии меди, никеля и свинца.

Работа конвертеров слагается из комплекса химических и физических процессов, протекающих в ванне расплавленного штейна, продуваемого воздухом. Подобно шахтным печам основные процессы в конвертере недоступны для непосредственного наб­людения, что значительно осложняет их изучение и познание.

Общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в конвертере представляются следующим образом. Расплавлен­ный медный, никелевый или медно-никелевый штейн заливают в конвертер через горловину в количестве 1—2 ковшей и проду­вают воздухом в присутствии кварцевого флюса в течение 35—50 мин. После продувки сливают образовавшийся конвертерный шлак, заливают новую порцию штейна, загружают кварц и по­вторяют продувку и т. д. Постепенно в конвертере накапливается обогащенная масса, состоящая из Cu₂S или Ni₃S2. Для медного штейна после накопления достаточного количества CU₂S и уда­ление всего железа продувка продолжается без флюсов до удаления всей серы и получения черновой меди. Для никелевого и медно-никелевого штейна процесс заканчивается получением сульфидов Ni₃S₂  или сплава Ni₃S₂ и Cu₂S в виде файнштейна. Перерабатываемый расплавленный штейн располагается в ниж­ней части конвертера, образуя ванну общей глубиной 0,6—1,5 м. На поверхности ванны плавают кусочки кварцевого флюса, а также находится слой образующегося при продувке жидкого кон­вертерного шлака.

Воздух подается в ванну на глубине от ее поверхности 0,5— 0,7 м через специальные фурменные отверстия. Давление возду­ха значительно превосходит гидростатическое давление слоя расплавленного штейна, вследствие чего струя воздуха проникает в слой штейна на некоторое расстояние от фурменной стенки. Из-за большого удельного веса расплавленной штейновой массы (5—7) она оказывает воздушной струе значительное пробив­ное сопротивление, а также производит на нее большое гидро­статическое давление, заставляющее струю воздуха вскоре пос­ле отрыва ее от фурмы разворачиваться кверху и всплывать на поверхность ванны. Поэтому при боковом расположении фурм, имеющемся во всех конвертерах цветной металлургии, аэрация ванны происходит на ограниченном участке ванны, прилежащем к фурменной стенке. Можно считать, что участок, активно перемешиваемый воздухом, составляет не более ¹/з ширины ванны конвертера, а остальные ²/₃ ширины ванны непосредственной продувке воздухом не продувается.

Истекающие из фурм воздушные струи имеют начальную скорость 100—150 м/сек. Большая масса относительно холодно­го воздуха, выходящая из фурм непрерывными, еще не разби­тыми на отдельные пузырьки потоками, вызывает охлаждение расплава, прилежащего к фурменной стенке, и образование фур­менных настылей в виде носков с постепенно уменьшающимся свободным проходом. Фурменные настыли уменьшают сечение фурм и постепенно снижают их пропускную способность по воз­духу, что в конечном итоге может привести к полному прекращению поступления воздуха в конвертер и выходу его из строя. Для предотвращения этого приходится периодически пробивать фурмы ломками, которые механически сбивают образовавшие­ся настыли и увеличивают сечение для прохода воздуха. Воз­душная струя, проникая в массу расплавленного штейна, разби­вается на большое число мелких пузырьков, вступающих в ак­тивное химическое взаимодействие с сульфидами и металлами.

Высокая температура ванны (1200—1300°), расплавленное со­стояние материалов, значительная поверхность контакта возду­ха и расплава весьма интенсифицируют химические процессы окисления, которые протекают с весьма большими скоростями. О большой скорости химических реакций в конвертере убедительно свидетельствует тот факт, что степень использования ки­слорода дутья получается весьма высокой, не ниже 90—95%, при времени пребывания кислорода в ванне, измеряемом деся­тыми долями секунды. Химические процессы наиболее активно происходят в участке ванны, продуваемом воздухом, т. е. около фурменной стенки. Основными окислительными процессами в конвертере являются реакции окисления железа и серы, которые и обеспечивают тепло, необходимое для нормального протекания процесса, без затраты топлива и электроэнергии.

В результате окисления серы образуется газообразный сер­нистый ангидрид, который смешивается с азотом воздушного дутья и остатками непрореагировавшего кислорода. Образовав­шаяся газовая смесь всплывает на поверхность ванны в районе, прилежащем к фурмам, и заполняет газовый объем конвертера, из которого она под небольшим положительным давлением уда­ляется через горловину.

В результате окисления железа образуются окислы FeO и Fe₃0₄, находящиеся в ванне в жидком состоянии и удаляемые из ванны с конвертерным шлаком.

В отличие от окислительных процессов, протекающих в весь­ма благоприятных условиях, процесс шлакообразования в кон­вертере происходит в очень тяжелых условиях, исключающих возможность получения отвального шлака. Процесс шлакообра­зования затрудняется несовершенством контакта кварцевого флюса, плавающего на поверхности ванны с образующимися в глубине ванны окислами железа. Перемешивание ванны газо­выми струями препятствует процессу отстаивания штейна от шлака. Плохой контакт ванны с кварцем создает благоприятные условия для переокисления образующейся закиси железа до маг­нетита, являющегося в условиях конвертера весьма устойчивым соединением, резко ухудшающим свойства шлака — вязкость, удельный вес и температуру плавления. Особенно ухудшается контакт кварцевого флюса и ванны с появлением заметного слоя шлака, который изолирует ванну от флюсов. Поэтому при­ходится часто прекращать процесс продувки и сливать из кон­вертера образовавшийся шлак. Вследствие почти непрерывной продувки ванны, воздухом масса штейна и шлака находится не в покое, а подвергается некоторому перемешиванию, особенно в участках ванны, прилежащих к фурменной стенке.

В работающем конвертере непрерывно движутся жидкие и твердые материалы и продукты плавки. Основными причинами этого движения являются динамическое воздействие на ванну воздушных струй, истекающих из фурм, а также всплывание газовьих пузырьков, усиленное тепловым расширением их под влиянием нагрева за счет экзотермических тепловыделений. Наиболее активное движение происходит в части ванны, приле­жащей к фурменной стенке конвертера. Здесь бурно перемеши­вается надфурменный слой ванны всплывающими с большой скоростью газовыми пузырьками. Вырывающиеся из ванны га­зы увлекают с собой массу расплава, заставляя её подниматься в виде всплесков и фонтанов над зеркалом ванны на высоту 0,5—1,0 м и выше. Большая часть всплесков при нормальной работе конвертера возвращается в ванну, не достигая верха кладки и горловины. Некоторое количество более мелких брызг по инерции или вследствие увлечения их газовым потоком вы­носится за пределы горловины конвертера и попадает в газоходную систему или на пол цеха. Так как производительность кон­вертеров по перерабатываемому штейну прямо определяется количеством вдуваемого в них воздуха, всегда стремятся к уси­ленному воздушному питанию конвертеров.

При увеличении количества воздуха, поступающего через фурмы в единицу времени, бурление ванны у фурменной стен­ки усиливается, высота всплесков и фонтанов над зеркалом ван­ны возрастает и увеличивается количество брызг, выносимых за пределы горловины конвертера. При превышении воздушным питанием конвертера некоторого предельного количества воз­духа вьиброс брызг и всплесков из конвертера может стать катастрофически большим, что сделает работу обслуживающего персонала опасной, а потерю штейна недопустимо высокой. Подача такого количества воздуха в конвертер нерациональна.

Количество воздуха, принимаемое конвертером, увеличивает­ся при повышении температуры ванны и снижении ее вязкости. Чем более бедные штейны перерабатываются в конвертере, тем большее количество тепла выделяется за счет реакций окисления железа и серы и тем большие тепловые резервы имеет кон­вертер. Если не использовать избытки тепла, то кладка конвер­тера будет чрезмерно перегреваться и преждевременно выходить цз строя. Поэтому для регулирования температуры конвертеров применяют так называемые холодные присадки, в виде загрузки холодного штейна, корок, скрапа и др., потребляющие избытки тепла на нагрев и расплавление. Количество холодных присадок при работе на бедньих штейнах может достигать до 40—50% от веса горячего штейна. Наибольшие тепловыделения в конверте­рах происходят в те периоды их работы, когда ванна содержит в себе заметное количество металлического или сернистого же­леза. Для продувки медных штейнов этот период носит назва­ние первого периода, для медно-никелевых и никелевых штейнов — периода набора штейна. Заводские измерения показы­вают, что в этот период ванна и кладка конвертера активно разогреваются.

Основные преимущества конвертеров: отсутствие расхода топлива и электроэнергии; высокая интенсивность работы и большая производительность; высокая степень удаления железа, серы и других примесей; получение газов с высоким содержа­нием SO2, позволяющим утилизировать их для производства серной кислоты; возможность переработки холодных материа­лов — штейна, корок, руды и т. д.

Недостатки конвертеров: несовершенство процесса шлакооб­разования и невозможность получения отвального шлака; пони­женное прямое извлечение металлов; трудоемкость прочистки фурм; периодичность процесса и потребность частых остановок конвертера; большой расход воздуха высокого давления.