Изобретение относится к металлургии, в частности к устройствам для непрерывной переработки окисленных никельсодержащих руд, шлаков и пылей.The invention relates to metallurgy, in particular to a device for the continuous processing of oxidized nickel-containing ores, slags and dusts.
В настоящее время перечисленные виды металлургического сырья перерабатывают в шахтных печах. Шахтные печи представляют собой прямоугольную емкость - шахту, в которую сверху загружают окускованную окисленную руду, флюсы и кокс. В нижней части боковых стен имеются отверстия для подачи дутья в слой твердого разогретого кокса. Продукты горения кокса нагревают и расплавляют шихту, которая стекает вниз и выходит из печи через отверстие, расположенное у подины. Во внешнем отстойнике расплав разделяется на шлак и штейн или ферроникель. Недостатками шахтной плавки являются сложная и дорогая подготовка шихты к плавке (брикетирование, окатывание и агломерация), использование в качестве топлива только крупнокускового дорогого кокса; вынос пыли с отходящими газами превышает 10% от веса загружаемой шихты и выбросы в атмосферу более 50% серы, содержащейся в сульфидизаторе, используемом для получения штейна. Все это вместе взятое делает шахтную плавку экологически опасной и экономически нерентабельной.Currently, the listed types of metallurgical raw materials are processed in shaft furnaces. Shaft furnaces are a rectangular tank - a shaft, into which top-loaded oxidized oxidized ore, fluxes and coke are loaded. In the lower part of the side walls there are holes for supplying blast into the layer of solid heated coke. Coke combustion products heat and melt the charge, which flows down and leaves the furnace through an opening located at the bottom. In the external sump, the melt is divided into slag and matte or ferronickel. The disadvantages of mine smelting are the complex and expensive preparation of the charge for smelting (briquetting, pelletizing and sintering), the use of fuel as a large lump expensive coke; the removal of dust with exhaust gases exceeds 10% of the weight of the loaded charge and emissions into the atmosphere of more than 50% of the sulfur contained in the sulfidizer used to produce matte. All this taken together makes mine smelting environmentally hazardous and economically unprofitable.
Известна жидкофазная печь для непрерывной плавки материалов, содержащих цветные и черные металлы (патент РФ №2242687 по заявке №2003111724 от 22.04.2003 г. - аналог). Аналог имеет прямоугольную внизу и расширяющуюся в верхней части кессонированную шахту с фурмами, поперечные перегородки, разделяющие печь на камеры окислительного плавления шихты и восстановления оксидов шлака, ступенчатую подину, сифон для выпуска шлака, канал для выпуска металла или штейна, шпуры для аварийного выпуска расплавов, внутренний сифон для перелива жидкого шлака из камеры окислительного плавления в верхнюю часть камеры восстановления оксидов шлака, газоходы для отвода газов из камер, устройства для загрузки материалов.Known liquid-phase furnace for continuous melting of materials containing non-ferrous and ferrous metals (RF patent No. 2242687 by application No. 2003111724 from 04/22/2003 - analogue). The analogue has a coffered shaft with lances rectangular in the bottom and expanding in the upper part, transverse partitions dividing the furnace into oxidative melting chambers for the reduction of slag oxides, a stepped hearth, a siphon for slag discharge, a channel for the release of metal or matte, a hole for emergency release of melts, internal siphon for overflowing liquid slag from the oxidizing melting chamber to the upper part of the slag oxide reduction chamber, gas ducts for exhausting gases from the chambers, devices for loading materials.
Недостатком аналога является то, что при плавлении твердых материалов на штейн или ферроникель, получаемый в плавильной камере или загружаемый в эту камеру расплав (например, горячий шлак из шахтной печи) направляется в окно поперечной перегородки тонким слоем и застывает, перекрывая окно для перетока расплава через промежуточный сифон в восстановительную камеру. Это в свою очередь приводит к наполнению плавильной камеры до верхней кромки поперечной перегородки и при этом уголь, загружаемый в камеру плавления, уносится шлаком в камеру восстановления, обуславливая тем самым нарушение в камере плавления соотношения углерод/кислород и тепловой баланс, заданные технологическим регламентом. В результате этого периодически происходит охлаждение шлака и его замерзание в зоне плавления с прекращением плавки. Промышленные испытания и использование этой печи («Черные металлы», «Цветные металлы», с.91-94, 2005 г., спецвыпуск) показали также, что возможна работа печи при замерзании расплава в окне перетока, но при этом имеет место: неконтролируемый переброс угля из плавильной камеры через верхнюю кромку поперечной перегородки в восстановительную, возникновение значительных сдвигающих горизонтальных сил, действующих на перегородку (возможно разрушение перегородки и ускоренный износ охлаждающих медных кессонов, образующих верхнюю кромку поперечной перегородки, с последующим возможным взрывом из-за прорыва воды из этих кессонов в расплав). Кроме того, при испытаниях 2-х зонной печи Ванюкова (аналога) в промышленных условиях был выявлен еще один существенный недостаток, заключающийся в том, что футеровка нижних зон стенок печи под влиянием тепловых деформационных сил периодически отторгается от несущей металлической стенки и обрушивается во внутрь печи, нарушая тем самым работоспособность печи.The disadvantage of the analogue is that when solid materials are melted onto matte or ferronickel, the melt obtained in the melting chamber or loaded into this chamber (for example, hot slag from a shaft furnace) is sent to the window of the transverse partition with a thin layer and freezes, blocking the window for overflowing the melt through intermediate siphon into the recovery chamber. This, in turn, leads to the filling of the melting chamber to the upper edge of the transverse baffle, and the coal loaded into the melting chamber is carried away by slag into the reduction chamber, thereby causing a violation of the carbon / oxygen ratio and heat balance in the melting chamber, which are specified by the technological regulations. As a result of this, the slag is periodically cooled and frozen in the melting zone with the cessation of smelting. Industrial tests and the use of this furnace (“Ferrous metals”, “Non-ferrous metals”, pp. 91-94, 2005, special issue) also showed that it is possible to operate the furnace when the melt freezes in the overflow window, but there is: uncontrolled coal transfer from the smelting chamber through the upper edge of the transverse partition to the reduction one, the occurrence of significant horizontal shear forces acting on the partition (destruction of the partition and accelerated wear of cooling copper caissons forming the upper edge of the transverse eregorodki, with consequent possible explosion due to water breakthrough of the caissons in the melt). In addition, when testing a 2-zone Vanyukov furnace (analog) under industrial conditions, another significant drawback was revealed, namely, that the lining of the lower zones of the furnace walls is periodically torn away from the supporting metal wall and collapses into the inside of the furnace thereby violating the efficiency of the furnace.
Однако во всех перечисленных аналогах есть общий недостаток -замерзание расплава в разделительном сифоне с газоотводящей трубой. Этот недостаток особенно снижает надежность работы печи при работе с тугоплавкими шлаками и повышает потери металлов со шлаками.However, in all of the above analogues there is a common drawback - the freezing of the melt in the separation siphon with a gas outlet pipe. This disadvantage especially reduces the reliability of the furnace when working with refractory slag and increases the loss of metals with slag.
Известна печь для непрерывной плавки сульфидных материалов в жидкой ванне, содержащая плавильную и восстановительную зоны, разделенные водоохлаждаемой перегородкой, с нижним перетоком. В восстановительной камере этой 2-х зонной печи установлены электроды, в зону образования дуги которых подается природный газ (журнал «Цветные металлы» №3, с.24, 2003 г.- прототип). Недостатком этого прототипа предлагаемой печи Ванюкова является то, что нижний переток или окно для перетока расплава из одной зоны в другую быстро зарастает из-за охлаждения стенок окна, а наличие электродов в ванне с сообщающимися зонами и металлическими (медными) элементами конструкции, через расплавленный металл, создает большую опасность обслуживающему персоналу и дает большую утечку тока через восстановленные металлические соединения (штейн или ферроникель). По этой причине такая печь не нашла своего промышленного применения.A known furnace for the continuous melting of sulfide materials in a liquid bath, containing a melting and reduction zone, separated by a water-cooled partition, with a lower flow. In the recovery chamber of this 2-zone furnace, electrodes are installed, in the arcing zone of which natural gas is supplied (magazine "Non-ferrous metals" No. 3, p.24, 2003 - prototype). The disadvantage of this prototype of the proposed Vanyukov furnace is that the lower overflow or window for the flow of melt from one zone to another quickly overgrows due to cooling of the window walls, and the presence of electrodes in the bath with communicating zones and metal (copper) structural elements through molten metal , creates a great danger to the operating personnel and gives a large leakage of current through the restored metal compounds (matte or ferronickel). For this reason, such a furnace did not find its industrial application.
На чертеже изображена предлагаемая печь и ее продольный разрез.The drawing shows the proposed furnace and its longitudinal section.
Печь содержит кессонированную шахту с фурмами нижнего и верхнего (не показаны) рядов, плавильно-окислительную 1 и восстановительную 2 камеры, разделенные перегородкой 3 с окном для перетока расплава и фурмы для регулирования потока перетекаемого расплава (не показаны), наклонную или ступенчатую подину, сифон для выпуска шлака 4, сифон 4 содержит электроды или электронагреватели 5, нижние концы которых расположены в зоне границы раздела шлакового и металлического расплавов, канал для выпуска металла или штейна, шпуры для аварийного выпуска расплавов, окно с фурмой для перелива жидкого шлака из камеры окислительного плавления в камеру восстановления оксидов шлака, газоходы для отвода газов из камеры восстановления, газоход для отвода печных газов из камер и сифона, отверстие для выпуска шлака из камеры.The furnace contains a coffered shaft with lances of the lower and upper (not shown) rows, melting-oxidizing 1 and reduction 2 chambers separated by a partition 3 with a window for melt flow and tuyeres for regulating the flow of melt flowing (not shown), an inclined or stepped hearth, siphon for the release of slag 4, the siphon 4 contains electrodes or electric heaters 5, the lower ends of which are located at the interface between the slag and metal melts, a channel for the release of metal or matte, holes for emergency release of aslavov, a window with a lance for overflowing liquid slag from the oxidation melting chamber to the slag oxide reduction chamber, flues for exhausting gases from the reduction chamber, a duct for removing furnace gases from the chambers and a siphon, an opening for discharging slag from the chamber.
Технический эффект от использования отличительных признаков предлагаемой печи заключается в том, что наличие электродов 5 (или электронагревателей), нижние или тепловыделяющиеся концы которых расположены в зоне раздела металлического и шлакового расплава, позволяет исключить возможность образования настылей в сифоне 4, а также сократить потери металлов с отвальными шлаками. Последнее объясняется тем, что электронагрев практически без перемешивания расплава, достаточно легко позволяет изменять или регулировать вязкость любого шлакометаллического, в том числе, и только шлакового расплава в зоне раздела металлической и шлаковой фаз расплава в сифоне. Особо следует отметить также, что объем сифона 4 в десятки (сотни) раз меньше объема восстановительной камеры 2. В связи с этим, мощность трансформатора тоже меньше в сотни раз по сравнению с мощностью трансформатора, установленного в восстановительной камере 2 (прототип), т.е. для поддержания необходимой текучести шлакового расплава в сифоне 4 достаточно в сотни или десятка раз меньше тепла. Поскольку в сифоне 4 необходимо только успокоить или исключить как можно больше перемешивание шлака и металла, то не нужно при этом подавать в сифон газовоздушный теплоноситель, а достаточно ограничиваться отводом лишь небольшого количества газовыделений из шлакового слоя. Все это в совокупности позволяет вести процесс с наименьшими потерями тепла, без зарастания стенок сифона, выпускного отверстия и повысить безопасность эксплуатации печи.The technical effect of using the distinguishing features of the proposed furnace is that the presence of electrodes 5 (or electric heaters), the lower or heat-generating ends of which are located in the interface between the metal and slag melt, eliminates the possibility of formation of layers in the siphon 4, as well as reduce metal loss with dump slag. The latter is explained by the fact that electric heating with virtually no melt mixing makes it easy enough to change or adjust the viscosity of any slag-metal, including only slag melt in the zone of separation of the metal and slag phases of the melt in a siphon. It should also be noted that the volume of the siphon 4 is tens (hundreds) times less than the volume of the recovery chamber 2. In this regard, the power of the transformer is also hundreds of times less than the power of the transformer installed in the recovery chamber 2 (prototype), t. e. to maintain the necessary fluidity of the slag melt in siphon 4, hundreds or ten times less heat is sufficient. Since in siphon 4 it is only necessary to calm or eliminate as much mixing of slag and metal as possible, it is not necessary to supply a gas-air heat carrier to the siphon, but it is sufficient to restrict only a small amount of gas evolution from the slag layer. All this together allows you to conduct the process with the least heat loss, without overgrowing the walls of the siphon, the outlet and increase the safety of operation of the furnace.
Печь работает следующим образом.The furnace operates as follows.
Руду с флюсующими добавками и с твердым топливом загружают через сводовые отверстия на поверхность барботируемого дутьем шлакового расплава в камеру 1 окислительного плавления. Барботаж расплава и окисление углеродистого топлива осуществляют за счет подачи в расплав кислородосодержащего дутья через фурмы в боковых стенах печи в количестве, необходимом для полного сжигания горючих компонентов с максимальным выделением тепла. За счет интенсивного перемешивания и выделения тепла сжигания топлива твердая шихта быстро расплавляется и формирует гомогенный шлак, который по мере его накопления под нижней кромкой перегородки 3, через ее окно в нижней кромке перетекает в камеру восстановления 2.Ore with fluxing additives and with solid fuel is loaded through arched openings onto the surface of the blast-molten slag bubbled melt into the oxidative melting chamber 1. Bubbling of the melt and oxidation of carbon fuel is carried out by supplying oxygen-containing blast to the melt through tuyeres in the side walls of the furnace in the amount necessary for complete combustion of combustible components with maximum heat generation. Due to intensive mixing and heat generation from fuel combustion, the solid charge quickly melts and forms homogeneous slag, which, as it accumulates under the lower edge of the partition 3, flows through its window in the lower edge into the reduction chamber 2.
В камеру восстановления оксидов шлака через устройство загрузки 16 в верхнюю часть барботируемого расплава в восстановительной камере вводят твердые углеродистые материалы в виде угля, и если необходимо по материальному балансу плавки дополнительные флюсующие материалы, в том числе и сульфидизаторы. Уголь вводят в количестве, необходимом для восстановления оксидов извлекаемых металлов и компенсации тепловых затрат. Барботаж расплава для ускорения тепло- и массообмена и окисление топлива до необходимого содержания оксида углерода (СО) и водорода в зоне химической реакции в расплаве поддерживают за счет подачи кислородосодержащего дутья через ряд фурм. В результате восстановительных реакций и если необходимо сульфидирование, в камере восстановления образуется металлическая или сульфидная фаза, капельки которой опускаются на дно камеры восстановления и их выпускают из печи через канал для выпуска штейна или ферросплава. Шлак, обедненный по цветным металлам и по железу, выпускают через окно выпуска отвального шлака в сифоне 4. Газы камеры восстановления, содержащие СО и Н2, для экономии топлива и снижения их токсичности дожигают, подавая кислородосодержащее дутье через ряд фурм, расположенных в верхней зоне печи. После дожигания газы удаляют из печи для очистки от пыли и утилизации тепла через газоход. Из расплава в камере 2 по мере восстановления металлов последние накапливаются на подине печи и направляются в окно для выпуска штейна или ферроникеля, а шлаки с мелкими металлическими частицами переходят в сифон 4. В сифоне 4 при успокоении слоя шлакового расплава основная часть металлических частиц выпадает на дно печи, а часть (до (0,01÷0,20)% от общего веса) увлекается отвальным шлаком. Поскольку на разделе шлакового и металлического слоя расплава имеется источник тепла, не вызывающий интенсивное перемешивание и барботаж расплава, то потери металлов можно снизить за счет температурного регулирования вязкости шлака до (0,01÷0,12)% от общего их веса. При этом одновременно исключается и возможность остановки печи из-за застывания шлакового расплава в сифоне 4.Solid carbon materials in the form of coal are introduced into the recovery chamber of the slag oxides through the charging device 16 into the upper part of the bubbling melt in the reduction chamber, and if necessary according to the material balance of the smelting, additional fluxing materials, including sulfidizing agents. Coal is introduced in an amount necessary to reduce the oxides of recoverable metals and compensate for heat costs. Bubbling the melt to accelerate heat and mass transfer and oxidizing the fuel to the required content of carbon monoxide (CO) and hydrogen in the chemical reaction zone in the melt is supported by supplying oxygen-containing blast through a series of tuyeres. As a result of reduction reactions and if sulfidation is necessary, a metal or sulfide phase is formed in the reduction chamber, droplets of which drop to the bottom of the reduction chamber and are discharged from the furnace through the channel for the release of matte or ferroalloy. The slag depleted in non-ferrous metals and iron is discharged through the waste slag discharge window in a siphon 4. The gases of the reduction chamber containing CO and H 2 are burned to save fuel and reduce their toxicity by supplying an oxygen-containing blast through a series of tuyeres located in the upper zone ovens. After the afterburning, the gases are removed from the furnace for dust removal and heat recovery through the flue. As the metals recover from the melt in chamber 2, the latter accumulate on the hearth of the furnace and go to the window for matte or ferronickel discharge, and slags with small metal particles go to siphon 4. In siphon 4, when the slag melt layer is soothed, most of the metal particles fall to the bottom furnace, and part (up to (0,01 ÷ 0,20)% of the total weight) is carried away by dump slag. Since there is a heat source at the section of the slag and metal layer of the melt that does not cause intensive mixing and bubbling of the melt, metal losses can be reduced by temperature control of slag viscosity to (0.01 ÷ 0.12)% of their total weight. At the same time, the possibility of stopping the furnace due to solidification of the slag melt in the siphon 4 is simultaneously excluded.