СПОСОБ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ Российский патент 1997 года по МПК C22B5/02 

Изобретение относится к пирометаллургическому способу обработки сырьевого материала.

Примерами пирометаллургического процесса являются высокотемпературные процессы плавки. Такие процессы часто осуществляют в двух сосудах, один из которых используют для нагрева сырья (сырьевого материала) и тем самым его плавки, а второй сосуд используют для окисления расплавленного сырья. Использование двух сосудов связано с несколькими недостатками, одним из которых является трудность транспортирования расплавленного сырья из одного сосуда в другой.

В Австралии были разработаны копья, которые позволяют вводить в сырье топливо и окислительный газ для процесса плавки. Типичным копьем этого типа является копье, описанное в патенте Австралии N 520351, которое состоит из наружной трубки и внутренней трубки.

Жидкое топливо для проведения процесса проходит внутреннюю трубку и выходит через форсунку в зону смешения. В случае использования копья для твердого топлива, форсунка отсутствует. Окислительный газ проходит вдоль канала, ограниченного внутренней и наружной трубками, и поступает в зону смешения. Окислительный газ выступает в качестве хладагента для наружной трубки. Охлаждающий эффект этого газа на наружную трубку позволяет шлаку или другому материалу, который подвергается всплескиванию на эту трубку из расплавленной массы, застыть и таким образом, изолировать и предохранить трубку. При использовании этой технологии для расплавления и окисления или восстановления сырья необходимо более одного копья. Эти приемы могут происходить в одном сосуде. Помимо этого, использование такого копья приводит к образованию струи из топлива окислительного газа, в результате чего расплавленное сырье подвергается интенсивному и даже сильному перемешиванию.

Способ, описанный выше, в котором используют копье, предложенное в патенте Австралии N 520351, представляет собой процесс "типа" в расплаве", при котором исходный материал подвергают варке и частично окисляют в шлаке, который находится в состоянии высокой турбулентности, вызванной впрыском, при высокой скорости, окислительного газа из копья. Также известен способ типа "в полете", при котором исходный материал в сухой и тонко измельченной форме сжигают в потоке обогащенного кислородом воздуха в вертикальной шахте. Продукты сгорания подают в ванну расплава вниз, где происходит разделение шлака и фракции штейна. Такие процессы типа "в полете" осуществляют в больших печах, которые являются дорогостоящими в сооружении и эксплуатации.

Ближайшим аналогом предложенного способа является способ пирометаллургической переработки минерального сырья для получения ценных компонентов, включающий подачу его в измельченном виде в реакционную зону разогретой до высоких температур печи вместе с окислительным газом с образованием жидкой массы исходного материала и окисление во взвешенном состоянии.

Приведенный выше способ обладает недостатками, присущими вышепредставленным аналогам.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного способа, является повышение эффективности процесса.

Согласно настоящему изобретению, предложен способ пирометаллургической обработки сырьевого материала, который включает следующие технологические приемы:
a) получение жидкой массы из исходного материала;
b) образование первой зоны реакции и второй зоны реакции, которая соприкасается с первой зоной реакции и находится в жидкой массе;
c) введение сырьевого материала в измельченном виде и окислительного газа в первую зону реакции;
d) обеспечение возможности окисления "в полете" сырьевого материала в первой зоне реакции;
e) обеспечение возможности, по крайней мере, части продукта реакции окисления "в полете" проходить во вторую зону реакции; и
f) обеспечение возможности сульфидирования или восстановления продуктов реакции во второй зоне реакции.

Согласно второй стороне изобретения предлагается копье для использования при вводе реагентов, сырьевого материала и/или топлива в сосуд для осуществления пирометаллургического процесса, причем копье содержит выходной конец, который характеризуется наружным каналом для подачи окислительного газа, и внутренним каналом для ввода реагентов или сырьевого материала для осуществления процесса в твердой, жидкой или газообразной форме, или их смеси, и необязательно промежуточный канал, расположенный между внутренним и наружным каналами для ввода топлива, причем выходной патрубок промежуточного канала выполнен таким, чтобы обеспечить расходящийся поток топлива, который выводится из него.

На фиг. 1 иллюстрируется вид сбоку в разрезе выходного конца копья для использования в пирометаллургическом процессе, предусмотренном изобретением; на фиг. 2 вид сбоку в разрезе печи, в которой может быть осуществлен пирометаллургический процесс, предусмотренный настоящим изобретением.

Способ, предложенный изобретением, является пирометаллургическим способом, при котором сырьевой материал подвергают технологическому приему окисления "в полете", и, по крайней мере, часть из продуктов реакции этого окисления "в полете" проходит во вторую зону реакции, где они подвергаются сульфидированию или восстановлению. Вторая зона реакции расположена в жидкой массе сырьевого материала.

Сырьевые материалы, которые можно подвергать обработке в этом способе, могут представлять собой руды или концентраты различных составов. Например, руда или концентрат могут представлять собой сульфид, такой как халькопирит, пирротин, пироксен и полевой шпат. При использовании таких руд или концентратов в жидкой массе сырьевого материала будут образовываться шлаковая фаза и штейновая фаза. При таких сырьевых материалах во второй зоне реакции происходит повторное сульфидирование окисленных продуктов, полученных в первой зоне реакции.

Сырьевой материал может также представлять собой окисел, такой как оксид цинка или оксид свинца. Такие оксиды могут находиться в виде руды, котельного уноса или концентрата. Окисление некоторых из компонентов такого сырьевого материала будет происходить в первой зоне реакции, а восстановление части окисленного продукта, полученного таким путем, и других окислов будет происходить во второй зоне реакции. Шлаковая и штейновая фазы будут также образовываться в виде жидкой массы сырьевого материала.

Там, где в ванне расплава содержится шлаковая фаза и штейновая фаза, вторая зона реакции может быть образована только в шлаковой фазе. Таким образом, в этом виде изобретения реакции, которые будут иметь место во второй зоне реакции, представляют собой в действительности реакции "в шлаке".

Сырьевой материал и окислительный газ предпочтительно вводят в первую зону реакции через выходной конец копья, которое содержит внутренний канал, через который поступает сырьевой материал, и наружный канал, охватывающий центральный канал и через который проходит окислительный газ. Внутренний канал и его выходной конец должны иметь такое поперечное сечение, чтобы позволить прохождение через него измельченного сырьевого материала. Обычно, этот сырьевой материал будет иметь размер частиц, не превышающий 100 микрон, хотя могут использоваться и большие размеры частицы. С измельченным сырьевым материалом можно смешивать твердое, измельченное топливо, такое как уголь или антрацит, в этот сырьевой материал могут быть введены также флюсы. Внутренний канал предпочтительно имеет круглое поперечное сечение, с наружным каналом, образующим кольцевое пространство вокруг внутреннего канала.

Выходной конец копья может быть расположен над ванной расплава или в расплавленной ванне. Когда выходной конец копья расположен в ванне расплава, окислительный газ будет вызывать в ванне разрежение, которое, ограничивает, по крайней мере, часть границы первой зоны реакции. Для достижения этого окислительный газ будет, как правило, выходить из копья со скоростью, не превышающей 100 м в секунду, предпочтительно, со скоростью 50 70 м в секунду.

На фиг. 1 иллюстрируется вариант копья, которое можно использовать в способе, предложенном настоящим изобретением. Согласно этому чертежу изображен выходной конец копья, содержащий три концентрические трубки (трубы) 10, 12 и 14 различных диаметров, труба 12 расположена внутри трубы 10, а труба 14 расположена внутри трубы 12.

Трубы обычно выполнены из мягкой стали, хотя участок, расположенный сразу за торцом 32, который обычно погружен в ванну расплава, может быть выполнен из конструкции из нержавеющей стали.

Между трубами заключены три канала. Между трубами 10 и 12 расположен наружный канал; внутри трубки 14 заключен внутренний канал 18, и между трубами 12 и 14 заключен промежуточный канал 20.

В канале 16 предусмотрены завихрители потока 22, способные создавать турбулентность в газовом потоке. Эти завихрители закреплены к наружной поверхности трубы 12.

Каналы 16, 18 и 20 имеют выходные отверстия 24, 26 и 28, соответственно открытые в сторону зоны смешения 30.

Копье, как иллюстрируется на чертеже, может быть использовано для введения сырьевого материала, топлива и окислительного газа в сосуд для плавления или другого пирометаллургического процесса. Окислительный газ проходит через канал 16, сырье, смешанное с окислительным газом, поступает в канал 18, а топливо поступает в канал 20. Выходное отверстие 28 из канала 20 является очень узким, как правило, шириной порядка 0,5 мм, так что, когда топливо подают под подходящим давлением по каналу 20, оно выходит через выходное отверстие 28 в виде расходящегося конуса, как иллюстрируется пунктирными линиями. Быстрый поток, в виде которого движется топливо, из-за узкого прохода, также предотвращает его перегрев, а, следовательно, и его крекирование. Выходное отверстие служит в качестве кольцевой форсунки, образующей однородную смесь топлива с окислительным газом, которая выводится из выходного отверстия 24, приводя к повышенному КПД топлива.

При эксплуатации сырьевой материал в измельченном виде будет введен в плавильный сосуд. Копье будет расположено в этом сосуде так, что его конец 32 расположен как раз над материалом. Топливо подают по каналу 20, а окислительный газ по каналу 16. Смешение происходит в зоне 30, и после этого производят зажигание газовой смеси. Образованное тепло вызывает расплавление измельченного сырьевого материала и образование постепенно увеличивающейся жидкой массы или ванны расплава сырьевого материала в сосуде. Часть расплавленного материала будет подвергаться заплеску на копье. Этот расплавленный материал будет застывать на наружной поверхности трубы 10, которая охлаждается окислительным газом, проходящим по каналу 16. Охлаждение усиливается за счет завихрителей на поток окислительного газа. Этот застывший материал действует в качестве изоляционного материала и предохраняет трубу 10.

Сразу после того, как ванна расплава доведена до необходимой степени, копье можно опустить, так что конец 32 копья находится в ванне расплава. Это иллюстрируется на фиг. 2 из комплекта сопровождающих описание чертежей. Согласно этому чертежу реакционный сосуд 40 представляет собой выложенную огнеупорной футеровкой печь с заключенным внутри нее реакционным объемом 42. Копье 44 проходит через верхнюю часть 46 сосуда 40 и входит в реакционный объем, так что его выходной конец 48 (на фиг. 1 2) проходит в ванну расплава 50 сырьевого материала. Ванна расплава 50 состоит из двух фаз шлаковой фазы 52 и штейновой фазы 54. Сырьевой материал вводят в копье в зоне 56, а окислительный газ в зоне 58.

Сырьевой материал проходит через внутренний канал копья, а окислительный газ по наружному каналу копья, как описано выше применительно к фиг. 1. При плавке некоторых сульфидных концентратов пользователя каким-либо топливом на этой стадии процесса нет необходимости, поскольку для поддержания требуемой температуры в результате реакций окисления выделяется достаточное тепло.

Окислительный газ выходит из выходного конца 48 копья при такой скорости, что в шлаковой фазе 52 образуется разрежение 58. Это разрежение ограничивает первую зону реакции, сырьевой материал, который выходит из выходного конца 48 копья, подвергают окислению "в полете". В этой зоне достигаются превосходные скорости окисления. В шлаковой фазе 52 образуется область или зона 60, изображенная пунктирными линиями. Эта зона является зоной турбулентности и образует вторую зону реакции, в которой окисленные продукты реакции и другие окислы из первой зоны реакции 58 подвергают повторному сульфидированию или восстановлению, в зависимости от природы сырьевого материала. Таким образом, существует окисление "в полете", которое происходит в зоне 58, и повторное сульфидирование или восстановление "в шлаке", которое происходит в расплавленной ванне в зоне 60.

Продукты повторного сульфидирования или восстановления проходят через шлаковую фазу 52 и в штейновую фазу 54. Шлаковая и штейновая фазы могут выпускаться время от времени через выпускное отверстие 62. Для выпуска таких газов, как двуокись серы, которые образуются в процессе, используют выходное отверстие 64.

На фиг. 2 иллюстрируется вариант, при котором выходной конец копья расположен в шлаковой фазе ванны расплава. Процесс также можно осуществлять при расположении этого выпускного конца непосредственно над ванной расплава. В этом случае первая зона будет ограничена выходным концом 48 копья и поверхностью разрежения, которая образована в шлаковой фазе. Однако, при этих условиях будут иметь место более высокие пылевые потери.

Следует отметить, что образование двух зон, где происходят различные реакции, на самом деле не происходит в процессе плавки с использованием копья того типа, которое описано в патенте Австралии N 520351. С помощью такого копья из копья выходит струя газа и/или топлива, образуя высокую степень турбулентности в ванне расплава. Сырьевой материал не подается через копье и поэтому отсутствует окисление "в полете". В настоящем изобретении плавление более эффективно тем, что достигаются более высокие скорости реакции и использование тонкоизмельченного сырьевого материала означает то, что в шлаке не суспендирован недегерированный материал. Помимо этого, наблюдается значительная турбулентность лишь в зоне 60, ведущая к более низким скоростям износа огнеупорной футеровки. Наконец, проникновение окислительного газа в штейновую фазу можно регулировать лучше, поскольку выходной торец копья может быть расположен, кроме того, выше штейновой фазы по сравнению с тем, что возможно при использовании копья, описанного в патенте Австралии.

Скорости потока, давления и размеры частиц сырьевого материала будут изменяться в зависимости от природы используемых материалов. Примерами типичных скоростей потоков (расходов) давлений и размеров частиц являются следующие:
1. Массовый расход сырьевого материала (включая флюс и уголь) 50 200 кг/час при давлениях вплоть до 200 кПа (избыт.).

2. Объемный расход обогащенного кислородом воздуха копья: 50 200 Нм³/час при давлениях вплоть до 200 кПа (избыт.).

3. Объемный расход воздуха для транспортирования твердых частиц (в п. /1/ выше): 20 50 Нм³/час.

4. Объемный расход дизельного топлива: 5 15 л/час при температуре 20^oC вплоть до 700 кПа.

5. Размеры частиц: сульфидный концентрат: 70 80% 74 микрометра.

Флюсы (либо двуокись кремния, либо гашеная известь): 70 80% 74 микрометра.

Уголь или антрацит: 80 90% 74 микрометра.

Изобретение будет дополнительно проиллюстрировано при помощи следующих примеров процессов плавки, осуществленных с использованием копья и печи, как описано выше и проиллюстрировано на фиг. 1 и 2.

1. Пример типичной операции плавки сульфида меди/никеля.

Нагревание печи обеспечивают путем процесса сгорания. При пуске для предварительного нагрева печи через копье вводят небольшое количество сжиженного нефтяного газа. Как только температура в топке печи достигает 700^oC, газ заменяют дизельным топливом, и печь нагревают до рабочей температуры (1350^oC) с помощью обогащенного кислородом воздуха. Средний используемый расход дизельного топлива составляет 10 л/час при давлении 680 кПа. Среднее кислородное обогащение в ходе цикла предварительного нагрева составляет 10 Нм³/час. Сразу по достижении рабочей температуры приводится в действие пневматическая система подачи, и регулируемые количества измельченного концентрата и флюса пневматически подают посредством гибкого рукава в канал 18 копья и в печь. Пневматическая система подачи работает при давлении воздуха 150 кПа и расходе воздуха порядка 20 40 Нм³/час, в зависимости от смеси флюса и концентрата. Зона разрежения или первая зона реакции 58 образуется в ванне расплава. В этой зоне происходит окисление сульфидов "в полете" в концентрате. Продукты этой реакции, а именно, смесь окислов основных металлов и сульфидов, после этого поступают в шлаковую фазу (зону 60), после чего происходят последующие реакции между окислами основных металлов и тонкодиспергированными глобулами расплавленного штейна. Как результат интенсивного перемешивания в зоне 60 реакции происходят быстро, и быстро достигается равновесие, что приводит к очень короткому времени сохранения. SO₂ в отходящем газе направляют для производства кислоты, и его содержание поддерживают при концентрации от 5 до 15% после ввода охлаждающего воздуха.

Получают жидкий штейн, содержащий приблизительно 20% железа и жидкий шлак, содержащий жильный минерал и флюс. Также возможно уменьшить уровень содержания железа в штейне до любого необходимого уровня, тем самым сведя к минимуму необходимость в последующей операции конвертирования.

После выпуска жидкости введение концентрата прекращают, копье поднимают на 0,5 1 м от пода печи с тем, чтобы позволить расплаву отстояться и тем самым свести к минимуму попадание штейна в шлак. Печь спускают с помощью кислородной резки через летку, штейн и шлак сливают в тележки для чугуна, охлаждают, разделяют, взвешивают и отбирают пробы для химических анализов.

В этом примере окисление в зоне "в полете" происходит на поверхностях различных типов сульфидных частиц, после чего получают ряд окислов. При этом происходят следующие реакции:

Поскольку эти реакции являются высоко экзотермичными, возможно для температур частиц достаточно превысить температуру 1500^oC, в результате чего сульфид, расположенный ниже поверхности частиц, подвергающихся окислению, диссоциирует и плавится, примером чего служит:
CuFeS_2(S) __→ 0,5Cu₂S _(l)+FeS_(l)+ 0,25S_2(g),
где знаки в круглых скобках, а именно, s, l и g, означают твердое, жидкое и газообразное состояния соответственно. Этим путем получают расплавленный пузырь C-Fe-S. Аналогично, расплавленные пузыри Fe-S и Ni-Fe-S образуются с сульфидами других типов, присутствующими в сульфидном концентрате.

Продукты реакций, имеющие место в зоне "в полете", представляют собой, следовательно, ряд окислов и расплавленных сульфидов. При попадании в шлак происходят реакции типа "в шлаке", где FeS компонент расплавленных сульфидных пузырей взаимодействует с окислами железа, никеля и меди, приводят к восстановлению трехвалентных ионов железа в двухвалентное состояние, так же как повторному сульфидированию окислов никеля и меди. Вот некоторые из реакций:

Эти реакции промотируют присутствием двуокиси кремния, который входит в сульфидный концентрат, который промотирует реакции типа "в шлаке" из-за удобства реакции:
2FeO+SiO₂__→ Fe₂SiO₄,
где продуктом служит фаялит (Fe₂SiO₄).

2. Пример использования копья для обработки стибнитового концентрата и материала, содержащего промежуточные продукты мышьяка.

Для облегчения безопасного и эффективного пуска печи загрузки копья дизельным топливом временно заменяют бутаном (охлажденным нефтяным газом). Газ выжигают, и копье опускают на слой кокса на поду печи. Как только кокс раскаляется докрасна, дизельное топливо заменяется сжиженным нефтяным газом, а печь затем нагревают до приблизительно температуры 1200^oC с помощью дизельного топлива с кислородным обогащением. Важно, чтобы через наружный канал 16 копья все время проходил охлаждающий воздух. Используют расход воздуха от 100 до 130 Нм³/час при давлении 120 кПа. Расход дизельного топлива в канале 20 составляет 5 15 л/час при давлении 680 кПа.

Как только печь нагревается до 1200^oC, в питателе создают давление до 150 кПа, запускают вращающийся лопастной питатель, и начинается пневматическая подача. При обработке стибнитового концентрата стибнит, поступающий в горячую печь на мундштуке копья вдоль канала 18, сразу же взаимодействует с кислородом с образованием летучей неочищенной окиси сурьмы, которую удаляют, конденсируют и собирают в камере с рукавным фильтром. Примеси, содержащиеся в концентрате, приблизительно 15% плавятся с образованием шлакового расплава. Небольшое количество сурьмы растворится в расплавленном шлаке в виде оксида сурьмы. Поскольку приблизительно 85% сырьевого материала является летучим, пространство печи потребует для заполнения продолжительного времени. Как только печь заполняют приблизительно до 0,5 м, за счет добавления приблизительно 20 кг кокса в течение 20-минутного периода времени осуществляют прием восстановления, при котором оксид сурьмы восстанавливается до металла.

Копье необходимо поднять приблизительно за пять минут перед выпуском с тем, чтобы позволить ванне отстояться и тем самым предотвратить попадание металла в шлак. Из печи выпускают жидкость кислородным копьем через летку. Шлак и металлический веркблей сливают в вагонетки для чугуна, охлаждают, разделяют, взвешивают и отбирают пробы для химических анализов.

При обработке материала, содержащего промежуточные продукты мышьяка, процесс аналогичен процессу, проводимому с стибнитовым концентратом. Единственное различие состоит в том, что при этом присутствует больше жильного материала и образуется больше шлака.

Использование: пирометаллургические способы обработки минерального сырья. Сущность: способ пирометаллургической переработки минерального сырья для получения ценных компонентов включает подачу сырья в измельченном виде в реакционную зону разогретой до высоких температур печи вместе с окислительным газом через выпускной конец фурмы, который расположен в жидкой массе или непосредственно на ней, продукты окисления подвергают сульфидированию или восстановлению в ванне во второй реакционной зоне, находящейся в контакте с первой реакционной зоной, имеющей форму углубления в жидкой массе. В качестве исходного сырья используют сульфидную руду или сульфидный концентрат, а также оксиды металла или смесь оксидов металлов. Средний размер частиц измельченного сырья не превышает 100 микрон. Окислительный газ выбирают из кислорода, обогащенного кислородом воздуха и воздуха. Жидкая масса исходного сырья содержит фазу шлака и фазу штейна, при этом вторую реакционную зону образуют в фазе шлака. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ пирометаллургической переработки минерального сырья для получения ценных компонентов, включающий подачу его в измельченном виде в реакционную зону разогретой до высоких температур печи вместе с окислительным газом с образованием жидкой массы исходного сырья и окисление во взвешенном состоянии, отличающийся тем, что исходное сырье и окислительный газ вводят через выпускной конец фурмы, который расположен в жидкой массе или непосредственно над ней, и продукты окисления подвергают сульфидированию или восстановлению в ванне во второй реакционной зоне, находящейся в контакте с первой реакционной зоной, имеющей форму углубления в жидкой массе, в которой проходит окисление "в полете" минерального сырья. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют сульфидную руду или сульфидный концентрат. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используют оксиды металла или смесь оксидов металлов. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкая масса во второй реакционной зоне находится в турбулентном состоянии. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что средний размер частиц измельченного сырья не превышает 100 мкм. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительный газ выбирают из кислорода, обогащенного кислородом воздуха и воздуха. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкая масса исходного сырья содержит фазу шлака и фазу штейна, при этом вторую реакционную зону образуют в фазе шлака. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что исходное сырье и окислительный газ вводят в первую реакционную зону через выходной конец фурмы, содержащей внутренний канал, по которому поступает сырье, и наружный канал, охватывающий внутренний канал, через который проходит окислительный газ. 9. Способ по п.8, отличающийся тем, что между внутренним и наружным каналами выполняют промежуточный канал, который используют для подачи топлива.