Введение к работе
Актуальность работы. В области переработки сульфидных месторождений полиметаллических руд перед промышленностью стоит задача повышения извлечения цветных металлов из беднеющих руд при одновременном снижении энерго - и ресурсопотребления. При этом автогенные процессы получают все более широкое распространение в мировой практике пирометаллургической переработки сульфидных материалов. В полной мере это относится и к технологиям, разрабатываемым в России.
Заметный вклад в разработку технологий автогенной плавки сульфидных концентратов внесли такие ученые как И.Н.Пискунов, А.В.Ванюков, Д.А.Диомидовский, Л.М.Шалыгин, Л.Ш.Цемехман и др. В результате на сегодняшний день существуют такие способы автогенной переработки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов в расплаве, как плавка в стационарном агрегате с подачей кислородного дутья через единичную вертикальную непогруженную фурму и плавка в печи Ванюкова. Однако, несмотря на все достоинства, в условиях ухудшения качества исходного сырья, данные технологии нуждаются в дальнейшем совершенствовании.
Так при различных вариантах исполнения плавильных агрегатов существуют такие недостатки как отсутствие должного тепломассобмена в реакционной зоне печи, его неравномерность, наличие локальных высокотемпературных очагов реакций окисления в зоне контакта дутья с расплавом. Все это приводит к переокислению расплава и выходу из строя отдельных частей плавильных агрегатов.
В связи с этим возникает необходимость создания технологии автогенной переработки сульфидных концентратов, когда физико-химические взаимодействия протекают в условиях, близких к идеальному перемешиванию, при котором градиенты температуры и концентраций в реакционной зоне близки к нулю.
При таких условиях строгое дозирование подаваемого в расплав кислорода и расчет суммарного теплового эффекта процесса плавки играют важную роль.
Исследования выполнены в рамках ведущей научной школы металлургов СПГГУ «Комплексная переработка сырья цветных, благородных и редких металлов», а также в соответствии с проектом № 2.1.2/3788 «Исследование физико-химических превращений в гетерогенных системах при высокотемпературных процессах» (Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009 – 2010г.)).
Цель работы. Повышение извлечения кобальта при окислительной плавке сульфидных медно-никелевых концентратов.
Задачи работы:
-
Методическая проработка процесса дутья при сверхкритическом давлении истечения воздуха (Рдут/ Ратм > 1,89.)
-
Создание математической модели тепловых режимов плавки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов с учетом реакций окисления сульфидов металлов диоксидом серы.
-
Выявление характера тепломассообменных процессов у материалов с различной плотностью и вязкостью под действием воздушных струй.
-
Изучение кинетики перехода кобальта в шлак при окислительной плавке пиритного концентрата.
Методы исследования. Термодинамический расчет процесса окисления сульфидов, моделирование тепломассообменных процессов на холодных и горячих моделях, проведение экспериментов и математическая обработка экспериментальных данных, рентгеноструктурный и рентгенофазовый анализ.
Научная новизна:
-
Построена универсальная математическая модель, описывающая тепловой баланс плавильного агрегата и распределение цветных металлов в штейно-шлаковом расплаве под воздействием газовых струй, учитывающая реакции окисления сульфидов металлов диоксидом серы.
-
Установлена зависимость объемного расхода воздуха, подаваемого через фурмы, от диаметра отверстия и давления дутья при сверхкритическом режиме истечения (Рдут/ Ратм > 1,89.).
Основные защищаемые положения.
-
В условиях интенсивного теплообмена и массопереноса под воздействием тангенциально направленных газовых струй процесс окислительной плавки сульфидного концентрата идет в автогенном режиме при содержании серы выше 30 %.
-
При точном дозировании воздуха, подаваемого в расплав струями, приводящими его во вращательное движение в горне параболоидного вида, окислительные условия позволяют контролировать степень окисления расплава, предотвратить его локальное переокисление, тем самым обеспечить минимальный переход цветных металлов в шлак.
Практическое значение работы:
-
Показана необходимость контроля расхода воздуха, подаваемого в расплав в условиях активного тепломассообмена, что позволяет уменьшить степень перехода кобальта в шлак.
-
Выявлено значительное расхождение теоретических и экспериментально полученных данных по расходу воздуха, истекающего из фурменных отверстий в атмосферу, на основании чего увеличена точность при контроле расхода воздуха, поступающего в реакционную зону.
-
С использованием математической модели определен оптимальный тепловой режим работы плавильного агрегата с активным циркуляционным перемешиванием при переработке сульфидных медно-никелевых концентратов, что позволяет спрогнозировать основные параметры при проектировании.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечена проведением экспериментальных исследований, обработки полученных данных с использованием пакетов компьютерных программ (MS Excel, SciLab, Sigmaplot), соответствием полученных данных известным теориям и подтверждается удовлетворительной сходимостью расчетных оценок, выполненных на основании созданной математической модели, и экспериментальных данных.
Реализация результатов работы. На основании проведенных исследований и разработанной математической модели подготовлено задание на проектирование полупромышленной установки для переработки сульфидных медных и медно-никелевых концентратов применительно к ОАО «ГМК «Печенганикель».
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на международной конференции молодых ученых «Проблемы недропользования 2008».
Личный вклад автора состоит в определении цели и задач исследования, обосновании направлений и методов решения поставленных задач, разработке методик проведения исследований, в организации и проведении лабораторных экспериментов, обработке и анализе полученных результатов.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 работах, из них 3 статьи – в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки России и один патент на изобретение (РФ).
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, библиографического списка использованной литературы из 139 наименований, содержит 147 страниц, 26 рисунков и 40 таблиц.
