Работа 2. Определение характеристик воздухораспределительной системы горизонтального конвертера методом физического моделирования

Продуктом окислительной, нейтральной или даже восстановительной плавки сульфидных, медных, полиметаллических, медно-никелевых руд и концентратов, а также и восстановительно-сульфидирующей плавки окисленных никелевых руд являются штейны, которые в основе своей состоят из сульфидов железа и цветных металлов. В зависимости от типа плавки, в штейне может содержаться определенное количество магнетита (Fe₃O₄) или свободных металлов (главным образом Fe, Ni, в меньшем количестве Cu).

Обычная классификация штейнов такова:

1. Медные: состоят из FeS, Cu₂S, и содержат тем больше магнетита, чем штейн «беднее» (по меди), т.е. содержат больше FeS.

2. Медно-никелевые: состоят из FeS, Cu₂S, Ni₃S₂, CoS и в качестве обязательного компонента содержат либо Fe₃O₄, либо свободные Fe и Ni – в зависимости от типа плавки (окислительная или восстановительная).

3. Никелевые: состоят из FeS, Ni₃S₂, CoS и в значительной мере металлического Fe и Ni (до 30-35%).

4. Полиметаллические: FeS, Cu₂S, ZnS, PbS и Fe₃O₄.

Мировая металлургическая практика для переработки штейнов использует главным образом конвертерный процесс, заключающийся в продувке расплавленного штейна воздухом. При продувке штейна в конвертере сжатым воздухом в зоне непосредственно контакта струи и расплава (дутьевая зона) происходит интенсивное окисление сульфидов и металлов кислородом:

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂, а также 3FeS + 5O₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂

МeS + 1,5O₂ = МeO + SO₂

2Fe + O₂ = 2FeO, а также 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

2Мe + O₂ = 2МeO

Поскольку количество FeS в расплавленной ванне в штейнах обычного состава существенно преобладает над количеством сульфидов металлов, в той части ванны, которая находиться за пределами «дутьевой зоны», имеется избыток FeS. В этой части ванны происходят термодинамически обусловленные реакции обменного взаимодействия типа МeO + FeS = МeS + FeO, т.е. оксиды цветных металлов «отнимают» серу у железа и возвращают в сульфидную форму. В такой последовательности протекают реакции конвертирования, пока железо и его сульфид практически полностью не будут переведены в форму оксидов. Цветные же металлы остаются в основном в форме сульфидов. Следовательно, с некоторым упрощением, совокупность реакций окисления и обменного взаимодействия может быть сведена в итоге к реакциям окисления железа и его сульфида:

FeS + a_и× = nFeO + Fe₃O₄ + SO₂ + (1)

Fe+a_и× =

mFeO+ Fe₃O₄ + (2)

где a_и и q – коэффициенты избытка дутья и степень обогащения дутья кислородом соответственно; n и m – коэффициенты, отвечающие факту наличия в конвертерных шлаках вюстита FeO и магнетита Fe₃O₄.