автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Механизм образования тугоплавкой настыли в печах взвешенной плавки и способы ее устранения

9 15-5/504

На правах рукописи

КРУПНОВ Леонид Владимирович

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ТУГОПЛАВКОЙ НАСТЫЛИ В ПЕЧАХ ВЗВЕШЕННОЙ ПЛАВКИ И СПОСОБЫ ЕЕ УСТРАНЕНИЯ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Гипроникель», Заполярном филиале Открытого акционерного общества «Горная Металлургическая Компания «Норильский никель»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Старых Роман Валерьевич

Официальные оппоненты:

Брюквин Владимир Александрович доктор технических наук, профессор, ФГБУН «Институт металлургии и материаловедения имени A.A. Байкова РАН», заведующий лабораторией физико-химических основ металлургии цветных и редких металлов

Коновалов Георгий Владимирович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра металлургии, доцент

Ведхшая организация - ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

Защита состоится 2 октября 2015 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 196106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте http://www.spmi.ru.

Автореферат разослан - 24 июля 2015 г.

Ученый секретарь БРИЧКИН

диссертационного совета ~ ' ~ Вячеслав Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Процесс взвешенной плавки сульфидного сырья фирмы ОШо1ес, получивший широкое распространение в 70-х годах 20 века, последнее время сталкивается с «кризисом технологии». Главное достоинство - устойчивое ведение технологического процесса в автогенном режиме стало давать сбои в связи с изменением рудной базы компаний, использующих технологию.

В мире наблюдается дефицит богатого сырья, в переработку вовлекаются бедные руды, сырье техногенных месторождений. Результатом является снижение производительности головных агрегатов и рост себестоимости производства.

Аналогичная ситуация с сырьевой базой складывается и в Заполярном филиале ОАО «ГМК «Норильский никель» (ЗФ «НН», бывший Норильский горно-металлургический комбинат). Общие запасы вкрапленных руд в ЗФ превышают запасы богатых руд почти на порядок, основной объем производства никеля к 2025 году будет обеспечиваться за счет переработки вкрапленных руд. Изменение рудной базы вызвало необходимость вовлечения в переработку техногенного и других видов ранее не применявшегося сырья.

Результатом изменения сырьевой базы стало нарушение теплового баланса печей взвешенной плавки (ПВП), что вызвало серьёзнейшие технологические проблемы.

Цель работы. Разработка комплекса мер, направленных на оптимизацию работы ПВП, перерабатывающей низкоэнергетичное сырье с повышенным содержанием частиц крупностью менее 20 мкм.

Научная новизна

1. Анализ технологических параметров работы ПВП, а также результаты исследований состава и строения образцов шихты, продуктов плавки и настыли ПВП показали:

• тело настыли шлакового торца ПВП формируется из железосодержащих частиц шихты, не усвоенных расплавом;

• областью отложения нерасплавленных частиц является граница шлаковой и газовой фаз, прилегающая к шлаковому торцу печи;

• образующаяся в реакционной шахте (РШ) ПВП пыль не усваивается расплавом из-за переокисления компонентов шихты;

• переокисление происходит из-за малой крупности частиц шихты

и введения в состав шихты частично окисленных частиц концентратов техногенного происхождения.

2. Модельные исследования газового потока ПВП показали:

• настыль формируется в аптейке и в шлаковом торце печи вследствие снижения скорости газового потока в аптейке ПВП;

• установка козырьков на своде отстойника ПВП прижимает газовый поток к поверхности расплава, снижая пылевынос из печи;

• подсосы воздуха вдоль бортов и свода отстойника ПВП способствуют настылеобразованию в шлаковом торце ПВП.

3. Выполненные промышленные испытания показали:

• ограничение окислительного потенциала на нижних горизонтах РШ ПВП способствует снижению пылевыноса, снижению содержания магнетита и цветных металлов в шлаке ПВП;

• оплавление настыли затруднено вследствие её тугоплавкости;

• сформировавшуюся настыль можно растворить в расплавах шлака и штейна при оптимизации их состава, но более эффективно создание условий, предотвращающих формирование настыли.

Практическая значимость работы

• Определены технологические приемы, препятствующие образованию тугоплавкой настыли.

• Определены методы разрушения образовавшейся настыли, в том числе путем изменения состава продуктов плавки, а также при использовании реагентов.

• Разработанные методы позволяют стабильно перерабатывать в ПВП низкоэнергетичное сырье, характеризующееся повышенным содержанием частиц, крупностью менее 20 мкм.

Методы исследований

Исследования продуктов плавки и исходного сырья методами химического анализа, растровой электронной микроскопии (РЭМ), рентгеноспектрального микроанализа (РСМА), дифференциального термического анализа (ДТА). Математическое моделирование для расчета параметров газо-пылевого потока ПВП НМЗ.

Основные защищаемые положения

1. Возникновение настыли в шлаковом торце и аптейке печи взвешенной плавки обусловлено наличием в шихте мелкошлами-стых частиц, склонных к переокислению в газовом потоке печи.

2. Газодинамика отходящего газа печи определяет выпадение частиц пыли из потока с последующим формированием тела настыли.

3. Коррекция состава продуктов плавки - эффективный путь разрушения сформировавшейся в шлаковом торце печи настыли.

4. Профилактика настылеобразования в печи должна основываться на контроле условий формирования настыли.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждена практикой эксплуатации печей в периоды технологических нарушений, связанных с образованием настыли, а также результатами опытно-промышленных испытаний при отработке методов, направленных на разрушение настыли.

Апробация работы. Результаты доложены на VI международном конгрессе «Цветные металлы и минералы», 2014 г, Красноярск.

Личный вклад автора состоит в анализе опыта работы печей взвешенной плавки на низкоэнергетическом сырье, разработке методики исследований, включая математическое моделирование, участии в разработке способов ограничения образования настыли и организации опытно-промышленных испытаний.

Автор выражает свою глубокую признательность за содействие и поддержку д.т.н. Ерцевой Л.Н., к.т.н Васильеву Ю.В., д.т.н Цымбу-лову Л.Б. (ООО «Институт Гипроникель»), к.т.н., проф. Талалову В.А. (ФГБОУ ВПО «СПбПУ»). к.т.н Фомичеву В.Б., Петрову А.Ф., Шаповалову В.А., Анапольской С.А. (ЗФ ОАО «ГМК «Норильский никель»).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 5 научные работы в изданиях, рекомендуемых ВАК Ми-нобрнауки России.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, приложений. Содержит 234 страниц машинописного текста, 77 рисунков, 32 таблицы, список литературы из 97 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается актуальность работы, ее практическая значимость, общая постановка задачи.

В главе 1 приведено описание процесса взвешенной плавки и аппаратурного устройства агрегата. Показано влияние параметров га-зо-шихтового потока на показатели плавки. Рассмотрено влияние состава продуктов плавки на показатели работы агрегата. Обсужден опыт эксплуатации отечественных и зарубежных ПВП. Осуществлена постановка задачи исследований настоящей работы.

В главе 2 рассмотрена практика эксплуатации печей взвешенной плавке в г. Норильск в период стабильной работы ПВП и в период настылеобразования. Приведены результаты исследований образцов пыли и настыли ПВП, оценена природа настыли. Рассмотрены основные факторы, определяющие формирование настыли в отстойнике и аптейке ПВП.

В главе 3 выполнен анализ условий избыточного окисления шихты в реакционной шахте ПВП. Приведены результаты исследований минералогии и гранулометрии компонентов шихты ПВП. Намечены пути ограничения избыточного окисления шихты в печи. Приведено обоснование предлагаемых параметров работы печи.

В главе 4 рассмотрены результаты математического моделирования газового потока ПВП. Предложены методы изменения условий выпадения частиц пыли из газового потока.

В главе 5 рассмотрены возможные методы разрушения сформировавшейся настыли.

Заключение отражает выводы, сделанные в результате выполненных исследований в соответствии с поставленными целями работы. Приведены способы недопущения формирования и разрушения тугоплавкой настыли печей взвешенной плавки.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Возникновение настыли в шлаковом торце и аптейке печи взвешенной плавки обусловлено наличием в шихте мелко-шламистых частиц, склонных к переокислению в газовом потоке печи

Основными компонентами шихты ПВП НМЗ являются никеле-

вые концентраты обогатительных фабрик Талнахской (ТОФ) и Норильской (НОФ), концентрат никелевого концентратохранилища (НКХ), автоклавный сульфидный концентрат (АСК), лежалый пир-ротиновый концентрат (ЛПК), никелевый шлак медного завода.

С течением времени меняется состав и соотношение компонентов шихты ПВП НМЗ. Выполнен анализ архивных данных, отражающих изменение химического, минералогического и гранулометрического составов сырья, перерабатываемого в ПВП НМЗ с 2005 года. Отмечено, что качество сырья ПВП изменялось поэтапно. В период 2005 - 2009 г.г. включение в состав шихты ПВП новых, нехарактерных видов сырья проходило этап промышленных испытаний. Проведение предварительных испытаний позволяло адаптировать технологию к переработке сырья низкого качества. К 2009 году физический вес техногенного сырья, перерабатываемого в ПВП, фактически сравнялся с физическим весом рудного концентрата ТОФ. Показателем снижения «калорийности» шихты является снижение содержания серы (рисунок 1), а также рост содержания породной составляющей (рисунок 2) в смеси концентратов, подаваемых на плавку.

Я 5 с *

с &S

3 «в О " О s и X

4 э<5

J Ю V

С о о

го b

2:° g

rv-г '5 1 2 s u

Sil x & °

« й h о В- o

Ш % оборотов НМЗ, МЗ, пыли ОЦ, ЛПК, мат-л "Барьерный" от общей загрузки

Рисунок 1 - Изменение содержания серы в смеси концентратов, перерабатываемой в ПВП НМЗ

О 31,5 -Г-—Jb------------------г......-.................................................................................._ 10

сз J^^^ X ^^

Н 31 -----АД----------- / 8

О

| 30,5 -:--У*---^ >1 Í 6

* %_ т J i

5 30 — —h 4

S 29,5 f- X \ 2

C/í

= 29

2005 2006 2007 2008 2009 2010

o,

u g

U > Среднее содержание серы в смеси в ТОФ, НОФ, АСК,

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014

Рисунок 2 - Изменение содержания породной составляющей в смеси концентратов, перерабатываемой в ПВП НМЗ

Важнейшим негативным последствием снижения «калорийности» шихты, снижения размера частиц концентрата и наличия значительной массы окисленных частиц сырья техногенного происхождения стало образование настыли в газовом пространстве ПВП -рисунок 3. В критические периоды эксплуатации настыль перекрывала зону примыкания отстойника к аптейку ПВП, что осложняло эвакуацию отходящих газов из печи. Снижалось разрежение в печи, затруднялся процесс плавки, вплоть до остановки ПВП.

Разработке методов профилактики и недопущения настылеобра-зования и посвящена настоящая работа.

Изучение образцов шихты ПВП методами рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и растровой электронной микроскопии (РЭМ) показало значительную долю нерудной составляющей, представленную шпинелями, оливинами и плагиоклазами с примесью сульфата кальция - рисунок 4.

Существенное увеличение содержания в шихте ПВП металлсодержащих частиц крупностью -23 мкм связано с вовлечением в состав концентратов илов отстойников и иных материалов техногенной природы - ЛПК, НКХ и проч.

Рисунок 3 - Зона формирования настыли в ПВП НМЗ

1 - пирротин;2 - пентландит; 3 - халькопирит;

4 - нерудные; 5 - гипс Рисунок 4 - Строение характерных образцов шихты ПВП НМЗ (изображение получено РЭМ)

Основная часть частиц концентратов размером -11 мкм представлена окислами или сульфатами. Попадание этих частиц в зоны повышенных температур и высокого содержания кислорода реакционной шахты ПВП приводит к их окислению до высших оксидов. Высокая температура плавления высших оксидов ухудшает укрупнение частиц шихты. Разогретые, но не укрупнившиеся частицы подхватывается либо потоком, покидающим реакционную шахту (РШ), либо подъемно-возвратным потоком пристеночных областей РШ

ПВП. Захват частиц подъемно-возвратным потоком приводит к увеличению времени витания частиц и их глубокому окислению.

Описанное поведение частиц шихты ПВП подтверждается явлениями образования тугоплавких настылей в виде «шторок» в зоне примыкания РШ к отстойнику и непосредственно у распылителя шихты, что отмечалось при эксплуатации ПВП НМЗ.

На показатели пылевыноса ПВП значительно влияет угол раскрытия аэро-шихтового факела распылителя шихты - рисунок 5, что установлено из опыта эксплуатации печи и подтверждено результатами математического моделирования потока ПВП. При угле <45° (угол А, рисунок 5) область рециркуляционных зон отходит от поверхности РШ, газо-шихтовой факел вытягивается, а общий объем рециркуляционных зон снижается. При угле >45° (угол В, рисунок 5) объем рециркуляционных зон увеличивается, соответственно в них одномоментно находится большее количество частиц.

Рисунок 5 - Схема газо-шихтового факела распылителя шихты ПВП с отмеченными зонами рециркуляции и различными углами раскрытия аэро-шихтового факела (до 30 и от 30 до 60°)

Моделирование газового потока ПВП производилось с использованием комплекса Fluent 6.3._Получена информация о характере

движения газовых потоков при различном расходе дутья и шихты, распределении температур по реакционной шахте. Варьировались граничные условия - объём отходящих газов, скорости истечения дутья, углы раскрытия факела.

Результатами модельных расчётов стали профили скоростей и температур в различных сечениях ПВП - рисунок 6.

Формирование настыли ПВП из окисленных частиц газового потока подтверждают результаты исследований образцов методами РЭМ и РСМА. Образцы настыли преимущественно представлены каплями размерами от 8-10 до 50-100 мкм, связанными в агломераты неправильной формы. Капли можно разбить на три группы: оксидно-силикатные, оксидные и силикатные. Сульфат кальция является связующим. Состав и строение настыли ПВП (рисунок 7) и пыли ПВП (рисунок 8), отобранной из газового потока отстойника ПВП вблизи аптейка схожи, что объясняет природу вещества настыли.

Таким образом, доказано, что возникновение настыли в ПВП обусловлено наличием в шихте печи мелкошламистых частиц, склонных к переокислению в газовом потоке.

2. Газодинамика отходящего газа печи определяет выпадение

частиц пыли из потока с последующим формированием тела

настыли

Исследование динамики газового потока в ПВП реализовано с использованием математической модели. Движение твёрдых частиц шихты в отстойнике и аптейке ПВП рассмотрено как движение невзаимодействующих частиц. В основе модели лежат уравнения Навье-Стокса, которые решаются в пределе малых чисел Маха.

Выполненные расчёты позволили визуализировать поля скорости (рисунок 9) и температур (рисунок 10) газового потока в газовом пространстве отстойника и аптейка печи взвешенной плавки. Результаты отражают закономерности витания твёрдых частиц и позволяют оценить условия и зоны выпадения пылевых частиц из газового потока.

Увеличение объёма отходящих газов приводит к выравниванию поля температур, но сильное падение температур в сохраняется в

угловых зонах отстойника. Разница температуры между центральной зоной и углами достигает 200 градусов.

Показано, что скорость газопылевого потока при переходе из горизонтального участка отстойника в вертикальный участок аптейка печи снижается в 2-3 раза. В горизонтальной плоскости под аптей-ком происходит образование вихря и зоны с низкими скоростями потока. При этом в центре вихря скорость газового потока падает до 3-6 м/с, то есть в 3-4 раза по сравнению со скоростью потока на участке отстойника печи.

Возникновение подсосов воздуха по бортам печи приводит к падению температуры газов над поверхностью расплава по сравнению с вариантом без подсосов на 600-500 градусов. Значительное снижение температуры газов над поверхностью шлакового расплава приводит к его охлаждению, а также способствует выпадению пыли из газового потока на поверхность шлака.

Наличие вихря газо-пылевого потока снижает среднюю скорость газового потока и способствует локализации области выпадения частиц пыли. В результате, частицы пыли осаждаются на поверхность расплава под аптейком не равномерно по всей площади аптейка, а в локальной области, расположение которой отчетливо наблюдается через смотровые лючки ПВП в период зарождения настыли - рисунок 11.

Таким образом, доказано, что динамика газового потока отходящего газа определяет выпадение частиц пыли из потока с последующим формированием тела настыли.

3. Коррекция состава продуктов плавки - эффективный путь

разрушения сформировавшейся в шлаковом торце печи

настыли

Впервые настыль в шлаковом торце отстойника ПВП НМЗ зафиксирована в 2010 г., когда агрегат находился в эксплуатации после реконструкции более четырёх лет. Причины возникновения настыли и механизм её зарождения были неизвестны.

Предприняты попытки разрушения настыли путем ее оплавления и восстановления реагентами. Для оплавления задействованы 6-8 газокислородных горелок, одна горелка заглублена в расплав для его

ь

а)

б)

Рисунок 6 - Распределение модуля скорости газового потока в горизонтальном сечении РШ ПВП, вблизи её нижней границы: а) - угол раскрытия факела 0-30°, б) 30°-60° Красным отображены зоны максимальных, синим - минимальных скоростей

1 - силикатные капли; 2 - оксидные капли; 3 - силикаты; 4 - сульфат Са Рисунок 8 - Строение образцов пыли ПВП НМЗ (РЭМ)

1 - шпинель, 2 - силикатное связующее, 3 - БЮг, 4 - сульфидные капли, 5 - оксисульфид, 6 - вюстит, 7 - ферриты никеля Рисунок 7 - Строение образцов настыли ПВП НМЗ (РЭМ)

1х

Рисунок 9 - Векторное поле скоростей потока в плоскости осевого продольного сечения отстойника и аптейка ПВП. Красным отображены зоны максимальных, синим - минимальных скоростей

Рисунок 10 - Распределение температур в плоскости осевого продольного сечения газового пространства и в горизонтальной плоскости ПВП. Красным отображены зоны максимальных, синим - минимальных температур. Представленные результаты отражают ситуацию значительных

подсосов воздуха

га

сс о

о о

о. го

9 5

5 Ф

30

25

20

го 15

х I-го Ф

* Е

з5

о

10

Магнетит

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Содержание цветных металлов, % масс

Рисунок 12 - Зависимость содержания магнетита в штейнах окислительных плавок Си-ЬП сульфидного сырья от содержания в них цветных металлов (Си+№+Со) (РЭМ, РСМА медленно охлажденных образцов штейна)

Рисунок 11 - Зона зарождения настыли в ПВП НМЗ

' шшшшшшшшшяшшяшшшшш^ЯЖ

а) Без балки а) Балка в 2 метрах от аптейка

------ЖШ 1

б) Без балки б) Балка в 2 метрах от аптейка

Рисунок 13 - Поля температур а) и скоростей б) в вертикальном осевом сечении газового пространства отстойника и аптейка ПВП. Красным отображены зоны максимальных, синим - минимальных температур

барботажа. Такой метод размыва настыли оказался неэффективным, что объяснили результаты исследований образцов настыли методом дифференциального термического анализа: температура ликвидус материала настыли, нагреваемой в атмосфере аргона в среднем составляет 1530-1550°С. Температуры плавления увеличиваются на 130-170°С при нагреве вещества в атмосфере воздуха, что обусловлено окислением вещества настыли. Окисление реализуется и в условиях реального агрегата, так как печные газы характеризуются значительным (до 2-5% объемн.) содержанием кислорода. Содержание кислорода в газах увеличивается с ростом подсосов воздуха. Использование «жесткого» факела газо-кислородных горелок при избыточном расходе кислорода, обеспечивает максимальную температуру факела, но условия окисления настыли более благоприятны.

Температура плавления шпинелей, являющихся основой настыли, превышает 1500°С, а теплоемкость настыли массой несколько десятков тонн весьма значительна. Результаты расчетов показали, что для разогрева 1 тонны настыли за 1 час от 1000°С до 1400-1500°С потребуется 32—44 газо-кислородных горелки (диаметр фурмы внутренний - 47 мм, диаметр горелки внутренний - 19 мм, давление газа - 1,8 атм., давление кислорода (95 % объемн. 02) - 3,7 атм.). Так как масса настыли ПВП может превышать десятки и сотни тонн, ее оплавление газо-кислородными горелками малоэффективно.

В рамках реакционного воздействия на настыль осуществлялась подача кусков металлического железа, чугуна или ферросилиция. Разрушение материала настыли при этом описывается следующими упрощенными химическими реакциями: Ре304 + Ре = ЗРеО + 0 2Ре304 + 81 = 6РеО + БЮг + О Ре304 + С(чугу„) = ЗРеО + СО + О

Настыль является твердым образованием, а взаимодействие твердых фаз затруднено кинетическими ограничениями, в связи с чем, эффективное разрушение настыли железом или ферросплавами реализуется только при подаче реагентов в расплав в непосредственной близости к настыли. Однако, низкая температура расплава, снижаемая подачей холодных материалов, ограничивает скорость восстановления и растворения в шлаке вещества настыли.

Указанные обстоятельства привели к недостаточной эффективности предпринимаемых мер. Более эффективным способом разрушения сформировавшейся настыли стала коррекция состава продуктов плавки для растворения в них вещества настыли.

Как известно, штейн представляет собой сульфидный расплав (раствор), содержащий растворенный кислород. Присутствие кислорода в штейнах связано, в основном, с растворимостью в нем оксидов железа. Растворимость оксидов цветных металлов в сульфидах мала. Наряду с растворением «РеО», содержание кислорода в штейне может быть объяснено растворением в штейне магнетита, что определяется равновесием упрощенной реакции Зре304+ре8=10ре0+802.

Снижение содержания меди и никеля в штейне существенно повышает растворимость магнетита в сульфидно-металлическом расплаве, что доказано результатами лабораторных исследований - рисунок 12. Окислительные плавки медно-никелевого рудного сырья норильского промышленного региона на штейны (отношение содержаний Си и N1 близко 0.9) и шлаки, содержащие 30% масс 8Ю2, выполнены при температуре 1200-1250°С.

Таким образом, обеднение штейна ПВП цветными металлами благоприятствует растворению окисленной настыли ПВП в штейно-вом расплаве. Закономерность подтверждена практикой эксплуатации ПВП НМЗ: переход от получения рядовых (Си + N1 50% масс.) к получению бедных (Си + N1 40-43% масс.) штейнов ПВП, способствует размыву сформировавшейся окисленной настыли.

Показано, что образование силикатов приводит к снижению термодинамической активности железа шлака и росту растворимости магнетита в шлаковом расплаве при неизменном равновесном парциальном давлении кислорода над шлаком.

Результат достигается увеличением расхода силикатного флюса.

Снижение коэффициента активности железа шлака за счет связывания его в прочные легкоплавкие соединения (кальциовюститы) обеспечивают феррит-кальциевые шлаки.

Введение в железо-силикатный расплав 4-7% масс СаО повышает растворимость магнетита и снижает температуру ликвидус шлака. Содержание высших оксидов железа в системе может быть на

уровне 65-75% масс, а температура плавления шлака при этом ниже 1300°С и мало изменяется при переходе от нейтральной атмосферы к окислительной. Следовательно, в широком диапазоне окислительного потенциала железо-силикатный шлак с повышенным содержанием СаО будет характеризоваться высокой "емкостью" по магнетиту и будет эффективно растворять оксидную настыль ПВП.

Работа на кальцийсодержащие железо-силикатные шлаки, а также бедные цветными металлами штейны будет способствовать эффективному размыву сформировавшейся оксидной настыли ПВП. При увеличении содержания оксида кальция в шлаке ПВП следует учитывать рост жидкотекучести таких шлаков. Для недопущения протечек расплава следует контролировать температуру шлакового пояса печи. При работе на бедные штейны, характеризующиеся повышенным содержанием железа, необходимо контролировать уровень подовой металлизированной настыли в зоне отстойника ПВП.

Таким образом, доказано, что коррекция состава продуктов ПВП - наиболее эффективный путь разрушения сформировавшейся в шлаковом торце печи настыли.

4. Профилактика иастылеобразования в печи должна основываться на контроле условий формирования настыли

Несмотря на отработку путей разрушения сформировавшейся настыли, продолжительность аварийного периода работы печи доказала важность профилактики иастылеобразования в ПВП.

Показано, что профилактика иастылеобразования должна основываться на ограничении переокисления частиц шихты в газовом пространстве печи, а также на недопущении локализации зоны выпадения пыли газового потока на поверхность шлака.

Основными факторами, обуславливающими возможность переокисления частиц шихты ПВП, являются время пребывания частицы в газовом потоке, размер частицы, определяющий степень окисления частицы и содержание кислорода в газовой фазе.

Известно, что основные реакции окисления компонентов шихты заканчиваются при прохождении газо-пылевого потока ПВП около половины реакционной шахты (РШ). В нижней половине РШ ПВП происходит штейно и шлакообразование, а также окисление мелких

частиц шихты ГТВП остаточным кислородом газовой фазы. Естественное содержание свободного кислорода в печных газах ПВП составляет 3-5 % об. Избыточное окисление мелких частиц шихты реализуется в рециркуляционных (пристеночных) зонах РШ, приводя к их окислению до высших тугоплавких оксидов. Образование тугоплавких оксидов в аэро-шихтовом факеле ПВП ухудшает условия роста частиц и их дальнейшего усвоения расплавом и приводит к настылеобразованию в шлаковой ванне печи.

Таким образом, если блокировать избыточное окисление или организовать частичное восстановление мелких частиц шихты в нижних горизонтах РШ, где основные реакции взаимодействия дутья и шихты уже завершены, пылевынос из печи будет существенно снижен. Улучшение усвоения шихты расплавом благоприятно скажется на ограничении настылеобразования.

Для снижения окислительного потенциала в нижних горизонтах РШ ПВП предложена подача твердого восстановителя определенного класса крупности в составе шихты в реакционную шахту. Относительно крупные частицы восстановителя, крупностью 3-15 мм, после вдувания в реакционную шахту (РШ) при нисходящем движении потока в первых двух третях РШ нагреваются, не вступая в реакцию с кислородом газовой фазы. Реакция окисления углерода восстановителя до монооксида углерода остаточным (не вступившим в реакции с сульфидами металлов и серой шихты) кислородом и последующие восстановительные реакции с шахтным продуктом (расплавом сульфидов и оксидов металлов) протекают в нижней трети реакционной шахты печи. Такое поведение восстановителя в РШ не сопровождается его взаимодействием с защитным гарнисажем. Взаимодействуя с избыточным кислородом, подаваемый восстановитель предотвращает переокисление мелких частиц металлсодержащей шихты до высших, тугоплавких оксидов.

Способ оформлен как результат интеллектуальной деятельности (РИД) автором настоящей работы в составе авторского коллектива.

Результаты математического моделирования газового потока ПВП показали, что нарушение условий образования вихря газового потока при его переходе из отстойника в аптейк и/или перемещение области образования вихря будет способствовать ухудшению усло-

вий настылеобразования в шлаковом торце печи.

Во-первых, выравнивание потока будет способствовать увеличению средней скорости потока; значительная часть пыли будет выноситься в систему пылеочистки отходящего газа.

Во-вторых, нарушение вихреобразования приведет к выпадению пыли не в локальной области зарождения настыли, а равномерно по большой площади шлакового расплава. Соответственно, улучшатся условия растворения выпавших частиц пыли в шлаковом расплаве.

Показано, что наиболее технологичным путем изменения положения и разрушения вихря потока отходящего газа ПВП является изменение направления и характера движения потока отходящего газа ПВП в зоне перехода отстойник-аптейк. В том случае, если горизонтальный поток газа отстойника перед входом в аптейк «прижать» к расплаву, условия усвоения частиц пыли расплавом существенно улучшатся.

Отклонение газового потока к поверхности шлака реализуется установкой балки на своде отстойника ПВП. Балка, высотой до 300 мм устанавливается по всей ширине печи перпендикулярно газовому потоку отстойника ПВП. Установка балки приводит к росту температуры на дальней стенке аптейка (где отмечено настылеобразо-вание) и на переходе аптейк-котел-утилизатор - рисунок 13. Моделирование потока показало, что оптимальным является установка балки в двух метрах от аптейка. Скорость потока в месте установки балки возрастает с 18 до 25 м/с, поток прижимается к поверхности расплава, что способствует осаждению пыли в расплав.

В результате установки балки сглаживаются вихревые структуры, что снижает вероятность выпадения частиц пыли из газового потока и осаждения их на поверхность шлакового расплава под аптейком.

Таким образом, доказано, что недопущение настылеобразования в ПВП должно основываться на профилактике условий формирования настыли.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ технологических показателей процесса взвешенной плавки НМЗ в условиях изменяющегося состава сырья, исследования состава и строения настыли ПВП, шихты ПВП позволили вырабо-

тать и применить на практике ряд научно-обоснованных приемов, препятствующих образованию настыли. Совместные усилия ряда НИИ и подразделений ОАО «ГМК «Норильский никель» позволили стабилизировать производственную ситуацию на НМЗ.

Выполненные исследования состава и строения образцов пыли и настыли ПВП привели к следующим выводам:

• тело настыли формируется из железосодержащих частиц шихты, не усвоенных расплавом;

• настыль формируется в аптейке и под аптейком ПВП, т.к. в аптейке снижается скорость газового потока;

• образующаяся в РШ пыль не усваивается расплавом из-за переокисления компонентов шихты;

• переокисление частиц шихты происходит из-за их малой крупности и наличия в шихте частично окисленных пром-продуктов;

• оплавление настыли затруднено из-за ее крайней тугоплавкости;

• настыль можно растворить, применяя горелки и подачу реагентов, но наилучшим путем недопущения настылеобразо-вания является создание условий, исключающих ее формирование;

Рассмотрены:

• условия избыточного окисления частиц шихты;

• условия выпадения частиц из газо-пылевого потока печи;

• условия разрушения образовавшейся настыли путем изменения состава продуктов плавки, а также при использовании погружных фурм-барботеров и применении реагентов.

Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах:

1. Криевс А.Э. Новая технология переработки оборотных пылей обжигово-восстановительного цеха Никелевого завода/ А.Э. Криевс, И.В. Дмитриев, Л.В. Крупное, В.И. Моргослеп, В.А. Шаповалов// Цветные металлы,- 2009.- № 7,- С. 74-76.

2. Ерошевич С.Ю. Анализ изменения состава сульфидного рудного сырья, перерабатываемого в процессе взвешенной плавки, и

технологические особенности работы в условиях снижения его теплотворности/ С.Ю. Ерошевич, В.Б. Фомичев, И.В. Бойко, JI.B. Крупное, C.B. Анапольская// Цветные металлы.- 2012.- № 9.- С. 1320.

3. Крупное JT.B. Механизм формирования тугоплавкой настыли в печах взвешенной плавки Надеждинского металлургического завода/ J1.B. Крупное, Р.В. Старых, А.Ф. Петров// Цветные металлы,-2013.-№2.-С. 46-51.

4. Старых Р.В. Практические решения в цикле пирометаллурги-ческой переработки сульфидных концентратов на Надеждинском металлургическом заводе/ Р.В. Старых, JI.B. Крупное// Цветная металлургия,- 2013,- № 2,- С. 44-47.

5. Талалов В.А. Исследование движения газового потока в печи взвешенной плавки Надеждинского металлургического завода методами математического моделирования/ В.А. Талалов, JI.B. Крупное, Д.В. Румянцев, Р.В. Старых// Цветные металлы.- 2015.- № 5,- С. 2731.

6. Анапольская С.Г. Переработка сульфидного рудного сырья в процессе взвешенной плавки в условиях снижения его теплотворной способности/ С.Г. Анапольская, А.Ф. Петров, В.Б. Фомичев, J1.B. Крупное, Д.И. Тюленева// Материалы VI международного конгресса «Цветные металлы и минералы-2014». Раздел VI: Производство цветных и редких металлов.- Красноярск.- 2014.- С. 234.

РИД Горного университета. 13.07.2015. 3.638. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

OP LS¿99VOZ

2015675140