книги из ГПНТБ / Клушин Д.Н. Применение кислорода в цветной металлургии
.pdfд . H. К Л У Ш И Н , И. Д. Р Е З Н И К , С. И. СОБОЛЬ
ПР И М Е Н Е Н И Е
КИ С Л О Р О Д А
ВЦ В Е Т Н О Й
МЕ Т А Л Л У Р Г И И
1 'КОНТРОЛЬНЫЙ"")
і ЭКЗЕМПЛЯР . ,
МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973
У Д К 661.937.669.2
н-м sir
У Д К 661.937.669.2
Применение кислорода в цветной металлургии. К л у ш и н Д . Н., Р е з н и к И. Д . , С о б о л ь С И . М., «Металлургия», 1973, с. 240
Изложены физико-химические основы применения кислорода в пирометаллургических и гидрометаллургических процессах цветной металлургии. Приведены результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, полупро мышленных и опытно-промышленных испытаний процессов и аппаратов, а также промышленной практики использования кислорода в медно-никелевой и свинцовоцинковой промышленности. Кратко рассмотрены экономические аспекты примене ния кислорода. Дана характеристика современных кислородных установок. Дан ная книга как самостоятельное и наиболее полное издание выходит впервые. Написанные авторами ранее брошюры (1957 и 1963 гг.) и раздел в «Основах ме таллургии» (1961 г.) требуют уже существенных дополнений.
Рассчитана на инженерно-технических работников промышленности сотрудников проектных и научно-исследовательских институтов. Может быть полезна препода вателям и студентам старших курсов металлургических специальностей. Ил. 95Табл. 53. Список лит. 283 назв.
© Издательство «Металлургия». 1973.
3103-124 К 040(01)-73 52-73
О Г Л А В Л Е Н И Е
Стр.
Предисловие
Г л а в а I .
Г л а в а I I .
Г л а в а I I I .
Г л а в а I V .
Г л а в а V.
Г л а в а V I .
Г л а в а |
V I I . |
Г л а в а |
V I I I . |
Г л а в а |
I X . |
1* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
Краткие сведения о производстве кислорода |
|
7 |
||||||||
Свойства |
кислорода |
и |
воздуха |
|
|
|
7 |
|||
Принципиальные схемы получения кислорода и инертных газов |
8 |
|||||||||
Кислородные станции и показатели их работы |
|
13 |
||||||||
Хранение |
и транспортировка |
кислорода |
|
|
16 |
|||||
Техника |
безопасности |
|
|
|
|
|
|
17 |
||
Экономические показатели кислородных |
станций |
|
19 |
|||||||
Физико-химические основы применения |
кислорода в пироме- |
|
||||||||
таллургических процессах |
|
|
|
|
21 |
|||||
Окисление |
металлов |
|
|
|
|
|
|
22 |
||
Окисление |
сульфидов |
|
|
|
|
|
27 |
|||
Сжигание |
топлива |
|
|
|
|
|
|
31 |
||
Горение твердого топлива на |
воздушном и воздушно-кисло |
|
||||||||
родном дутье в слое |
|
|
|
|
|
|
36 |
|||
Горение твердого топлива в слое |
|
|
36 |
|||||||
Горение |
углерода в слое топлива, разбавленного |
неплавя- |
|
|||||||
щимися |
добавками |
|
|
|
|
|
|
41 |
||
Горение твердого топлива в слое |
с одновременным |
плавле |
|
|||||||
нием шихты |
|
|
|
|
|
|
|
44 |
||
Применение воздуха, обогащенного кислородом, в процессах |
|
|||||||||
обжига и агломерации сульфидных материалов |
|
50 |
||||||||
Обжиг и агломерация цинковых концентратов и промпродук- |
|
|||||||||
тов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
51 |
Обжиг |
медных |
концентратов |
|
|
'. . . |
56 |
||||
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов |
|
59 |
||||||||
Обжиг и агломерация никелевых концентратов |
|
67 |
||||||||
Сульфатизирующий обжиг пиритно-кобальтовых концентра |
|
|||||||||
тов |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
68 |
Шахтная плавка окисленных никелевых руд |
|
74 |
||||||||
Первая опытная плавка никелевого агломерата на обогащен |
|
|||||||||
ном кислородом дутье |
|
|
|
|
|
|
74 |
|||
Опытная плавка конвертерного |
шлака на обогащенном кисло |
|
||||||||
родом дутье |
|
|
|
|
|
|
|
77 |
||
Опытно-промышленные плавки на комбинате «Южур алникель» |
78 |
|||||||||
Анализ особенностей |
плавки |
на |
обогащенном кислородом |
|
||||||
дутье |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
83 |
Промышленная шахтная |
плавка на дутье, обогащенном кис |
|
||||||||
лородом |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
104 |
Шахтная плавка медного, свинцового и цинкового сырья . . |
106 |
|||||||||
Шахтная плавка медных руд и агломерата |
|
106 |
||||||||
Шахтная |
плавка |
свинецсодержащего сырья |
|
113 |
||||||
Шахтная |
плавка |
цинкового |
агломерата |
|
|
126 |
||||
Отражательная |
плавка |
|
|
|
|
|
129 |
|||
Плавка во взвешенном |
состоянии |
|
|
137 |
||||||
Циклонная |
плавка |
|
|
|
|
|
|
142 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
Г л а в а |
X . |
Конвертирование штейнов и плавка концентратов в конвер- |
Стр. |
||||
|
|||||||
|
. |
тере . . |
|
|
|
|
148 |
|
|
Конвертирование |
медных штейнов |
148 |
|||
|
|
Конвертирование |
никелевого файнштейна |
159 |
|||
|
|
Конвертирование |
ферроникеля |
|
161 |
||
|
|
Плавка концентратов в конвертере |
163 |
||||
|
|
-Непрерывное конвертирование |
|
169 |
|||
Г л а в а |
X I . |
Фьюмингование |
|
шлаков |
|
174 |
|
|
|
Теоретические основы применения кислорода при фьюминго- |
|
||||
|
|
вании шлаков |
|
|
|
174 |
|
|
|
Практика фьюмингования шлаков свинцовой плавки с приме |
|
||||
|
|
нением кислорода |
|
181 |
|||
|
|
Фьюмингование |
|
шлаков свинцовой плавки с применением |
|
||
|
|
природного |
газа |
и кислорода |
|
188 |
|
|
|
Фьюмингование оловосодержащих шлаков с применением |
|
||||
|
|
кислорода |
|
|
|
|
193 |
Г л а в а |
X I I . |
Вельцевание |
цинксодержащих |
продуктов |
195 |
||
Г л а в а |
X I I I . |
Кислород |
в |
гидрометаллургических процессах |
198 |
||
|
|
Физико-химические основы окисления в водных средах . . |
200 |
||||
|
|
Технические проблемы использования кислорода в авто |
|
||||
|
|
клавных процессах |
|
217 |
|||
|
|
Примеры промышленного применения кислорода в авто |
|
||||
|
|
клавных |
процессах |
|
221 |
||
Г л а в а |
X I V . |
Экономическая |
эффективность |
применения кислорода . . |
224 |
||
Список |
литературы |
|
|
|
|
231 |
П Р Е Д И С Л О В И Е
Идея применения кислорода как мощного средства интенсифи кации металлургических процессов возникла в начале второй поло вины прошлого века. Однако в то время она еще не могла быть реализована промышленностью по причине отсутствия высоко производительных и дешевых промышленных способов производства кислорода. Только в конце 90-х годов прошлого столетия К. Линде был разработан и предложен способ промышленного производства кислорода разделением воздуха при глубоком охлаждении. В начале X X в. в США и Германии были построены по этому способу первые маленькие кислородные станции производительностью в несколько десятков кубических метров кислорода в час. Эти станции не могли удовлетворить нужды металлургического производства, но они позволили провести укрупненные исследования по интенсификации металлургических процессов. К этому периоду (1905 г.) относятся первые упоминания об экспериментальном исследовании бессеме рования медных штейнов на воздухе, обогащенном кислородом.
Расширение областей и масштабов применения технологического кислорода вызвало дальнейшее развитие промышленности кислород ного машиностроения. Были созданы кислородные станции, осна щенные более мощными агрегатами, что способствовало снижению стоимости кислорода и проведению исследований в более крупных
масштабах. |
|
В 1913—1914 гг. в Бельгии были осуществлены первые |
опыты |
по использованию воздуха, обогащенного кислородом до |
23%, |
в доменном производстве на печи производительностью 100 m чугуна в сутки. С началом первой мировой войны эти исследования были прекращены.
После окончания войны в ряде стран Западной Европы и в США были возобновлены, а в СССР начаты исследования по применению кислорода в металлургических процессах. В этот период советскими учеными предложены оригинальные методы интенсификации про цесса получения стали.
В СССР к 1929 г. производительность всех кислородных станций достигла уже 8,8 млн. мь в год, а выработка отдельными кислород ными агрегатами увеличилась до 150 м3/ч. Для определения тех нически эффективных и наиболее экономически целесообразных областей применения кислорода в 1930 г. при Комитете по химиза ции Наркомата тяжелой промышленности была организована спе циальная комиссия. Этой комиссией был разработан детальный план проведения укрупненных исследований на ряде заводов нашей страны. Первые опыты были осуществлены уже в 1932—1934 гг. на Чернореченском химическом комбинате и на заводе «Серп и молот».
В 1933 г. производство кислорода в СССР достигло уже 30 млн. м3 в год. В 1934 г. в СССР осваивается получение новой аппаратуры для более мощных кислородных агрегатов и к 1940 г. СССР по произ водству кислорода выходит уже на первое место в Европе. В начале сороковых годов были завершены исследования, проведенные в Ин-
5
ституте физических проблем АН СССР под руководством акаде мика П. Л- Капицы, по созданию новых высокопроизводительных типовых кислородных установок.
В конце 1944 и начале 1945 гг. Техническим советом Главкислорода при Совнаркоме СССР были проведены широкие совещания по обсуждению перспектив применения кислорода в различных отраслях промышленности, в том числе и в процессах цветной метал лургии. Эти совещания положили начало широкому использованию технологического кислорода в цветной металлургии СССР. Были начаты большие работы по строительству новых и расширению дей ствующих кислородных станций.
Успехи отечественной промышленности кислородного машино строения и развитие гидротеплоэнергетики в послевоенный период обеспечили быстрый рост производства кислорода в нашей стране. Развитие техники и масштабов производства кислорода, уменьше ние его энергоемкости и снижение себестоимости электроэнергии привели к резкому снижению стоимости кислорода, что обеспечило расширение областей его экономически целесообразного применения.
В конце сороковых и в начале пятидесятых годов в СССР были начаты в широком масштабе лабораторные, полупромышленные и
опытно-промышленные исследования |
по |
применению |
кислорода |
||||||||||
в медной, никелевой, свинцово-цинковой и других |
подотраслях |
цвет |
|||||||||||
ной |
металлургии, которые в последующем, по мере |
их |
завершения |
||||||||||
были |
внедрены |
в производство. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В |
период |
|
1965—1970 |
гг. |
масштабы |
использования |
кислорода |
|||||
в |
цветной |
металлургии |
нашей страны |
увеличились |
в |
6 |
раз |
||||||
с |
22 |
тыс. м3/ч |
в 1965 г. до 120 тыс. м3/ч |
в 1970 |
г. |
|
|
|
|
||||
|
По уровню использования технологического кислорода в цветной |
||||||||||||
металлургии |
СССР занимает |
ведущее |
положение |
в |
мире. |
В целом |
по производству кислорода Советский Союз уже опередил такие высоко развитые индустриально страны мира, как ФРГ, Япония, Англия, Франция и лишь незначительно уступает США.
Основным потребителем технологического кислорода в нашей стране являются предприятия черной металлургии, которые исполь зуют 60% производимого кислорода. Химическая промышленность применяет 35% кислорода, цветная металлургия 2,5%, прочие отрасли 2,5%.
Девятым пятилетним планом предусмотрено дальнейшее разви тие исследований по расширению объектов и масштабов примене ния кислорода в цветной металлургии. Количество крупных кисло родных установок за пятилетие возрастет с 17 до 50, а их мощность
достигнет 350 |
тыс. м3 |
кислорода в час. |
В 1975 г. цветная метал |
||
лургия СССР будет потреблять около 3 |
млрд. м3 кислорода |
и вы |
|||
плавлять с его использованием примерно 2,5 млн. m цветных |
метал |
||||
лов, что превысит уровень 1970 г. более |
чем в 3 раза. |
|
|||
Предисловие, главы I I , IV, V I I , V I I I , I X , X написаны Д. Н. Клу- |
|||||
шиным, главы |
I , I I I , V, V I , X I , X I I , |
X I V — И. |
Д. Резником. |
||
Глава X I I I написана |
С. И. Соболем. Авторы будут |
признательны |
|||
за все замечания и пожелания, связанные |
с изданием данной |
книги. |
6
|
|
|
|
|
|
|
|
Г л а в а |
I |
|
|
|
|
|
|
КРАТКИЕ |
СВЕДЕНИЯ |
О ПРОИЗВОДСТВЕ |
КИСЛОРОДА |
||||||||||
|
Основной |
|
способ |
получения |
кислорода |
|
для |
технологических |
||||||
нужд — это |
|
метод |
глубокого охлаждения |
и ожижения |
воздуха |
|||||||||
с |
последующей его |
ректификацией. |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И ВОЗДУХА |
|
|
|||||||
|
Ниже |
приведен |
средний состав |
сухого |
атмосферного |
воздуха, |
||||||||
% |
(объемн.): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
А гот |
|
|
|
|
78,09 |
|
Неон |
|
|
1,8 Ю - 3 |
||
|
|
Кислород |
. . . . |
20,95 |
|
Гелий |
|
|
5-10-* |
|||||
|
|
Аргон |
|
|
|
|
|
0,93 |
|
Криптон |
|
|
1 •10~4 |
|
|
|
.Двуокись |
углерода |
|
0,03 |
|
Водород |
|
|
5 - Ю - 5 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ксенон |
|
|
9 - Ю - 6 |
|
|
Кроме перечисленных компонентов, в воздухе содержатся пере |
|||||||||||||
менные количества |
влаги, |
углеводородов, пыли и других |
примесей. |
|||||||||||
|
В |
1 м3 |
воздуха, |
насыщенного |
водяными |
парами, содержится |
||||||||
воды |
30,21 |
г |
при |
температуре |
+ 3 0 ° С, 4,89 |
г при 0° С и 0,44 г |
||||||||
при —30° С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В атмосферном воздухе промышленных районов, где работают |
|||||||||||||
кислородные заводы, обычно находится до 1,5 см31м3 |
метана, 0,001— |
|||||||||||||
1 см3/м3 |
ацетилена, |
различные |
концентрации |
предельных |
и непре |
дельных углеводородов, закись азота, сероуглерод, сернистый анги дрид и другие газы.
Технологический кислород, содержащий 90—98% 0 2 , приме
няют для интенсификации технологических процессов. |
Технический |
||
кислород 1-го сорта |
содержит не менее 99,7% |
0 2 , |
2-го сорта — |
не менее 99,5% 0 2 , |
3-го сорта — не менее 99,2% |
0 2 ; |
остальное — |
аргон и азот. Технический кислород используют для автогенных работ и в медицине.
Плотность |
газообразного |
кислорода |
при |
температуре |
20° С и |
|||
давлении 760 мм рт. ст. равна 1,33 кг/ж3 , объем 1 кг |
кислорода |
|||||||
при той же температуре 0,75 |
м3. |
Один |
литр |
жидкого |
кислорода |
|||
весит 1,13 кг и при испарении образует |
850 л газообразного кис |
|||||||
лорода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Содержание |
кислорода в |
воздушно-кислородной |
смеси |
0 2 с м е с ь |
||||
(в %) при заданном расходе воздуха QB 0 3 Ä |
и кислорода |
QK H C J I |
(в м3/ч) |
|||||
определяют по |
уравнению |
|
|
|
|
|
|
|
|
2смесь — |
|
|
кисл |
% |
|
|
( M ) |
где 0 2 к и с л — содержание кислорода |
в технологическом кислороде, %. |
7
Если приближенно принять содержание кислорода в техно логическом кислороде равным 100%, уравнение (1) можно упро стить так:
|
0.21С?возд ~ Т |
С?КИСЛ |
I АЛ0 / |
/т п\ |
|
2смссь — |
п |
ЦТ?) |
U U |
/ 0 ' |
|
Расход газообразного кислорода для получения воздушно-кис лородной смеси заданного состава можно определить по уравнению:
Скисл ^ |
о ^ о " * |
Q ^ * 8 / « - |
( J - 3 ) |
|
l ии — '-'гсмесь |
|
|
Количество получающейся воздушно-кислородной |
смеси QC M e c b |
||
при заданном содержании кислорода |
определяем по уравнению |
||
|
79 |
Фвозд м 1Ч- |
|
Ссмесь = |
п |
^-4) |
—С с м е с ь
ПР И Н Ц И П И А Л Ь Н Ы Е СХЕМЫ П О Л У Ч Е Н И Я
КИСЛОРОДА И И Н Е Р Т Н Ы Х ГАЗОВ
В промышленных условиях кислород можно получать методом глубокого охлаждения воздуха и электролизом воды.
При пропускании постоянного электрического тока через воду, в которую для повышения электропроводности добавлен едкий натр, она разлагается на кислород и водород. Кислород собирается у по ложительных электродов, водород — у отрицательных.
Электролизер типа ФВ-500 перерабатывает 0,5 м3 дистиллиро ванной воды в час и выдает около 500 м3/ч водорода и 250 м3/ч тех нического кислорода под давлением 500 мм вод. ст. Кислород содер
жит 99,2% 0 2 и до 0,7% Н 2 . На получение 1 м3 кислорода и 2 ж 3 |
|
водорода |
расходуется 11,4 квт-ч электроэнергии. |
На одной установке при продаже кислорода по цене 7 коп. за 1 ж 3 |
|
себестоимость водорода составляла 14 коп. за 1 м3. |
|
Из-за |
высокого расхода электроэнергии процесс электролиза |
воды для |
производства технологического кислорода экономически |
невыгоден. Практически этот процесс применяют для производства водорода, а кислород используют лишь попутно.
Процесс получения технологического кислорода из воздуха глу боким охлаждением в установках низкого давления требует расхода электроэнергии всего 0,4—0,6 квт-ч/м3, поэтому он получил широ
кое |
распространение как наиболее экономичный [1, 2] . |
|
|
||||
|
Разделение воздуха |
основано на |
различии температур |
кипения |
|||
жидких кислорода |
и азота. Как видно из табл.' 1, жидкий |
кислород |
|||||
при |
атмосферном |
давлении кипит |
при |
температуре |
—183,0° С, |
||
а жидкий а з о т — п р и |
-—195,8° С |
При |
постепенном |
испарении |
жидкого воздуха сначала испаряется преимущественно азот, у кото рого более низкая температура кипения. По мере улетучивания азота жидкость обогащается кислородом. Повторяя процесс много кратно, можно достигнуть желаемой степени разделения воздуха на азот и кислород требуемой чистоты.
Для охлаждения и сжижения воздуха применяют холодильные циклы, в которых основным хладоагентом является воздух. Сначала
воздух сжимают в компрессоре, а |
затем |
дают |
ему расширяться, |
|||||||
при этом температура сжатого газа снижается. |
|
|
||||||||
Расширение можно осуществлять двумя способами: дросселиро |
||||||||||
ванием, |
т. е. пропусканием сжатого |
газа |
через |
отверстие |
вентиля, |
|||||
и расширением газа в цилиндре |
поршневого |
|
Азот |
оторосши |
||||||
двигателя — детандера—или |
в |
каналах на |
|
|
|
|||||
правляющего аппарата и лопатках рабочего |
|
|
|
|||||||
колеса турбины — турбодетандера. Холодиль |
|
|
|
|||||||
ный цикл с применением воздуха |
низкого |
|
|
|
||||||
давления и получением необходимого холода |
|
|
|
|||||||
в турбодетандере разработан акад. П. Л. Ка |
|
|
|
|||||||
пицей в |
1939 г. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т А Б Л И Ц А 1. Т Е М П Е Р А Т У Р А |
|
|
|
|
|
||||
|
К И П Е Н И Я И З А Т В Е Р Д Е В А Н И Я |
|
|
|
|
|
||||
|
|
Г А З О В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т е м п е р а т у р а , °С |
|
|
|
|
|
|||
|
Газ |
кипения |
з а т в е р д е |
|
Кислород |
|
||||
|
|
|
в а н и я |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
чистый |
|
|
|
Гелий |
—268,9 |
—272,2 |
|
|
|
|
|||
|
Неон |
—246,1 |
—248,6 |
|
|
|
|
|||
|
Азот |
—195,8 |
—210,0 |
|
|
|
|
|||
|
Аргон |
— 185,8 |
—189,3 |
|
|
|
|
|||
|
Ацетилен |
—185,7 |
—189,4 |
|
|
|
|
|||
|
Кислород |
— 183,0 |
—218,4 |
|
|
|
|
|||
|
Метан |
— 161,5 |
—182,5 |
|
|
|
|
|||
|
Криптон |
— 153,2 |
—157,2 |
|
|
|
|
|||
|
Ксенон |
—108,1 |
—111,9 |
|
|
|
|
|||
|
Этилен |
—103,5 |
—169,4 |
|
|
|
|
|||
|
Этан |
—88,6 |
— 183,6 |
|
|
|
|
|||
|
Двуокись |
—78,5 |
—56,6 |
|
|
|
|
|
||
|
углерода |
—42,6 |
—189,9 |
|
|
|
|
|||
|
Пропан |
|
|
|
|
|||||
В установках разделения воздуха в про |
Возду/ |
|
||||||||
|
|
|
||||||||
цессе эксплуатации холодильный цикл ис |
|
|
|
|||||||
пользуется только |
для |
покрытия |
потерь |
Рис. 1. Схема |
аппарата |
|||||
холода |
через изоляцию |
и от |
недорекупера- |
|||||||
ции, так как температура |
выдаваемых кисло |
двукратной ректификации |
||||||||
|
|
|
||||||||
рода и азота близка к температуре засасы |
|
|
|
|||||||
ваемого |
атмосферного |
воздуха. При пуске |
установки |
и при |
выдаче жидкого кислорода потери холода значительно возрастают. Разделение жидкого воздуха осуществляют в ректификационных колоннах. В колонне, заполненной горизонтально расположенными тарелками с отверстиями или насадкой, жидкая смесь азота и кисло рода стекает вниз, а навстречу ей поднимается смесь паров азота и кислорода. В результате наверху образуется почти чистый газообраз ный азот, а внизу — жидкость, состоящая из почти чистого кислорода. Схема аппарата двукратной ректификации приведена на рис. 1. Аппарат состоит из двух ректификационных колонн. В нижней
9