Процесс полупиритной плавки идет в основном за счет тепла от горения топлива, а также за счет окисления сульфидов шихты. С целью экономии топлива необходимо максимально использовать пиритный эффект.

     Кроме того, избыточный кислород воздуха  поднимает десульфуризацию печи, за счет интенсификации реакций окисления  сульфидов еще в твердом состоянии.

     Большой избыток кислорода воздуха в печи оказывается вредным при холодном ходе печи, так как при этом создается окислительная атмосфера в верхних зонах печи из-за низкой скорости прохождения реакций. Фокус постепенно уходит вверх от фурменного пояса, повышается температура отходящих газов, снижается окисление сернистого железа в фокусе печи и, естественно, снижается степень десульфуризции и, как следствие, расстраивается весь ход процесса плавки. Чтобы после этого привести печь в нормальное состояние, спускают сыпь в печь до возможного предела и загружают несколько «шлаковых» колош, состоящих из увеличенного количества антроцита и конверторного шлака, что приводит к концентрации фокуса печи над фурмами. При полупиритной плавке, в отличие от пиритной, отсутствует кварцевый профиль над фурмами печи, а надфурменая зона состоит из раскаленных кусков антроцита и кварца.

     В процессе шахтной плавки большая часть железа и половина серы, поступивших с сырьем, окисляются кислородом дутья. Окислы железа связываются  с  кварцем, образуя  шлаковый расплав. Удельный вес штейна равен 3,2-3,8 т/м³. Наилучшее разделение штейна и шлака (наибольшее извлечение цветных металлов) происходит при разнице удельных весов между штейном и шлаком более единицы. С целью получения шлака с минимальным удельным весом (2,5-2,8 т/м³) содержание кварца в шлаке доводят до 30-33%. Добавка известняка до 5% делает шлак более жидкотекучим и более бедным по цветным металлам.

       Окислы серы с отходящими газами поступают в сернокислотный цех. Оставшаяся часть железа и серы, практически вся  медь, золото и серебро переходят в штейн. Пылевынос с шахтной печи  составляет до 3% от веса загружаемой шихты. Используемый в производстве  воздух  на 99 % состоит из кислорода и азота.      

     Примеси, забираемые из окружающей среды, не участвуют  в технологическом процессе и для расчета балансов содержание примесей в воздухе не учитывается. Степень улавливания вредных веществ в газоходах, пылевых камерах, циклонах и электрофильтрах составляет  98%.

     К шлакам предъявляются следующие  требования.

     Во-первых, шлак должен быть легкоплавким, но температура  его плавления должна быть выше температуры плавления штейна. Тугоплавкие шлаки ухудшают показатели процесса плавки. Практически оптимальной температурой шлака следует считать 1130-1150^оС, при которой шлак достаточно перегрет и легко отделяется от штейна. Такой шлак будет беден по меди и получен при небольшом расходе топлива.

     Во-вторых, шлак должен быть дешевым, т.е. производство должно идти с минимальным расходом флюсов и топлива.

     В-третьих, шлак должен быть легким: разница плотностей системы шлак-штейн должна быть не менее 1,0.  Чем меньше плотность  шлака, тем он легче отделяется от штейна.

     Плотность шлака, особенно сильно, снижает окись кремния, поэтому, чем кислее шлак, тем он легче. Наиболее тяжелые шлаки – железистые.  В-четвертых, вязкость шлака должна соответствовать полному отделению его от штейна. С повышением температуры вязкость шлаков уменьшается.

     С увеличением содержания кремнезема в шлаке  (свыше 30-34%)

     повышается  температура его плавления, или  при той же температуре повышается вязкость шлака.

     С другой стороны, в связи с небольшим  удельным весом кремнезема

     удельный  вес шлака с повышением содержания кремнезема уменьшается. Это облегчает разделение шлака и штейна при отстаивании их смеси в жидком виде в переднем горне. Кроме того, с повышением содержания кремнезема в шлаке уменьшается растворимость сульфидов в нем. Значит, для уменьшения потерь меди желательно работать на шлаках с повышенным содержанием SiO₂. Но такие шлаки являются более тугоплавкими и требуют более высокого расхода топлива.

     На  состав и свойства шлака большое  влияние оказывают окислы железа: чем больше их содержание в шлаке, тем больше потери меди, т.к. железистый шлак имеет наибольший удельный вес. В тоже время железисто-силикатный шлак является дешевым и имеет низкую температуру плавления.

     Окись кальция CaO играет заметную роль в обеднении  шлаков медью, т.к. повышает температуру  плавления и приводит к некоторому перегреву шлака: шлак получается более легким и хорошо отделяется от штейна, а значит, сокращаются потери меди.

     Все породообразующие окислы, такие как  MgO, VnO, Al₂O₃, CaO, SiO₂, повышают температуру плавления шлака. Шлак получается более легким по удельному весу и жидкотекучим, поэтому содержание  этих окислов в шлаке до определенного предела является благоприятным.

     Содержание  меди в шлаке колеблется от 0,25 до 0,6% и зависит от различных факторов. Состав шлака Cu-0.35%; S-1.8%; Si2O-30.8%; CaO-9.9%; Fe-31.3%; Zn-2.9%; Al2O3-1.5%. Медь в шлаке может находиться в виде механически запутавшихся корольков штейна, может быть растворена в виде Cu₂S и ошлакована  в виде силиката. Основную массу меди в шлаке (до 70% от общего содержания) составляет растворенный сульфид меди Cu₂S. Растворимости меди в шлаке способствует высокая температура. Растворимость меди в шлаке понижается с повышением содержания в шлаке кремнекислоты и окиси кальция.

     На  содержание меди в шлаках влияет также  содержание меди в штейне, поэтому в практике работы нужно считать рациональным содержание меди в штейне не более 45%, т.к. дальнейшее повышение содержания меди в штейнах приводит к резкому увеличению содержания меди в шлаке.

     Для уменьшения потерь меди в шлаках важно обеспечить форсированный ход печи. Горячие шлаки лучше отстаиваются и беднее медью. При форсированном горячем ходе печи и правильной дозировке воздуха получаются более богатые штейны. При этом шлаки могут стать более железистыми (если соответственно не увеличить содержание кремнезема и окиси кальция в шихте), более тяжелыми количество их уменьшится.

     Шлак  разливают в изложницы и после  охлаждения направляют в отвал или  на реализацию как заменитель щебня.

     Основной  целью шахтной плавки является перевод  меди и сопутствующих драгоценных металлов в расплав низших сульфидов. Штейн состоит в основном из сульфидов меди Cu₂S и железа FeS, содержание которых в штейне достигает 85-90%. Cостав штейна Cu-31.2%; S-25.3%; SiO2-0.87%; Fe-37.2%; CaO-0.5%; Zn-3.2%; Al2O3-0.2%.

     Содержание  меди в штейнах меняется в зависимости  от содержания ее в  рудах и степени  десульфуризации при шахтной  плавке и колеблется в очень широких пределах: от 5 до 45%. Плотность штейнов в зависимости от содержания меди колеблется от 4,3 до 5,2 т/м³; температура плавления изменяется от 1000 до 1200^оС. Важной особенностью штейна является его способность растворять редкие благородные металлы – золото, серебро, платиноиды. В состав штейна всегда входит до 4% шлаковых включений как в виде раствора, так и в виде механически запутавшихся частиц. В состав штейна может входить сульфид цинка (ZnS) при большом содержании его в шихте. В штейн может переходить до 20% Zn. Высокое содержание цинковых соединений в расплаве весьма нежелательно, т.к. в отстойном горне образуется промежуточный слой с высокой температурой плавления, который затрудняет разделение шлака и штейна. Избыток сульфида цинка ZnS выделяется в самостоятельную фазу, которая заматывает лещадь печи, закупоривает выпускное отверстие и может привести к замораживанию печи. В наружном отстойном горне избыток сульфида цинка приводит к резкому сокращению объема горна и может полностью вывести его из строя. В штейнах также содержится сульфид свинца PbS, концентрация которого, как правило, не превышает     1-5%. Сульфид свинца несколько понижает температуру плавления штейна.

     Процесс окисления сульфидов сводится к  максимально возможному выжиганию серы: чем больше степень окисления сульфидов, тем большее количество серы переводится в газообразную фазу и тем меньше ее остается для образования медного штейна.

     Отходящие газы с содержанием SO2-4-6%, и запыленостью до 0,2г/м³ подвергаются грубой очистке в циклонах и направляются на тонкую очистку в электрофильтрах, далее - в сернокислотный цех. Пыль содержит Cu-12.1%; S-8.13%; Fe-34.6%; SiO2-6.8%; CaO-2.2%; Zn-4.79%; Al2O3-1.5%.

1.3 Анализ и характеристика существующих аппаратно-программных средства системы управления тепловым режимом шахтной печи и недостатки

 

1.3.1 Характеристика существующей  системы управления  тепловым режимом шахтной печи  

     В настоящее время шахтная печь №1 участка сократительной плавки и конвертирования медеплавильного цеха  для управления технологическим процессом используются информационная управляющая система EDS04. На рисунке 1 представлена мнемосхема системы EDS04.

     За  счет контроля разреженности печей, контролируется весь технологический процесс. При понижении или повышении температуры происходит открытие или закрытие задвижек. На печах нет никакого электронагрева, есть только загружаемый брикет плюс подается кислород и воздух, программа следит за температурой в печах и регулирует разреженностью, от которой зависит температура.

     На  задвижках установлены электродвигатели с приводам.

     Существующее  оборудование автоматизации шахтная печь №1 выполняют следующие функции:

     - контроль и регистрация значений  температуры;

     - система блокировки и противоаварийной  защиты при выходе измеряемых  параметров за пределы установленных  значений.

     В действующей системе автоматизации  контроля и измерения осуществлен  для регистрации параметров, занесения полученных данных в архив, возможность распечатки на принтере и вывода в пульт диспетчерской службы.

     Структурная схема действующей системы автоматизации контроля и измерения представлена на рисунке 2.

     Для измерения давления, расхода и разряжения используется датчик Метран-100.  Для определения соотношения кислорода в смеси используется газоанализатор ГТМ-5101М. 

 

     Рисунок 1 – Мнемосхема системы  EDS04 

     В качестве контроллера используется контроллер SIMATIC S7-300 фирмы Siemens.

     Разреженность в печи поддерживается с помощью задвижек 7 и 10. Эксгаустеры Д3 и Д4 работают в одном режиме для того чтобы не было скачков при включении и отключении и за счет такого режима срок службы их увеличивался. Эксгаустер не выдерживает температуру более ≈ 500 ⁰С, происходит дисбаланс и он выходит из строя, поэтому регулируют температуру газа. 

 

Рисунок 2 – Структурная схема действующей  системы автоматизации контроля и измерения

     У циклонов свои рабочие характеристики они работают при определенной скорости прохождения газа, поэтому рабочая разреженность печи ≈ -1 мм вод. ст., так как печь не цельная, швы скрепляются болтами и уплотняются огнеупорным материалом; допускается подсос воздуха не более 30% из щелей печи. Это нужно для плавки и чтобы транспортировался газ и как можно меньше воздуха в сернокислотный цех. Газ в сернокислотный тоже должен поступать с определенной скоростью, все взаимосвязано.

     На  печи стоит один термопара, который служит для наблюдения и оповещения.

     Загружаемая шихта, вверху сыпучий в середине разогретый, нижний слой оплавленный. Через все эти слои подается кислород с воздухом. Если в слоях образовывается продувы (трещины), то есть в одном месте проходит почти весь кислород с воздухом, то это место засыпают в не графика порцией шихты через нужный колокол (по графику шихта засыпается порциями через определенное время).

     А кислород и воздух подает оператор, здесь присутствует человеческий фактор. Оператор подает в печь столько кислорода и воздуха, сколько он считает нужным, наблюдая за процессом плавки (температурой), что является весьма неудобным и опасным. 

1.3.2 Недостатки существующей системы контроля теплового режима шахтной печи  

     На  рисунке 3 изображена функциональная схема  существующей системы.

      Из  функциональной схемы (рисунок 3) видно, что в существующей системы используются датчики расхода (FE) на кислород и воздух, датчик давления на воздух (PE), газоанализатор (QE) для определения процентного соотношения кислорода в воздухе, и датчик температуры отходящих газов (TE).