Горизонтальной плоскостью по осям фурм расплав в печи делит­ся на две зоны: верхнюю надфурменную (барботируемую) и ниж­нюю подфурменную, где расплав находится в относительно спокой­ном состоянии.

В надфурменной зоне осуществляются плавление, растворение тугоплавких составляющих шихты, окисление сульфидов и укрупне­ние мелких сульфидных частиц. Крупные капли сульфидов быстро оседают в слое шлака, многократно промывая шлак за время его движения сверху вниз в подфурменной зоне. При непрерывном осу­ществлении процесса устанавливается динамическое равновесие между количеством поступающих с загрузкой мелких сульфидных частиц, скоростью их укрупнения и отделения от шлака. В резуль­тате одновременного протекания этих процессов устанавливается постоянное содержание сульфидов (капель) в шлаке, лежащее на уровне 5—10% от массы расплава. Таким образом, все процессы в надфурменной области протекают в шлако-штейновой эмульсии, в которой преобладает шлак.

Окисление сульфидов, как известно, является очень быстрым процессом и обычно не ограничивает конечную производительность агрегатов. В производственных процессах желательно не только не повышать, но даже замедлять скорость окисления сульфидов. Дей­ствительно, большие скорости окисления сульфидов, например при продувке жидких сульфидов кислородом, приводят к чрезмерному повышению температуры в области фурм.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии протекает менее интенсивно, чем в сульфидном расплаве, фокус горения рас­тягивается, что позволяет избежать локального повышения темпе­ратуры в области фурм даже при использовании чистого кислорода. Это в свою очередь облегчает задачу создания надежной и дол­говечной аппаратуры. При этом скорость окисления остается доста­точно высокой и степень использования кислорода на окисление сульфидов практически равна 100% при любом необходимом его количестве, подаваемом в расплав. Таким образом, и при окислении сульфидов в шлако-штейновой эмульсии скорость их окисления не лимитирует производительности агрегата. Возможность интенсив­ного окисления сульфидов в шлако-штейновой эмульсии без боль­шого локального повышения температуры в области фурм является важным достоинством плавки в жидкой ванне.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии представля­ет собой сложный многостадийный процесс, состоящий из окисле­ния капелек штейна, окисления растворенных в шлаке сульфидов, окисления FeO шлака до магнетита и окисления сульфидов магне­титом. Таким образом, шлак также является передатчиком кисло­рода. По последним данным, наибольшее значение имеет стадия окисления сульфидов, растворенных в шлаке.

Характерная особенность окисления сульфидов в шлако-штейно­вой эмульсии состоит в том, что оно не сопровождается образова­нием первичных железистых шлаков и выпадением мелких суль­фидных частиц. Оксиды, образующиеся на поверхности сульфидных капель, немедленно растворяются в шлаке конечного состава.

Отсутствие условий для образования значительных количеств мелкой сульфидной взвеси является важным достоинством плавки в жидкой ванне, создающим предпосылки для получения бедных отвальных шлаков.

Высокая степень использования кислорода обеспечивает про­стое управление составом штейна и соотношением количеств пода­ваемого через фурму кислорода и загружаемых за то же время концентратов. Состав штейна можно регулировать в широком диа­пазоне вплоть до получения белого матта или даже черновой меди. Напомним, что потери меди со шлаком начинают резко воз­растать, когда ее содержание в штейне превысит 60%. Поэтому при плавке на штейн, если в технологической схеме не предусматрива­ется специальное обеднение шлака, увеличивать содержание меди в штейне свыше 50—55% нецелесообразно. При получении белого матта или черновой меди в технологическую схему должна обяза­тельно включаться операция обеднения шлаков.

Растворение тугоплавких составляющих шихты является одним из относительно медленных процессов. Энергичный барботаж ванны резко ускоряет процесс растворения кварца и компонентов пустой породы, что позволяет использовать даже сравнительно крупные флюсы. Промышленные испытания показали, что при крупности кварца около 50 мм скорость его растворения не влияет на произ­водительность печи, по крайней мере, вплоть до удельного пропла­ва, равного 80 т/(м² • сут). Высокая скорость растворения туго­плавких составляющих является важной особенностью плавки в жидкой ванне.

Минимальное содержание магнетита в шлаках — обязательное условие совершенного плавильного процесса. Как уже говорилось, с увеличением содержания магнетита резко возрастает содержание растворенной меди в шлаках. Кроме того, повышение содержания магнетита (степени окисленности системы) приводит к снижению межфазного натяжения на границе раздела штейна и шлака.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ РАСЧЕТОВ

85% концентрата меди в виде халькопирита. Извлечение Cu из конверторного шлака – 80%. Состав конверторного шлака : Cu – 3%, Fe – 52%, SiO2 – 24%/

Содержание прочих в штейне – 1%.

Содержание O2 в техническом кислороде 96% (остальное N2)

Концентрация магнетита в конверторном шлаке – 30%.

Расчет основных сульфидных минералов

Дополним систему еще одним уравнением:

Таблица рационального состава концентрата

Расчет состава конверторного шлака

Исходные данные:

Cu – 3%

Fe – 52%

SiO2 – 24%

Fe3O4 – 30%