Конвертер кислорода с донной продувкой

Рисунок 1. Чертеж BBOC, установленного на наклонной раме.

Кислородный конвертер с нижним дутьем или BBOC — это плавильная печь, разработанная сотрудниками Britannia Refined Metals Limited («BRM»), британской дочерней компании MIM Holdings Limited (которая сейчас является частью группы компаний Glencore). В настоящее время печь продается компанией Glencore Technology. Это герметичная печь с плоским дном, установленная на наклонной раме, которая используется для извлечения драгоценных металлов. Ключевой особенностью является использование кожуховой фурмы для подачи кислорода через нижнюю часть печи непосредственно в драгоценные металлы, содержащиеся в печи, для окисления недрагоценных металлов или других примесей в рамках их удаления в виде шлака.

Введение

Руды, добываемые из-за содержания цветных металлов , часто содержат драгоценные металлы , обычно золото и серебро . Их необходимо удалять из недрагоценных металлов в рамках процессов рафинирования, используемых для очистки металлов. В случае меди электролитического рафинирования золото . и серебро падают на дно электролизера в виде « шламов », которые впоследствии обрабатываются для извлечения золота и серебра в качестве побочных продуктов В случае рафинирования свинца серебро, золото и другие драгоценные металлы обычно удаляются с помощью процесса Паркса , при котором цинк добавляется в слиток нечистого свинца для сбора серебра, золота и других драгоценных металлов.

Свинцовый завод BRM в Нортфлите в Англии использует процесс Паркса с последующей ликвацией и вакуумной индукционной ретортой для извлечения драгоценных металлов. Продуктом этого процесса является сырье для BBOC, состоящее из смеси свинца, серебра (60–75%), цинка (2–3%) и меди (2–3%) со следами золота. До разработки BBOC компания BRM использовала купеляцию в отражательной купеляционной печи емкостью 15 тонн («t») для извлечения драгоценных металлов из этой смеси. Три из этих печей использовались для производства 450 тонн серебра в год.

Купелирование происходит путем воздействия на смесь воздуха или кислорода при высокой температуре . Неблагородные металлы, будучи менее благородными, чем серебро и золото, реагируют с кислородом, образуя оксиды. которые отделяются от благородных металлов, образуя шлак, который плавает поверх остаточных металлов (или « доре »). В BRM Доре содержит 99,7% серебра.

Чтобы максимизировать перенос кислорода из дутьевого воздуха в отражательной печи, используется неглубокая ванна, что увеличивает соотношение площади поверхности к объему печи.

Проблема с использованием отражательных печей для купелирования заключается в том, что цинк первым окисляется, образуя корку на поверхности расплавленного материала. Эта корка препятствует проникновению кислорода к остальному материалу, поэтому ее приходится вручную разбивать и удалять с помощью отбойника . Это трудоемкий процесс, а также приводит к потере части серебра. Аналогичным образом, для поддержания работы необходимо удалять окисленный свинцовый шлак, когда он образуется, и его удаление также приводит к потере серебра.

BBOC был разработан персоналом BRM как способ решения этих и других проблем, таких как низкая энергоэффективность и низкое использование кислорода, связанных с процессом реверберационной купелляции.

Описание

Печь BBOC представляет собой цилиндрический стальной сосуд с защитной внутренней облицовкой из огнеупорного кирпича . Он установлен на наклонной раме, что позволяет удерживать его под разными углами на разных этапах рабочего цикла (см. Рисунок 2). Сверху печи закреплен колпак, обеспечивающий герметичность и предотвращающий выход свинца и других паров во время работы печи (см. Рисунок 1).

Ключевой особенностью BBOC является кожуховая фурма, которая проходит сквозь огнеупорные кирпичи в нижней части печи. Эта фурма позволяет вдувать кислород непосредственно в расплавленный металл, содержащийся в печи, вдали от огнеупорной футеровки. Это позволяет удалить область высоких скоростей реакции из области футеровки, тем самым уменьшая ее износ.

При впрыскивании кислорода непосредственно в ванну, а не нагнетании его сверху (как в случае отражательной купеляционной печи или ротационных конвертеров с верхним дутьем), наличие слоя шлака не снижает эффективность переноса кислорода. Это приводит к эффективности использования кислорода, приближающейся к 100%.

Отсутствие помех переносу кислорода слоем шлака имеет несколько ключевых преимуществ. Во-первых, повышение точности оценки эффективности использования кислорода означает, что легче рассчитать конечную точку процесса, что значительно упрощает управление процессом. Во-вторых, можно допустить более толстый слой шлака (потому что кислороду не нужно проходить через него), а это означает, что потери серебра в шлаке уменьшаются (поскольку именно серебро находится на границе раздела между металлом и шлаком). шлак, который увлекается при удалении шлака, и чем толще слой шлака, тем меньше содержание серебра в удаленном шлаке). Компания BRM сообщила об уменьшении содержания серебра в шлаке BBOC по сравнению с шлаком отражательной печи на 50%.

BRM обнаружила, что скорость реакции BBOC в 10–20 раз выше, чем в его отражательной печи купелирования.

Износ огнеупоров в BBOC в основном ограничивается шлаковой линией, в верхней части металла, где воздействие глета ( оксида свинца ) является наибольшим. Для борьбы с этим используют плавленые кристаллы магнезито-хромового кирпича прямой связки для облицовки внутренней части корпуса печи.

Операция

Рисунок 2. Рабочие позиции BBOC

На рисунке 2 показано положение BBOC на различных этапах операционного цикла.

На этапе зарядки BBOC удерживается в вертикальном положении. Твердая или жидкая загрузка добавляется с помощью мостового крана. Затем печь наклоняют вперед так, чтобы фурма находилась над шихтой, и шихта плавится с помощью масляной или газовой горелки, вставленной в верхнюю часть печи. После расплавления шихты печь снова наклоняют в положение для продувки и в ванну вдувают кислород. Шлак, образовавшийся в результате окисления свинца и цинка, периодически удаляют, снова наклоняя печь вперед и сливая его.

Расход кислорода при дутье для печи емкостью три тонны составляет 20–30 Нм. ³ /час. Цинк первоначально окисляется с образованием оксида цинка шлака на поверхности шихты, но по мере последующего образования оксида свинца образуется жидкий шлак из оксидов цинка и свинца. Большая часть меди удаляется одновременно со свинцом. Окончательное удаление меди до уровня 0,04% осуществляется в конце процесса путем дальнейшего добавления свинца для сбора меди.

Если фурму необходимо заменить в любой момент во время работы, это делается путем наклона печи вперед до тех пор, пока фурма не окажется над поверхностью ванны. где его можно снять и заменить без слива содержимого печи через отверстие в футеровке печи.

Процесс купелирования заканчивается, когда чистота серебра составляет около 99,7%. На этом этапе серебро выливается из печи и переносится в другую печь, где добавляется флюс для облагораживания и удаления кислорода из серебра с получением рыночных слитков чистотой 99,9%.

История

Раннее развитие в BRM

Сотрудники BRM начали работу над альтернативой обычной отражательной купеляционной печи в начале 1980-х годов. Это включало обзор имеющейся технологии, в том числе роторного преобразователя с верхним дутьем («TBRC»), по которому были проведены испытательные работы.

Одним из первых исследованных направлений было использование дутья, обогащенного кислородом, в отражательной печи. «Это было признано приносящим незначительную выгоду и экономически нежизнеспособным».

Впоследствии сотрудники BRM попытались увеличить скорость переноса кислорода, используя фурмы, погруженные в ванну отражательной печи, и обнаружили, что в этом есть некоторая польза. Однако скорость износа фурм была чрезмерной, и стало понятно, что базовая конструкция печи с неглубокой ванной не способствует созданию реактора высокой интенсивности.

Затем эта концепция превратилась в новую конструкцию печи с глубокой ванной, в отличие от отражательной печи.

Первоначальные испытания нижнего впрыска кислорода были проведены в небольшом масштабе в Имперском колледже в Лондоне с использованием фурмы, окруженной азотом. Они показали, что при определенных условиях на кончике инжектора может образовываться защитный налет и что использование кислорода является высоким, а реакции окисления выделяют достаточно тепла, чтобы поддерживать печь в горячем состоянии до заключительных стадий рафинирования, когда уровни примесей становятся низкими.

Кроме того, испытания TBRC показали, что он имеет высокую степень износа огнеупоров из-за вымывания шлака, вызванного вращением печи, что создавало дополнительное давление для разработки альтернативного процесса. Испытательные работы TBRC также привели к низкому использованию кислорода (около 60%).

Основываясь на успехе мелкосерийных испытаний и расчетах, показывающих, что новая конструкция обеспечит значительную экономию энергии по сравнению с отражательной печью, сотрудники BRM построили пилотную установку массой 1,5 т и рабочим объемом 150 литров («Л»). . Кислородный инжектор представлял собой неподвижную фурму, расположенную в углу основания с боковой стенкой, с кольцевым азотным кожухом.

Первоначальные испытания на пилотной установке показали, что трудно поддерживать защитное наслоение, образовавшееся в ходе мелкомасштабных испытаний, из-за изменений температуры и состава слитков, которые происходили на протяжении всего цикла купеллирования. Без нарастания азотный кожух не мог обеспечить достаточную защиту инжектора, и он сгорал до уровня огнеупорной футеровки, что приводило к повреждению футеровки.

Решением, которое в конечном итоге было разработано, стала концепция подвижной фурменной системы вместо фиксированной фурмы, которая использовалась первоначально. Копье задвинули дальше в печь, поскольку его кончик стерся.

Первоначальная система продвижения копья была ручной, но впоследствии была разработана нынешняя автоматизированная система.

После того, как на пилотной установке была разработана устойчивая система, и после трех лет разработки пилотной установки, в 1986 году на BRM был введен в эксплуатацию коммерческий BBOC грузоподъемностью 3 тонны. Его использование позволило снизить расход топлива на тонну серебра на 85% — с 30 гигаджоулей на тонну («ГДж/т») до 4,5 ГДж/т, а объем выхлопных газов — с 32 000 Нм. ³ /ч до 7500 Нм ³ /час.

Коммерциализация

После успешной эксплуатации BBOC в BRM компания MIM Holdings Limited («MIM») решила лицензировать эту технологию другим операторам металлургических и нефтеперерабатывающих заводов. Среди первых пользователей были Hindustan Zinc Limited, у которой к 1995 году было два завода по производству BBOC емкостью 1 т, работающих в Индии, и ASARCO Inc., которая эксплуатировала печь BBOC емкостью 3 т на своем нефтеперерабатывающем заводе в Омахе, штат Небраска.

НПЗ Рэнд

Южноафриканская компания Rand Refinery Limited в 1986 году реконструировала свой плавильный завод, включив в него две TBRC емкостью 1,5 т и небольшую статическую отражательную печь для купелирования для производства слитков Доре, содержащих золото и серебро. Первоначальная концепция заключалась в производстве слитков Доре непосредственно из TBRC, но это оказалось невозможным, поскольку оказалось невозможным довести стадию окисления до завершения, сохраняя при этом температуры, при которых Доре оставался бы расплавленным. Следовательно, для завершения процесса была необходима отражательная печь купелирования.

В январе 1993 года руководство Rand Refinery решило рассмотреть альтернативные технологии для замены контура отражательной печи TBRC с целью проведения купелирования в одну стадию. После оценки возможности модификации существующих TBRC путем замены существующей комбинации фурмы-горелки отдельной фурмой и горелкой, а также рассмотрения возможности полной замены TBRC на печь с фурмой с верхним погружением Ausmelt, завод Rand Refinery решил заменить один из TBRC на 4 т BBOC. Оставшийся TBRC используется для переработки глетового шлака с целью извлечения свинца для продажи.

Нефтеперерабатывающий завод Rand BBOC был введен в эксплуатацию в 1994 году. Операторы сообщили о снижении эксплуатационных расходов на 28% при сравнении затрат BBOC с затратами на комбинацию TBRC и отражательной печи. Это включало сокращение затрат на кислород на 45% и вдвое сокращение количества операторов, необходимых для эксплуатации установки. Срок службы BBOC составил 13 недель по сравнению со средним сроком службы TBRC 2 недели. Другие расходы на техническое обслуживание также снизились.

Металлургические заводы Broken Hill Associated

Свинцовый завод Broken Hill Associated Smelters Proprietary Limited («BHAS»), ныне принадлежащий Nyrstar NV, был крупнейшим в мире заводом по выплавке свинца. Его сотрудники отвечали за многие важные технические разработки в отрасли выплавки свинца, включая установку агломерата с восходящим потоком и непрерывное рафинирование свинца.

До 1990 года BHAS извлекал серебро с помощью двухэтапного процесса реверберационного купелирования. Этот процесс страдал низким уровнем извлечения (80–83%), длительным циклом (4–5 дней), что привело к большим запасам незавершенного производства, неэффективному использованию рабочей силы и энергии, а также плохой гигиене на рабочем месте. После программы испытаний, проведенной на предприятиях Ausmelt в Мельбурне, в июне 1990 года BHAS перешла на использование процесса, основанного на фурме Sirosmelt с верхним погружением.

Переход на фурменную печь увеличил использование кислорода до 95%, а продолжительность цикла сократилась до немногим менее восьми часов, «но качество Доре, которое можно было производить экономично, было плохим». Доре из новой печи по-прежнему содержал около 0,8% свинца и 0,4% меди. Также было сочтено непрактичным отливать анодные пластины Доре непосредственно из печи Sirosmelt, поэтому Доре Sirosmelt пришлось пройти дальнейший этап рафинирования в отражательной печи вместе с флюсом нитрата натрия.

Затем, в 1996 году, BHAS решила модернизировать схему аффинажа и заменила печь для рафинирования серебра Sirosmelt на печь BBOC. В 1999 году завершен ввод в эксплуатацию модернизированного аффинажного комплекса, пропускная способность свинца увеличена на 11%, мощность аффинажа серебра увеличена до более 400 т/год.

Процесс BBOC оказался «в целом успешным», хотя у него действительно возникли некоторые проблемы с заклиниванием фурмы, которые были связаны с более высоким, чем ожидалось, содержанием цинка в сырье из-за проблем с удалением цинка на более ранних стадиях нефтеперерабатывающего цикла. Более высокие уровни цинка также вызвали более высокий, чем ожидалось, износ огнеупоров и чрезмерный расход фурмы, поскольку тепло, выделяемое при окислении цинка, было больше, чем при окислении свинца.

Печь BBOC оказалась способна производить сплав Доре, содержащий всего лишь 0,01% свинца и менее 0,1% меди, при температуре около 1050 °C, но BHAS хотела отливать сплав Доре непосредственно в анодные пластины, используя существующий конвейер для литья Доре. Литье на существующем конвейере оказалось невозможным при рабочей температуре 1050 °С, поскольку из-за высокой теплопроводности серебра оно замерзало до того, как достигло форм. В результате BHAS решил повысить рабочую температуру до 1100–1150 °C, чтобы серебро оставалось жидким до тех пор, пока оно не будет разлито в анодные формы. Побочным эффектом этого является то, что содержание свинца и меди в продукте Доре выше, чем если бы печь работала при 1050 °C, при 0,2% свинца и 0,6% меди. Термодинамические расчеты показали, что это неизбежно при более высокой рабочей температуре.

Другие заводы по выплавке свинца

Помимо упомянутых выше плавильных заводов, BBOC получила лицензии для операторов плавильного завода Trail в Британской Колумбии, плавильного завода Belledune в Нью-Брансуике, плавильного завода Noyelles Godault во Франции, корейского цинкового завода в Онсане, Южная Корея, и свинцовый завод в Чандерии в Индии.

Другие приложения

Помимо использования для извлечения серебра на свинцовых заводах, BBOC использовался для обработки анодных шламов на электролитических заводах по переработке меди .

Анодные шламы состоят из твердых частиц, которые не растворяются в электролите рафинировочных камер. Сюда входит золото и серебро, присутствующие в аффинажных медных анодах. Как и при извлечении серебра при выплавке свинца, отражательные печи часто используются в медеперерабатывающей промышленности для очистки и извлечения золота и серебра из анодных шламов. Однако при производстве медных анодов Доре отражательные печи имеют те же недостатки, что и на свинцовых заводах. в том числе привело к образованию большого запаса золота в системе. Другие используемые типы печей включают ротационные конвертеры с верхним дутьем. и короткие вращающиеся печи.

ASARCO Завод по переработке желтой меди

Медный завод ASARCO Amarillo в 1991 году перешел с обработки анодных шламов в отражательной печи на BBOC, чтобы сократить запасы золота. Первоначальная отражательная печь имела емкость 15 тонн. Производственный цикл отражательной печи обычно составлял 7–10 дней, при этом окончательная продукция Доре составляла около 8 т за цикл.

Был установлен единственный BBOC емкостью 3 т, и было обнаружено, что он увеличивает удаление селена из шламов при снижении требований к флюсу примерно на 80%.

Нефтеперерабатывающий завод Sumitomo Metal Mining в Ниихаме

В 1990-х годах медный завод в Ниихаме, принадлежавший Sumitomo Metal Mining Company Limited («Sumitomo»), перерабатывал медные анодные шламы, произведенные собственными силами, вместе с анодными шламами с нефтеперерабатывающего завода Sumitomo в Тойо и свинцовыми шламами с плавильного завода Harima Smelting Process. Imperial . В общей сложности 1200 тонн в год («т/год») анодных шламов и 400 т/год шламов нефтеперерабатывающих предприятий были обработаны с использованием технологической схемы, которая включала стадию хлорирования для удаления отдельного свинца в виде хлорида свинца (PbCl ₂ ). и печь Доре отражательного типа. Здесь было добыто около 200 т серебра, 22 т золота, 1,5 т палладия , 300 кг («кг») платины и 40 кг родия , а также 60 т селена , 50 т висмута , 900 кг теллура. и 150 т сурьмяного сплава в год.

Производство золота удвоилось за десятилетие до 1996 года, поскольку его концентрация в анодных шламах и количество анодных шламов увеличились. Чтобы обеспечить это, компания Sumitomo в 1990 году решила модернизировать нефтеперерабатывающий завод и в рамках этой модернизации в октябре 1992 года установила BBOC производительностью 3,5 тонны вместо отражательной печи Доре.

Компания Sumitomo сообщила, что, хотя старая отражательная печь, работающая на жидком топливе, хорошо служила ей в течение многих лет, она имела следующие недостатки:

• его эксплуатация была трудоемкой
• у него была низкая топливная эффективность
• был большой объем отходящих газов
• скорость реакции была низкой.

Прежде чем сделать выбор, компания Sumitomo изучила печи TBRC и BBOC. Компания предпочла BBOC технологии TBRC из-за простоты контроля температуры ванны, высокой эффективности использования кислорода и простоты обслуживания.

Компания Sumitomo обнаружила, что содержание примесей в анодах Доре BBOC было высоким, когда печь была впервые введена в эксплуатацию. Это произошло потому, что для максимизации качества анодов было важно определить конечную точку реакций окисления. Компания Sumitomo обнаружила, что это можно определить путем измерения содержания кислорода в отходящих газах с помощью датчиков кислорода на основе стабилизированного диоксида циркония с электродом сравнения Fe/FeO.

Впоследствии компания Sumitomo адаптировала BBOC, чтобы можно было проводить стадию хлорирования в печи, тем самым устраняя необходимость в отдельной печи хлорирования для производства хлорида свинца. Это было сделано в феврале 1994 года и, как сообщалось, «дало очень хорошие результаты».

Медный завод Такехара

Медный завод Такехара японской компании Mitsui Mining & Smelting Company Limited ввел в эксплуатацию BBOC в своем отделе драгоценных металлов в 1993 году.

До установки BBOC нефтеперерабатывающий завод Такехара очищал смесь медных и свинцовых анодных шламов в трех отражательных печах (две работающие и одну закладывающую) в процессе, продолжительность цикла которого составляла 104 часа для аффинажа 6 т слитков. .

Отражательные печи были заменены на одиночные BBOC вместимостью 6 т сырья. Время цикла сократилось до 50 часов. Использование BBOC снизило потребление энергии с 74 ГДж/т до 27 ГДж/т, а также обеспечило лучшее удаление висмута , чем отражательные печи.

Преимущества

Сообщается о следующих преимуществах BBOC:

• очень высокая эффективность использования кислорода – впрыск кислорода непосредственно в зону реакции внутри печи приводит к значительному повышению эффективности использования кислорода (близко к 100%). ), чем в отражательных печах (8% для печи Ниихама ) или ротационные преобразователи с верхним дутьем (около 30%)
• уменьшенный объем отходящих газов – использование промышленного кислорода и высокая кислородная эффективность процесса означают, что для достижения результатов не требуется избыток воздуха. Это снижает объем отходящих газов и, следовательно, стоимость линии отходящих газов и оборудования для обработки. Rand Refinery сообщила, что объем отходящих газов BBOC составлял около 75% от объема TBRC со специальной конверсией фурмы и только 19% от объема отходящих газов при плавке с верхней погружной фурмой. Нефтеперерабатывающий завод в Ниихаме сообщил, что на его BBOC приходится 15% объема отходящих газов отражательной печи, а объем производства в 1,8 раза превышает объем продукции.
• более высокие скорости реакции – при впрыскивании кислорода непосредственно в зону реакции скорость реакции намного выше, чем в отражательных печах, где кислород сначала должен проникнуть в слой шлака. BRM сообщила, что скорость реакции на единицу объема печи в 10–20 раз выше, чем в отражательной печи.
• меньший износ огнеупоров - Rand Refinery сообщила, что огнеупорную футеровку печей TBRC необходимо было заменить примерно через две недели, тогда как футеровка печи BBOC прослужила около 14 недель.
• меньшие запасы драгоценных металлов – следствием более высоких скоростей реакции является то, что требуются меньшие объемы печей и меньшее время цикла. Это приводит к снижению запасов драгоценных металлов. При переработке слитков свинцовых шламов запасы серебра сократились с 4,5 т до 1,25 т после замены отражательной печи на BBOC, а на предприятии BRM запасы серебра упали с 11,5 т до 3,1 т с внедрением печи BBOC.
• более высокая энергоэффективность – дополнительная горелка необходима только при нагреве шихты и операциях литья Доре. Во время купелирования реакции окисления выделяют достаточно тепла для поддержания температуры. Для BBOC на нефтеперерабатывающем заводе в Ниихаме зафиксировано снижение расхода топлива на 92 % на тонну обработанного сплава Доре.
• лучшее качество продукции - BHAS сообщило, что уровни свинца и меди в серебре, полученном из BBOC, равные 0,01% и 0,1% соответственно, были возможны, когда печь работала в расчетных условиях, по сравнению с 0,04% и 0,2% для старой отражательной печи и 0,8 % и 0,4% для печи Sirosmelt. Rand Refinery сообщила, что достижимо содержание золота в слитках Доре 99,2%. BRM сообщила, что ее Доре на 99,7% состоит из серебра.
• более высокий уровень извлечения драгоценных металлов – из-за изменений в способе эксплуатации BBOC по сравнению с отражательными печами, в частности, благодаря возможности использовать более глубокие слои шлака, происходит увеличение извлечения драгоценных металлов по сравнению с отражательными печами. Замена отражательных печей на печи BBOC привела к увеличению прямого извлечения серебра с 92,5% до 97,5% в BRM и с 70% до более 95% в Ниихаме.
• простая конструкция судна - BBOC имеет относительно простую конструкцию судна без сложных движущихся частей TBRC.
• хороший контроль процесса – высокий уровень использования кислорода обеспечивает хороший контроль процесса, особенно в сочетании с датчиком кислорода в системе отходящих газов
• более низкие требования к рабочей силе – BBOC требует меньше рабочей силы, чем отражательные печи, фурменные печи с верхним погружением и TBRC
• более низкие эксплуатационные расходы – более низкие требования к рабочей силе, меньшие потребности в топливе и более длительный срок службы огнеупоров способствовали снижению общих эксплуатационных затрат на 28,3%, когда BBOC был установлен на нефтеперерабатывающем заводе в Рэнде.
• более низкие капитальные затраты – BBOC проще печи, чем TBRC или фурмовые печи с верхним погружением. Rand Refinery сообщила о сравнении капитальных затрат, указав, что ее вариант BBOC составлял 67% стоимости варианта фурмы с верхним погружением.