FI108542B - Menetelmä kuonan ei-rautametallipitoisuuden alentamiseksi suspensiosulatusuunissa tapahtuvassa ei-rautametallien valmistuksessa - Google Patents

Description

1 508542

MENETELMÄ KUONAN El-RAUTAMETALLIPITOISUUDEN ALENTAMISEKSI SUSPENSIOSULATUSUUNISSA TAPAHTUVASSA EI-RAUTA-METALLIEN VALMISTUKSESSA

5 Tämä keksintö kohdistuu menetelmään, jossa suspensiosulatusuunissa tapahtuvassa ei-rautametallien kuten kuparin tai nikkelin valmistuksessa syntyvän kuonan ei-rautametallipitoisuutta pienennetään syöttämällä uuniin metallurgista koksia, jonka kokoluokka on 1 - 25 mm. Uunin katosta alaspäin on edullista sijoittaa virtaushaittoja, joiden avulla estetään pienten kuparia 10 tai nikkeliä sisältävien partikkelien kulkeutuminen uunin peräosaan ja sieltä kuonan mukana ulos. Virtaushaitat pakottavat pienet partikkelit laskeutumaan uunin pelkistysvyöhykkeelle.

Ennestään on tunnettua, että suspensiosulatusuunissa kuten liekkisulatus-15 uunissa voidaan tuottaa kuparipitoisuudeltaan alhaista kuonaa, kun käytetään kiinteää koksia tai muuta hiilipitoista ainetta pelkistämässä kuonaa ja siihen liukenevaa kuparioksiduulia sekä erityisesti magnetiittia, joka lisää kuonan viskositeettia ja hidastaa kuonassa olevien sulien : kivipartikkelien erkautumista laskeutumalla.

20 US-patentista 5,662,370 tunnetaan menetelmä, jolle on olennaista, että ’ ’ reaktiokuiluun syötettävän hiilipitoisen materiaalin hiilipitoisuus on vähintään ψ · · '·'/ 80%, materiaalin partikkeleista vähintään 65% on alle 100 μπ\ ja vähintään 25% välillä 44 -100 μπ\. Partikkelikoko määritellään tarkasti, koska patentin ... 25 mukaan magnetiitin pelkistys palamattoman koksin avulla tapahtuu kahdella • · * /··.·. mekanismilla ja partikkelikoolla on ratkaiseva merkitys mekanismien suhteen. Kun karkean koksijauheen koko on luokkaa 100 ^m tai suurempaa, palamattoman osan partikkelikoko on suuri ja tämän vuoksi koksi jää kuonan pinnalle ja reaktiot ovat hitaita. Kun partikkelikokoa pienennetään, I I · ···. 30 koksijauhe menee kuonan sisään ja siten suoraan kontaktiin pelkistettävän magnetiitin kanssa, mikä lisää reaktionopeutta.

2 ' '8 542 JP-patenttihakemuksessa 58-221241 kuvataan menetelmää, jossa jauhemaista koksia (coke breeze) tai jauhemaista koksia yhdessä jauhemaisen kivihiilen kanssa syötetään liekkisulatusuunin reaktiokuiluun 5 rikastepolttimen kautta. Koksia syötetään uuniin siten, että alauunin koko sulapinta on tasaisesti peitetty palamattomalla koksilla. Hakemuksen mukaan magnetiitin pelkistysaste laskee, kun partikkelikoko on ultrahieno, joten käytetty partikkelikoko on välillä 44 μπ\ - 1 mm. - Kuonan peittäminen palamattomalla koksilla, joka jää kuonasulan päälle, laskee merkittävästi 10 hapen osapainetta. Koksikerroksesta syntyvä, hyvin pelkistävä atmosfääri aiheuttaa uunissa esimerkiksi vaurioita uunin vuoraukseen.

JP-patentissa 90-24898 on kuvattu menetelmää, jossa jauhemaista koksia tai partikkelikooltaan alle 40 mm olevaa kivihiiltä on syötetty liekkisulatus-15 uuniin korvaamaan ylimääräisenä polttoaineena käytettävää öljyä ja siten ylläpitämään uunissa haluttua lämpötilaa.

JP-patenttihakemus 9-316562 kohdistuu samanlaiseen menetelmään kuin ‘ edellä mainittu US 5,662,370. Erona US-patentin menetelmään on, että hiili- |··*’ 20 pitoinen materiaali syötetään liekkisulatusuunin reaktiokuilun alaosaan, jolloin ehkäistään hiilipitoisen materiaalin palaminen ennen kuin hiilipitoinen materiaali saavuttaa kuonan ja kuonassa olevan pelkistettävän magnetiitin.

F · ·

Partikkelikooltaan hiilipitoinen materiaali vastaa olennaisesti em. US-patentissa kuvattua jakautumaa.

25

Joissakin edelläkuvatuissa menetelmissä on heikkoutena koksin pieni partikkelikoko siten, että pienet koksipartikkelit eivät lainkaan laskeudu kaasufaasista vaan jatkavat kaasufaasin mukana nousukuiluun ja siitä edelleen pelkistinaineena jätelämpökattilaan. Kattilassa koksipartikkelit 30 reagoivat ja tuottavat väärässä paikassa tarpeetonta energiaa, mikä 3 ’<18542 mahdollisesti rajoittaa jopa koko prosessin kapasiteettia jätelämpökattilan kapasiteetin pienentyessä.

Suspensiosulatusuunissa kulkeutuu hienojakoisista materiaalia, esimerkiksi 5 kuparipitoisia oksideja mutta myös kuparikivihiukkasia, kaasufaasin mukana myös uunin peräosaan ja nousukuiluun. Kun nämä pienimmät partikkelit eroavat kaasuvirrasta uunin perätilassa ja laskeutuvat kuonafaasin pinnalle, on niiden laskeutuminen kuonafaasissa hyvin hidasta juuri pienen partikkelikokonsa vuoksi. Koska kuonan lasku tapahtuu pääsääntöisesti uunin 10 peräosasta tai sivulta, nämä partikkelit eivät ehdi laskeutua kuonafaasin läpi vaan kulkeutuvat kuonan laskun yhteydessä ulos uunista ja lisäävät kuonan kuparipitoisuutta.

Edelläkuvattujen ongelmien ratkaisemiseksi on nyt kehitetty menetelmä, 15 jonka avulla voidaan välttää aikaisempien menetelmien haittoja. Kehitetyssä menetelmässä pyritään suspensiosulatusuunissa tapahtuvassa ei-rautame-tallien kuten kuparin ja nikkelin valmistusprosessissa alentamaan syntyvän kuonan ei-rautametallipitoisuus mahdollisimman alhaiseksi, niin että kuona !' ' olisi poisheitettävää kuonaa eikä tarvitsisi jatkokäsittelyä. Menetelmässä t 20 käytetään kuonan pelkistämiseksi metallurgista koksia, jonka kokoluokka on alueella 1 - 25 mm, jolloin pääosa reaktiokuilun kautta syötettävästä koksista erkautuu kaasufaasista suspensiosulatusuunin alauunissa ja laskeutuu kuonafaasin pinnalle, jossa kuonan pelkistys tapahtuu alueella, johon myös pääosa tuotteena saatavasta kivestä ja kuonasta erkautuu 25 Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista vaatimuksista.

t » · • tl*

It· I · » , *. Menetelmässä on edullista käyttää metallurgista koksia, koska sen sisältämä haihtuvien aineiden määrä on pieni, jolloin ko. raaka-aineiden pelkistyspotentiaalista voidaan käytää suurempi osa itse pelkistykseen • · · ·", 30 ilman, että turhaan tuotetaan ylimääräistä lämpöenergiaa, kun pelkistys- materiaalin haihtuvat aineet palavat. Samalla pienennetään koksille 4 ί Π H S 4 2 reaktiokuilussa tapahtuvien, happea sitovien reaktioiden määrää, jolloin tuotteena syntyvän kiven laatua voidaan kontrolloida paremmin. Perinteisesti kontrollointi tapahtuu prosessin ilmakerrointa (happimäärä/rikas-temäärä, Nm3/t) säätämällä.

5

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävä metallurginen koksi on raekooltaan sellaista, että pääosa reaktiokuilun kautta syötettävästä koksista erkautuu kaasufaasista suspensiosulatusuunin alauunissa ja laskeutuu kuonafaasin pinnalle, jossa kuonan pelkistys tapahtuu alueella, 10 johon myös pääosa tuotteena saatavasta kivestä ja kuonasta erkautuu kaasufaasista. Pelkistys tapahtuu alueella, missä se on lämpötaloudellisesti edullisinta: pelkistykseen tarvittava lämpö tuodaan reaktiokuilusta tulevien tuotteiden lämpösisällössä ilman, että tarvitaan ylimääräistä energiaa pelkistyksen toteuttamiseksi.

15

Partikkelikooltaan metallurginen koksi on edullisesti luokkaa 1-25 mm. Suuremman kokoluokan koksilla on niin pieni ominaispinta-ala, että se ei reagoi tehokkaasti kuonan kanssa. Jos käytetään pienempää raekokoa kuin em. 1-25 mm, koksi reagoi aktiivisesti jo reaktiokuilussa ja sitä kulkeutuu 20 enemmän kaasufaasin mukana nousukuiluun, ja tällöin toivottu kuona-kontakti ja pelkistysvaikutus jää huonoksi. Kun hienojakoinen koksi . . *« · I · kulkeutuu kaasufaasin mukana nousukuiluun ja/tai jätelämpökattilaan, se tuottaa energiaa prosessin sellaisessa vaiheessa, missä sitä ei tarvita ja V · · samalla se pienentää kattilan kapasiteettia. Koksin syöttöä kontrolloidaan 25 siten, että uuniin ei kerry merkittävää määrää koksia, korkeintaan muutama » senttimetri, vaan kaikki koksi kulutetaan pelkistysreaktioissa.

» » • » · t * » ,···, Keksinnön mukaisessa menetelmässäkin hienojakoisen kiviaineksen laskeutuminen kuonafaasin pinnalle aiheuttaa edelleen jonkin verran samaa 30 ongelmaa kuin mitä edellä on kuvattu: pienet kuparia tai nikkeliä sisältävät » ♦ partikkelit eivät ehdi laskeutua kuonafaasin läpi kivifaasiin vaan jäävät 5 ->42 kuonaan nostaen poislaskettavan kuonan kupari- tai nikkelipitoisuutta. Tämä ongelma on edullista ratkaista menetelmässämme kuvatulla tavalla: sijoittamalla suspensiosulatusuunin kattoon alauunin osalle virtaushaittoja, jotka vaikeuttavat hienojakoisten partikkelien kulkeutumista kaasufaasin 5 mukana uunin peräosaan laskuaukkojen läheisyyteen. Virtaushaitat on sijoitettu uunin katosta alaspäin siten, että ne alaosastaan ulottuvat joko kuonasulaan tai lähelle sen pintaa. Virtaushaitat konstruoidaan edullisesti vesijäähdytetyistä kuparielementeistä, jotka on suojattu tulenkestävän materiaalin kuten tiilten tai massauksen avulla.

10

Virtaushaittojen ansiosta hienojakoisin kuparia tai nikkeliä sisältävä aines saatetaan laskeutumaan pelkistysvyöhykkeen alueelle. Näin ollen ei kuonassa ole laskualueella enää ei-rautametallia sisältävistä partikkeleista muodostuvia, hitaasti laskeutuvia ja kuonan kuparipitoisuutta nostavia 15 aineksia. Siten kuonan laskureiästä uloslaskettava kuona on kupari- tai nikkelipitoisuudeltaan alhaisempaa kuin toimittaessa ilman koksipelkistystä ja virtaushaittoja.

Keksinnön mukaista uunikonstruktiota kuvataan tarkemmin oheisten kuvien 20 avulla, jolloin kuva 1 on poikkileikkaus suspensiosulatusuunista ja kuva 2 kuvaa koksin syöttömäärän vaikutusta suspensiosulatusuunin lopputuotteisiin.

» * * 25 Kuvan 1 mukainen suspensiosulatusuuni 1 muodostuu reaktiokuilusta 2, * * » ,··,·. alauunista 3 ja nousukuilusta 4. Metallurgista koksia syötetään reaktiokuilun . 2 yläosaan sijoitetun rikastepolttimen 5 kautta uuniin yhdessä kuparirikas- I * * teen, kuonaamuodostavan aineen ja happipitoisen kaasun kanssa. Reaktiokuilussa sinne syötettävät materiaalit koksia lukuunottamatta 30 reagoivat keskenään ja muodostavat alauuniin kivikerroksen 6 uunin pohjalle ja kuonakerroksen 7 tämän päälle. Metallurgisen koksin ja muiden 6 108542 syötettävien aineiden väliset reaktiot reaktiokuilussa ovat vähäiset valitusta raekoosta johtuen, ja koksi laskeutuu kerrokseksi 8 kuonakerroksen päälle alauuniin, jolloin halutut pelkistysreaktiot tapahtuvat.

5 Alauunin katto 9 on varustettu yhdellä tai useammalla virtaushaitalla 10A ja 10B, jotka on ripustettu katosta alaspäin ulottumaan joko sulan kuonakerroksen 7 sisälle (1 OB) tai lähelle kuonasulan pintaa (10A). Kuvasta | nähdään myös, että virtaushaitat on edullisesti sijoitettu joko nousukuilun j eteen tai sen taakse, ennen kuonan laskuaukkoa. Reaktiokuilun reaktioissa ίο syntyneet kaasut poistetaan nousukuilun 4 kautta jätelämpökattilaan 11. Alauunin kuona ja kuparikivi poistetaan uunin peräosaan sijoitettujen | laskuaukkojen 12 ja 13 kautta.

ί l

Esimerkki 15 Metallurgisen koksin vaikutusta demonstroitiin pienoisliekkisulatusuunissa (PiLSU) syöttämällä uuniin tarkasti mitaten noin 100-150 kg/h rikastetta, jonka analyysi oli keskimäärin 25.7 % Cu, 29.4 % Fe ja 33.9 % S yhdessä konvertterikuonan ja tarvittavan silikafluksin kanssa. Fluksia ja konvertteri- ' kuonaa syötettiin 26 - 33% rikasteen määrästä. Tuotetun kiven kuparipitoi- "* ‘ 20 suus oli 63 - 76% Cu. Koeajopisteissä, joissa koksia oli syötteessä mukana, 1 · ···* syötettiin 2 - 6 kg koksia/h eli noin 1.0 - 3.1 % rikastesyötteestä. Kokeissa $ · · · käytetyn koksin Cfjx oli 80% sekä tuhkapitoisuus 16.3 % ja haihtuvien määrä 3.3%. Kokeissa käytettiin kahta eri koksifraktiota ja niiden seosta eli 1-3 • · · » » · mm:n fraktiota ja 3-8 mm:n fraktiota.

i i t 25

Koeajoissa yhden ajojakson pituus oli noin 3-5 tuntia, jonka jälkeen • · ,··, tuotemateriaalit laskettiin ulos uunista. Osassa koeajoja ei käytetty lainkaan • , pelkistinkoksia vertailutulosten tuottamiseksi. Koeajon tulokset on esitetty kuvassa 2, jossa on esitetty kuonaan jääneen kuparin osuus koko syötetystä 30 kuparista kuparikiven kupariprosentin funktiona. Kuvasta nähdään, että jo ··' pienellä koksilisäyksellä saavutetaan ko. koeuunissa merkittävä parannus 7 '08542 kuparin kuonautumiseen: syötettäessä koksia alle 3 kg/h jäi kuonaan noin | 77.5% ilman koksia tapahtuneisiin koeajoihin verrattuna. Suuremmilla koksimäärillä toimittaessa oli kuonaan jääneen kuparin määrä enää 54,7% ilman koksia tapahtuneisiin koeajoihin verrattuna, joten menetelmän 5 tehokkuus on ilmeinen. Karkeammalla fraktiolla saavutettiin parempi pelkis-tystulos kuin pelkästään hienolla fraktiolla toimittaessa, jolloin jopa noin yksi kolmasosa koksista reagoi jo PiLSU:n reaktiokuilussa, ja tehokas pelkistys-vaikutus kuonaan jäi saavuttamatta.

10 » I t t • · 1

Claims (5)

8. O 8 5 42

1. Menetelmä kuonan ei-rautametallipitoisuuden alentamiseksi suspen-siosulatusuunissa tapahtuvassa ei-rautametallin kuten kuparin tai 5 nikkelin valmistuksessa, jolloin uuniin syötetään rikasteen, happi-pitoisen kaasun ja kuonaamuodostavan aineen lisäksi rikastepolttimen kautta koksia kuonan pelkistämiseksi, tunnettu siitä, että uunin syötettävä koksi on metallurgista koksia, jonka raekoko on alueella 1 -25 mm. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pienten ei-rautametallia sisältävien partikkelien kulkeutuminen uunin peräosaan ja sieltä kuonan mukana ulos estetään sijoittamalla uunin katosta alaspäin virtaushaittoja. 15

3. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että virtaushaitat (10) ulottuvat kuonasulan (7) sisälle.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 20 virtaushaitat (10) ulottuvat lähelle kuonakerroksen (7) pintaa. 1 ( » • t t » · · t ·

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että I · . : ·. virtaushaitat (10) on valmistettu vesijäähdytetyistä kuparielementeistä, jotka on suojattu tulenkestävällä materiaalilla. 25 • · I I t 1 » · · 1Π8542