În funcție de chimia proceselor care au loc, există trei tipuri principale de topire în puț: topire reductivă, oxidativă și redox. În metalurgia neferoasă, topirea reductivă are la rândul său două variante: topirea reductivă fără sulfurare și topirea reductiv-sulfurată. Topirea prin oxidare este reprezentată în metalurgia neferoasă de topirea piritei și semipiritei. Topirea redox este topirea cuprului-sulfurat.
După natura pregătirii materialului pentru topire, se face o distincție între topirea minereurilor, topirea sinterizată și topirea brichetelor.
Toate tipurile de topire cu puț în metalurgia neferoaselor se realizează în cuptoare cu puț cu pereți răciți cu apă realizați din chesoane, motiv pentru care aceste cuptoare sunt uneori denumite în literatura de specialitate cuptoare cu cămașă de apă. Cuptoarele de mină sunt una dintre principalele unități metalurgice de prelucrare a minereurilor și concentratelor în metalurgia plumbului, nichelului și cuprului.
Funcționarea cuptoarelor cu puț este reprezentată de o serie de procese chimice și fizice complexe care au loc în încărcătură, penetrate de fluxul de gaze care se apropie și inaccesibile pentru observarea lor directă.
Imaginea generală a evoluției și interrelaționării principalelor procese din furnalele cu puț poate fi reprezentată după cum urmează. Încărcătura, compusă din minereu, fluxuri, turnare și cocs, este încărcată periodic în cuptorul cu puț în porțiuni separate — spițe. constând dintr-un anumit set de greutate din toate materialele. De obicei, încărcătura este încărcată în straturi, în următoarea ordine: mai întâi cocsul, urmat de strunguri, fluxuri și minereu. În cuptor, încărcătura este dispusă sub forma unei coloane verticale care se sprijină pe baia de produs topit și parțial pe pereții laterali ai cuptorului. O mare parte din greutatea coloanei de încărcătură este echilibrată de contracurentul de gaze, care exercită o presiune dinamică asupra încărcăturii.
Coloana de încărcătură se mișcă, stabilizându-se treptat din cauza formării golurilor în straturile inferioare ale încărcăturii ca urmare a arderii combustibilului și a topirii mattei și zgurii.
Aerul care intră în cuptorul cu ax prin deschiderile tuyere se întâlnește în zona tuyere a cuptorului cu ax cu amestecul de încărcătură format din bucăți de cocs și componentele cele mai refractare ale încărcăturii. Ca urmare a pătrunderii jeturilor de aer care curg din tuyere, în zona tuyere a cuptorului cu puț se formează un strat de cocs înroșit și de încărcătură care dezvoltă un proces activ de ardere a combustibilului în bucăți, precum și de oxidare a sulfurilor în stare topită. Datorită căldurii semnificative generate în volumul limitat al zonei tuyere, temperatura atinge aici valoarea maximă pentru cuptorul cu puț (1400-1600°). Zona tuyere a cuptorului cu ax, care are temperatura maximă, se numește focarul cuptorului. Temperatura focarului depinde într-o anumită măsură de temperatura de topire a zgurii și, de obicei, nu o depășește cu mai mult de 100-250°.
Gazele formate în zona tuyere a unui cuptor care funcționează în mod normal au o temperatură de 1300-1500° și un flux continuu care se deplasează în sus spre încărcătura care se scufundă, penetrând-o și spălând-o.
Între componentele încărcăturii și gaze au loc continuu procese de interacțiune chimică și schimb de căldură, în urma cărora temperatura încărcăturii pe măsură ce coboară crește treptat, iar temperatura fluxului contrar de gaze scade.
Pe măsură ce sarcina coboară, aceasta suferă transformări fizice și chimice succesive: uscare, deshidratare, disociere, oxidare sau reducere, formare de mată, formare de zgură etc. Procesele de înmuiere și topire încep pe măsură ce sarcina se apropie de focarul cuptorului. Pe măsură ce se apropie de focarul cuptorului, încărcătura începe procesele de înmuiere și topire, iar produsele lichide de topire, filtrate prin stratul de cocs, curg în interiorul cuptorului.
Compoziția stratului de cocs, care umple zona tuyerei cuptorului, poate fi diferită în funcție de tipul de topire, dacă încărcătura care intră în topire conține puține sulfuri și topirea se realizează cu un consum crescut de cocs, ajungând la 8-12% din greutatea încărcăturii, stratul de cocs este dominat de cocs. Dimpotrivă, dacă încărcătura conține multe minerale sulfurate și topirea se realizează cu un consum redus de cocs, care nu depășește 3-5% din greutatea încărcăturii, atunci în stratul de la tuyere predomină cuarțul și rocile refractare. Cu cât stratul din zona tuyerelor conține mai mult cocs, cu atât natura oxidativă a topirii este mai redusă, datorită faptului că oxigenul din explozie este cheltuit în principal pentru arderea cocsului, iar gazele care ies din focarul cuptorului au un conținut redus de oxigen.
La un conținut scăzut de cocs în patul de tuyere, oxigenul de explozie este utilizat în principal pentru oxidarea sulfurilor în stare lichidă și solidă. Sulfurile în stare solidă sunt oxidate în orizonturile superioare ale cuptorului de către gazele care părăsesc focarul, datorită conținutului lor ridicat de oxigen liber.
În consecință, gradul de desulfurare în topirea în puț variază foarte mult, de la 30 la 80%, iar gradul de reducere de la 2 la 8.
Aportul de căldură în cuptorul cu puț se realizează pe seama carbonului și a combustibilului mineral reprezentat de mineralele sulfurate conținute în minereu. În funcție de conținutul de sulfuri al minereului, aportul de căldură din combustibilul carbonic variază în mod corespunzător, de obicei între 20 și 90 % din aportul total de căldură. În consecință, aportul de căldură din reacțiile exoterme de oxidare a sulfurilor variază de la 80 la 10 % din aportul total de căldură.
Cu cât se degajă mai multă căldură în spațiul de lucru al cuptorului cu puț pe unitate de timp, cu atât mai multă încărcătură va fi topită și îndepărtată din orizonturile inferioare ale cuptorului sub formă de mată, verkbley și zgură și cu atât mai repede coloana de încărcătură va scădea în jos și productivitatea cuptorului va crește.
Cantitatea de căldură eliberată în cuptorul cu puț pe unitate de timp este determinată de cantitatea de combustibil carbonos și de sulfuri oxidate (arse) pe unitate de timp, adică intensitatea arderii cocsului și sulfurilor.
Intensitatea arderii cocsului și a sulfurilor este, la rândul său, o funcție directă a cantității de aer care intră în cuptor pe unitate de timp, adică a cantității de explozie.
Prin urmare, productivitatea unui cuptor cu puț depinde în primul rând de cantitatea de aer suflat și crește în funcție directă de aceasta.
Nu trebuie uitat faptul că, până la intrarea în zona de topire, încărcătura trebuie să fie pregătită corespunzător și reacțiile chimice necesare trebuie să fie finalizate în ea pentru a asigura compoziția adecvată a produselor de topire. În acest scop, încărcătura trebuie să se afle în orizonturile superioare ale cuptorului pentru timpul minim necesar, sub influența termică și chimică a fluxului ascendent de gaze. Spre deosebire de cuptoarele cu flacără, transferul de căldură între gaze și încărcătura de bulgări în cuptoarele cu ax are loc în condiții de contact foarte bun și de suprafață de contact dezvoltată. Prin urmare, procesele de schimb de căldură din cuptorul cu puț nu limitează, de obicei, procesul de topire, deși afectează în mod semnificativ performanța termică a acestuia.
Cele de mai sus arată că principalul mijloc de creștere a productivității cuptoarelor cu puț constă în creșterea cantității de blast furnizat cuptorului. În mod firesc, se pune întrebarea: în ce limite este rezonabilă creșterea cantității de blast? Studiile arată că cantitatea de blast nu este încă limitată de viteza proceselor de ardere a cocsului, de oxidare a sulfurilor sau de reducere a oxizilor, ci depinde în principal de mecanica coloanei de încărcare și de fluxul de gaze. Pentru funcționarea normală a cuptoarelor cu puț, cea mai importantă condiție este contramișcarea corectă și uniformă a încărcăturii și a gazelor, adică mecanica încărcăturii și a gazelor. Principalul lucru în mișcarea descendentă a încărcăturii este coborârea sa uniformă pe întreaga secțiune transversală a cuptorului, fără opriri și smucituri. Principalul lucru în mișcarea ascendentă a gazelor este o distribuție mai mult sau mai puțin uniformă a fluxurilor de gaze în secțiunea transversală a cuptorului, fără suflări locale sau zone ne suflate. Se pare că, atunci când se mărește cantitatea de aer furnizată cuptorului cu ax, poate apărea un moment în care presiunea dinamică a fluxului de gaze va echilibra greutatea coloanei de încărcare. Ca urmare, mișcarea uniformă a încărcăturii de sus în jos va înceta, încărcătura va începe să se miște, va fi suflată în ea și vor apărea canale. Încălcarea coborârii normale a încărcăturii și a distribuției normale a jeturilor de gaz în aceasta provoacă perturbarea procesului termic și tehnologic de topire, îndepărtarea excesivă a prafului etc.
Cantitatea de explozie care provoacă aceste fenomene se numește limită de explozie. Viteza limită de explozie depinde de compoziția și proprietățile materialelor de încărcare și de caracteristicile fluxului de gaze. Prin modificări corespunzătoare ale compoziției și proprietăților materialelor de încărcare, de exemplu prin creșterea dimensiunii bulgărilor, este posibilă creșterea semnificativă a vitezei limită de suflare. De asemenea, este posibilă creșterea limitei de suflare prin modificarea caracteristicilor fluxului de gaze, de exemplu prin creșterea presiunii pe grătar.
Principalele avantaje ale cuptoarelor cu puț: productivitatea specifică ridicată a cuptoarelor, care ajunge la 40-120 t/m 2 — zi; gradul ridicat de desulfurare și reducere, care este de 30-80 și, respectiv, 2-8%; utilizarea îmbunătățită a căldurii în cuptor, exprimată în creșterea valorii randamentului termic, egală cu 40-60%, și reducerea consumului de combustibil, egală cu 3-12% din greutatea încărcăturii.
Principalele dezavantaje ale cuptoarelor cu puț sunt: cerințe sporite față de grosimea încărcăturii, reglementând aportul de materiale cu dimensiunea bucăților nu mai mică de 10-20 mm; emisii sporite de praf, care ajung la 4-12% din greutatea încărcăturii în cazul încărcăturii fine; consum semnificativ de cocs.
