Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 52
Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет) КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Металлургия и основы металлургического производства По дисциплине __________________________________________________________ ________________________________________________________________________ (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Выполнил: студент гр. ММ-05
____________________ / Иванов А.А. /
(подпись)
(Ф.И.О.)
ОЦЕНКА:
_____________ Дата: ___________________ Руководитель проекта __профессор
__ __________________ / Петров Г. В.
/ (должность) (подпись) (Ф.И.О.)
Санкт-Петербург 2008 В работе освещены вопросы теории и практики конвертирования медно-никелевых штейнов. Проведен расчет материального и теплового баланса процесса на основании практики конвертирования медно-никелевых штейнов рудотермических печей комбината «Печенганикель». In work the questions of the theory and practice of converting copper-nikel stein are covered. The account of material and thermal balance of process is carried out on the basis of practice of converting copper-nikel stein ore-thermal of furnaces of combine «Pechenganikel». Введение…………………………………………………………………………4 1. Теоретическая часть 1.1 Характеристика исходных материалов процесса конвертирования…….5 1.2. Теоретические основы процесса конвертирования медно-никелевых штейнов………………………………………………………………………….7 1.3 Продукты конвертирования……………………………………………….10 2. Материальный баланс процесса 2.1 Технологическая схема конвертирования………………………………..13 2.2 Расчет ведем в соответствии с технологической схемой……………….13 3 Аппаратно-технологическая схема конверторного передела…………….22 Список использованной литературы………………………………………....23 Технологическая схема переработки медно-никелевых руд начинается с процессов обогащения и состоит из четырех циклов: 1) механическое обогащение руд; 2) металлургический передел (плавка концентратов и конвертирования штейна); 3) разделения меди и никеля методом флотации; 4) извлечение полученных из медных и никелевых концентратов меди, никеля и сопутствующих металлов. Рис.1. Технологическая схема АО “ГМК Печенганикель” Основной технологической задачей процесса конвертирования штейнов является продувка жидкого штейна воздушным дутьем и получения файнштейна заданного качества. При продувке железо и другие компоненты окисляются и переходят из штейна в шлак, сера, окисляясь, переходят в газовую фазу. Конвертерные газы после очистки от пыли, поступают в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают в сернокислотный завод для получения серной кислоты. Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди. Файнштейн является конечной продукцией комбината. Его дальнейшая переработка осуществляется на комбинате «Североникель». В таблицах 1 и 2 приведены опытные данные конвертирования. Таблица 1. Опытные данные конвертирования, %
Таблица 2. Опытные данные конвертирования с загрузкой массы из конвертора 1, %
Штейн - промежуточный продукт, представляющий сплав сульфидов железа и цветных металлов переменного химического состава, в нём аккумулируются имеющиеся в сырье благородные и сопутствующие металлы. Таблица 3. Состав штейнов, поступающих на конвертирование, % Штейн имеет низкое содержание серы, в связи с этим серы штейна не хватает для связывания всех металлов в сульфид и часть металлов находится в нем в свободном состоянии, такие штейны называют металлизированными. Штейны обеднительного передела имеют большую степень металлизации. Это существенно влияет на режим процесса конвертирования. Так же используется штейн из рудотермических печей, получаемый при плавке в РТП руды, обожженных окатышей, оборотного шлака и флюса, а так же штейн из электропечей обеднения конверторного шлака, получаемый при переработке в ЭПО конверторного шлака. Флюсы - материалы, применяемые в металлургических процессах с целью образования или регулирования состава шлака, предохранения расплавленных металлов от взаимодействия с внешней газовой средой, а также служащие для связывания окислов при пайке и сварке металлов. Кварцевый флюс (70-75% SiO2
) при конвертировании штейнов отвечает всем необходимым требованиям. Необходимо отметить, что кварцевый флюс в конверторном процессе применяют еще и в качестве регулятора температуры. Так же в качестве флюса применяется речной песок (65-68% SiO2
). По техническим условиям содержание кремнезема SiO2
не должно быть ниже 67 %. Обычно предпочитают флюсы с максимальным содержанием кремнезема, поскольку в этом случае расход флюса минимален, а процесс шлакообразования протекает наиболее успешно. Влажность кварцевого флюса не должно превышать 2 %. Руда с низким содержанием металлов подвергается переработке на обогатительной фабрике в городе Заполярном. Полученный медно-никелевый сульфидный концентрат поступает в цех обжига, также расположенный в Заполярном. Обожженные окатыши поступают на рудную электроплавку в плавильный цех в поселке Никель. В сернокислотном цехе перерабатывают газы конверторного передела, содержащие в среднем 3% диоксида серы. Богатые сульфидные медно-никелевые руды перерабатываются по схеме прямой селективной флотации с последовательным получением медного, никелевого, пирротинового концентратов и отвальных хвостов. Далее производится плавка. Конвертирование штейнов — один из основных металлургических процессов в производстве меди и никеля. Конвертерный передел является частью плавильного цеха. В нем размещаются конвертеры - агрегаты, в которых перерабатывается медно-никелевый штейн, поступающий из рудно-термических и обеднительных электропечей. Целью конвертерного процесса является удаление из штейна практически всего железа и получение продукта, который называется файнштейном. В файнштейн с возможной полнотой должны быть извлечены никель, медь, кобальт, благородные (платина, рутений, родий, иридий, осмий) металлы. В конверторах расплавленный штейн продувают воздухом в присутствии вводимого в конвертер кварцевого флюса. Образующее при продувке закисное железо FeO взаимодействует с кварцем флюса, образуя силикат типа фаялита [(FeO)2
ґSiO2
]. В операции конвертирования получают три конечных продукта: файнштейн; конверторный шлак и запыленные отходящие газы, содержащие сернистый ангидрид (SO2
). Конверторный шлак направляют на операцию обеднения для обеспечения более высокого извлечения ценных металлов в файнштейн. Конверторные газы после очистки от пыли, поступающей в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают на сернокислотный завод для получения серной кислоты. Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди. Сульфиды железа, кобальта, никеля и меди, из которых в основном состоит штейн, каждый в отдельности, при температуре конвертирования (1200С-1300o
С) обладает высоким сродством к кислороду. Это означает, что каждый сульфид способен активно окисляться кислородом по следующим реакциям: FeS+0,5ґO2
=FeO+SO2
; CoS+0,5ґO2
=CoO+SO2
; Cu2
S+0,5ґO2
=2ґCu+SO2
; 2ґCu+0,5ґO2
=Cu2
O ; Ni3
S2
+1,5ґO2
=3ґNiO+2ґSO2
. Высокое сродство к кислороду при температурах конверторного процесса имеют также свободные металлы - железо, кобальт, никель и медь - и поэтому, они каждый в отдельности, весьма, активно взаимодействуют с кислородом. При совместном присутствии в расплаве металлы и сульфиды окисляются не одновременно, а в определенной последовательности в соответствии с величинами их сродства к кислороду или сере. При продувке воздухом медно-никелевого штейна, не содержащего свободных металлов, в начале кислородом воздуха будет окисляться наиболее активная составляющая расплава FeS по реакции FeS+0.5ґO2
=FeO+SO2
. Находящийся в расплаве FeS защищает сульфиды Со, Ni и Cu от окисления, так как обменные реакции MeO+FeS=MeS+FeO, где Me означает Со, Ni, Cu, протекают слева направо. Основная реакция конвертирования неметаллизированных штейнов: 2ґFeS+3ґO2
+SiO2
= (FeO)2
ґSiO2
+2ґSiO2
. При конвертировании большее значение имеет процесс образования магнетита (Fe3
O4
). Магнетит образуется при конвертировании любых штейнов вследствие окислительного характера процесса. При продувке металлизированных штейнов в начале протекает следующая реакция: 2ґFe+0.5ґO2
+SiO2
= (FeO)2
ґSiO2
Только после практически полного окисления свободного железа начинает окисляться FeS, характеризующее начало периода продувки. Основная реакция конвертирования металлизированных штейнов: 6ґFe+3ґO2
+3ґSiO2
=3ґ(FeO)2
ґSiO2
Конвертерный процесс осуществляется за счет тепла экзотермических реакций окисления свободного железа(Fe) и его сульфида(FeS) и ошлакования закиси железа и по этому не требует использования топлива. Основные реакции конвертирования: 6ґFe+3ґO2
+3ґSiO2
=3ґ[(FeO)2
ґSiO2
]+448800
кал
2ґFeS+3ґO2
+SiO2
= (FeO)2
ґSiO2
+2ґSO2
+246080
кал
Продувка металлизированных штейнов имеет значительно большие резервы тепла, чем продувка насыщенных серой не металлизированных расплавов. Основные данные по температурному режиму процесса конвертирования Сu-Ni штейнов: Температура штейна рудотермических печей, o
C…………………1100-1200 Оптимальная температура массы в конвертере в период набора, o
C……………………………………………………………...1220-1250 Оптимальная температура массы в конвертере в период варки файнштейна, o
C……………………………………………………1180 Температура, o
C: конвертерных шлаков…………………………………………….1150-1290 конвертерных газов………………………………………………...950-1000 Количество холодных присадок зависит от степени металлизации штейна и ряда факторов, связанных с емкостью конвертера и характером поведения процесса. В условиях комбината «Печенганикель» количество холодных присадок составляет 10-20 %. Окисление штейна происходит на границе воздух-штейн газового пузыря, образуемого дутьем, и в самой газовой струе на границе воздух -распыленный штейн, имеющей весьма развитую поверхность. 1) При продувке не металлизированных штейнов на границе газовый пузырь - штейновый расплав происходит преимущественное окисление сернистого железа, причем оно протекает непосредственно до магнетита по реакции 3ґFeS+5ґO2
= Fe3
O4
+3ґSO2
. Магнетит далее частично восстанавливается в расплаве по реакции 3ґFe3
O4
+FeS=10ґFeO+SO2
. Внутри дутьевого факела, кроме этой реакции, идут также следующие: 2ґNi3
S2
+7ґO2
=6ґNiO+4ґSO2
(после выгорания FeS) 2ґCu2
S+3ґO2
=2ґCuO+2ґSO2
(после выгорания основного количества Ni3
S2
) Сu2
S+2ґCuO=6ґCu+SO2
. Далее образовавшиеся окислы и металлы, взаимодействуя со штейном, восстанавливаются и сульфидируются по реакциям: 3ґNiO+3ґFeS=Ni3
S2
+3ґFeO+0,5ґS2
, Cu2
O+FeS=Cu2
S+FeO, 2ґCu+FeS=Cu2
S+Fe. Таким образом, в конечном счете окисляется сернистое железо штейна при незначительном переходе цветных металлов в шлак, определяемом равновесием последних трех реакций и другими причинами физического характера, рассматриваемыми ниже. 2) При продувке металлизированных штейнов окислительные процессы протекают по несколько иной схеме. На границе воздух - штейновый расплав идет реакция избирательного окисления металлического железа до вюстита FeO по реакции 2ґFe +O2
=2ґFeO. В дутьевой струе происходит окисление мелких капель штейна по стадиям: 2ґFe +O2
=2ґFeO, 3ґFeO+0,5ґO2
.=Fe3
O4
, 3ґFeS+5ґO2
=Fe3
O4
+3ґSO2
(после выгорания Fe), 2ґNi3
S2
+7ґO2
=6ґNiO+4ґSO2
(после выгорания FeS), 2ґCu2
S+3ґO2
=2ґCu2
O+2ґSO2
( после выгорания большей части Ni3
S2
), Cu2
S+2ґCu2
O=6ґCu+SO2
. Окислы цветных металлов и двуокись серы взаимодействуют с расплавленным штейном, в результате чего металлы и сера снова переходят в штейн по реакциям: 3ґNi+2ґFeS=Ni3
S2
+2ґFe, Cu2
O+Fe=2ґCu+FeO, 2ґCu+FeS=Cu2
S+Fe, SO2
+3ґFe=FeS+2ґFeO. Конечными продуктами конверторного передела являются медно-никелевый файнштейн, конвертерный шлак периода набора, конвертерные газы и конвертерная пыль. Кроме, того при конвертировании получают шлаки периода варки файнштейна, которые являются внутренним оборотным продуктом конвертерного передела. В таблице приведен состав файнштейна, получаемого на «Печенганикель».. Таблица 4. Состав медно-никелевого файнштейна ,% Медно-никелевый файнштейн разделяют методом флотации. Успешное разделение его на никелевый и медный концентраты зависит от: 1) состава и главным образом от содержания серы и железа. По действующим техническим условиям содержание серы в файнштейне не должно быть ниже 23%. 2) отношение меди к никелю в нем. В настоящее время перерабатывают файнштейн, отношение меди к никелю в котором не превышает 1,0. Состав конвертерного шлака приведен в таблице 5. Конвертерные шлаки состоят в основном из силикатов железа фаялита (FeO)2
ґSiO2
, в котором растворено небольшое количество окислов, перешедших из кварцевого флюса и футеровки. Конвертерные шлаки также содержат некоторое количество цветных металлов. Цветные металлы в шлаке находятся в трех основных формах: свободных сульфидов, сульфидов, растворенных в шлаке, и окислов, образующих обычно в расплаве силикатные комплексы. Таблица 5 . Состав конвертерных шлаков, % В шлаке также растворяется заметное количество сульфида железа, чем объясняется повышенное содержание в шлаке серы. Характерная особенность конвертерных шлаков - присутствие в них значительных количеств магнетита. Содержание магнетита в шлаке обычно составляет 10-25 % и зависит от ряда факторов. Концентрация SO2
в отходящих газах в газоходе снижается вследствие очень больших подсосов воздуха через напыльник в газоходную систему. С целью повышения концентрации SO2
в газах для получены из него серной кислоты на предприятии установлены герметичные напыльники. На графике приведён состав конверторных газов по ходу продувки
Рис 2. Состав конверторных газов по ходу продувки 1- обычный режим продувки; 2,3 – продувка обогащённой массы, перелитых из других конверторов; 4,5 – продувка штейна, залитого на оставленный в конверторе шлак; 6 – продувка после загрузки ферроникелевых «жуков»; 7 – продувка одного ковша штейна В результате интенсивной продувке расплава воздухом конвертерный процесс всегда сопровождается некоторым разбрызгиванием массы, которая выносится в газоходную систему и там оседает в виде конверторной пыли, Частично из конвертера выносится мелкая фракция кварцевого флюса и холодных присадок. Примерный состав конвертерной состав пыли приведен ниже, %: Ni ………………….9,0-12,0 Fe…………………….16,0-25,0 Cu…………………10,0-15,0 S………………………10,0-12,0 Co………………….0,3-0,4 SiO2
……………………22,0-30,0 Конвертерная пыль является оборотным материалом. Крупную фракцию конвертерной пыли перерабатывают в конвертерах, а мелкую - в руднотермических электропечах. Газ и пыль Файнштейн Конвертерный шлак Газы Пыль На производство В электро- Н2
SO4
или плавку в трубу 2.2.1 Вещественный состав штейна Принимаем, что цветные металлы находятся в штейне в виде Для расчета массы Тогда масса Аналогично рассчитывается масса других соединений. Для железа сначала считаем массу Таблица № 6 Вещественный состав медно-никелевого штейна, кг Соединения Элементы Ni Cu Co Fe S O2
Прочие Всего Ni3
S2
10,5 3,823 14,323 Cu2
S 7,7 1,943 9,643 CoS 0,55 0,299 0,849 FeS 36,46441 20,936 57,400 Fe3
O4
9,14 3,490 12,626 Fe мет 4,00 4,00 прочие 1,160 1,160 Всего 10,500 7,700 0,550 49,600 27,000 3,490 1,160 100,0 2.2.2 Масса металлов в каждом продукте. Распределение металла по продуктам конвертирования в процентах принимаем по данным практики и рассчитываем массу металлов в каждом продукте. Таблица № 7 Распределение металлов штейна между продуктами конвертирования Продукт Распределение, % Масса, кг Ni Cu Co Fe Ni Cu Co Fe Файнштейн 88,0 87,0 30,0 1,5 9,240 6,699 0,165 0,744 Конвертерный шлак 11,0 12,0 68,5 97,0 1,155 0,924 0,377 48,112 Пыль 1,0 1,0 1,5 1,5 0,105 0,077 0,008 0,744 Всего 100,0 100,0 100,0 100,0 10,500 7,700 0,550 49,600 2
.2.3 Масса и состав файнштейна Примем по данным практики суммарное содержание в фанштейне никеля, меди, кобальта и железа равным 77,5%, тогда выход файнштейна: ( 9,240 + 6,699 + 0,165 + 0,744 ):0,775 = 21,74 кг. Для расчета вещественного состава файнштейна и содержания в нем серы примем по данным литературы и практики, что частично никель, кобальт, железо и медь находятся в виде сплава металлов (соответственно 20, 25, 25 и 5 % от их массы в файнштейне) и, главным образом, в виде сульфидов ( Таблица № 8 Масса файнштейна и его вещественный состав Соединения Элементы, кг Ni Cu Co Fe S Прочие Всего Ni мет 1,848 1,848 Ni3
S2
7,392 2,691 10,083 Cu мет 0,335 0,335 Cu2
S 6,364 1,606 7,970 Co мет 0,041 0,041 CoS 0,124 0,022 0,146 Fe мет 0,186 0,186 FeS 0,558 0,320 0,878 Прочие 0,252 0,252 Всего 9,240 6,699 0,165 0,744 4,639 0,252 21,739 Содержание,% 42,504 30,815 0,759 3,422 21,341 1,159 100,000 2.2.4 Масса и состав пыли По данным практики принимаем суммарное содержание никеля, меди, кобальта и железа в пыли 60%, тогда выход пыли: ( 0,105 + 0,077 + 0,008 + 0,744 ):0,60 = 1,557 кг. Для расчета вещественного состава пыли принимаем, что данные металлы находятся в пыли на 50% в виде сульфидов Масса Ni
в Тогда масса серы в где Тогда масса Аналогично рассчитываются массы для остальных сульфидов. Масса Ni
в Масса кислорода в где: Тогда масса Аналогично рассчитываются массы для остальных оксидов. Результаты расчета массы и вещественного состава пыли сводим в таблицу. Таблица № 9 Масса пыли и ее вещественный состав Соединения Элементы, кг Ni Cu Co Fe S O2 Прочие Всего Ni3
S2
0,053 0,019 0,072 NiO 0,053 0,014 0,067 Cu2
S 0,039 0,010 0,048 Cu2
O 0,039 0,005 0,043 CoS 0,004 0,002 0,006 CoO 0,004 0,001 0,005 FeS 0,372 0,214 0,586 FeO 0,372 0,107 0,479 Прочие 0,251 0,251 Всего 0,105 0,077 0,008 0,744 0,245 0,127 0,251 1,557 Содержание,% 6,743 4,945 0,530 47,782 15,712 8,148 16,140 100,000 2.2.5 Масса кварцевого флюса, массы и состав конвертерного шлака Для расчета массы кварцевого флюса учитываем его флюсующую способность. Вычислим массу кремнезема, необходимого для ошлакования 48,112 кг железа, содержащегося в конвертерном шлаке, и 5,8 кг железа в кварцевом флюсе. Соответственно 54,0 кг Fe
требуют 16,5 кг SiO2
48,112 кг Fe
требуют X
кг SiO2
Тогда X
= 14,7 кг 54,000 кг Fe
требуют 16,5 кг SiO2
5,8 кг Fe
требуют X
кг SiO2
Тогда X
= 1,772 кг Шлакующая способность кварцевого флюса: 72,5-1,772=70,728 %. Масса кварцевого флюса: С рассчитанным количеством кварцевого флюса в конвертер поступит: Аналогично для Fe
(1,206 кг); Fe2
O3
(1,497 кг); CaO
(0,603 кг); MgO
(0,436); Al2
O3
(1,226 кг) и прочих (1,954 кг). Для расчета массы и вещественного состава конвертерного шлака принимаем по данным литературы и практики, что никель в нем находится на 50% в виде 1,160 + 1,954 - ( 0,252 + 0,251 ) = 2,610 кг. Результат сводим в таблицу. Содержание железа и кремнезема в шлаке оказалось несколько выше заданного (из-за недостаточного количества прочих), но их соотношение 54,0:16,5 выдержано, что свидетельствует о правильности расчета количества кварцевого флюса. 2.2.6 Расчет количества воздуха и отходящих газов Масса серы, переходящей в газовую фазу: 27,0 - ( 4,639 + 0,245 + 3,291 ) = 18,829 кг Считаем, что сера в газовой фазе находится полностью в виде Масса Таблица № 10 Масса конвертерного шлака и его вещественный состав Соединения Элементы ,кг Ni Cu Co Fe S O2
SiO2
CaO MgO Al2
O3
Прочие Всего Ni3
S2
0,578 0,210 0,788 NiO 0,578 0,157 0,735 Cu2
S 0,785 0,198 0,984 Cu2
O 0,139 0,017 0,156 CoS 0,094 0,051 0,145 CoO 0,283 0,077 0,359 FeS 4,932 2,832 7,763 Fe3
O4
17,261 6,595 23,856 FeO 27,125 7,772 34,897 SiO2
15,069 15,069 CaO 0,603 0,603 MgO 0,436 0,436 Al2
O3
1,226 1,226 Прочие 2,610 2,610 Всего 1,155 0,924 0,377 49,318 3,291 14,618 15,069 0,603 0,436 1,226 2,610 89,628 Содержание,% 1,289 1,031 0,420 55,025 3,672 16,310 16,813 0,673 0,487 1,368 2,912 100,000 Теоретическая масса кислорода для переработки 100 кг штейна соответственно: ( 18,794 + 0,127 + 14,618 ) - ( 3,49 + 0,291 ) = 29,758 кг, объем (при нормальных условиях): Примем коэффициент использования кислорода дутья ванной конвертера равным 95%, тогда практический объем и масса кислорода: Масса воздуха, подаваемого в конвертер: Воздух содержит 136,183 – 31,322 = 104,861 кг или Масса и объем избыточного кислорода в газах 31,322 – 29,753 = 1,565 кг и 21,926 – 20,827 = 1,095 м3
соответственно. Данные расчета количества и состава отходящих газов сводим в таблицу. Таблица № 11 Содержание отходящих газов и их состав Газы количество, кг Массовое содержание, % Объем, м3
Объемное содержание, % SO2
37,614 26,115 13,153 13,403 O2
1,566 1,087 1,096 1,117 N2
104,852 72,798 83,882 85,480 Всего 144,032 100,000 98,130 100,000 2.2.7 Материальный баланс процесса конвертирования Для проверки правильности выполненных расчетов и удобства пользования ими сводим результаты расчетов в таблицу материального баланса. Таблица № 12 Материальный баланс конвертирования медно – никелевого штейна, кг Параметр Всего Ni Cu Co Fe S SiO2
CaO MgO Al2
O3
O2
N2
Прочие Поступило Штейн 100,000 10,500 7,700 0,550 49,600 27,000 3,490 1,160 Кварцевый флюс 20,785 1,206 15,069 0,603 0,436 1,226 0,291 1,954 Воздух 136,171 31,319 104,852 Всего 256,956 10,500 7,700 0,550 50,806 27,000 15,069 0,603 0,436 1,226 35,101 104,852 3,114 Получено Файнштейн 21,739 9,240 6,699 0,165 0,744 4,639 0,252 Конвертерный шлак 89,628 1,155 0,924 0,377 49,318 3,291 15,069 0,603 0,436 1,226 14,618 2,610 пыль 1,557 0,105 0,077 0,008 0,744 0,245 0,127 0,251 газы 144,032 18,825 20,356 104,852 Всего 256,956 10,500 7,700 0,550 50,806 27,000 15,069 0,603 0,436 1,226 35,101 104,852 3,114 Невязка баланса 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000
1. Бабаджан, Худяков.Конвертирование полиметаллических штейнов. 2. Тавастшерна С.С., Карасев Ю.А. Конвертирование медно-никелевых штейнов.М.,»Металлургия», 1972, 72 с. 3. Петровия С.Н, журнал «Цветные металлы», выпуск №12, 2004. 4. Петровия С.Н, журнал «Цветные металлы», выпуск №10, 2006. 5. Ю.М. Смирнов, В.Н.Бричкин Специальный курс по технологии пирометаллургического производства, методические указания, СПб 2003 19с
|