Пирометаллургическая переработка медь- и никельсодержащих шихт

Размещено на http://www.allbest.ru/

25

Содержание

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Принципы металлургических расчетов

1.2 Расчет рационального состава сырья и продуктов его переработки

1.3 Окислительный обжиг медных концентратов

1.4 Плавка на штейн

1.5 Структура теплового баланса

2. Расчетная часть

2.1 Рациональный состав медно-пиритного концентрата

2.2 Расчет количества и состава штейна

2.3 Расчет количества флюсов

2.4 Расход угля, воздуха и состав отходящих газов

2.5 Тепловой баланс

Заключение

Список литературы

Введение

Переработка медного и никельсодержащего сырья имеет большое значение в цветной металлургии. Этой цели можно добиться, используя различные пиро- и гидрометаллургические процессы. В промышленности данный процесс представляет собой комбинированные технологические схемы, включающие в себя обе разновидности металлургических методов.

За рубежом в настоящее время пирометаллургическим способом производится около 85 % от общего выпуска меди. Технологические схемы действующих предприятий по производству меди имеют свои особенности, связанные с видом перерабатываемого сырья, применяемым металлургическим оборудованием, источниками энергии и с рядом других местных условий. Однако все они близки по своей структуре и укладываются в рамки принципиальных технологических схем [1].

Наиболее распространенная до настоящего времени технология переработки сульфидных медных руд предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья [2].

Целью данной курсовой работы является изучение процесса пирометаллургической переработки медь - и никельсодержащих шихт. Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть одну из основных стадий пирометаллургической технологии переработки медного и никелевого сырья - плавку на штейн.

2. Изучить сущность процесса отражательной плавки.

3. Рассчитать рациональный состав шихты, материальный и тепловой баланс процесса.

1. Литературный обзор

1.1 Принципы металлургических расчетов

Расчеты в металлургии цветных металлов имеют целью дать ответ на ряд вопросов, возникающих при практическом осуществлении процессов. Металлургические расчеты включают:

1. Расчет необходимого количества сырья, поступающего в переработку, при определенном плановом задании по готовой продукции.

2. Расчет необходимого количества флюсов, топлива и воз-духа.

3. Расчет количества и состава продуктов, получаемых на различных стадиях металлургического производства.

Приступая к выполнению любого металлургического расчета, нужно прежде всего установить, какие материалы перерабатываются, какие процессы должны протекать и какие полупродукты и продукты будут получены в результате операций, под-лежащих расчету. Для этого нужно представить (вычертить) схему переработки сырья. Все переделы технологической схемы связаны между собой основным потоком материалов от сырья до готовой продукции и встречными потоками возвратов и оборотов.

Небольшие ошибки при расчете с переходом на многотоннажное производство многократно возрастают, и расчет теряет значение. Поэтому металлургические расчеты должны сопровождаться проверкой. Лучшим способом проверки является составление материального баланса процесса, т.е. подсчета общей массы всех поступающих в данный процесс материалов («приход» - загружается) и всех получаемых продуктов и полупродуктов («расход» - выпускается). Если баланс не сходится, значит в расчетах ошибка. Для большей точности материальные балансы составляют не только по материалам (руда, флюс, шлаки, штейны и т.д.), но и по основным элементам (медь, сера, никель и т.д.).

Обычно металлургический расчет ведут на 100 кг или 100 т исходного сырья. При расчете всей технологической схемы для каждой операции в качестве исходного принимается количество продукта, полученное на предыдущей стадии. Это значит, начиная расчет со 100 кг сырья (или 100 т), можно сразу выявить количество всех полупродуктов и конечных продуктов, получаемых из 100 единиц сырья на всех переделах. Получится несколько материальных балансов (по числу переделов), сразу же связанных между собой. Материальные балансы по переделам пересчитываются на заданное количество сырья или готового продукта.

Металлургия цветных металлов является сложной разновидностью химической технологии. При металлургических рас-четах широко использованы основные законы химии и физической химии.

Металлургические расчеты производятся по правилам стехиометрии. Для стехиометрических расчетов химическая реакция процесса записывается в виде молекулярного уравнения, которое дает представление о количественных соотношениях между участвующими в процессе веществами. При этом можно производить расчеты в объемных и массовых единицах [методичка 1 часть].

1.2 Расчет рационального состава сырья и продуктов его переработки

Руды и концентраты цветных металлов состоят из минералов, содержащих цветные металлы (свинец, цинк, медь, никель, олово и др.), и минералов пустой породы.

Окисленные минералы пустой породы, состоящие из, , и.т.д в различных, иногда весьма сложных сочетаниях, обычно в условиях плавки в металлургических печах ведут себя так, как если бы они были загружены в виде смеси свободных компонентов.

Чтобы правильно произвести металлургический расчет, нельзя ограничиваться знанием химического состава сырья и продуктов. Нужно ещё знать и минералогический состав.

Химический состав сырья выражает количественное содержание элементов в сырье или продуктах. Химический состав медных руд и медных концентратов приведен в таблицах А.1 и А.2 приложения А. Минеральный состав показывает в виде каких минералов присутствуют в сырье или продуктах все содержащиеся элементы. От минерального состава сырья зависит состав раствора, осадка, газов при выщелачивании, состав штейна, шлака и газов, получаемых при плавке, зависит расход электроэнергии [1].

Например, железо может быть представлено минералами: пиритом - или пирротином - , поведение которых при одних и тех же условиях различно. Так, при нагревании пирита удаляется 50 % серы за счет термической диссоциации соединения, а при нагревании пирротина - всего 1/8 часть.

Современная техника исследований предоставляет большие возможности для определения минерального состава сырья. Микроскопия, рентгенографическое и электронографическое исследование позволяют достаточно надежно определить качественный и количественный состав сырья. Все данные полного химического и минералогического состава обобщаются в виде рационального состава, показывающего, какие минералы и в каком количестве входят в состав сырья или продукта.

Расчет рационального состава ведут на 100 кг сухого вещества.

Знание рационального состава руд, концентратов и различных продуктов металлургического производства имеет большое теоретическое и практическое значение.

По рациональному составу делается выбор метода металлургической переработки. По данным рационального состава ведется расчет флюсов, добавляемых к сырью для ведения процесса [2].

1.3 Окислительный обжиг медных концентратов

Обжигом называют пирометаллургический процесс, проводимый в интервале температур 600 - 1200 єСс целью изменения химического и фазового состава перерабатываемого сырья. За исключением обжига со спеканием, обжиговые процессы являются твердофазными.

В цветной металлургии применяют несколько видов обжига: окислительный, восстановительный, кальцинирующий и хлорирующий. Все виды обжиговых процессов относятся к категории подготовительных операций перед плавкой или гидрометаллургической переработкой исходного сырья. При производстве меди и никеля используют в основном только окислительный обжиг во всех разновидностях.

Обжиговые процессы являются типичными автогенными процессами, т.к. необходимая для процесса обжига теплота получается за счет экзотермических реакций окисления сульфидов [1].

Основное назначение окислительного обжига медных концентратов - перевод части железа из сульфидов в оксидную фор-му. В огарке оставляют такое количество серы, которое необходимо для получения штейна заданного состава. Обычно степень десульфуризации при обжиге составляет 70-75 %. Отходящие газы при содержании 6-12 % используют для производства серной кислоты.

Кроме того, в процессе обжига шихта нагревается, и тщательно перемешивается с флюсами (кварц, известняк). Плавка горячей, хорошо термически подготовленной шихты протекает быстрее и требует меньшего расхода топлива [2].

В настоящее время для обжига медных концентратов используют в основном обжиговые печи кипящего слоя (КС).

1.4 Плавка на штейн

пирометаллургический медный концентрат никельсодержащий

Плавку на штейн медных руд и концентратов - основной технологический процесс - можно проводить практически любым видом рудных плавок: отражательная, шахтная, руднотермическая (электрическая) плавка, автогенные плавки (взвешенная плавка, процессы "Норанда", "Мицубиси"), во вращающихся конвертерах, плавка в жидкой ванне и т.д.

Наиболее распространен вариант отражательной плавки, предназначенный для обожженных и необожженных флотационных концентратов. В печи перерабатывают конвертерные шлаки, оборотные пыли, цементационную медь. Топливо - природный газ, мазут, уголь.

Продукты плавки: штейны, отвальные шлаки, пыль, газы.

Штейны содержат, %: 15-45 Cu; 24-27 S; до 5 Zn; до 2 Pb; 1,5-2,5 Ni; Au, Ag, редкие и рассеянные элементы. Выход штейна 40-60 %. Состав отвальных шлаков, %: 0,3-0,6 Cu; 35-45 Fe; 30-45 ; 5-7 ; 1-9 CaO; 0,5-1,5 S. Газы проходят систему грубого и тонкого пылеулавливания.

Особенность шахтной плавки - переработка только окускованного сырья (брикеты, агломерат, гранулы). Электроплавка позволяет перерабатывать более тугоплавкие материалы; эффективна при наличии дешевой электроэнергии.

Расширяется применение автогенных процессов с использованием кислорода, подогретого дутья.

Наиболее технологически и аппаратурно отработанным является процесс взвешенной плавки фирмы "Оутокумпу" (финская плавка). При плавке концентратов, содержащих, %: 13-30 Cu; 22-28 Fe; 26-37 S; 4-15 получают штейн (45-65 % Cu), шлак (0,5-2,0 % Cu; 34-45 % Fe; 25-40 % ). Для обеднения шлаков используют электротермическую или флотационную доработку.

Плавка сульфидных концентратов осуществляется также в аппаратах конвертерного типа (процессы "Норанда", TBRC, Кэнон-Шуман) и стационарных печах (процесс "Мицубиси").

Известна кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка (КИВЦЭТ) для переработки медных, медно-цинковых и других концентратов, при которой сухой концентрат (1 % влаги) вдувают в циклонную камеру технологическим кислородом со скоростью до 150 м/с. При электротермической доработке расплава получают оксидные возгоны (до 60 % ZnO).

Плавка Ванюкова (плавка в жидкой ванне) позволяет перерабатывать флотационные концентраты и руды. Длина печи 10-30 м, ширина 2,5-3,0 м, высота 6-6,5 м. Содержание кислорода в дутье (при 6-8 % влаги) - 55-65 % [3].

В настоящее время для плавки на штейн применяют более 10 различных процессов и плавильных аппаратов. В зависимости от вида сырья (руда, концентрат, огарок), его химического и гранулометрического составов, последующих методов переработки конечных продуктов, выбирается необходимый агрегат.

Предварительно обязательно делается расчет материального и теплового балансов процесса.

Отражательная плавка. Процесс предназначен для плавки мелкодисперсного мате-риала (флотационный концентрат, цементационная медь, окалина, огарки, пыль) или оборотных расплавов.

Отражательная плавка сохраняет свое ведущее положение в металлургии меди несмотря на то, что её удельный вес в связи с развитием автогенных процессов снижается. В настоящее время доля меди, полученная с её использованием, составляет 40-50 %.

Сущность процесса заключается в том, что нагрев и расплавление шихты осуществляется за счет тепла от сжигания топлива в газовом пространстве над ванной печи.

Отражательная печь имеет горизонтально расположенную рабочую зону, и дымовые газы свободно проходят над поверхностью расплава.

1.5 Структура теплового баланса

Для оценки возможности осуществления окислительного обжига в автогенном режиме необходимо рассчитать тепловой баланс процесса. В случае, если тепловой баланс окажется отрицательным (< 0), необходимо провести мероприятия по его улучшению (уменьшение потерь на нагрев агрегата и в окружающую среду, нагрев шихтовых материалов, введение топлива и т.д.). Поэтому в приходе тепла пока не обсчитывается статья: горение топлива.

В приходе тепла учитываются статьи:

1. Тепло шихтовых материалов, воздуха.

2. Тепло экзотермических реакций.

В расходе тепла необходимо учесть:

1. Тепло продуктов процесса (огарок, отходящие газы).

2. Тепло эндотермических реакций.

3. Тепло на нагрев агрегата, потери в окружающую среду.

Избыточное тепло отнесено к тепловым потерям. Часто на их долю приходится больший процент от прихода тепла (15-20 %). Эта цифра берется из практических данных.

Количества теплоты, выделяющейся при окислении сульфидов, обычно достаточно для поддержания необходимой температуры. Для автогенного протекания процесса необходимо, чтобы содержание серы в шихте превышало 22-23 %. В более интенсивных процессах, например, в печах кипящего слоя при обогащении дутья кислородом, окисление протекает автогенно при меньшем содержании серы [3]. При недостатке серы обжиговые печи требуют подтопки (расчет необходимого количества топлива); при избытке ее, наоборот, избыточное тепло необходимо отнимать охлаждающими элементами, подачей воды или инертных мате-риалов и другими приемами (расчет теплообменника; расчет количества холодных присадок).

2. Расчетная часть

2.1 Рациональный состав медно-пиритного концентрата

Химический состав концентрата: 19,0 % , 30,0 % , 0,7 % , 35,0 % , 5,0 % , 0,6 % , 2,5 % , 0,8% MgO, 6,4 % прочие.

По минералогическому составу ориентировочно две трети меди находится в виде халькопирита, а одна треть - в виде ковеллина; цинк - в виде сфалерита и всё остальное железо - в виде пирита.

Подсчитываем содержание халькопирита на 100 кг руды.

1) Меди в халькопирите:

19 · 0,67 = 12,73 %

63,5 г входят в состав 183,5 г .

12,73 кг - кг ,

кг

Зная количество и состав халькопирита, рассчитываем, сколько серы и железа связано в халькопирите.

Количество серы в халькопирите:

183,5 г содержат 64,2 г ,

36,78 кг - кг ,

кг

Количество железа в халькопирите:

183,5 г содержат 55,8 г ,

36,78 кг - кг ,

кг

Проверка: 12,73 + 12,83 + 11,18 = 36,78 кг

2) Меди в ковеллине:

19·0,33 = 6,27 %

63,5 г входят в 95,6 г ,

6,27 кг - в кг ,

кг

Количество серы в ковеллине:

95,6 г содержат 32,1 г ,

9,44 кг - кг ,

кг

Проверка: 6,27 + 3,17 = 9,44 кг

Весь цинк содержится в виде сфалерита.

3) Количество сфалерита в концентрате:

65,4 г входят в 97,5 г ,

0,7 кг - в кг ,

кг

Количество серы в сфалерите:

97,5 г содержат 32,1 г ,

1,04 кг - кг ,

кг

Проверка: 0,7 + 0,34 = 1,04 кг

Железо и сера, кроме того, содержатся ещё в пирите и отсутствуют во всех других компонентах пустой породы, что даёт возможность определить по остатку количество железа и серы.

4) Количество железа в пирите и пирротине:

30 - 11,18 = 18,82 кг

Количество серы в пирите и пирротине:

35,0 - (12,86 + 3,17 + 0,34) = 18,63 кг

По железу:

(18,82-)

Составляем уравнение для:

55,8кг Fe - 64,2 кг S

кг Fe - X кг S

Х=1,15кг S в пирите

Составляем уравнение для

кг Fe - кг S

(18,82-) кг Fe - Y кг S

кгS пирротине

Х+Y=18,63

Y

Проверка: 14,57+4,05=18,63

Результаты расчета рационального состава медно-пиритного концентрата сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Рациональный состав медно-пиритного концентрата, %

Компоненты	Минералы	Пустая порода	Всего
	12,73	6,27	-	-	-	-	-	19,0
	11,18	-	-	12,67	6,15	-	-	30,0
	-	-	0,7	-	-	-	-	0,7
	12,86	3,17	0,34	14,57	4,05	-	-	35,0
	-	-	-	-	-	-	5,0	5,0
	-	-	-	-	-	0,6	-	0,6
MgO	- -	- -	- -	- -	- -	- 0,8	2,5 -	2,5 0,8
Прочие	-	-	-	-	-	1,34	5,06	6,4
Итого	36,78	9,44	1,04	27,24	10,2	2,74	12,56	100

В концентрате, судя по потерям от прокаливания, и содержатся в углекислых минералах: известняке () и магнезите (). В 100 кг концентрата содержится:

известняка:

на 56,1 г - 100,1 г ,

на 0,6 кг - кг ,

кг;

связанного :

100,1 г содержат 44 г ,

1,07 кг - кг ,

кг;

магнезита:

на 40,3 г имеется 84,3 г ,

на 0,8 кг - кг ,

кг;

связанного :

84,3 г содержат 44 г ,

1,67 кг - кг ,

кг.

Проверка: 0,6 + 0,47 = 1,07 кг

0,8 + 0,87 = 1,67 кг .

В соответствии с данными таблицы 1 в 100 кг концентрата содержится 36,78 кг халькопирита. По реакции

4 > 2 + 4 +

выделяется четвертая часть серы в парообразном состоянии:

12,86 : 4 = 3,22 кг ,

и образуется сульфида меди (I)

кг,

в которых содержится 15,94 : 159,1 · 127,0 = 12,72 кг

15,94 : 159,1 · 32,1 = 3,22 кг серы.

Образуется сернистого железа

кг,

в которых содержится 17,62 : 87,9 · 55,8 = 11,19 кг

17,62 : 87,9 · 32,1 = 6,43 кг

Проверка: 3,22 + 15,94 + 17,62 = 36,78 кг

Пирита в концентрате 27,24 кг.

2 > 2 + .

В парообразном состоянии выделяется половина серы.

14,57 : 2 = 7,285 кг

По таблице 2 очень легко определить количество , образующегося в ходе реакции :

12,67 + 7,285 = 19,955 кг

Проверка: 19,955 + 7,285 = 27,24 кг

Ковеллина в концентрате 9,44 кг.

4 > 2 +

Выделяется половина серы в парообразном состоянии:

3,17 : 2 = 1,585 кг.

По таблице 2 определяем количество :

6,27 + 1,582 = 7,855 кг

Проверка: 7,855 + 1,585 = 9,44 кг

Пирротина в концентрате 10,2 кг

Выделяется половина серы в парообразном состоянии:

4,05:8=0,506 кг

По таблице 2 определяем количествоFeS:

6,15+4,05-0,506=96,94

Проверка: 96,94+0,506=10,2 кг

Всего после разложения минералов и до начала их окисления (фактически оба эти процесса протекают одновременно и параллельно) образуется, кг:

15,94 + 7,855 = 23,795

96,94+17,62 + 19,955 = 134,515

(пар) 3,22+2,025 + 7,285+ 1,585 = 14,115

Десульфуризацию по реакциям сульфидов различных металлов с оксидами железа шихты мы подсчитать не можем, поэтому принимаем её, по данным практики [1, 3], равной 5,0-15,0 % от оставшейся "твёрдой" серы.

Дальше расчёт ведётся по предложенной методике. Для определения процента извлечения меди в штейн рекомендуется [4] следующая формула:

=-=35-14,115=20,885

=+0,1=14,115+2,1=16,215

=46,33

2.2 Расчет количества и состава штейна

Перешло в штейн серы 35 - 16,215 = 18,785 кг. В заводских штейнах отражательной плавки содержание меди равно 20-40 % (таблица 1). Таким штейнам отвечает содержание серы, близкое к 25 % [1].

Если известно более точное содержание серы по заводским анализам, то нужно пользоваться данными практики (24-26 %). При металлургических расчетах без больших погрешностей для конечных результатов принимают содержание серы в медном штейне отражательной плавки равным 25 % (правило Мостовича В.Я.).

Количество штейна:

18,785 : 0,25 = 75,14 кг.

При заданном извлечении меди в штейн (таблица 1) из 100 кг огарка в штейн перейдет меди

кг.

Содержание меди в штейне составит

.

Такого состава штейны часто получаются на практике. Если желательно получить более богатые медью штейны, то следует увеличить десульфуризацию при обжиге.

Содержание кислорода в медных штейнах соответствует содержанию меди следующим образом [4, 5], %:

Медь	5,0	10,0	20,0	30,0	40,0	50,0	60,0
Кислород	7,14	6,54	5,38 6,12*	4,21 4,65*	3,02 3,12*	1,9 1,54*	0,7 1,24*

Штейн с содержанием 24,53 % Cu должен содержать 4,85 % кислорода (в виде растворенного )

кг.

При плавке на такой, относительно "бедный", штейн, в него перейдет около 40 % Zn, или кг.

По этим данным составляем таблицу 2.

Таблица 2 - Состав штейна

Компонент	кг	%
Cu	18,43	24,53
Fe	34	45,22
S	18,785	25,0
	3,64	4,85
Zn	0,28	0,4
Итого	75,14	100,0

Компоненты	Минералы	Итого
		FeS	ZnS
	18,43	-	-	-	18,43
	-	24,48	-	9,52	34
	4,66 -	13,985 -	0,14 0,28	- -	18,785 0,28
	-	-	-	3,62	3,64
Итого	23,09	38,465	0,42	13,16	75,14

2.3 Расчет количества флюсов

Конвертерный шлак: 2,1 % , 48,5 % , 0,5 % , 1,7 % , 23,3% , 1,0 % , 4,0 % .

Для ориентировочного расчета конвертерного шлака (на 100 кг огарка) пренебрегаем потерями железа в процессе конвертирования и считаем, что всё железо штейна переходит в конвертерный шлак. Это соответствует 34 : 0,485 = 70,1 кг конвертерного шлака.

Извлечение меди из конвертерного шлака (при 100%-ном выходе отвального шлака от веса конвертерного и содержании меди в отвальном шлаке 0,3 %) составит .

Для упрощения расчета считаем, что состав штейна соответствует полученному, т.е. он содержит 24,53 % Cu (таблица 2).

В этом случае введение конвертерного шлака в шихту даёт дополнительно штейна кг. Общая масса штейна составит 75,14 + 5,4 = 80,18 кг.

* Для Cu-Ni-х штейнов по (Cu+Ni)

Составляем предварительный расчетный баланс (таблица 3). Потери в угар при отражательной плавке - 0,5 %.

Таблица 3 - Предварительный расчетный баланс плавки огарка с конвертерным шлаком без флюсов, кг

Элемент	Загружено	Итого	Получено
	Концентрат	конвертерный шлак		штейн	шлак	отход.газы и угар
Cu	19,0	1,47	20,47	19,67	0,7	0,1
Fe	30,0	34	64	36,26	27,74
S	35,0	1,19	36,19	20,045		16,145
Zn	0,7	0,35	1,05	0,32	0,73
	5,0	16,3	21,3		21,3
	2,5	2,8	5,3		5,3
CaO MgO	0,6 0,8	0,7 -	1,3 0,8	-	1,3 0,8	-
	-	-	-	3,9	7,95	-
Прочие	6,4	13,29	19,7		7,85
ИТОГО	100,0	70,1	170,1	80,18	73,67	16,245

Предварительный расчетный состав шлака (таблица 4) выводится пересчетом всего железа в FeO, пренебрегая содержащимся в шлаке и другими возможными соединениями.

Fe FeO

55,8 - 16

27.74 - X

X=7,95кгFeO

Количество FeO в шлаке равно кг.

Таблица 4 - Расчетный состав шлака при плавке без флюсов

Компонент	кг	%
FeO	35,7	48,46
	21,3	28,9
CaO	1,3	1,76
MgO	5,3 0,8	7,19 1,086
Прочие	9,27	12,58
ИТОГО	73,67	100,0

Состав отвального шлака задан соотношением FeO : : СаО = 35 : 37 : 4,9.

В шлаке расчётного состава не хватает и CaO при избытке FeO. Зная количество FeO, переходящего в шлак (35,7 кг), и желательное его содержание в шлаке (35 %), можно легко подсчитать массу отвального шлака: кг.

Составы кварца и известняка, применяемых в качестве флюсов, известны, % (таблица 5):

Таблица 5 - Химический состав флюсов

Флюс	Компонент, %
	SiO2	CaO	Fe	Al2O3	Прочие
Известняк	7,4	47,4	2,0	1,5	9,9
Кварц	82,2	1,2	2,3	4,4	41,7

В 100 кг известняка при содержании 3% будет связано

кгСаО.

Свободного СаО в 100 кг известняка: 47,4 - 0,4 = 47 кг. Шлак должен содержать: кгСаО.

В огарке и конвертерном шлаке содержится 1,3 кг СаО. Следует ввести с флюсами 5,1 - 1,3 = 3,8 кг свободного СаО. Для этого потребуется вводить в шихту на 100 кг огарка мелкоразмолотого известняка: 3,8 : 0,47 = 8,085 кг.

Кварц содержит 2,3%Fe, которые в результате плавки переходят в или FeO и растворяются в шлаке. Пересчитаем Fe на FeO, так как содержанием в отвальном шлаке для ориентировочного расчета пренебрегаем.

FeFeO,

55,8 кг Fe образует 71,8 кг FeO

2,3 кг Fe Х кг FeO,

кгFeO.

При соотношении в шлаке FeO : = 35 : 37 эти 2,96 кг FeO свяжут при расплавлении кварца кг .

Свободного в 100 кг кварца будет: 82,2 - 3,13 = 79,07 кг. Ориентировочная масса шлака 102 кг, в нём содержится:

кг.

В огарке и в конвертерном шлаке содержится 21,3 кг . Кроме того, 8,085 кг известняка вносят ещё кг . Нужно ввести с кварцем 37,74 - 21,3 - 0,6 = 15,84 кг свободного . Для этого потребуется вводить в шихту на 100 кг огарка мелкоразмолотого кварца: 15,84 : 0,7907 = 20 кг.

В результате расчета получаем следующий состав шихты для загрузки в отражательную печь, кг:

Концентрат	100,00
Конвертерный шлак	70,1
Кварц	20
Известняк	8,085
Итого	198,185

Для проверки полученной по расчёту шихты составляется расчётный баланс плавки шихты без учёта расхода топлива и воздуха (таблица 6).

Таблица 6 - Расчётный баланс шихты без учёта расхода топлива и воздуха

Компонент	Загружено	Итого	Получено
	огарок	конверт. шлак	кварц	известняк		штейн	шлак	отх. газы и угар
Cu	19	1,47	-	-	20,47	19,67	0,7	0,1
Fe	30	3,4	0,46	0,16	64,62	36,26	28,36	-
S	35	1,19	-		36,19	20,045	-	16,145
Zn	0,7	0,35	-		1,05	0,32	0,73	-
	5,0	16,3	16,44	0,6	38,34	-	38,34	-
CaO MgO Прочие	2,5 0,6 - - 0,8 6,4	2,8 0,7 - - - 13,29	0,88 0,24 - - - 1,98	0,12 3,83 - - - 3,37	6,3 5,37 - - 0,8 25,04	- - 3,9 - - -	6,3 5,37 8,12 - 0,8 13,02	- - - - - -
Итого	100,00	70,1	20	8,085	198,185	80,18	101,75	16,245

Состав шлака при плавке рассчитанной шихты должен получиться следующий:

	кг	%
FeO	36,48	35,85
	38,34	37,68
CaO MgO	5,72 0,8	5,28 0,79
	6,3	6,19
Прочие	14,46	14,21
Итого	101,75	100,0

Небольшое отклонение в уточненном весе шлака против первоначально рассчитанного ориентировочного веса (101,75 кг вместо 102,00) объясняется применением загрязненных флюсов, внесших оксид железа (кварц). Расчетное соотношение FeO : : CaO = 35 : 37 : 4,9 выдержано с достаточной степенью точности.

2.4 Расход угля, воздуха и состав отходящих газов

Расход топлива при плавке в отражательной печи принимается по практически достигнутым коэффициентам (10,5-17,0 % от веса твердой шихты [1, 6]). Если они почему-либо вызывают сомнение, то для проверки проводится расчет теплового баланса.

В основном на величину расхода топлива влияют следующие обстоятельства:

1) Качество форсунок и их обслуживание.

2) Форсирование процесса горения (ввод горячего воздуха, обогащение дутья кислородом, ввод воздуха под давлением и т.д.).

3) Характер шихты и степень её подготовленности к плавке.

4) Вид топлива и его качество (калорийность, зольность, содержание летучих веществ).

Для нашего примера (топливо - пылевидный уголь) принимаем расход угля - 12% от веса твердой шихты.

Состав угля [8]:

	С			S		Зола	Влага
Состав рабочего топлива, %	75,0	4,2	2,0	0,4	3,4	7,0	8,0

Как видно из таблицы 5, масса шихты равна 198,18 кг, включая 70,1 кг конвертерного шлака. Часть этого шлака заливается в печь в жидком виде, часть поступает в виде дробленых корок. Уголь на жидкий шлак не затрачивается. Небольшой затратой тепла для поддержания его в расплавленном состоянии и подогрева до температуры выпускаемого шлака обычно пренебрегают.

Примем, что 10 % общего количества конвертерного шлака, или 7,01 кг, поступает в виде холодных корок. Тогда общая масса твердой шихты равна: 198,18 - 70,1 + 7,01 = 121,07 кг, а расход подсушенного угля составит 14,53 кг.

Перед поступлением в мельницу уголь подсушивается до содержания 1 % влаги. Тогда состав угля можно записать следующим образом:

	С			S		Зола
%	80,7	4,5	2,2	0,4	3,7	7,5	1
Кг	11,73	0,65	0,32	0,06	0,54	1,09	0,15

Состав золы угля		CaO
%	43,0	5,0	24,0	28,0
Кг	0,47	0,05	0,26	0,3

Для расчета количества воздуха необходимо определить количество кислорода, расходуемое на реакции:



Оно равно 36,54 кг. Также 43,01 кг ; 5,85 кг ; 0,12 кг .

Из 36,54 кг следует вычесть 0,54 кг , содержащегося в топливе:

36,54 - 0,54 = 36 кг.

По количеству кислорода легко рассчитать количество воздуха (23 % и 77 % по массе и 21 % и 79 % по объёму; 1м3 воздуха весит 1,293 кг) [9]:

по массе:

36 кг - 23 %

Х кг - 100 %

кг воздуха.

156,52-36=120,52 кг

по объему:

1 моль - 44 г - 22,4 л

43,01 кг - Х

Х=21,9

18 г - 22,4 л

5,85 кг - Х

Х=7,28

По результатам обсчета реакций можно составить таблицу 7 - теоретический состав отходящих газов (без учёта таблицы 6).

Таблица 7 - Теоретический состав отходящих газов (по топливу)

Компоненты	кг	% (мас.)	м3	% (объёмн.)
	43,01	25,37	21,9	17,43
	5,85	3,45	7,28	5,8
	0,12	0,07	0,042	0,03
	120,52	71,11	96,42	76,74
Итого	169,5	100,00	125,64	100,00

Таблица 8 - Материальный баланс отражательной плавки огарка

Компонент	Приход, кг	Итого	Расход, кг	Итого
	Огарок	Конверт шлак	Кварц	Известняк	Топливо	Воздух		Штейн	Шлак	Отход. газы, угар, пыль
Cu	19,00	1,47					20,47	19,67	0,7	0,1	20,47
Fe	40,00	34,00	0,46	0,16	0,21		64,83	36,26	28,47	0,1	64,83
S	35,00	1,19			0,06		36,25	20,045		16,205	36,25
Zn	0,70	0,35					1,05	0,32	0,73		1,05
	5,00	16,30	16,44	0,60	0,47		38,81		38,61	0,2	38,81
	2,50	2,80	0,88	0,12	0,26		6,56		6,44	0,12	6,56
CaO	0,60	0,70	0,24	3,83	0,05		5,42		5,38	0,04	5,42
	-	-	-		0,63	36,00	36,63	3,9	8,00	0,165	12,215
C					11,73		11,73
					0,65		0,65
					0,32	120,52	120,84			120,84	120,84
					0,15		0,15			6,00	5,85
				-			-			43,91	43,91
										0,12	0,12
MgO	0,80						0,8		0,8	-	0,8
Проч.	6,40	13,29	1,98	3,37			25,04		13,02		13,02
Итого	100,00	70,10	20,00	8,085	14,53	156,52	369,23	80,18	102,15	186,9	369,23

Добавим в таблицу 6 все рассчитанные данные и составим полный материальный баланс отражательной плавки огарка (таблица 8).

В качестве топлива используются также мазут, природный газ. Их количество, расход воздуха, состав отходящих газов рассчитывается тем же методом.

На состав конечных продуктов больше всего влияет состав шихты. Если ведётся плавка не огарка, а сырого концентрата, то, зная протекающие в печи реакции, можно рассчитать степень десульфуризации и ориентировочный состав штейна. Имея таблицу рационального состава концентрата, можно легко определить его десульфуризацию от разложения высших сульфидов при нагревании [2].

2.5 Тепловой баланс

На основе данных материального баланса с целью уточнения расходных коэффициентов по топливу можно составить ориентировочный тепловой баланс работы отражательной печи.

Для составления этого баланса принимаем:

1. Теплотворная способность пылеугля равна 25500 кДж/кг (при заданном составе топлива рассчитать самостоятельно).

2. При ошлаковании СаО, загружаемого в печь с концентратом, не будет выделяться тепла. Идёт растворение силикатов пустой породы в шлаке. СаО известняка будет реагировать с кварцем, образуя с выделением 89,90 кДж [10], что составляет на 1 кг СаО:

89,90 : 56,1 • 1000 = 1600 кДж.

Разложение известняка идёт по реакции

Это эндотермическая реакция: Q = - 179,2 кДж/моль.

На 1 кг известняка необходимо 1792 кДж.

3. Считаем, что печь работает без подогрева воздуха. Температура воздуха и пылеугля составляет 20 °С. Температура огарка 700 °С. Теплоёмкости газов и воздуха принимаем по [10], теплоёмкости шлаков ориентировочно равны 1,25, штейна - 1,05 и шихты - 0,92 кДж/кг•град [4, 5].

4. Температура отходящих газов снижается до 1100 °С из-за подсоса воздуха. Пренебрегая некоторыми деталями, не имеющими существенного значения, составляем ориентировочный тепловой баланс отражательной плавки огарка (таблица 9).

Таблица 9 - Тепловой баланс отражательной плавки огарка

Приход тепла	Расход тепла
Статьи прихода тепла	кДж	%	Статьи расхода тепла	кДж	%
1. Горение пылевидного угля 2. Вносится жидким конвертерным шлаком 3. Вносится твёрдой шихтой (флюсы, холодный конвертерный шлак) 4. Вносится оздухом	370515 86742,12 2485,66 3130,4	80,1 18,7 0,54 0,66	1. Уносится отвальным шлаком 2. Уносится Штейном 3. Уносится газами 4. Разложение известняка 5. Тепловые потери (по разности)	159609,3 101026,8 209708,5 14181,83 -	20
	462873,1	100,0		484526,4	100,0

Как видно из составленного теплового баланса, что расход тепла на 0,47% больше чем приход тепла, если теоритический приход тепла 484526,4:100%=605658 кДж то недостаток тепла состоит:

605658-462873,1=142784,9 кДж. Для этого необходимо увеличить количество добавляемого угля на (если 1кг угля - 25500кДж) кг.

Заключение

1. Рассмотрел одну из основных стадий пирометаллургической технологии переработки медного и никелевого сырья - плавку на штейн. При расчетах общая масса штейна составило 80,18 кг.

2. Изучил сущность процесса отражательной плавки. Сущность процесса заключается в том, что нагрев и расплавление шихты осуществляется за счет тепла от сжигания топлива в газовом пространстве над ванной печи. Отражательная печь имеет горизонтально расположенную рабочую зону, и дымовые газы свободно проходят над поверхностью расплава. В настоящее время доля меди, полученная с её использованием, составляет 40-50 %.

3. В результате расчета получил следующий состав шихты для загрузки в отражательную печь:100кг концентрат, 70,1 кг конвертерный шлак, 20 кг кварц, 8,085 кг известняк.

При расчете материального баланса получился небольшое отклонение в уточненном весе шлака против первоначально рассчитанного ориентировочного веса (101,75 кг вместо 102,00) объясняется применением загрязненных флюсов, внесших оксид железа (кварц). Расчетное соотношение FeO :: CaO = 35 : 37 : 4,9 выдержано с достаточной степенью точности.

При расчете составленного тепловогобаланса видно, что расход тепла на 0,47% больше чем приход тепла, если теоритический приход тепла 484526,4:100%=605658кДж то недостаток тепла состоит:

605658-462873,1=142784,9 кДж. Для этого необходимо увеличить количество добавляемого угля на (если 1кг угля - 25500кДж) кг.

Список литературы

1. Ванюков А.В. Комплексная переработка медного и никелевого сырья: учебник для вузов / А.В. Ванюков, Н.И. Уткин. - Челябинск: Металлургия, 1988. - 432 с.

2. Худяков И.Ф. Металлургия меди, никеля, сопутствующих элементов и проектирование цехов / И.Ф. Худяков, С.Э. Кляйн, Н.Г. Агеев. - М.: Металлургия, 1993. - 440 с.

3. Расчеты по металлургии меди. Часть I, II: Метод. Указ./Сост.: Л. П. Скуратович; СибГИУ. - Новокузнецк, 2006.

4. Процессы и аппараты цветной металлургии: учебник для вузов / С.С. Набойченко [и др.]. - Екатеринбург: УГТУ, 1997. - 648 с.

5. Мечев В.В. Автогенные процессы в цветной металлургии / В.В. Мечев, В.П. Быстров, А.В. Тарасов. - М.: Металлургия, 1991. - 416 с.

Размещено на Allbest.ru

...