Взвешенная плавка рудных медных концентратов на штейн
Аннотация
В данном курсовом проекте описан
процесс плавки во взвешенном состоянии. Представлено описание физико-химических
основ процесса, технологии и конструкции. Так же приведен расчет
минералогического состава, материального и теплового баланса процесса.
Страниц 35, таблиц 18, рисунков 1.
печь газ аптейк плавка
The summary
the given course project the smelting process of fusion a
condition is described. The description of the physico-chemical base of
process. As the calculation of a heat balance of process, heat generation,
sizes and heat balance of board, an gas of a system is adduced.35, tables 18,
figures 1.
Содержание
Введение
. Теоретические основы производства
.1 Физико-химическое содержание процессов, протекающих в
шахте печи
.2 Физико-химическое содержание технологической оптимизации
процессов ПВП в отстойной зоне
.3 Основное содержание физико-химических процессов первичной
обработки технологических газов в аптейке
.4 Подготовка медного концентрата к плавке
.5 Устройство печи для плавки во взвешенном состоянии на
подогретом воздушном дутье
.6 Достоинства плавки концентрата в ПВП
. Расчёт вещественного состава
. Расчёт материального баланса
. Расчёт теплового баланса
. Условия теплогенерации и теплообмена
Заключение
Библиографический список
Введение
Процесс плавки медных концентратов во взвешенном состоянии благодаря ряду
достоинств находит всё большее распространение в медеплавильной промышленности.
Сущность взвешенной плавки заключается в том, что сухой медный концентрат
в смеси с тонко измельченными флюсами вдувается горячим воздушным,
воздушно-кислородным или кислородным дутьём в предварительно разогретую до
высоких температур печь, в которой протекают процессы окисления сульфидов,
плавления шихты, создаются предпосылки для образования шлака и штейна. В
зависимости от условий проведения процесса и состава перерабатываемых
концентратов взвешенная плавка может протекать автогенно, т.е. без
углеродистого топлива, или с добавкой некоторого количества топлива.
Широкое распространение взвешенной плавки и практическое использование её
на предприятиях нашей и других стран мира, определяют необходимость обобщения
теории и практики процесса взвешенной плавки медных концентратов. В данном
курсовом проекте приведена теоретическая основа процесса, конструкция печи ПВП,
расчёт минералогического состава, материального и теплового баланса.
1. Теоретические основы производства
Плавка во взвешенном состоянии относится к современным автогенным
плавкам. Автогенными в металлургическом производстве принято называть
технологические процессы, которые осуществляются полностью за счет внутренних
энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты- топлива или
электрического тока. Использование реакционной способности распыленных в
атмосфере воздуха или кислорода частиц концентрата приводит к резкому
увеличению скорости процессов окисления и плавления сульфидов. Кроме того, в
процессе используется значительный тепловой эффект окисления сульфидов, что
позволяет частично или полностью отказаться от топлива.
Все реакции протекающие в ходе плавки можно разбить на три группы:.
Основные реакции:
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
II. Реакции с участием примесей:
(7)
(8)
(9)
(10)
III. Реакции пустой породы:
(11)
(12)
(13)
Вследствие того, что процесс протекает в условиях избытка кислорода,
только после процессов окисления пойдут процессы диссоциации.
Тепловой эффект этой плавки обеспечивает максимально возможный перегрев
шихты и обеспечивает условия для формирования продуктов плавки (штейна и шлака)
по схеме:
Десульфуризация в этом виде плавок составляет 85-90%. Она регулируется
количеством вдуваемого в печь воздуха (кислорода). Вследствие высокой
десульфуризации в шлак переходит значительное количество железа, которое
эффективно может быть выделено только в виде силиката - фаялита. Плавка во взвешенном состоянии на холодном воздушном дутье
имеет очень напряженный тепловой баланс. Для устранения этого недостатка в зависимости
от состава сырья применяют подогрев воздуха до 500-1000°С (завод "Харьявалта" в
Финляндии), обогащение дутья кислородом до 30-40% и подсушивают медный
концентрат в барабанных сушилках и после выхода из сушилки с температурой
150-300°С (Надеждинский металлургический
завод) и переход на чисто кислородное дутье КФП (Алмалыкский медный завод).
Вместе с газами уносится пыль в количестве от 2 до 5% от массы концентрата.
1.1 Физико-химическое содержание процессов, протекающих в шахте печи
Промышленная практика даёт многочисленные примеры чрезвычайно серьёзных
осложнений процесса по причине образования значительного количества магнетита.
Для этого есть все основания в самой сути плавки, которая реализуется в системе
твердое - газ. Шихта, внесённая воздушно-кислородным дутьём в зону
обжига-плавки, испытывает высоко кинетические процессы окисления сульфидов, и в
первую очередь, и даже исключительно, идёт окисление сульфидов железа и в эти моменты никакого контакта с
флюсами практически нет. Тем самым создаются
условия переокисления сульфидов железа до магнетита.
В силу отмеченных причин, в окислительно-плавильной шахте процесс
шлакообразования не носит массового характера, здесь происходит лишь подготовка
к последующему шлакообразованию. Об этом свидетельствуют: диссоциация сложных
компонентов пустой породы, появление оксидов железа, повышение реакционной
способности, усреднение состава штейно-шлаковых продуктов.
Таким образом, в шахте обжига-плавки происходят значительные
физико-химические преобразования исходной шихты: 1) автогенное окисление
сульфидного железа, обеспечивающее мощный перегрев всех участников процесса; 2)
в соответствие с запланированной десульфуризацией, в продуктах окисленного
плавления появляются в оптимальном состоянии все участники будущего шлака ; 3) компоненты будущего штейна в
первичном состоянии образуют первичные сульфидные эвтектики; 4) перегретые
участники процесса оказываются в отстойной зоне печи, где заканчивается
формирование каждого продукта штейна и шлака, и их физическое разделение.
1.2 Физико-химическое содержание технологической оптимизации процессов
ПВП в отстойной зоне
В эту зону печи поступают два компонента из вертикальной шахты:
полурасплавленная шихта и газовая фаза. Технологические газы характеризуются
высокими температурами на входе (1400 - 1500С) и на выходе (1200 - 1300С). Главным их компонентом является . В зависимости от концентрации
кислорода (воздух-кислород), содержание колеблется от 28 до 68%. Другой
особенностью газов является индеферентность по отношению к продуктам плавки.
Раскалённые продукты плавки накапливаются в отстойной зоне печи, в первую
очередь, из них уходит сульфидная часть, обладающая большей плотностью,
меньшими температурами плавления, взаимной растворимостью, отсутствием
растворимости в шлаке. Поэтому процесс формирования штейна не лимитирует плавку
ПВП. К тому же в погоне за автогенностью вынуждены работать с высокой
десульфуризацией, что естественно приводит к образованию богатых по меди
штейнов (до 60 - 70%). И поэтому в таких штейнах содержание магнетита будет
минимальным [1].
Наряду с формированием штейна, самым медленным процессом в отстойной зоне
является оптимизация состава шлака из отдельных оксидов шихты. Процесс носит
ярко выраженный диффузионный характер. Скорость массообменна минимальна и
определяется некоторыми невыразительными явлениями: разница плотностей , дифференциация всего слоя по
температуре (у плавильной шахты температура выше). Особое отрицательное влияние
на процесс шлакообразования оказывает магнетит. Обычно его содержится до 30 -
50%. Незначительная его часть переходит в штейн. Но при этом шлак не может
ассимилировать весь магнетит из-за разности плотностей, температур плавления и
жидкотекучего состояния, и поэтому магнетит начинает формирование
самостоятельной структуры между шлаком и штейном. По данным НГМК (Надежденский
металлургический завод) толщина магнетитовой прослойки может доходить до 0,5
метра. Естественно, что образование самостоятельного слоя магнетита затрудняет
эффективное разделение продуктов плавки, ухудшает качество того и другого продукта,
увеличивает потери меди со шлаком. Оптимизация составов продуктов плавки в
отстойной зоне снижает производительность ПВП в целом до .
Ниже, в таблицах 1 и 2, приведены составы штейнов и шлаков по данным
анализов некоторых предприятий.
Таблица 1 Состав промышленных штейнов, %
Завод
|
|
|
|
|
|
|
Алмалыкский
"Сарганосеки" "Харьявалта"
|
35 58,6 60
|
--- --- 0,4
|
--- 0,2 1,0
|
34 15,5 14
|
26 23 22,7
|
78 --- ---
|
Таблица 2 Состав промышленных шлаков, %
Завод
|
|
|
|
|
|
|
Алмалыкский
"Сарганосеки" "Харьявалта"
|
0,9 0,88 0,9
|
--- --- 0,04
|
--- 0,9 2,5
|
41 38,9 44
|
33 32 29
|
11 --- 14
|
.3 Основное содержание физико-химических процессов первичной обработки
технологических газов в аптейке
Отходящие газы, проходящие через аптейк характеризуются повышенным
содержанием сернистого ангидрида. При плавке с дутьём, обогащенным кислородом,
содержание его на выходе из печи составляет 18 - 20%, а при плавке на
кислородном дутье концентрация достигает 80 - 90%. Увеличение содержания сернистого
ангидрида в газах оказывает значительное влияние на такие свойства, как степень
черноты и "точку росы" - температуру конденсации паров серной
кислоты.
Физические свойства пылей взвешенной плавки в основном определяются их
химическим и гранулометрическим составом. Уменьшение размера частиц пыли при
движении через аптейк приводит к увеличению удельной поверхности и угла
естественного откоса, а так же к уменьшению её плотности и насыпной массы.
.4 Подготовка медного концентрата к плавке
Взвешенная плавка предъявляет более жесткие требования к шихтоподготовке
и постоянству состава шихты, чем, например, отражательная плавка. Это связанно
с тем, что колебания в составе шихты при взвешенной плавки приводят не только к
изменению состава штейна и шлака, но и в значительной степени влияют на
тепловой баланс печи.
Непременным условием плавки медных концентратов во взвешенном состоянии
является глубокая сушка шихты до содержания влаги в ней не более 0,1 - 0,5%.
Более сырая шихта смешивается, частицы её укрупняются, что приводит к нарушению
самого принципа процесса нахождения частиц во взвешенном состоянии и
использования развитой поверхности сульфидного материала, окисляемого воздухом
или кислородом. Для глубокого обезвоживания шихты применяют барабанные печи и
аппараты сушки во взвешенном состоянии - вертикальные трубы-сушилки и распылительные
сушилки.
На медеплавильных заводах используют различные способы подготовки
приготовления шихты. Наиболее распространено смешение компонентов шихты на
ленточных конвейерах. Из бункеров концентраты и флюсы различных обогатительных
фабрик с помощью весовых питателей подаются на сборный конвейер. При
транспортировке в узлах пересыпки и сушильных печах происходит смешение
составляющих шихты.
.5 Устройство печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом
воздушном дутье
Кожух плавильной шахты изготовлен из листовой стали толщиной 13 мм. Шахта
и ее свод выложены из хром - магнезитового кирпича, толщина кладки 375 мм,
между стенами шахты и кожухом имеется теплоизоляционная засыпка. Внутренние
размеры шахты: диаметр 3,7 м, высота 8,8 м. Свод шахты опирается на подпятовые
балки и кирпичи, в центре свода расположено отверстие с медной водоохлаждаемой
амбразурой для установки шихтовой горелки. В кладку стен шахты через
определенные интервалы заложены горизонтальные кольца из плоских медных кессонов
толщиной 65 мм с залитыми стальными трубами. Эти кольца скреплены с кожухом и
предупреждают вертикальное смещение кладки шахты.
Рис.1. Схема печи для плавки во взвешенном состоянии на нагретом
воздушном дутье:
1 - Шахта, 2 - Отстойная камера, 3 - Аптейк, 4 - Пылевая камера
Отстойная камера печи представляет собой горизонтальную печь, имеющую
внутренние размеры,: длина - 16,9 м, ширина в области зеркала ванны - 4,5 м,
высота от лещади до свода - 1,8 м. Передней торцовой стене придана
трапециевидная форма, за счет чего она удалена приблизительно на 1 м от
внутренней поверхности кладки шихты. Это предупреждает ее от интенсивного
разъединения стекающим из шахты расплавом и разрушения настылями, падающими
иногда со стен шахты.
Лещадь камеры изготовлена из трех слоев кирпича: верхний из хром -
магнезитового, два следующих - из шамотного, между слоями имеются зазоры,
заполненные огнеупорным порошком. Кладка лещади уложена на подушку из
жаропрочного бетона.
Стены камеры выполнены в виде откосов, внутренняя кладка стен изготовлена
из хром - магнезитового кирпича, внешняя - из шамотного. Между хром -
магнезитовой и шамотной кладкой боковых стен установлены вертикальные
водоохлаждаемые кессоны. В боковой стене установлены две водоохлаждаемые плиты
с отверстиями для выпуска шлака, в передней торцевой стене - чугунные шпуровые
плиты для выпуска штейна.
Арочный свод камеры толщиной 375 мм изготовлен из хром - магнезитового
кирпича. Аптейк печи выполнен в виде шахты из
магнезитового кирпича. Стальной кожух опирается на металлическую конструкцию,
не связанную с креплением отстойной камеры. Нижняя конусная часть аптейка,
подверженная более значительному температурному воздействию запыленного
газового потока, заключена в водоохлаждаемые кессоны. Они как и кожух, связаны
с опорной металлоконструкцией. Аптейк плотно примыкает к своду камеры, но не
опирается на него.
Конструкция печи ПВП достаточно сложна - она сочетает в себе две шахты и
горизонтальную камеру. Еще более конструкция усложнена большим числом
водоохлаждаемых элементов, тем не менее их применение позволяет значительно
удлинить срок службы агрегата.
1.6 Достоинства плавки концентрата в ПВП
Плавка во взвешенном состоянии имеет ряд достоинств:
1) Процесс плавки является автогенным;
2) получение постоянного потока концентрированных отходящих газов
(16 - 80%), пригодных для получения жидкого сернистого ангидрида, серной
кислоты или элементарной серы;
) возможность полной автоматизации процесса;
) высокую степень десульфуризации (70 - 80%), что позволяет
соответственно получить богатый по содержанию меди штейн и даже черновую медь;
) высокую степень извлечения серы (около 90%) по заводу;
) повышение производительности труда.
2. Расчёт вещественного состава
Для расчёта вещественного (минералогического) состава и материального
баланса воспользуемся данными Надежденского металлургического завода. Здесь
медный концентрат, поступающий в ПВП, имеет следующий состав: ; ; ; ; ; ; ; ; ; Данные минералогических исследований
показывают, что компоненты этого концентрата содержатся в следующих минералах:
медь - в ; никель - в ; железо - помимо предыдущих
минералов, ещё содержится в и в ; компоненты пустой породы находятся в следующих состояниях -
,
Произведём расчёт минералогического состава по заданным минералам,
условившись, что расчёты будем вести на 100 кг исходного концентрата.
1) Количество железа и серы в определим по количеству меди:
Проверка:
2) Количество железа и серы в определим по количеству никеля:
Проверка:
3) Количество железа в определим по количеству остаточной серы:
Проверка:
4) Количество кислорода в определим по количеству остаточного
железа:
Проверка:
5) Определим количество , выделяющегося в результате разложения:
Проверка:
6) Определим количество , выделяющегося в результате разложения:
Проверка:
Результаты расчётов вещественного состава медного концентрата приведены в
таблице 3.
Таблица3 Вещественный состав медного концентрата, кг
Компоненты
|
Cu
|
Ni
|
Fe
|
S
|
|
|
|
|
|
|
прочие
|
Всего
|
|
25
|
|
21,93
|
25,16
|
|
|
|
|
|
|
|
72,09
|
|
|
2
|
1,9
|
2,18
|
|
|
|
|
|
|
|
6,08
|
|
|
|
8,94
|
5,86
|
|
|
|
|
|
|
|
14,8
|
|
|
|
2,03
|
|
|
|
|
|
0,78
|
|
|
2,81
|
|
|
|
|
|
0,8
|
|
|
|
|
|
|
0,8
|
|
|
|
|
|
|
0,8
|
|
|
|
0,63
|
|
1,43
|
|
|
|
|
|
|
|
0,5
|
|
|
0,55
|
|
1,05
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,2
|
|
|
|
0,2
|
прочие
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,74
|
0,74
|
Итого
|
25
|
2
|
34,8
|
33,2
|
0,8
|
0,8
|
0,5
|
0,2
|
0,78
|
1,18
|
0,74
|
100,00
|
Вещественный состав флюса имеет следующий вид :
Таблица4 Вещественный состав песчаника, кг
Компоненты
|
|
|
|
|
прочие
|
Всего
|
|
90
|
|
|
|
|
90
|
|
|
5
|
|
|
|
5
|
|
|
|
1,68
|
1,32
|
|
3
|
прочие
|
|
|
|
|
2
|
2
|
Итого
|
90
|
5
|
1,68
|
1,32
|
2
|
100,00
|
3. Расчёт материального баланса
По данным практики НГМК мы имеем, что распределение меди в результате
процесса ПВП имеет следующие пределы: в штейн - в шлак - в газы - А для никеля имеются следующие
значения: в штейн - в шлак - в газы -
Примем следующие значения распределения, %:
Таблица5
|
|
|
В штейн
|
93
|
95
|
В шлак
|
4
|
2
|
В пыль
|
3
|
3
|
В результате получается, что в штейне находится: и .
Главным продуктом плавки во взвешенном состоянии является штейн,
состоящий из и Сразу можно определить количество и
:
:
Основываясь на практику, принимаем процентное содержание серы в штейне
23%, а меди - 50%.
Тогда выход штейна будет:
А серы в штейне будет: Из которых в будет: Отсюда можно определить количество железа в :
Количество магнетита в штейне будет равно:
Результаты расчётов количества и состава
штейна приведены в таблице 6:
Таблица 6 Состав штейна
Ком-ты
|
|
|
|
|
|
Всего
|
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
|
23,25
|
50
|
|
|
|
|
5,85
|
12,58
|
|
|
29,1
|
62,58
|
|
|
|
1,9
|
4,09
|
|
|
0,69
|
1,48
|
|
|
2,59
|
5,57
|
|
|
|
|
|
7,5
|
15,59
|
4,16
|
8,95
|
|
|
11,41
|
24,54
|
|
|
|
|
|
2,46
|
5,29
|
|
|
0,94
|
2,02
|
3,4
|
7,31
|
Итого
|
23,25
|
50
|
1,9
|
4,09
|
9,71
|
20,88
|
10,7
|
23,01
|
0,94
|
2,02
|
46,5
|
100,00
|
По данным практики принимаем выход пыли равным 3%, тогда количество серы
и железа, уносимое с пылями:
и
В результате мы получаем количество серы и железа, которое нужно окислить
из концентрата:
В этом случае степень десульфуризации равна:
Из 21,5 кг S которых нужно
окислить, видно что в окисленную форму полностью можно перевести и , а так же часть (см. таблицу 3 вещественного
состава): Это означает, что только 13,46 кг S из 25,16 кг S мы можем
окислить в . Отсюда можно найти количество , которое мы окисляем:
Это составляет .
Наряду с необходимостью обеспечить расчётную десульфуризацию (65%), надо
учитывать состав оксидов железа, т.к. в условиях ПВП происходит формирование до
25 - 45% магнетита. Примем, что 35% из окисляется до, а остальная часть (65%) до
1) окисление до :
до окислится
Проверка: 5,18+3,25 = 4,33+4,1 8,43 = 8,43 (верно)
2) окисление до :
до окислится
Проверка: 8,75+4,88 = 6,67+6,78 13,45 = 13,45 (верно)
Проверка: 6,08+3,27 = 2,54+2,44+4,36 9,35 = 9,35 (верно)
Определим количество получившееся в результате окисления , учитывая, что только 53,5% железа
из окислится. Это составляет 11,73 кг Fe
Проверка: 38,57+18,49 = 15,06+15,09+26,91 57,06 = 57,06 (верно)
Всего железа, которого нужно окислить из , и в , составляет: 6,67+2,44+15,09 = 24,2
кг .
Теперь расчитаем теоретическое количество кварцевой руды, принимая, что
вся закись будет связана с в фаялит -
При плавке ПВП используют флюс (песчаник) следующего состава: флюсующая способность которого будет
ниже процентного содержания . Причём, при использовании флюса за счёт содержания и образуются и :
Т.е. в результате способности шлака действовать на шлакование 5% и 1,68% потребовалось 2,09+0,9=2,99%. В таком случае флюсующая
способность песчаника снизиться до 90-2,99=87,01%. В результате при плавке в печь ПВП
с медным концентратом необходимо загрузить флюса. Приведём количества всех компонентов флюса, необходимых для плавки.
Таблица 7 Количество песчаника, участвующего
в плавке
Компоненты
|
кг
|
%
|
Прочие
|
10,46 0,58 0,35 0,23
|
90 5 3 2
|
Итого
|
11,62
|
100
|
Однако известно, что пылевынос всех компонентов составляет 3%, т.е. из
всех загружаемых компонентов, только 96% участвуют в плавке. И в этом случае
необходимо флюса.
Таблица 8 Количество и состав песчаника,
загружаемого в ПВП
Компоненты
|
|
|
|
|
прочие
|
Всего
|
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
|
10,78
|
90
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10,78
|
90
|
|
|
|
0,6
|
5
|
|
|
|
|
|
|
0,6
|
5
|
|
|
|
|
|
0,2
|
1,66
|
0,16
|
1,34
|
|
|
0,36
|
3
|
прочие
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,24
|
2
|
0,24
|
2
|
Итого
|
10,78
|
90
|
0,6
|
5
|
0,2
|
1,66
|
0,16
|
1,34
|
0,24
|
2
|
11,98
|
100,00
|
Воспользуемся данными таблиц 3 и 8 для определения общего количества
пыли, принимая во внимание тот факт, что пылевынос всех компонентов составляет
3%.
Таблица 9 Количество и состав пыли
Ком-ты
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочие
|
Всего
|
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
|
1
|
22,35
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
22,35
|
|
|
|
0,08
|
1,79
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,08
|
1,79
|
|
0,877
|
19,6
|
0,076
|
1,7
|
0358
|
8
|
0,081
|
1,81
|
0,019
|
0,42
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,411
|
31,54
|
|
1,006
|
22,49
|
0,087
|
1,94
|
0,234
|
5,23
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,327
|
29,66
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,468
|
10,46
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,468
|
10,46
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,03
|
0,89
|
|
|
|
|
|
|
0,03
|
0,89
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,02
|
0,45
|
|
|
|
|
0,02
|
0,45
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,008
|
0,18
|
|
|
0,008
|
0,18
|
|
|
|
|
|
|
|
0,031
|
0,69
|
0,005
|
0,11
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,036
|
0,8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,032
|
0,72
|
|
|
|
|
|
|
0,032
|
0,72
|
прочие
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,03
|
0,67
|
0,03
|
0,67
|
Итого
|
2,883
|
64,44
|
0,243
|
5,43
|
0,592
|
13,23
|
0,112
|
2,5
|
1,071
|
26,79
|
0,468
|
10,46
|
0,042
|
0,94
|
0,02
|
0,45
|
0,008
|
0,18
|
0,03
|
0,67
|
4,472
|
100,00
|
Теперь оценим состав шлака. Для этого воспользуемся данными о том,
сколько всех компонентов содержится в штейне и пылях (таблицы 6 и 9).
Определим количество , зная что в нём содержится 25-23,25-1=0,75кг
Определим количество , зная что в нём содержится 2-1,9-0,08=0,02кг
Определим количество , зная что в нём содержится 33,2-10,7-1,327-5,86-2,18-11,7=1,433кг
Количество магнетита в шлаке будет равно:
Определим количество , в котором 34,8-9,71-1,411-2,499-2,625=18,555кг
Таблица10
Количество и состав шлака
Ком-ты
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
прочие
|
Всего
|
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
кг
|
%
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
кг
|
%
|
|
0,75
|
1,56
|
|
|
0,19
|
0,4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,94
|
1,98
|
|
|
|
0,02
|
0,04
|
0,007
|
0,01
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,027
|
0,05
|
|
|
|
|
|
1,433
|
2,98
|
2,499
|
5,26
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,932
|
8,28
|
|
|
|
|
|
|
|
2,625
|
5,52
|
1,003
|
2,08
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,628
|
7,63
|
|
|
|
|
|
|
|
18,555
|
39,05
|
5,45
|
11,32
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
23,875
|
50,24
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11,232
|
23,64
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11,232
|
23,64
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,98
|
2,06
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,98
|
2,06
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,48
|
1,01
|
|
|
|
|
|
|
0,48
|
1,01
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,192
|
0,4
|
|
|
|
|
0,192
|
0,4
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,268
|
2,71
|
|
|
1,268
|
2,71
|
проч
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,95
|
2
|
0,95
|
2
|
Итого
|
0,75
|
1,56
|
0,02
|
0,04
|
1,63
|
3,39
|
24,149
|
50,2
|
6,453
|
13,3
|
11,232
|
23,64
|
0,98
|
2,06
|
1,01
|
0,192
|
0,4
|
1,268
|
2,71
|
0,95
|
2
|
48,107
|
100,00
|
Для завершения материального баланса необходимо определить количество
подаваемого воздуха и состав отходящих газов.
Необходимое количество кислорода составляет:
Принимаем коэффициент использования в ПВП - 90%. Тогда кислорода
потребуется: или . Известно, что технический кислород содержит 95% и 5% . Т.е. необходимо технического кислорода, из которых или .
Количество подаваемого воздуха сводим в таблицу 11.
Таблица 11 Состав дутья
Компоненты
|
кг
|
Вес., %
|
|
Объёмн., %
|
|
33,2
|
95
|
23,24
|
94,32
|
|
1,75
|
5
|
1,4
|
5,68
|
Итого
|
34,95
|
100,00
|
24,64
|
100,00
|
Рассчитаем состав выходящих газов.
Воспользовавшись расчётами количества окисленных элементов, можно
определить количество : или из которых будет и .
Определим количество образующегося кислорода:
или .
Количество выходящих газов приведено в таблице 12.
Таблица 12 Состав выходящих газов
Компоненты
|
кг
|
Вес., %
|
|
Объёмн., %
|
|
39,08
|
81,47
|
13,68
|
68,13
|
|
7,141
|
14,89
|
5
|
24,9
|
|
1,75
|
3,64
|
1,4
|
6,97
|
Итого
|
47,971
|
100,00
|
29,12
|
100,00
|
Теперь имеются все необходимые данные для составления таблицы
материального баланса - см. таблицу 13
Таблица 14 Материальный баланс плавки во взвешенном состоянии
4. Расчёт теплового баланса
Для начала расчёта теплового баланса воспользуемся справочными данными
стандартных теплот образования [5].
Таблица 14 Теплоты образования соединений
Соединение
|
Hº298,
кДж/моль
|
CuFeS2
NiFeS2 Fe7S8 Fe3О4 FeO
Cu2O NiO SiO2 2FeO· SiO2 SO2 O2
|
190 ---- 755 1120 270 171,8
244,7 860,6 1440 297 0
|
Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления:
Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления(т.к. данных стандартных теплот
образования для в справочнике нет, возьмём их равными как и для , т.е. ):
Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления до:
Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления до :
Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции шлакования :
Всего, в результате протекания экзотермических реакций, выделится тепла:
Определим приход физического тепла с шихтой. В состав шихты входит медный
концентрат и флюс. Средняя удельная теплоёмкость шихты равна Шихта поступает в печь с
температурой Количество тепла, вносимое шихтой равно:
Определим физическое тепло дутья. . Обозначим объемное содержание
кислорода в техническом кислороде {O2}т.к.,%.
Масса кислорода и азота в дутье соответственно и . Объем дутья Vт.к. .
Объёмы кислорода и азота в дутье в этом случае равны:
;
Так же объёмы кислорода и азота можно вычислить как:
;
Приравняв эти выражения, получим:
Решив это уравнение, получаем:
Найдем теперь теплоту, вносимую техническим кислородом по формуле: , где - средняя объёмная теплоемкость при
температуре технического кислорода. Примем при , . Отсюда получаем:
.
Теперь определим статьи потерь тепла.
Продуктами плавки ПВП являются штейн, шлак и технические газы (пыль +
газ). Теплоту уносимую со штейном, шлаком и пылью вычислим через энтальпии,
которые принимаем: при , ; при , ; при , . В результате получаем:
;
;
.
Тепло, уносимое отходящими газами, определим по отдельным газовым
составляющим: , где - средние объёмные теплоёмкости газовых составляющих; - объёмы газов; - температура выходящих газов.
Принимаем при , , , . Получаем:
Потери тепла во внешнюю среду определим по разнице статей прихода и
расхода тепла:
Результаты расчётов теплового баланса сводим в таблицу 15.
Таблица 18 Тепловой баланс
Приход тепла
|
Расход тепла
|
Статьи
|
кДж
|
%
|
Статьи
|
кДж
|
%
|
Экэотерм. реакции Физ.
тепло шихты Физ. тепло дутья
|
283960 1890 1480
|
98,8 0,7 0,5
|
Тепло со штейном Тепло со
шлаком Тепло с пылями Тепло отходящих газов Потери во внешнюю среду
|
50406 70236 7065
98623 59679
|
17,5 24,4 2,5 18,7 36,9
|
Итого
|
287330
|
100,00
|
Итого
|
287330
|
100,00
|
5. Условия теплогенерации и теплообмена
Условия теплогенерации и теплообмена в печи взвешенной плавки (ПВП),
разработанной финской фирмой "Оутокумпу" и представленной в России
двумя пирометаллургическими линиями на Надеждинском заводе НГМК, принципиально
отличаются от рассмотренных выше аппаратов струйно-окислительного типа. ПВП
относится к категории автогенных аппаратов. Главную часть тепловой энергии
доставляют реакции факельного окисления частиц сульфидных минералов. Однако, к
этому добавляются энергозатраты на глубокую сушку измельченной шихты (до влажности
не более 0,4-0,5%), нагрев воздуха до 300-500°С (а из практики зарубежных предприятий - до 1100°С) и обогащения дутья кислородом (до
30-50%).
Основной особенностью тепловой работы ПВП является конструктивно
предопределенная кардинальная пространственная разобщенность зоны
теплогенерации и зоны теплообменных процессов в массе расплава.
Реакционная шахта ПВП представляет собою своеобразную топку, в которой в
нагретом и обогащенном кислородом дутье в распыленном виде сжигается сухая,
тонко измельченная сульфидная шихта. Продуктами этого процесса являются
концентрированные по SO2 газы и оксисульфидный расплав,
падающий в виде огненно-жидкого диспергированного потока в головную часть
отстойной зоны печи.
Тепловое состояние ванны, заполненной расплавом, должно отвечать
термодинамическим и кинетическим условиям протекания реакций обменного
взаимодействия типа MeO + FeS = MeS + FeO,
реакций шлакообразования 10FeO +
5SiO2 = 5(2FeO×SiO2) и восстановления магнетита 3Fe3O4
+ FeS + 5SiO2 = 5(2FeO×SiO2) + SO2.
Доставка тепла к ванне ПВП необходима также для перегрева шлака и штейна
до температур, обеспечивающих условия их удовлетворительного расслаивания и
выпуска через летки и шпуры.
Тепловой режим ванны ПВП до настоящего времени поддерживается только за
счет первоначального теплосодержания оксисульфидного расплава, сформированного
в реакционной шахте и тепла, передаваемого на поверхность ванны газовым
потоком, движущимся в подсводовом пространстве отстойника.
Плотность теплового потока, передаваемого газами на поверхность ванны,
можно ориентировочно определить по известной формуле лучистого теплообмена
между газами, кладкой и расплавом:
изл = C0×, кДж/м²×час
где С0 - коэффициент излучения абсолютно-черного тела, 21
кДж/м²×час×К4; eм - степень черноты поверхности кладки и расплава,
примем 0,6; eг - степень черноты газа при t = 1350°С, средней концентрации SO2 - 20%, и средней длине луча 2,5 м (PS = 0,5) имеем eг
= 0,22; w - степень развития кладки; для
открытой ванны, которую отхватывает контур кладки (стены и свод) можно принять w =1,5; Тг - средняя
температура газа, К (Тг = 1623 К); Тм - средняя
температура ванны, К. Примем Тм = 1523 К.
Подставив в формулу принятые значения величин, получим округленно
qизл = 59000 кДж/м²×час.
Сопоставим полученную величину с потерями тепла во внешнюю среду наружным
контуром отстойника. В соответствии с геометрией отстойника его наружная
поверхность (свод и стены, укрытые стальным кожухом) в 2,5 раза больше зеркала
ванны.
Приняв среднюю температуру наружной поверхности 300 °С, окружающей атмосферы 20°С, по формулам (7) и (8) найдем
значения суммарного коэффициента теплоотдачи.
aS = 86 кДж/м²×час×°С;
плотность теплового потока q = 86×(300-20) = 24000 кДж/м²×час;
на 1 м длины отстойника потери тепла составят 86×280×2,5 = 60200 кДж/час
Таким образом, в печи взвешенной плавки доставка тепла в отстойную зону
за счет конвекции и излучения сопоставима с высокими потерями тепла
относительно "зеркала" ванны. По-видимому, целесообразным
мероприятием нужно считать ввод дополнительного источника тепла в отстойную
часть печи, одновременно снимая тепловую нагрузку с реакционной шахты.
Заключение
В результате проведённых расчётов по материальному балансу подтвердилась
возможность проведения плавки во взвешенном состоянии в автогенном режиме.
Выход основных продуктов составил: штейна - 31,62%, шлака - 32,72%. При этом
штейн очень богат медью - содержание меди в штейне 50%.
Расчёты теплового баланса потвердели, что выбранная высокая степень
десульфуризации (65%) так же позволила провести плавку в автогенном режиме.
Помимо этого, применение дутья, обогащенного кислородом, обеспечило
получение газов с высоким содержанием (81,47%). А это играет не мало важную
роль с экономической точки зрения, т. е. уменьшает затраты на дальнейшую
переработку на элементарную серу и серную кислоту.
Библиографический список
[1] Ю.П. Купряков "Автогенная плавка медных концентратов
во взвешенном состоянии", Москва, "Металлургия", 1979 г.
[2] Л.А. Синев, В.Ф. Борбат " Плавка сульфидных
концентратов во взвешенном состоянии", Москва, "Металлургия",
1979 г.
[3] А.В. Ванюков, Н.И. Уткин "Комплексная переработка
медного и никелевого сырья", Челябинск, "Металлургия", 1988 г.
[4] Ф.М. Лоскутов, А.А. Цейдлер "Расчёты по металлургии
тяжёлых цветных металлов ", Москва, "Металлургия", 1963 г.
[5] Н.В. Гудима, Я.П. Шейн "Краткий справочник по
металлургии цветных металлов ", Москва, "Металлургия", 1975 г.
[6] А.А. Гальнбек, Л.М. Шалыгин, Ю.Б. Шмонин "Расчёты
пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии",
Челябинск, "Металлургия", 1990 г.
[7] Лекции Ю.М. Смирнова по дисциплине "Металлургия меди
и никеля", 2002г.