Металлургия и основы металлургического производства

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине __________________________________________________________

________________________________________________________________________

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Выполнил: студент гр. ММ-05 ____________________ / Иванов А.А. /

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА: _____________

Дата: ___________________

ПРОВЕРИЛ

Руководитель проекта __профессор__ __________________ / Петров Г. В. /

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2008

Аннотация.

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».

The summary.

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».

Оглавление

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

Введение

АО «Горно-металлургический комбинат Печенганикель» представляет собой сложный производственный комплекс по добыче и переработке сульфидной медно-никелевой руды.

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».

1. Теоретическая часть

1.1 Характеристика исходных материалов процесса конвертирования

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, %

1.1.1 Штейн

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.

1.1.2 Флюсы

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 %.

1.2. Теоретические основы процесса конвертирования медно-никелевых штейнов

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)₂ґSiO₂].

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-1300^oС) 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 ;

Cu₂S+0,5ґO₂=2ґCu+SO₂ ;

2ґCu+0,5ґO₂=Cu₂O ;

Ni₃S₂+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.

1.2.1 Продувка штейнов

а) не содержащих свободных металлов.

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)₂ґSiO₂+2ґSiO₂ .

При конвертировании большее значение имеет процесс образования магнетита (Fe₃O₄). Магнетит образуется при конвертировании любых штейнов вследствие окислительного характера процесса.

б) металлизированных штейнов.

При продувке металлизированных штейнов в начале протекает следующая реакция:

2ґFe+0.5ґO₂+SiO₂= (FeO)₂ґSiO₂

Только после практически полного окисления свободного железа начинает окисляться FeS, характеризующее начало периода продувки.

Основная реакция конвертирования металлизированных штейнов:

6ґFe+3ґO₂+3ґSiO₂=3ґ(FeO)₂ґSiO₂

1.2.2 Тепловая работа конвертора

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)₂ґSiO₂]+448800 кал

2ґFeS+3ґO₂+SiO₂= (FeO)₂ґSiO₂+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, ^oC…………………1100-1200

Оптимальная температура массы в конвертере в период

набора, ^oC……………………………………………………………...1220-1250

Оптимальная температура массы в конвертере в период

варки файнштейна, ^oC……………………………………………………1180

Температура, ^oC:

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 %.

1.2.3 Механизмы процессов, протекающих в конверторной ванне окисления штейна

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= Fe₃O₄+3ґSO₂. Магнетит далее частично восстанавливается в расплаве по реакции 3ґFe₃O₄+FeS=10ґFeO+SO₂. Внутри дутьевого факела, кроме этой реакции, идут также следующие:

2ґNi₃S₂+7ґO₂=6ґNiO+4ґSO₂ (после выгорания FeS)

2ґCu₂S+3ґO₂=2ґCuO+2ґSO₂ (после выгорания основного количества Ni₃S₂) Сu₂S+2ґCuO=6ґCu+SO₂.

Далее образовавшиеся окислы и металлы, взаимодействуя со штейном, восстанавливаются и сульфидируются по реакциям:

3ґNiO+3ґFeS=Ni₃S₂+3ґFeO+0,5ґS₂,

Cu₂O+FeS=Cu₂S+FeO, 2ґCu+FeS=Cu₂S+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.=Fe₃O₄,

3ґFeS+5ґO₂=Fe₃O₄+3ґSO₂ (после выгорания Fe),

2ґNi₃S₂+7ґO₂=6ґNiO+4ґSO₂ (после выгорания FeS),

2ґCu₂S+3ґO₂=2ґCu₂O+2ґSO₂ ( после выгорания большей части Ni₃S₂),

Cu₂S+2ґCu₂O=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=Ni₃S₂+2ґFe,

Cu₂O+Fe=2ґCu+FeO,

2ґCu+FeS=Cu₂S+Fe,

SO₂+3ґFe=FeS+2ґFeO.

1.3 Продукты конвертирования

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.

1.3.1 Фанштейн

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.

1.3.2 Конверторные шлаки

Состав конвертерного шлака приведен в таблице 5.

Конвертерные шлаки состоят в основном из силикатов железа фаялита (FeO)₂ґSiO₂, 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.

1.3.3 Конверторные газы

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

1.3.4 Конверторная пыль

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.

2. Материальный баланс процесса

2.1 Технологическая схема конвертирования.

Медно-никелевый штейн

Воздух Кварцевый флюс

Конвертирование

Газ и пыль Файнштейн Конвертерный шлак

Газоочистка На разделение меди На обеднение в

и никеля электропечи

Газы Пыль

На производство В электро-

Н₂SO₄ или плавку

в трубу

2.2 Расчет ведем в соответствии с технологической схемой

2.2.1 Вещественный состав штейна

Принимаем, что цветные металлы находятся в штейне в виде , ,, железо – в виде свободного металла (абсолютное содержание 4%), ,.

Для расчета массы сначала находим массу серы в .

, где

- масса Ni (9,1кг),

- масса S,

- молекулярная масса Ni (58,71г/моль),

- молекулярная масса S (32,06 г/моль).

.

Тогда масса равна 10,5 + 3,823= 14,323 кг.

Аналогично рассчитывается масса других соединений. Для железа сначала считаем массу , а затем . Результаты сводим в таблицу.

Таблица № 6 Вещественный состав медно-никелевого штейна, кг

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

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 (, , ). Результаты расчета массы и вещественного состава файнштейна сводим в таблицу.

Таблица № 8 Масса файнштейна и его вещественный состав

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 , , и (50%), оксидов , , и (50%).

Масса Ni в рассчитывается:

кг.

Тогда масса серы в рассчитывается:

,

где - масса никеля в пыли,

- масса серы в в медно – никелевом штейне,

- масса никеля в в медно – никелевом штейне.

кг.

Тогда масса в пыли равна 0,0525 + 0,019 = 0,0715 кг.

Аналогично рассчитываются массы для остальных сульфидов.

Масса Ni в рассчитывается:

кг.

Масса кислорода в рассчитывается:

,

где: - масса Ni в пыли(0,0525 кг),

- масса O в пыли,

- молекулярная масса Ni (58,71 г/моль),

- молекулярная масса O (16 г/моль).

Тогда масса в пыли равна 0,0525 + 0,0143 = 0,0668 кг.

Аналогично рассчитываются массы для остальных оксидов.

Результаты расчета массы и вещественного состава пыли сводим в таблицу.

Таблица № 9 Масса пыли и ее вещественный состав

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:

кг

С рассчитанным количеством кварцевого флюса в конвертер поступит:

кг SiO₂

Аналогично для Fe (1,206 кг); Fe₂O₃ (1,497 кг); CaO (0,603 кг); MgO (0,436);

Al₂O₃ (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 и на 50% в виде , медь на 85% в виде и на 15% в виде , кобальт – на 25% в виде и на 75% в виде , а железо – в виде , и (соответственно 10; 35 и 55 % от его массы в конвертерном шлаке). Количество прочих в шлаке находим из баланса их прихода и расхода:

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 кислорода, потребного для связывания серы в ,

Масса 18,829 + 18,794 = 37,623 кг, а объем (рассчитан при нормальных условиях)

Таблица № 10 Масса конвертерного шлака и его вещественный состав

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:

м³

кг.

Масса воздуха, подаваемого в конвертер:

кг.

Воздух содержит 136,183 – 31,322 = 104,861 кг или

м³ азота.

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

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

3 Аппаратно-технологическая схема конверторного передела

Список использованной литературы

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