Размеры частиц и величина удельной поверхности компонентов шихтовых материалов

Курсовая работа

по дисциплине: «Металлургия»

на тему:

«ВЗВЕШАННАЯ ПЛАВКА НИКЕЛЕВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПЕЧИ ВЗВЕШАННОЙ ПЛАВКИ»

 

 

Выполнил: Бельтюков С.Н.        

Проверил: Рогова Л.И.

 Группа: Экм-99-У ВО             Подпись: _______________

Шифр: 060800                          Дата проверки:

Дата выполнения

 

Норильск, 2000г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Выбор технологии производства…………………………2

2. Описание основного агрегата……………………………..3

3. Физико-химические основы процесса……………………5

4. Технико-экономические показатели……………………..11

5. Металлургический расчет…………………………………12

Библиографический список

 

 

1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

 

Плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье была осуществлена в промышленном масштабе финской фирмы «Оутокумпу» на заводе «Харьявалта». В первона­чальном варианте для плавки применяли воздушное дутье, подо­гретое до 400—500 °С. Начиная с конца 60-х годов, этот процесс по лицензии фирмы «Оутокумпу» стали широко применять на метал­лургических заводах многих стран. В настоящее время он внедрен более чем на 30 предприятиях для переработки медных, никелевых и пиритных концентратов, в т.ч. на Надеждинском металлургическом заводе. Финскую плавку на сегодня можно счи­тать самым распространенным в промышленности и наиболее тех­нологически и аппаратурно отработанным автогенным процессом плавки сульфидных концентратов.

Особенностями взвешенной плавки являются:

- высокая производительность (удельный проплав 10-15 т/м2 в сутки);

- низкий расход топлива - процесс плавки сульфидного концентрата протекает в режиме, близком к автогенному;

- возможность полного автоматического управления про­цессом плавки с помощью системы "Проскон-103'';

- возможность получения штейна требуемого состава;

- утилизация серы из высококонцентрированных серных газов.

Конструкция ПВП и комплекс других технических решений обеспечивают получение пара энергетических параметров и высо­кую степень утилизации серы из отходящих газов, что резко снижает выброс двуокиси серы в окружающую среду и значительно улучшают условия труда обслуживающего персонала.

В плавильном цехе НМЗ имеет­ся две печи взвешенной плавки одинаковой конструкции для плавки медного и никелевых концентратов.

Передел взвешенной плавки - структурное подразделение плавильного цеха HMЗ.

 

2. ОПИСАНИЕ ОСНОВНОГО АГРЕГАТА

 

Конструкция печи для плавки во взвешенном состоянии на подо­гретом дутье достаточно сложна — она сочетает в себе две верти­кальные шахты (реакционную и газоход-аптейк) и горизонтальную камеру-отстойник.

Тонкоизмельченная шихта, предварительно высушенная до со­держания влаги менее 0,2%, подается по системе ленточных конвейеров и пневмотранспорта в бункер шихты. Из бункера шихта двумя скребковыми транспортерами "Редлер" подается через свод реакционной камеры с помощью четырех специальных горелок. Основное на­значение горелки — приготовление и подготовка шихтововоздушной смеси для ускорения процесса горения сульфидов. Перемешивание шихты с дутьем достигается разбиванием струи шихты о конус-рассекатель и подачей дутья через воздушный патрубок и распре­делительную решетку.

 

 

Схема горелки печи завода

1 — дутье; 2 — шихтовая воронка; 3 — загрузочный патрубок;

4 — воздушный патрубок; 5 — конус-рассекатель;

6 — распределительная решетка; 7 — диф­фузор

 

Вся печь взвешенной плавки выполнена в виде кладки из магнези­тового кирпича. Футеровка реакционной шахты и аптейка заключе­на в металлические кожухи из листовой стали. В кладку всех элементов печи заложено большое количество водоохлаждаемых

 Печь для плавки во взвешенном состоянии

1 — горелка; 2 — реакционная камера; 3 — отстойная ванна; 4 — аптейк;

5 — ко­тел-утилизатор; 6 — паровой воздухоподогреватель;

7 — топливный воздухо­подогреватель

элементов, что позволяет значительно удлинить срок службы агрегата. Аптейк непосредственно сочленен с котлом-утилизатором туннельного типа. В боковой стене отстойной камеры установлены две медные водоохлаждаемые плиты с отверстиями для выпуска шлака, а в передней торцевой стене — чугунные шпуры для выпу­ска штейна.

Габариты печи определены на основании технологических расчетов произведенных с помощью ЭВМ, исходя из проектной производительности печи и других исходных параметров для про­ектирования.

В реакционной шахте, для окисления компонентов концентрата, используется воздух обогащенный кисло­родом и подогретый до 200°С. Согласно теплового баланса - степень обогащения дутья кислородом на ПВП никеля составляет 26%при среднем составе шихты, что позволяет реакционной шахте работать автогенно, без применения дополнительного топлива Оборудование рассчитано на максимальное обогащение кислородом до 40%, если по каким-либо причинам:

1. Теплопотребление шихты увеличится

2. Увеличатся тепловые потери печи;

3. Подогрев воздуха уменьшится.

Если обогащения дутья кислородом до 40% из-за вышеперечисленных факторов окажется недостаточным, то для восполнения недостатка тепла в реакционной шахте, используют природный газ.

Расплавленные частицы падают на поверхность ванны отстой­ника. В отстойной зоне печи происходит расслоение сульфидно-силикатного расплава на шлак и штейн. Для поддержания заданной температуры шлака и штейна в отстойной зоне смонтировано 18 го­релок природного газа. При выходе из реакционной шахты направление движения газов изменяется на 90° - газовый поток проходит горизонтально над ванной в отстойной зоне печи. Затем направ­ление движения газа вновь изменяется на 90° - газ поднимается по вертикальному аптейку печи вверх. В аптейк инжектируется угольная пыль, где и происходит восстановление сернистого газа до элементарной серы. Благодаря такой конструкции печи происходит достаточно полное отделение сульфидно-силикатных частиц, нахо­дящихся во взвешенном состоянии, от газового потока.

Пылевынос из печи взвешенной плавки составляет 12-15% от веса загружаемой шихты.

После аптейка газы поступают в котел-утилизатор, где охлаждаются с 1350°С до 550°С, а затем после очистки в электро­фильтрах от пыли, поступают в серный цех для улавливания из газов элементарной серы.

Печь взвешенной плавки является головным агрегатом в цепи переработки серосульфидных концентратов. Агрегат обладает вы­сокой интенсивностью плавления. В связи с этим печь имеет сложную и многообразную систему охлаждения.

Агрегат должен обладать высокой герметичностью. Нарушение герметичности ведет к подсосам, что нарушает тепловой баланс печи, разубоживает отходящие газы и увеличивает их объемы, уве­личивает расход восстановителя. Вышеперечисленные причины от­рицательно сказываются не дальнейшей обработке газов в серном цехе,

Все три части печи взвешенной плавки должны иметь высокую гер­метичность, требуют жесткого поддержания заданных параметров, что обеспечивается работой печи в автоматическом режиме с по­мощью ЭВМ.

 

 

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Процесс плавки сульфидных концентратов с утилизацией серы из отходящих газов очень сложен, поэтому на производительность печи, полноту протекания окислительных и восстановительных реакций влияют многие факторы, основными из них являются;

- размеры частиц и время нахождения частиц в газовом потоке;

- время нагрева частиц;

- скорость, направление и последовательность окисли­тельных реакций, влияние температуры на конечное химическое равновесие;

- минералогический состав концентратов;

- вид восстановителя сернистого ангидрида и влияние температуры на конечное равновесное состояние восстановительных реакций.

Образование фаялита

2FeO+SiO₂=(FeO)₂SiO₂

Разложение магнетита

3Fe₃O₄+FeS+5SiO₂=5(FeO)₂xSiO₂+SO₂­

Плавкость сульфидов

В сравнении с окислами сульфиды являются более легко­плавкими соединениями. Температуры плавления основных сульфидов, входящих в состав медных и никелевых штейнов:

Сульфид железа 1171 С

Халькозин – 1135 С

Сульфид кобальта – 1140 С

Хизлевудит – 788 С

Эвтектические сплавы, образованные двумя различными суль­фидами, а так же эвтектики между сульфидом и его металлом более легкоплавки, чем отдельные компоненты.

Штейны при плавке сульфидных компонентов всегда является многокомпонентными системами. Составы штейнов не всегда от­вечают составам эвтектик, но тем не менее, температуры плавле­ния штейнов все же ниже, чем температуры плавления входящих в них сульфидов. Обычно при температуре 850-900°С штейны на­ходятся в жидкотекучем состоянии,

Комп.

 Cu

 Ni

Fe

S

Оксиды

Прочие

Общ. мас.

 Si  Ca  Mg  Al Конц-т 4 8 46 30 3,5 2,3 2 1,38 2,82 100 Обор. Пыль 2,3 5,2 26 18,5 24,5 2,6 2,1 2,3 16,5 100 Шихта 3,75 7,58 43,00 28,28 6,65 2,35 2,02 1,52 4,87 100

 

Предварительный расчёт по выходу штейна.

 

Извлечение в штейн из шихты:

Cu – 91%

Ni – 91 %

Всего в штейн перейдет:

Cu 3,75х0,91= 3,41

Ni 7,58х0,91= 6,9

Вес штейна на 100 кг концентрата при 50 % содержании металлов:

(3,41+6,9)х0,5= 20,61

По данным Б.П. Недведецкого, в штейнах с 50% металла содержится 2% О₂ и 23,7% S

В этом случае содержание железа в штейне составит:

Fe: 100-(50+2+23,7)= 24,3%

 

 

                         Предварительный состав штейна.

                                                                                                           Таблица № 3

Хим. Сост.	Масса кг.	%
Ni	6,9	33,48
Cu	3,41	16,55
S	4,88	23,7
O2	0,41	2
Fe	5,01	24,3
Итого	20,61	100

Перейдет в шлак железа: 43-5,01=37,99 кг

 

Флюсы:

Для получения кондиционных отвальных шлаков и в связи с высоким содержанием Fe в исходном сырье в шихту вводятся флюсующие присадки. Основным флюсующим компонентом в шихте служит песчаник.

Примем следующий состав песчаника:

SiO₂ – 80 %,  MgO – 1,5%, Al₂O₃ – 8,7%  

CaO – 1,3 %, FeO – 2,5%,

            

Расчет ведем на получение шлака, содержащего 30% SiO₂.

Примем, что Х – общая масса шлака, кг; У – масса загружаемого песчаника, кг. Составляющие песчаника переходят в шлак целиком. Тогда общая масса шлака будет, кг:

 

Х=У+37,99х71,85/55,85+5,88+6,65= У+61,4 

 

37,99х71,85/55,85 – количество FeO, образовавшаяся из железа концентрата, перешедшего в шлак.

6,65 – количество SiO₂ в концентрате

5,88 – количество CaO, MgO, Al2O3

 

Второе уравнение получаем из баланса:

0,30 Х=6,65+0,8У

 

Решая систему уравнений получаем:

 

У=23,54 (песчаник)  Х = 84,94 (шлак)

 

Результат проверяем подсчетом количества и состава шлака:

 

FeO	48,87+23,54х0,025=49,46	58,23
SiO2	6,65+23,54х0,8=25,48	30,00
Al2O3	1,52+23,54*,087=3,57	4,19
CaO	2,35+23,54х0,013=2,66	3,12
MgO	2,02+23,54х0,015=2,37	2,79
Прочие	1,42	1,67
Итого	84,94	100

               

 

 

Для расчета состава и количества отходящих газов примем, что весь кислород, необходимый для осуществления реакций, поступает с подогретым дутьем. При этом необходимо учитывать, что на практике имеются неорганизованные подсосы холодного воздуха, количество которого может колебаться от 2% до 6%.

Влажность шихты 0,2%, следовательно в печь поступит ее

(100+23,54)х0,002=0,25 кг

С учетом содержания серы в штейне и шлаке ее перейдет в газы:

28,28 – 4,88- 0,67=22,73 кг

32S-64 SO₂

22,73 S - X SO_2, что составляет 45,46 кг SO₂

На окисление железа, переходящего в шлак, расход кислорода составит 48,87-37,99=10,88кг

Общая потребность кислорода на плавку 100 кг концентрата будет, кг:

- На окисление серы – 22,73

- На окисление железа – 10,88

- Переходит в штейн – 0,41

Итого:34,02 кг

Вместе с кислородом в печь поступит азота

34,02/0,23 х 0,77=113,8 кг

 

Из практики работы известно, что со шлаком теряется: Cu – 2%, Ni – 4,5%

Cu= 3,75 x 0,02= 0,075

Ni= 7,58 x 0,045=0,34

S в шлак = 28,28- (4,88+22,73)=0,67

 

В технические газы отходит:

Cu: 3,75-(3,41+0,08)= 0,26

Ni: 7,58-(6,9+0,34)=0,34

 

 

Статьи баланса	Всего	В том числе
		Cu	Ni	Fe	S	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	O2	N2	H2O	прочие
Загружено:
Шихты	100,22	3,75	7,58	43,00	28,28	6,65	2,35	2,02	1,52	-	-	0,20	4,87
Песчаника	21,59					18,83	0,31	0,35	2,05	-	-	0,05
Воздуха	147,82									34,02	113,80
Всего:	269,63	3,75	7,58	43,00	28,28	25,48	2,66	2,37	3,57	34,02	113,80	0,25	4,87
Получено:
Штейна	20,61	3,41	6,90	5,01	4,88	-	-	-	-	0,41			-
Шлаков	88,91	0,08	0,34	37,99	0,67	25,48	2,66	2,37	3,57	10,88			4,87
Технические газы	160,11	0,26	0,34		22,73					22,73	113,80	0,25
Всего:	269,63	3,75	7,58	43,00	28,28	25,48	2,66	2,37	3,57	34,02	113,80	0,25	4,87

Курсовая работа

по дисциплине: «Металлургия»

на тему:

«ВЗВЕШАННАЯ ПЛАВКА НИКЕЛЕВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПЕЧИ ВЗВЕШАННОЙ ПЛАВКИ»

 

 

Выполнил: Бельтюков С.Н.        

Проверил: Рогова Л.И.

 Группа: Экм-99-У ВО             Подпись: _______________

Шифр: 060800                          Дата проверки:

Дата выполнения

 

Норильск, 2000г.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Выбор технологии производства…………………………2

2. Описание основного агрегата……………………………..3

3. Физико-химические основы процесса……………………5

4. Технико-экономические показатели……………………..11

5. Металлургический расчет…………………………………12

Библиографический список

 

 

1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

 

Плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье была осуществлена в промышленном масштабе финской фирмы «Оутокумпу» на заводе «Харьявалта». В первона­чальном варианте для плавки применяли воздушное дутье, подо­гретое до 400—500 °С. Начиная с конца 60-х годов, этот процесс по лицензии фирмы «Оутокумпу» стали широко применять на метал­лургических заводах многих стран. В настоящее время он внедрен более чем на 30 предприятиях для переработки медных, никелевых и пиритных концентратов, в т.ч. на Надеждинском металлургическом заводе. Финскую плавку на сегодня можно счи­тать самым распространенным в промышленности и наиболее тех­нологически и аппаратурно отработанным автогенным процессом плавки сульфидных концентратов.

Особенностями взвешенной плавки являются:

- высокая производительность (удельный проплав 10-15 т/м2 в сутки);

- низкий расход топлива - процесс плавки сульфидного концентрата протекает в режиме, близком к автогенному;

- возможность полного автоматического управления про­цессом плавки с помощью системы "Проскон-103'';

- возможность получения штейна требуемого состава;

- утилизация серы из высококонцентрированных серных газов.

Конструкция ПВП и комплекс других технических решений обеспечивают получение пара энергетических параметров и высо­кую степень утилизации серы из отходящих газов, что резко снижает выброс двуокиси серы в окружающую среду и значительно улучшают условия труда обслуживающего персонала.

В плавильном цехе НМЗ имеет­ся две печи взвешенной плавки одинаковой конструкции для плавки медного и никелевых концентратов.

Передел взвешенной плавки - структурное подразделение плавильного цеха HMЗ.

 

2. ОПИСАНИЕ ОСНОВНОГО АГРЕГАТА

 

Конструкция печи для плавки во взвешенном состоянии на подо­гретом дутье достаточно сложна — она сочетает в себе две верти­кальные шахты (реакционную и газоход-аптейк) и горизонтальную камеру-отстойник.

Тонкоизмельченная шихта, предварительно высушенная до со­держания влаги менее 0,2%, подается по системе ленточных конвейеров и пневмотранспорта в бункер шихты. Из бункера шихта двумя скребковыми транспортерами "Редлер" подается через свод реакционной камеры с помощью четырех специальных горелок. Основное на­значение горелки — приготовление и подготовка шихтововоздушной смеси для ускорения процесса горения сульфидов. Перемешивание шихты с дутьем достигается разбиванием струи шихты о конус-рассекатель и подачей дутья через воздушный патрубок и распре­делительную решетку.

 

 

Схема горелки печи завода

1 — дутье; 2 — шихтовая воронка; 3 — загрузочный патрубок;

4 — воздушный патрубок; 5 — конус-рассекатель;

6 — распределительная решетка; 7 — диф­фузор

 

Вся печь взвешенной плавки выполнена в виде кладки из магнези­тового кирпича. Футеровка реакционной шахты и аптейка заключе­на в металлические кожухи из листовой стали. В кладку всех элементов печи заложено большое количество водоохлаждаемых

 Печь для плавки во взвешенном состоянии

1 — горелка; 2 — реакционная камера; 3 — отстойная ванна; 4 — аптейк;

5 — ко­тел-утилизатор; 6 — паровой воздухоподогреватель;

7 — топливный воздухо­подогреватель

элементов, что позволяет значительно удлинить срок службы агрегата. Аптейк непосредственно сочленен с котлом-утилизатором туннельного типа. В боковой стене отстойной камеры установлены две медные водоохлаждаемые плиты с отверстиями для выпуска шлака, а в передней торцевой стене — чугунные шпуры для выпу­ска штейна.

Габариты печи определены на основании технологических расчетов произведенных с помощью ЭВМ, исходя из проектной производительности печи и других исходных параметров для про­ектирования.

В реакционной шахте, для окисления компонентов концентрата, используется воздух обогащенный кисло­родом и подогретый до 200°С. Согласно теплового баланса - степень обогащения дутья кислородом на ПВП никеля составляет 26%при среднем составе шихты, что позволяет реакционной шахте работать автогенно, без применения дополнительного топлива Оборудование рассчитано на максимальное обогащение кислородом до 40%, если по каким-либо причинам:

1. Теплопотребление шихты увеличится

2. Увеличатся тепловые потери печи;

3. Подогрев воздуха уменьшится.

Если обогащения дутья кислородом до 40% из-за вышеперечисленных факторов окажется недостаточным, то для восполнения недостатка тепла в реакционной шахте, используют природный газ.

Расплавленные частицы падают на поверхность ванны отстой­ника. В отстойной зоне печи происходит расслоение сульфидно-силикатного расплава на шлак и штейн. Для поддержания заданной температуры шлака и штейна в отстойной зоне смонтировано 18 го­релок природного газа. При выходе из реакционной шахты направление движения газов изменяется на 90° - газовый поток проходит горизонтально над ванной в отстойной зоне печи. Затем направ­ление движения газа вновь изменяется на 90° - газ поднимается по вертикальному аптейку печи вверх. В аптейк инжектируется угольная пыль, где и происходит восстановление сернистого газа до элементарной серы. Благодаря такой конструкции печи происходит достаточно полное отделение сульфидно-силикатных частиц, нахо­дящихся во взвешенном состоянии, от газового потока.

Пылевынос из печи взвешенной плавки составляет 12-15% от веса загружаемой шихты.

После аптейка газы поступают в котел-утилизатор, где охлаждаются с 1350°С до 550°С, а затем после очистки в электро­фильтрах от пыли, поступают в серный цех для улавливания из газов элементарной серы.

Печь взвешенной плавки является головным агрегатом в цепи переработки серосульфидных концентратов. Агрегат обладает вы­сокой интенсивностью плавления. В связи с этим печь имеет сложную и многообразную систему охлаждения.

Агрегат должен обладать высокой герметичностью. Нарушение герметичности ведет к подсосам, что нарушает тепловой баланс печи, разубоживает отходящие газы и увеличивает их объемы, уве­личивает расход восстановителя. Вышеперечисленные причины от­рицательно сказываются не дальнейшей обработке газов в серном цехе,

Все три части печи взвешенной плавки должны иметь высокую гер­метичность, требуют жесткого поддержания заданных параметров, что обеспечивается работой печи в автоматическом режиме с по­мощью ЭВМ.

 

 

3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА

Процесс плавки сульфидных концентратов с утилизацией серы из отходящих газов очень сложен, поэтому на производительность печи, полноту протекания окислительных и восстановительных реакций влияют многие факторы, основными из них являются;

- размеры частиц и время нахождения частиц в газовом потоке;

- время нагрева частиц;

- скорость, направление и последовательность окисли­тельных реакций, влияние температуры на конечное химическое равновесие;

- минералогический состав концентратов;

- вид восстановителя сернистого ангидрида и влияние температуры на конечное равновесное состояние восстановительных реакций.

Размеры частиц и величина удельной поверхности компонентов шихтовых материалов

Обычно руды измельчают перед флотацией в пределах нижнего класса крупностью от 60% класса - 0,0605 мм до 90% класса -0,088мм. Средней величиной зерна флотационных концентратов можно считать от 0,07мм до 0,03мм.

Процессы нагревания сульфидных частиц, диссоциации высших сульфидов и взаимодействия сульфидов с кислородом печной атмосферы в ходе взвешенной плавки являются типичными гетерогенными процессами, скорость которых при прочих, равных условиях линейно зависит от величины поверхности раздела на границе твердое - газ.

Произведя несложный расчет, можно убедиться что 1 кг материала с удельным весом 4 г/см3 при среднем диаметре зерна 0,04мм, что соответствует размеру зерен флотационных концентра­тов., имеет удельную поверхность 59,5 м2/кг, Будучи взятым в виде компактного шара, тот же I кг материала имеет поверхность всего 0,019 м2. Таким образом, измельчение материала влечет за собой резкое увеличение его удельной поверхности, Однако, излишнее переизмельчение шихтовых материалов нежелательно, так как в этом случае возрастает пылеунос,

  Движение частиц в газовом потоке.

Очень важным параметром процесса плавки во взвешенном состоянии является время пребывания шихтовых частиц в потоке от момента поступления в пространство реакционной шахты до соударении с поверхностью расплава в отстойной зоне печи.

Поскольку и газы, и частицы шихты движутся в одной нап­равлении сверху вниз, очевидно, что время пребывания шихтовых частиц в полете определится суммой скоростей свободного паде­ния частицы и движения газового поток. В условиях плавки сульфидных флотационных концентратов скорость собственного падения самых крупных зерен концентрата не превышает I м/сек. Сульфидные частицы, вдуваемые в реакционную шахту, незначительно опережают газовый поток и время, необходимое для прохождения частиц концентрата по всей высоте плавильной шахты, равно 0,8 - 0.9 времени прохождения газом этого же пути, И если газ проходит шахту печи за 2,8 сек., то частицы флотационного кон­центрата будут находиться во взвешенном состоянии примерно 2,20 – 2,50 сек.