Взвешенная плавка никелевого концентрата в Печи взвешенной плавки(ПВП)

Министерство образования Российской Федерации
Норильский индустриальныйинститут
Кафедра металлургииКурсовая работа
по дисциплине:«Металлургия»
на тему:
«ВЗВЕШАННАЯ ПЛАВКАНИКЕЛЕВОГО КОНЦЕНТРАТА В ПЕЧИ ВЗВЕШАННОЙ ПЛАВКИ»
Выполнил:Бельтюков С.Н.        
Проверил:  Рогова Л.И.
 Группа: Экм-99-У ВО                  Подпись: _______________
Шифр:060800                               Датапроверки:
Датавыполнения
Норильск, 2000г.




СОДЕРЖАНИЕ

1.   Выбор технологиипроизводства…………………………2
2.   Описание основногоагрегата……………………………..3
3.   Физико-химические основыпроцесса……………………5
4.   Технико-экономическиепоказатели……………………..11
5.   Металлургическийрасчет…………………………………12
Библиографический список






























1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
Плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье былаосуществлена в промышленном масштабе финской фирмы «Оутокумпу»на заводе «Харьявалта». В первона­чальном вариантедля плавки применяли воздушное дутье, подо­гретое до400—500 °С. Начиная с конца 60-х годов, этот процесс по лицензиифирмы «Оутокумпу» стали широко применять на метал­лургическихзаводах многих стран. В настоящее время он внедрен более чем на30 предприятиях для переработки медных,никелевых и пиритных концентратов, в т.ч. на Надеждинскомметаллургическом заводе. Финскую плавку на сегодня можно счи­тать самымраспространенным в промышленности и наиболее тех­нологически и аппаратурно отработанным автогенным процессом плавкисульфидных концентратов.
Особенностямивзвешенной плавки являются:
— высокая производительность(удельный проплав10-15 т/м2 в сутки);
-низкий расход топлива-процесс плавки сульфидного концентрата протекает в режиме, близком кавтогенному;
-возможность полного автоматического управления про­цессомплавки с помощью системы «Проскон-103';
-возможность полученияштейна требуемого состава;
-утилизация серы из высококонцентрированных серныхгазов.
КонструкцияПВП и комплекс других технических решений обеспечивают получение параэнергетических параметров и высо­кую степень утилизации серы из отходящихгазов, что резко снижает выброс двуокиси серы в окружающую среду и значительноулучшают условия труда обслуживающего персонала.
Вплавильном цехе НМЗ имеет­ся две печи взвешенной плавки одинаковой конструкциидля плавки медного и никелевых концентратов.
Передел взвешенной плавки-структурное подразделение плавильного цеха HMЗ.
2.ОПИСАНИЕ ОСНОВНОГО АГРЕГАТА
Конструкцияпечи для плавки во взвешенном состоянии на подо­гретом дутье достаточно сложна— она сочетает в себе две верти­кальные шахты(реакционную и газоход-аптейк) и горизонтальнуюкамеру-отстойник.
Тонкоизмельченнаяшихта, предварительно высушенная досо­держания влаги менее0,2%, подается посистеме ленточных конвейеров и пневмотранспорта в бункер шихты. Из бункерашихта 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 горениясульфидов. Перемешивание шихты с дутьем достигается разбиванием струи шихты оконус-рассекатель и подачей дутья через воздушный патрубок и распре­делительнуюрешетку.

Схема горелки печи завода
1 —дутье;2 —шихтовая воронка;3 — загрузочныйпатрубок;
4 —воздушный патрубок;5 — конус-рассекатель;
6 — распределительная решетка;7 — диф­фузор
Вся печьвзвешенной плавки выполнена в виде кладки из магнези­тового кирпича. Футеровкареакционной шахты и аптейка заключе­на вметаллические кожухи из листовой стали. В кладку всех элементов печи заложенобольшое количество водоохлаждаемых

 Печь дляплавки 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. Аптейкнепосредственно сочленен с котлом-утилизатором туннельного типа. В боковойстене отстойной камеры установлены две медные водоохлаждаемыеплиты с отверстиями для выпуска шлака, а в передней торцевой стене— чугунные шпуры для выпу­ска штейна.
Габариты печи определены на основании технологических расчетовпроизведенных с помощью ЭВМ, исходя из проектной производительности печи идругих исходных параметров для про­ектирования.
В реакционной шахте, для окисления компонентов концентрата, используетсявоздух обогащенный кисло­родом и подогретый до 200°С. Согласно тепловогобаланса- степень обогащения дутья кислородом на ПВП никеля составляет26%присреднем составе шихты, что позволяет реакционной шахте работать автогенно, без применения дополнительного топливаОборудование рассчитано на максимальное обогащение кислородом до 40%, если покаким-либо причинам:
1.Теплопотребление шихтыувеличится
2.Увеличатся тепловые потерипечи;
3. Подогрев воздухауменьшится.
Если обогащения дутья кислородом до 40% из-завышеперечисленных факторов окажется недостаточным, то для восполнениянедостатка тепла в реакционной шахте, используют природный газ.
Расплавленные частицы падают на поверхность ванны отстой­ника.В отстойной зоне печи происходит расслоение сульфидно-силикатного расплава нашлак и штейн. Для поддержания заданной температуры шлака и штейна в отстойнойзоне смонтировано18 го­релок природногогаза. При выходе из реакционной шахты направление движения газов изменяется на90° - газовый поток проходит горизонтально надванной в отстойной зоне печи. Затем направ­ление движения газа вновь изменяетсяна90° - газ поднимается по вертикальномуаптейку печи вверх. В аптейкинжектируется угольная пыль, где и происходит восстановление сернистого газа доэлементарной серы. Благодаря такой конструкции печи происходит достаточнополное отделение сульфидно-силикатных частиц, нахо­дящихся во взвешенномсостоянии, от газового потока.
Пылевыносиз печи взвешенной плавкисоставляет 12-15% от веса загружаемой шихты.
После аптейка газыпоступают в котел-утилизатор, где охлаждаются с 1350°С до 550°С, а затем послеочистки в электро­фильтрах от пыли, поступают в серный цех для улавливания изгазов элементарной серы.
Печь взвешенной плавки является головным агрегатом в цепипереработки серосульфидных концентратов. Агрегатобладает вы­сокой интенсивностью плавления. В связи с этим печь имеет сложную имногообразную систему охлаждения.
Агрегат должен обладать высокой герметичностью. Нарушениегерметичности ведет к подсосам, что нарушает тепловой баланс печи, разубоживает отходящие газы и увеличивает их объемы, уве­личиваетрасход восстановителя. Вышеперечисленные причины от­рицательно сказываются недальнейшей обработке газов в серном цехе,
Все три части печи взвешенной плавки должны иметь высокую гер­метичность,требуют жесткого поддержания заданных параметров, что обеспечивается работойпечи в автоматическом режиме с по­мощью ЭВМ.
3.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА
Процессплавки сульфидных концентратов с утилизацией серы из отходящих газов оченьсложен, поэтому на производительность печи, полноту протекания окислительных ивосстановительных реакций влияют многие факторы, основными из них являются;
-размеры частиц и время нахождениячастиц в газовом потоке;
-время нагрева частиц;
— скорость, направление ипоследовательность окисли­тельных реакций, влияние температуры на конечноехимическое равновесие;
— минералогический состав концентратов;
— видвосстановителя сернистого ангидрида и влияние температуры на конечноеравновесное состояние восстановительных реакций.
Размеры частиц и величинаудельной поверхности компонентов шихтовых материалов
Обычноруды измельчают перед флотацией в пределах нижнего класса крупностью от 60%класса — 0,0605 мм до 90% класса -0,088мм. Средней величиной зерна флотационныхконцентратов можно считать от 0,07мм до 0,03мм.
Процессы нагреваниясульфидных частиц, диссоциации высших сульфидов и взаимодействия сульфидов скислородом печной атмосферы в ходе взвешенной плавки являются типичнымигетерогенными процессами, скорость которых при прочих, равных условиях линейнозависит от величины поверхности раздела на границе твердое  — газ.
Произведя несложный расчет, можно убедиться что 1кг материала с удельным весом 4 г/см3 при среднем диаметре зерна 0,04мм, чтосоответствует размеру зерен флотационных концентра­тов., имеет удельнуюповерхность 59,5 м2/кг, Будучи взятым в виде компактного шара, тот же I кгматериала имеет поверхность всего 0,019 м2. Таким образом, измельчение   материала влечет за собой резкое увеличениеего удельной поверхности, Однако, излишнее переизмельчениешихтовых материалов нежелательно, так как в этом случае возрастает пылеунос,
 Движение частиц в газовом потоке.
Очень важнымпараметром процесса плавки во взвешенном состоянии является время пребыванияшихтовых частиц в потоке от момента поступления в пространство реакционнойшахты до соударении с поверхностью расплава в отстойной зоне печи.
Поскольку игазы, и частицы шихты движутся в одной нап­равлении сверху вниз, очевидно, чтовремя пребывания шихтовых частиц в полете определится суммой скоростейсвободного паде­ния частицы и движения газового поток. В условиях плавкисульфидных флотационных концентратов скорость собственного падения самыхкрупных зерен концентрата не превышает I м/сек. Сульфидные частицы, вдуваемые вреакционную шахту, незначительно опережают газовый поток и время, необходимоедля 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 за2,8 сек., то частицы флотационного кон­центрата будут находиться во взвешенномсостоянии примерно 2,20 – 2,50 сек.Нагрев пылевых частиц и теплопередача
В начальнойстадии загрузки шихты в реакционную шахту, шихта подогревается за счет тепла,получаемого ею при конвективном теплообмене с подогретым до 200 С   технологическим воздухом. Воспринимаемыйчастицей тепловой поток описывается уравнением .
Q=a x S x t(T1-T2)
a — коэф-тпередачи тепла конвекцией, ккал/м2/часS – воспринимающая тепловой поток поверхность, м2
t  — время, час
Тепла этого явно недостаточно длявоспламенения сульфид­ного материала, т.к. даже сера в зависимости от содержаниякислорода в газовой фазе воспламеняется в интервале температур от 260 до 360°C. Сульфидные же частицы в зависимости от размера зерен воспламеняются притемпературах от 280 до 740 С.
Опускаясь ниже, распыленная шихтапопадает в зону высо­ких температур, где она за счет излучения от факела илифутеровки реакционной шахты нагревается до температур воспламенения сульфидов.
Количествопередаваемого тепла за счет радиационного нагрева описывается уравнениемСтефана-Больцмана:
Q= Sx K x tx (T1/100)4-(T2/100)4
Тепло, полученное поверхностью частицы, передается к еецентру, Передаче тепла в глубь частицы, даже если она и очень мала,осуществляется за счет теплопроводности и для случая шаровидной частицыподчиняется уравнению:
qx= Q/(4Пх2 х t)= l(Тп-Тх)/r2(1/x-1/r)
Из уравнения следует, что удельный тепловой поток к центручастицы обратно пропорционален квадрату радиуса ее. Это означает, что при малыхразмерах частиц, которые имеют зерна флотационных концентратов, нагревматериала будет проходить в доли секунды.
Реакцииокисления сульфидов протекают со значительным выделением тепла. Так как дляокисления сульфида необходим подвод кислорода в зону реакции, тo становится понятным, что эти процессы могут протекатьтолько на поверхности зерен. Из этого следует, что на некотором отрезкевремени, начиная с мо­мента воспламенения, от поверхности сульфидной частицывозникает дополнительный тепловой поток в глубь сульфидного зерна.
При воспламенении сульфиднойчастицы температура  ее поверхностискачкообразно возрастает достигая в малые доли се­кунды 1500-1700°С.  Процесс окисления сульфидов приобретаетнаивысшую скорость, так как в этот момент поверхность зерен максимальна,содержание кислорода в газах еще высокое и окисная пленка на поверхностисульфидного зерна только что зарож­дается. Средняя температура факела вэтой  зоне резко повышается до 1400°С иболее за счет тепла, выделяющегося при интенсивном окислении всей массысульфидных зерен. В зоне максимальных температур выделяется основная частьтепла экзотермических реакций плавки, т.к. именно здесь протекают смаксимальными скоростями большинство реакций.
В последней зоне, называемойзоной усреднения температур, скорости всех окислительных процессов быстропадают, так как, во-первых, падает содержание кислорода в газовом  потоке и, во-вторых, на поверхностиокисляющихся сульфидных зерен нарастает пленка продуктов реакции, тормозящаядиффузию кислорода в глубь зерна. Если на поверхности частицы образуетсяплотная корка твердого окисла, лишенная трещин и прочих дефектов, то диффузиякислорода через нее будет чрезвычайно затруднена и процесс окисления можетпрекратиться, не дойдя до конца. Рых­лые, трещиноватые пленки тормозят процессв меньшей степени, так же, как и жидкие окисные пленки, скорость диффузии черезкоторые примерно на три порядке выше, чем через твердую пленку. В целом   процесс окисления в реакционной шахте печилимитирует­ся диффузией кислорода через пленки продуктов реакции и обрат­нойдиффузией -сернистого ангидрида в ядро газового потока.
В устьереакционной шахты окислительные реакции полностью заканчиваются. Об этомсвидетельствуют результаты анализа газа на содержание свободного кислорода:парциальное давление кисло­рода на выходе из реакционной шахты снижается до10   мм рт.ст.Диссоциация сульфидов при плавке вовзвешенном состоянии
В составе концентратов присутствуют высшие сульфиды,ко­торые диссоциируют при нагревании на низшиесульфиды и серу. Ниже приведены реакции диссоциации.
FeS2®FeS+S
Fe11S12®11FeS+S
Fe7S8®7FeS+S
3NiFeS2®3FeS+Ni3S2+1/2S2
2CuFeS2®Cu2S+2FeS+S     2CuS®Cu2S+S
3NiS®Ni3S2+S
2CuFe2S3®Cu2S+4FeS+S
2Cu5FeS4®5Cu5S+2FeS+S
В интервале температур от 550 С до 650 С первым диссоциирует пирит, давление диссоциации которого при 631°Сдо 0,1 атм. Наиболее устойчив борнит, диссоциирующийв температур 8400-850°С. Все реакции идут с поглощением тепла. Отщепляющаясясера воспламеняется, в зависимости от содержания кислорода в дутье, в интервалетемператур 280 С-560 С.
Конечными продуктамидиссоциации высших сульфидов во всех случаях являются низшие сульфиды которые вдальнейшем частично окисляются, образуя окислы соответствующих металлов  переходящие в шлак.
1/2S2+O2=SO2(без катализатора)
1/2S2+3/2O2=SO3 (с катализатором)
Ni3S2+7/2O2=3NiO+2SO2­
Cu2S+1,5O2=Cu2O+SO2­
FeS+1,5O2=FeO+SO2­
3FeS+5O2=Fe3O4+3SO2­
Неокислившиесянизшие сульфиды переходят вштейн. Окисление сульфидов сопровождается образованием больших количествмагнетита, особенно в поверхностных слоях частиц. Пере­окислениежелеза до магнетита зависит также от степени десуль­фуризациипри плавке. С возрастанием степени десульфуризации иполучением более богатых штейнов все большая часть железа переводится в формумагнетита. 
К числу важнейших элементарныхстадий, протекающих в от­стойной камере печи, относятся:
1) сульфидирование образовавшихся в факеле оксидов ценныхметаллов;
2)растворение тугоплавких составляющих (CaO, Si02,AI2О3, и MgO и др.) в первичных железистых шлаках иформирование шлака конечного состава;
3) восстановление магнетита сульфидами;
4)формирование штейна конечного состава и укрупнение мел­ких сульфидных частиц;
5) разделение штейна ишлака.
9NiO+7FeS=3Ni3S2+7FeO+SO2­
Cu2O+FeS=Cu2S+FeOОбразование фаялита
2FeO+SiO2=(FeO)2SiO2
Разложение магнетита
3Fe3O4+FeS+5SiO2=5(FeO)2xSiO2+SO2­Плавкостьсульфидов
В сравнении с окислами сульфиды являютсяболее 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 иего металлом более легкоплавки, чем отдельные компоненты.
Штейны при плавкесульфидных компонентов всегда является многокомпонентными системами. Составыштейнов не всегда от­вечают составам эвтектик, но тем не менее, температурыплавле­ния штейнов все же ниже, чем температуры плавления входящих в нихсульфидов. Обычно при температуре 850-900°С штейны на­ходятся в жидкотекучемсостоянии,
Термодинамикаокислительных реакций при плавке во взвешенном состоянии
В общем виде основную реакцию, протекающую вреакционной шахте печи, можно представить следующим уравнением:
MeS+1,5О2= MeO+SO2+Q
Эта реакция экзотермическая и ее тепловой эффект вомно­гих случаях, при условии нагрева материала до температурывоспламенения, обеспечивает самопроизвольный ход процесс без затрат теплаизвне.
Об интенсивности протекания той или иной реакциипринято судить по величине измерения изобарно-изотермического потен­циаласистемы, которая выражает энергетические превращения в ходе химическогопроцесса. При всех самопроизвольных процессах величина DZ имеет отрицательный знак, что говорит овысвобождении  энергии и отдаче еесистемой на сторону, В этом случае мы наблюдаем выделение тепла в ходе реакции.Чем боль­ше числовое значение DZ при отрицательном знаке, тем энер­гичнее и глубжепротекает реакция. Таким образом, сравниваямеждусобой величиныDZ отдельных реакций, можно опреде­лить преимущественность протекания одной реакции по сравнению одругой. При положительном значении реакция не может проте­кать самопроизвольно,так как для ее совершения необходимы энергетические поступления извне,
Величинаизменения изобарно-изотермического потенциала
DZ позволяет определить величину константы равновесияреакции, которая характеризует конечное состояние системы, когда в нейзавершился самопроизвольный процесс и установилось равновесие между исходными иконечными составляющими реак­ции. Эта связь выражается уравнением:
LqKкр=-DZ/RT
По величине константы равновесия можно судить онаправле­нии и глубине протекания процесса.
Восстановлениетехнологических газов угольной пылью.
Технологические газы плавки во взвешенном состоянии довосстановления имеют следующий состав:
SO2 –12,6; H2O-8,5; СО2-5,5, O2-0,7; N2-72%; t=1450°
Процесс восстановления сернистых газовосуществляется в аптейке печи взвешенной плавки. Вкачестве восстановительного реагента используют измельченный уголь сминимальным содержани­ем летучих компонентов и золы. Так как летучие компонентыпредставлены углеводами, то их участие в процессе восстановле­ниятехнологических газов, ведущих к образованию повышенных количеств H2S, CS2и COS, нежелательны. Повышенное содержание золы в углеприводит к увеличению количества пыли и шлака, а, следовательно, снижаетизвлечение цветных металлов и увеличи­вает энергозатраты.К тому же зола угля является основной причиной образования настылей в аптейке.
По расчетным данным пылевынос печи взвешенной плавки составляет12-15% от количества загружаемой шихты,где на до­лю золы приходится значительная часть. Так как вся пыль улав­ливаетсяи возвращается в процесс, то увеличение зольности угля ведет кпропорциональному увеличению оборотной пыли.
Золаразличных углей обладает различной температурой плавления. При температуре1350°С зола находится в полурасплавленном состоянии,и при выходе из аптейка на границе радиационной частикотла-утилизатора при соударении со стенками, будет налипать на поверхностьфутеровки (горловины) и образо­вывать настыли. При удалении настылейтем или иным способом, будь то обдув паром высокого давления или воздухом,также не исключена возможность применения буровзрывных работ, а это связано ооткрыванием смотровых люков, отверстий, что в свою очередь может привести красстройству процесса и вынужденным остановкам печи.
Углероди летучие компоненты угольной пыли взаимодейству­ют с сернистым ангидридом,восстанавливая его до элементарной серы.
Восстановление протекает в общей форме по уравнениям:
SO2+C=1/2S2+CO2          
SO2+2Н2=1/2S2+2H2O       
При этом имеют место побочныереакции, что значительно снижает извлечение серы.
Привзаимодействии сернистого ангидрида с пылеуглем винтервале температур 1300-700°С доля образующихся компонентов H2S, CO, COSдовольновысокая. Степень восстановления сернистого ангидрида в элементарную серу обычноне превышает 20-25%, т.к. основная масса угля расходуется на образованиепобочных продуктов.
Когда в газовой фазеприсутствуют водородные соединения, в том числе и вода., количествонежелательных реакций увеличи­вается, что приводит к снижению содержанияэлементарной серы в газовой фазе.
В результате восстановленияполучается многокомпонентный газ, и, с практической точки зрения, особуюважность в этом составе представляет сернистый ангидрид и элементарная сера.Восстановленный газ из аптейка ПВП с температурой1330°С поступает в котел-утилизатор. В котле-утилизаторе газ охлаждается дотемпературы 350°С. При этой температуре СО и COS почти отсутствуют, асодержание элементарной серы почти достигает максимума.
При охлаждении газа вкотле-утилизаторе протекают основ­ные реакции:
CO+1/2 S2 = COS
COS+H2O=CO2+H2S
H2+1/2S2=H2S
Изпредставленных реакций первая реакция протекает быстро, а следующаяреакция  очень медленно и для полногопротекания реак­ции необходим катализ.
Притемпературе 1330°С в аптейке ПВП наступает термоди­намическоеравновесие между компонентами упомянутыми выше.
Кромевосстановления газа в аптейке ПВП происходитвосстановление окислов пыли.
Вобщем виде реакцию восстановления компонентов пыли можно представитьуравнением:
4МеО+ 3S2 ®4МеS + 2 SO2
Этот процессидет с поглощением тепла, что снижает темпе­ратуру отходящих газов,
Восстановленнаяоборотная пыль содержит в себе следующие соединения: NiS, CuS, FeS, CoS, ZnS, PbS, As2S2,Cu2Se, SiO2, Аl2O3, CaO, MqO, прочие и свободныйуглерод.
При сравнении компонентов окисленной и восстановленной пылей видно, что в процессе восстановления происходит погло­щениесеры и выделение свободного кислорода для связывания которого требуетсядополнительная затрата углерода. Следова­тельно, можно сделать вывод, чтоснижение пылевыноса в процес­се плавки выгодно как сэкономической точки зрения по расходу угля, так и с точки зрения снижениябезвозвратных потерь цвет­ных металлов.


4.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА


Показатель
Значение
Производительность печи, т/сут
445,44
Удельный проплав, т/(м2 х сут)
10-15
Содержание О2 в дутье, %
26
Температура дутья, С
25-40
Содержание Ni, %:

В штейне
34,9
В шлаке
1,4
Пылеунос, %
10-15
5. Металлургический расчёт.
Исходные данные для расчёта: содержание Niвконцентрате – 8 %;
                                                    cодержание Сuв концентрате – 4 %;
Расчёт производим на 100 кг концентрата.
Химический состав концентрата:
Cu –4 %; Ni – 8 %; Fe – 46 %; S – 30 %; SiO2– 3,5 %; CaO – 2,3 %; MgO– 2 %; Al2O3– 1,38 %; прочие– 2,82 %.