--PAGE_BREAK-- 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-1300oС) 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.
продолжение
--PAGE_BREAK--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 %.
продолжение
--PAGE_BREAK--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.
продолжение
--PAGE_BREAK-- 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.
продолжение
--PAGE_BREAK--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
Соединения
Элементы
Ni
Cu
Co
Fe
S
O2
Прочие
Всего
Ni3S2
10,5
3,823
14,323
Cu2S
7,7
1,943
9,643
CoS
0,55
0,299
0,849
FeS
36,46441
20,936
57,400
Fe3O4
9,14
3,490
12,626
Fe мет
4,00
4,00
прочие
1,160
1,160
Всего
10,500
7,700
0,550
49,600
27,000
3,490
1,160
100,0
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
Продукт
Распределение, %
Масса, кг
Ni
Cu
Co
Fe
Ni
Cu
Co
Fe
Файнштейн
88,0
87,0
30,0
1,5
9,240
6,699
0,165
0,744
Конвертерный шлак
11,0
12,0
68,5
97,0
1,155
0,924
0,377
48,112
Пыль
1,0
1,0
1,5
1,5
0,105
0,077
0,008
0,744
Всего
100,0
100,0
100,0
100,0
10,500
7,700
0,550
49,600
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
Соединения
Элементы, кг
Ni
Cu
Co
Fe
S
Прочие
Всего
Ni мет
1,848
1,848
Ni3S2
7,392
2,691
10,083
Cu мет
0,335
0,335
Cu2S
6,364
1,606
7,970
Co мет
0,041
0,041
CoS
0,124
0,022
0,146
Fe мет
0,186
0,186
FeS
0,558
0,320
0,878
Прочие
0,252
0,252
Всего
9,240
6,699
0,165
0,744
4,639
0,252
21,739
Содержание,%
42,504
30,815
0,759
3,422
21,341
1,159
100,000
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 продолжение
--PAGE_BREAK--