Взвешенная плавка никелевого концентрата в Печи взвешенной плавки(ПВП)

Рефераты по металлургии » Взвешенная плавка никелевого концентрата в Печи взвешенной плавки(ПВП)

Министерство образования Российской Федерации

Норильский индустриальный институт

Кафедра металлургии

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.

Нагрев пылевых частиц и теплопередача

В начальной стадии загрузки шихты в реакционную шахту шихта подогревается за счет тепла получаемого ею при конвективном теплообмене с подогретым до 200 С технологическим воздухом. Воспринимаемый частицей тепловой поток описывается уравнением .

Q=a x S x t(T1-T2)

a - коэф-т передачи тепла конвекцией ккал/м2/час

S – воспринимающая тепловой поток поверхность м2

t - время час

Тепла этого явно недостаточно для воспламенения сульфид­ного материала т.к. даже сера в зависимости от содержания кислорода в газовой фазе воспламеняется в интервале температур от 260 до 360 °C. Сульфидные же частицы в зависимости от размера зерен воспламеняются при температурах от 280 до 740 С.

Опускаясь ниже распыленная шихта попадает в зону высо­ких температур где она за счет излучения от факела или футеровки реакционной шахты нагревается до температур воспламенения сульфидов.

Количество передаваемого тепла за счет радиационного нагрева описывается уравнением Стефана-Больцмана:

Q= S x K x t x (T1/100)4 -(T2/100)4

Тепло полученное поверхностью частицы передается к ее центру Передаче тепла в глубь частицы даже если она и очень мала осуществляется за счет теплопроводности и для случая шаровидной частицы подчиняется уравнению:

qx = Q/(4Пх2 х t)= l(Тп-Тх)/r2 (1/x-1/r)

Из уравнения следует что удельный тепловой поток к центру частицы обратно пропорционален квадрату радиуса ее. Это означает что при малых размерах частиц которые имеют зерна флотационных концентратов нагрев материала будет проходить в доли секунды.

Реакции окисления сульфидов протекают со значительным выделением тепла. Так как для окисления сульфида необходим подвод кислорода в зону реакции тo становится понятным что эти процессы могут протекать только на поверхности зерен. Из этого следует что на некотором отрезке времени начиная с мо­мента воспламенения от поверхности сульфидной частицы возникает дополнительный тепловой поток в глубь сульфидного зерна.

При воспламенении сульфидной частицы температура ее поверхности скачкообразно возрастает достигая в малые доли се­кунды 1500-1700°С. Процесс окисления сульфидов приобретает наивысшую скорость так как в этот момент поверхность зерен максимальна содержание кислорода в газах еще высокое и окисная пленка на поверхности сульфидного зерна только что зарож­дается. Средняя температура факела в этой зоне резко повышается до 1400°С и более за счет тепла выделяющегося при интенсивном окислении всей массы сульфидных зерен. В зоне максимальных температур выделяется основная часть тепла экзотермических реакций плавки т.к. именно здесь протекают с максимальными скоростями большинство реакций.

В последней зоне называемой зоной усреднения температур скорости всех окислительных процессов быстро падают так как во-первых падает содержание кислорода в газовом потоке и во-вторых на поверхности окисляющихся сульфидных зерен нарастает пленка продуктов реакции тормозящая диффузию кислорода в глубь зерна. Если на поверхности частицы образуется плотная корка твердого окисла лишенная трещин и прочих дефектов то диффузия кислорода через нее будет чрезвычайно затруднена и процесс окисления может прекратиться не дойдя до конца. Рых­лые трещиноватые пленки тормозят процесс в меньшей степени так же как и жидкие окисные пленки скорость диффузии через которые примерно на три порядке выше чем через твердую пленку. В целом процесс окисления в реакционной шахте печи лимитирует­ся диффузией кислорода через пленки продуктов реакции и обрат­ной диффузией -сернистого ангидрида в ядро газового потока.

В устье реакционной шахты окислительные реакции полностью заканчиваются. Об этом свидетельствуют результаты анализа газа на содержание свободного кислорода: парциальное давление кисло­рода на выходе из реакционной шахты снижается до 10 мм рт.ст.

Диссоциация сульфидов при плавке во взвешенном состоянии

В составе концентратов присутствуют высшие сульфиды ко­торые диссоциируют при нагревании на низшие сульфиды и серу. Ниже приведены реакции диссоциации.

FeS2 ®FeS+S

Fe11 S12 ®11FeS+S

Fe7 S8 ®7FeS+S

3NiFeS2 ®3FeS+Ni3 S2 +1/2S2

2CuFeS2 ®Cu2 S+2FeS+S

2CuS®Cu2 S+S

3NiS®Ni3 S2 +S

2CuFe2 S3 ®Cu2 S+4FeS+S

2Cu5 FeS4 ®5Cu5 S+2FeS+S

В интервале температур от 550 С до 650 С первым диссоциирует пирит давление диссоциации которого при 631°С до 0 1 атм. Наиболее устойчив борнит диссоциирующий в температур 8400-850°С. Все реакции идут с поглощением тепла. Отщепляющаяся сера воспламеняется в зависимости от содержания кислорода в дутье в интервале температур 280 С-560 С.

Конечными продуктами диссоциации высших сульфидов во всех случаях являются низшие сульфиды которые в дальнейшем частично окисляются образуя окислы соответствующих металлов переходящие в шлак.

1/2S2 +O2 =SO2 (без катализатора)

1/2S2 +3/2O2 =SO3 (с катализатором)

Ni3 S2 +7/2O2 =3NiO+2SO2 ­

Cu2 S+1 5O2 =Cu2 O+SO2 ­

FeS+1 5O2 =FeO+SO2 ­

3FeS+5O2 =Fe3 O4 +3SO2 ­

Неокислившиеся низшие сульфиды переходят в штейн. Окисление сульфидов сопровождается образованием больших количеств магнетита особенно в поверхностных слоях частиц. Пере­окисление железа до магнетита зависит также от степени десуль­фуризации при плавке. С возрастанием степени десульфуризации и получением более богатых штейнов все большая часть железа переводится в форму магнетита.

К числу важнейших элементарных стадий протекающих в от­стойной камере печи относятся:

1) сульфидирование образовавшихся в факеле оксидов ценных металлов;

2) растворение тугоплавких составляющих (CaO Si02 AI2О3 и MgO и др.) в первичных железистых шлаках и формирование шлака конечного состава;

3) восстановление магнетита сульфидами;

4) формирование штейна конечного состава и укрупнение мел­ких сульфидных частиц;

5) разделение штейна и шлака.

9NiO+7FeS=3Ni3 S2 +7FeO+SO2 ­

Cu2 O+FeS=Cu2 S+FeO

Образование фаялита

2FeO+SiO2 =(FeO)2 SiO2

Разложение магнетита

3Fe3 O4 +FeS+5SiO2 =5(FeO)2 xSiO2 +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

Термодинамика окислительных реакций при плавке во взвешенном состоянии

В общем виде основную реакцию протекающую в реакционной 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 температуры воспламенения обеспечивает самопроизвольный ход процесс без затрат тепла извне.

Об интенсивности протекания той или иной реакции принято судить по величине измерения изобарно-изотермического потен­циала системы которая выражает энергетические превращения в ходе химического процесса. При всех самопроизвольных процессах величина DZ имеет отрицательный знак что говорит о высвобождении энергии и отдаче ее системой на сторону В этом случае мы наблюдаем выделение тепла в ходе реакции.

Страницы: 1 2