Плавка медных концентратов на штейн по процессу Айзасмелт: теоретическое обоснование и металлургические расчёты

Тип работы: Курсовая работа
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 28 страниц
В избранное:

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Восточно-Казахстанский технический университет им. Д. Серикбаева

Школа наук о Земле и окружающей среды

Специальность 5В070900 - «Металлургия»

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Плавка медных концентратов на штейн процессом «Айзасмелт»»

по дисциплине: «Металлургия меди, никеля и кобальта»

Выполнил: студент гр 18-МТз-3

Аханов С. К.

Принял: старший преподаватель

О. В. Семилуцкая

Усть-Каменогорск 2021

Содержание

: Введение . . .

: 3

: 1 Теоретическое описание технологического процесса . . .

: 5

: 1. 1 Процесс «Айзасмелт» . . .

: 5

: 1. 2 Конструкция печи . . .

: 6

: 2. Металлургические расчеты . . .

: 10

2. 1 Расчет рационального состава концентрата . . .

2. 2 Расчет десульфуризаци за счет процесса разложения сульфидов . . .

: 2. 3 Расчет количества и состава штейна и степени дисульфуризации . . .

: 13

: 2. 4 Расчет состава шлака . . .

: 16

: 2. 5 Расчет дутья и состава газовой фазы . . .

: 20

: 2. 6 Материальный баланс процесса плавки без учета выноса пыли . . .

: 26

: 2. 7 Материальный баланс плавки с учетом выноса из печи пыли . . .

: 26

2. 8 Тепловой баланс печи «Айзасмелт» . . .

2. 8. 1 Исходные данные для расчета . . .

2. 8. 2 Приход тепла . . .

2. 8. 3 Расход тепла . . .

2. 9 Тепловой баланс плавки . . .

Заключение . . .

Список литертуры . . .

Введение

Актуальность темы. Медь является стратегически важным тяжелым цветным металлом.

Масштабы потребления меди значительны, а структура потребления очень широка. Производство меди в Казахстане, в основном, связано с переработкой медных руд и концентратов. Содержание меди в рудах варьируется в пределах от 0, 2 % до 3 %. Путем флотации из медных руд получают медные концентраты, основу которых составляют высшие сульфиды меди и железа.

Процесс плавки медных концентратов является одним из ключевых процессов в переработке меди из первичного сырья. Под первичным сырьем подразумевается медная руда. Первичную медь можно получать с помощью пирометаллургических и гидрометаллургических процессов. В настоящее время основным сырьем для пирометаллургического процесса получения первичной меди являются медные и коллективные сульфидные концентраты (содержание Cu - от 10 % до 30 %) . Пирометаллургическая схема предусматривает применение следующих металлургических процессов: плавка концентратов на штейн, конвертирование медного штейна и огневое рафинирование. Затем следует электролитическое рафинирование, которое относится к гидрометаллургическим процессам.

Металлургические заводы по производству черновой меди задействуют технологию, которая включает в себя только 2 пирометаллургических процесса: плавка медных концентратов с получением медного штейна и конвертирование медного штейна с получением черновой меди.

В настоящее время в мире широко известно несколько различных способов плавки медных концентратов [1] . И все эти способы, в той или иной степени, применяются на практике в мировом производстве меди.

В мире каждый способ плавки медных концентратов имеет свою историю развития, и применение их в металлургии меди обусловлено не только их эффективностью, но и качеством и особенностями исходного сырья (медной руды), а также доступностью вспомогательных материалов ипрочих необходимых ресурсов. В таком случае, учитывая стремление к повышению эффективности производства, сокращению затрат и увеличению прибыли, возникает вопрос: какой способ плавки является наиболее эффективным? Ответ на данный вопрос получить непросто, поскольку учесть все особенности каждого способа плавки представляется весьма затруднительным.

Актуальность данной работы заключается в том, чтобы предложить один из способов плавки медных концентратов на штейн процессом «Айзасмелт». Переработка сульфидных медных и медно - никелевых руд и окисленных никелевых руд осуществляется как пирометаллургическими, так и методами. Переработка сульфидных медных и медно - никелевых руд включает их предварительную подготовку к металлургическому переделу. Подготовленные соответствующим способом руды подвергаются плавке в металлургических агрегатах на штейн, последующая переработка которого через ряд технологических операций позволяет получить черновые металлы. Получение относительно чистых меди, никеля и кобальта осуществляется с помощью электролитического рафинирования этих металлов. Развитием пирометаллургических способов переработки сульфидных медь- и никельсодержащих материалов является широкое внедрение в производство меди и никеля автогенных процессов, которые не только, позволяют сэкономить значительное количество дорогостоящего топлива, но и дают возможность наиболее комплексной переработки рудного сырья.

Цель курсовой работы провести ряд металлургичесих расчетов, рассмотреть теоретическое описание технологического процесса плавки медных концентратов на штейн процессом «Айзасмелт».

Задачи:

1) Рассмотреть теоретическое описание технологического процесса;

2) Выполнить металлургические расчеты.

Объект исследования - плавка медных концентратов на штейн процессом «Айзасмелт».

Тема курсовой работы: «Плавка медных концентратов на штейн процессом «Айзасмелт»».

1 Теоретическое описание технологического процесса

1. 1 Процесс «Айзасмелт»

Процесс «Айзасмелт» разработан фирмой «Маунт Айза» (Австралия) включает использование плавильной печи «Айзасмелт», которая работает в непрерывном режиме, периодический процесс конвертирования и рафинирования меди (рисунок 1. 1) . Штейновый и шлаковый расплав периодически выпускаются из плавильной печи в электропечь, где происходит расслоение шлаковой штейновой фаз. Шлак после гранулирования направляется в отвал, а штейн поступает на конвертирование. Черновая медь подвергается огневому рафинированию в цилиндрической наклоняющейся печи. Анодная медь разливается в аноды и поступает на электролитическое рафинирование. Конвертерный шлак направляется в электропечь для обеднения, а шлак из рафинировочной печи направляется на конвертирование [2] .

Рисунок 1. 1 - Технологическая схема процесса «Айзасмелт»

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных материалов лежат экзотермические реакции окисления сульфидов и, в первую очередь, сульфидов железа, находящихся в перерабатываемой шихте и реакции ошлакования:

2FeS + 3O ₂ = 2FeO + 2SO ₂ (1)

2FeO + SiO ₂ = 2FeO·SiO ₂ (2)

Суммирующей реакцией процессов окисления и ошлакования будет реакция:

2FeS + 3O ₂ + SiO ₂ = 2FeO·SiO ₂ + 2SO ₂ (3)

Существенное количество тепла выделяется также при протекании в реакционной зоне автогенной установки:

3FeS + 5O ₂ = Fe ₃ O ₄ + 3SO ₂ (4)

6FeO + O ₂ = 2Fe ₃ O ₄ (5)

3Fe ₃ O ₄ + FeS + 5SiO ₂ = 5(2FeO·SiO) ₂ +SO ₂ (6)

Таким образом, автогенная плавка является окислительным процессом. При её осуществлении степень десульфуризации можно изменять в любых пределах. Это достигается изменением соотношения между количеством перерабатываемого сульфидного материала и подаваемого в печь кислорода за счёт дутья. В свою очередь это позволяет в широком диапазоне варьировать составом получающихся штейнов вплоть до получения черновой меди.

1. 2 Конструкция печи

Печь «Айзасмелт» (рисунок 1. 2) представляет собой вертикальный стальной цилиндр высотой около 12 м и диаметром 4, 6 м., футерованный изнутри хромомагнезитовым кирпичом. Толщина футеровки составляет порядка 0, 55 м. В свод печи вмонтирована радиационная секция котла - утилизатора, представляющая собой трубчатую мембрану. В своде печи имеются отверстия для введения вертикальной подвижной фурмы, горелки и загрузки шихты. У основания газоотвода монтируется дополнительный медный блок для защиты газоотводящей системы от всплесков расплава. Загрузка увлажнённой гранулированной шихты осуществляется с помощью ленточных конвейеров через загрузочные отверстия в своде печи. Шихта состоит из медьсодержащего концентрата, кокса и флюсов, в качестве которых используются известняк и золотосодержащая кварцевая руда. Шихта содержит порядка 81, 9% медного концентрата, 14, 6% кварцевой руды, 2% известняка и 1, 5% кокса. Влажность шихты составляет порядка 8%, крупность гранул не должна превышать 15 мм. Расплавленные продукты печи штейн и шлак периодически выпускаются через водоохлаждаемые выпускные отверстия, расположенные на определённой высоте для полного выпуска расплава из печи перед длительной остановкой печи или заменой футеровки. Глубина расплава в печи составляет порядка 1, 5-2 м. Температура расплава составляет порядка 1180 ^о С. Остальная часть высоты печи используется для реакций догорания и высвобождения газа из шлака и перехода их в котёл-утилизатор, который установлен непосредственно после печи. Поток отходящего газа контролируется путём использования вытяжного вентилятора для создания минимального разряжения в печи, что предотвращает поступление технологических газов в атмосферу цеха. Отходящие газы имеют температуру порядка 1200 ^о С. После котла - утилизатора температура отходящих газов составляет порядка 350 ^о С. Содержание SO ₂ в отходящих газах составляет порядка 8-20%. [3]

1- печь; 2 - фурма; 3 - аптейк

Рисунок 1. 2 - Схема устройства печи «Айзасмелт»

Дутьё, обогащённое кислородом, подаётся печь через вертикальную выдвижную фурму, которая погружается в шлаковый расплав. Во время первоначального разогрева печи через отверстие для фурмы в печь вводится специальная горелка. Для поддержания теплового режима в печи в процессе выпуска расплава температура в печи поддерживается за счёт сжигания дизельного топлива в стационарной горелке. Положение фурмы в шлаковой ванне тщательно контролируется. При изменении уровня расплава фурма с помощью специального устройства передвигается с тем, чтобы её наконечник был всегда погружен в расплав на постоянную глубину. Фурма устроена таким образом, что при эксплуатации изнашивается только её наконечник. По мере износа нижней части фурмы на определённую высоту она извлекается из печи и к ней приваривается новый наконечник. Схема устройства фурмы «Айзасмелт» приведена на рисунке 1. 3. [4]

Рисунок 1. 3 - Устройство фурмы «Айзасмелт»

Помимо расплава из плавильной печи в электрическую печь загружают конвертерный шлак, флюс, кокс и возвраты. . В качестве флюса используют известняк. Добавление кокса осуществляют с целью восстановления магнетита конвертерного шлака и кислорода штейна. Расход кокса составляет порядка 3%, а известняка порядка 18% от массы штейна. Три электрода, погруженные в слой шлака, обеспечивают хороший прогрев расплава за счёт пропускания через слой шлака электрического тока. Температура расплава в печи поддерживается в пределах 1185-1200 ^о С.

Штейн, выпускаемый из печи, содержит порядка 60% Сu, 10% Fe, 22%, S, 3, 6% Pb и 2, 6% Zn. Содержание меди в отвальном шлаке не превышает 0, 8%. Вынос пыли из печи не превышает 2%.

Из электрической печи штейн периодически сливают в ковш и направляют на процесс конвертирования. Помимо штейна в конвертер загружают шлак из анодной печи и кварцевый флюс. Продуктами конвертирования является черновая медь, содержащая 98, 3% Cu, конвертерный шлак и отходящие газы. Конвертерный шлак содержит 7, 3% Сu и направляется на переработку в электропечь, а отходящие газы, содержащие до 10% SO ₂ на производство серной кислоты. Полученная в конвертере черновая медь разливается в аноды и направляется на огневое рафинирование.

Огневое рафинирование меди осуществляется в наклоняюшейся цилиндрической печи. Окислительное рафинирование осуществляется путём продувки через расплав меди сжатого воздуха. В процессе окислительного рафинирования вредные примеси окисляются и переходят в шлак. По окончании окислительного рафинирования образующийся шлак, содержащий 55% Сu, удаляется из печи, разливается в изложницы, охлаждается и направляется па переработку в анодную печь. После окислительного рафинирования медь содержит достаточное количество кислорода в виде Сu ₂ О. Удаление кислорода из меди осуществляется на стадии восстановительного рафинирования. Восстановительное рафинирование осуществляется подачей восстановителя в расплавленную массу. В качестве восстановителя используется дизельное топливо, которое подается в струе сжатого воздуха. Количество восстановителя должно обеспечивать полное сгорание кислорода воздуха. В противном случае будет иметь место поглощение кислорода воздуха расплавленной медью. Анодная медь содержит порядка 99, 31% Сu. Очищенная от примесей расплавленная медь на карусельной машиной разливается в анодные изложницы. После охлаждения аноды направляются на электролитическое рафинирование. [5]

Особенностью электролитического рафинирования меди в процессе «Айзасмелт» является использование нерасходуемых катодов, изготовленных из нержавеющей стали. Электролитическое рафинирование осуществляется в ваннах, изготовленных из полимерного бетона. Каждая ванна содержит 50 анодов и 49 катодов. Масса анода составляет 405 кг. Электролиз проводят при плотности тока порядка 292А/м ² Выход анодного скрапа составляет порядка 14%. Катодный выход по току составляет 95%. Электролит содержит 50г/л Сu и 160г/л H ₂ SO ₄ . Для регенерации электролита часть его выводится из процесса и направляется на регенерацию. На регенерацию поступает электролит, содержащий до 50г/л меди. Регенерация электролита осуществляется в три стадии в электролитических регенеративных ваннах. В ваннах регенерации в качестве катодов используются листы из нержавеющей стали, а в качестве анодов - свинцово-серебрянный сплав. Первичное обезмеживание электролита осуществляется при плотности тока 280 А/м ² . Электролиз ведут до содержания меди в электролите 35 г/л. В результате первой стадии обезмеживания получают товарную медь. В результате второй стадии обезмеживания содержание меди в электролите снижается до 5-6 г/л. В результате второго обезмеживания получают катодную медь, загрязнённую мышьяком и висмутом, которая направляется на огневое рафинирование в анодную печь. На последней стадии обезмеживания содержание меди в электролите снижается до 0, 3 г/л. На этой стадии обезмеживания медь вместе с мышьяком осаждается на дне ванны в виде порошка. Образующийся мышьяковистый шлам содержит до 45% Cu и 55% Аs. После фильтрации мышьяковистый шлам брикетируется и направляется в анодную печь. Очищенный от меди раствор содержит 170 г/л H ₂ SO ₄ . После очистки в анионообменных колоннах от Ni, Fe, Cu, Sb и Bi сернокислый раствор возвращается в голову процесса электролитического рафинирования для приготовления электролита. Продуктами процесса электролитического рафинирования меди является катодная медь и шлам. Содержание меди в катодном осадке составляет 99, 99%. Шлам, содержащий благородные металлы, селен и теллур, направляются на переработку с целью извлечения этих ценных компонентов.

2 Металлургические расчеты

2. 1 Расчёт рационального состава концентрата

Состав концентрата, % масс. : Cu - 14, 0; Fe-32, 4; S - 40, 0; SiO ₂ - 0, 6; CaO - 0, 6; MgO - 0, 3; Al ₂ O ₃ - 3, 2; Pb - 2, 65; Zn-3, 73; прочие -1, 7. Расчёт ведём на 100 кг концентрата. Принимаем, что в концентрате серу содержащими минералами являются халькопирит (CuFeS ₂ ), ковеллин (CuS) и пирит (FeS ₂ ) .

Содержание меди, железа и серы в минералах составляет:

CuFeS ₂ : Cu - 34, 62 %; S - 34, 95 %; Fe - 30, 43 %

CuS: Cu - 66, 46 % ; S - 33, 54 %

FeS ₂ : Fe - 46, 6 %; S - 53, 4 %

Обозначим через х кг массу халькопирита, y кг массу ковеллина и z кг массу пирита. С учётом этого составим балансовые уравнения по компонентам Сu, Fe и S:

Cu:

0, 3462x + 0, 6646y = 14, 0 (1)

Fe:

0, 3043x + 0, 466z = 32, 4 (2)

0, 3495x + 0, 3354y + 0, 534z = 40, 0 (3)

Решая систему уравнений, получим

Комбинирование уравнений (2) и (3), исключим из этих уравнений z.

0, 3043x + 0, 466z = 32, 4 × 0, 534

0, 3495x + 0, 3354y + 0, 534z = 40, 0 × 0, 466

Вычитая, получим:

х = 56, 33кг; у = 3, 22 кг; z =21, 56 кг.

Таким образом, в 100 кг концентрата содержится 56, 33 кг CuFeS ₂ , 3, 22 кг CuS и 21, 56 кг FeS ₂ . В них содержится компонентов:

CuFeS ₂ : Cu - 0, 3462∙56, 33 = 19, 50 кг CuS: Cu - 0, 6646∙3, 22 = 2, 14 кг

Fe - 0, 3043∙56, 33= 17, 14 кг S - 0, 3354∙3, 22 = 1, 08 кг

S- 0, 3495∙56, 33= 19, 69 кг

FeS ₂ : Fe - 0, 466∙21, 56 = 10, 05 кг

S - 0, 534∙21, 56 = 11, 51 кг

Таблица 1 - Рациональный состав концентрата, % масс.

Минерал

Компо-нент

CuFeS ₂

CuS

FeS ₂

PbS

ZnS

SiO ₂

CaO

MgO

Al ₂ O ₃

Прочие

Итого

МинералКомпо-нент: Cu

CuFeS2: 19, 50

CuS: 2, 14

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 21, 64

МинералКомпо-нент: Fe

CuFeS2: 17, 14

CuS:

FeS2: 10, 05

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 27, 19

МинералКомпо-нент: Pb

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS: 2, 65

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 2, 65

МинералКомпо-нент: Zn

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS: 3, 73

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 3, 73

МинералКомпо-нент: S

CuFeS2: 19, 69

CuS: 1, 08

FeS2: 11, 51

PbS: 2, 96

ZnS: 3, 14

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 38, 38

МинералКомпо-нент: SiO ₂

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2: 0, 6

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 0, 6

МинералКомпо-нент: CaO

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO: 0, 6

MgO:

Al2O3:

Прочие:

Итого: 0, 6

МинералКомпо-нент: MgO

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO: 0, 3

Al2O3:

Прочие:

Итого: 0, 3

МинералКомпо-нент: Al ₂ O ₃

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3: 3, 2

Прочие:

Итого: 3, 2

МинералКомпо-нент: Прочие:

CuFeS2:

CuS:

FeS2:

PbS:

ZnS:

SiO2:

CaO:

MgO:

Al2O3:

Прочие: 1, 7

Итого: 1, 7

МинералКомпо-нент: Итого:

CuFeS2: 56, 33

CuS: 3, 22

FeS2: 21, 56

PbS: 5, 61

ZnS: 6, 87

SiO2: 0, 6

CaO: 0, 6

MgO: 0, 3

Al2O3: 3, 2

Прочие: 1, 7

Итого: 100

2. 2 Расчёт десульфуризации за счёт процесса разложения высших сульфидов

Десульфуризация в процессе плавки осуществляется как за счёт диссоциации высших сульфидов, так за счёт окисления сульфидов железа кислородом дутья.

В процессе плавки минерал халькопирит разлагается по уравнению

4CuFeS ₂ = 2Cu ₂ S + 4FeS + S ₂ (4)

При этом в газовую фазу переходит серы

= 4, 92 кг

При этом образуется

= 24, 42 кг Cu ₂ S

= 26, 98 кг FeS.

Ковеллин разлагается по уравнению

4CuS = 2Cu ₂ S + S ₂ (5)

По этой реакции в газовую фазу переходит серы

= 0, 54 кг

При этом образуется

= 2, 68 Cu ₂ S

В процессе плавки пирит разлагается по реакции

2FeS ₂ = 2FeS + S ₂ (6)

При этом в газовую фазу переходит серы

= 5, 76 кг

и образуется

= 15, 79 кг FeS

Количество сульфида железа FeS, которое образуется за счёт разложения высших сульфидов, составит

26, 98 + 15, 79 = 42, 77 кг

Количество серы, которое перейдёт в газовую фазу в процессе плавки за счёт диссоциации высших сульфидов, составит:

5, 76 + 4, 92 + 0, 54 = 11, 22 кг

Окисление элементарной серы протекает по реакции

S ₂ + 2О ₂ = 2SО ₂

На окисление этой серы затрачивается кислорода

= 11, 20 кг

2. 3 Расчёт количества и состава штейна и степени десульфуризации

Принимаем содержание меди в штейне 60%. Извлечение меди в штейн в процессе Айзасмелт составляет порядка 95-98%. Принимаем извлечение меди в штейн 98%. Тогда в штейн перейдёт

14, 0∙0, 98 = 13, 72 кг Cu.

Количество меди, перешедшей в шлак, составит

14, 08 - 13, 72 = 0, 36 кг

Считаем, что медь в шлаке находится в виде Cu ₂ S. Тогда в шлак вместе с медью перейдёт

= 0, 09 кг S.

Тогда масса штейна составит

= 22, 87 кг

В соответствии с правилом Мостовича, среднее содержание серы в штейне составляет 25%. Тогда масса серы в штейне составит

22, 87 ∙0, 25 = 5, 72 кг

Вся медь в штейне связана с серой в виде Сu ₂ S. Количество серы, связанной с медью в штейне, составит

= 3, 46 кг. (3, 46)

Масса Cu ₂ S в штейне составит

= 17, 18 кг (17, 18)

По данным заводской практики принимаем, что 50% PbS переходит в штейн, а 50% окисляется и переходит в шлак. Тогда масса свинца, переходящего в штейн, что составляет

2, 65∙0, 5 = 1, 32 кг Pb

По данным заводской практики принимаем, что 30% ZnS переходит в штейн, а 70% окисляется и переходит в шлак. Масса цинка, переходящего в штейн составит:

3, 73∙0, 3 = 1, 12 кг Zn

В штейне растворяется определённое количество магнетита, который вносит в штейн кислород. Содержание растворённого в штейне кислорода зависит от содержания в нём меди (таблица 46)

Таблица 2 - Содержание кислорода в штейне, %.

% Cu в штейне

% Cu в штейне:

% О ₂ в

штейне

5: 7, 14

10: 6, 54

20: 5, 18

30: 4, 21

40: 3, 02

45: 2, 49

50: 1, 9

60: 0, 7

Как видно из таблицы 2, содержание кислорода в штейне с содержанием 60% Сu, концентрация растворенного в штейне кислорода составляет 0, 7%, что составляет

= 0, 098 кг