Реконструкция технологии обработки медных концентратов на Надеждинском металлургическом заводе (НМЗ)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 1.1 Общая характеристика автогенных процессов
• 1.2 Обоснование выбранной технологии
• 1.3 Структура пирометаллургического процесса
• 1.4 Сущность плавки сульфидного сырья во взвешенном состоянии
• 1.5 Физико-химические основы процесса
• 1.6 Теплообмен в рабочем пространстве печи
• 1.7 Конструкция печи
• 1.8 Подготовка и сушка концентратов
• 1.9 Процесс плавки концентратов
• 1.10 Утилизация тепла отходящих газов в котлах-утилизаторах
• 1.11 Общая характеристика печи во взвешенном состоянии на подогретом дутье как объекта управления
• 1.12 Общие условия обжига сульфидных материалов
• 1.13 Технологический расчёт автогенной плавки во взвешенном состоянии
• 1.13.1 Вещественный состав концентрата
• 1.13.2 Состав и количество пыли; безвозвратные потери при плавке
• 1.13.3 Состав и количество штейна, шлака и флюса
• 1.13.4 Количество дутья и технологических газов
• 1.13.5 Исходные данные для технологического расчёта взвешенной плавки
• 1.14 Методика расчёта теплового баланса автогенной плавки во взвешенном состоянии на подогретом дутье
• 1.14.1 Теплота реакций процесса
• 1.14.2 Энтальпия материалов и продуктов плавки
• 1.14.3 Расчёт теплового баланса печи взвешенной плавки на подогретом дутье
• 1.15 Выбор размеров печи
• 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ
• 2.1 Печь взвешенной плавки как объект управления
• 2.2 Структура АСУ ТП ПВП
• 2.3 Цели создания АСУТП
• 2.4 Функции АСУТП
• 2.5Аппаратурный синтез
• 2.5.1 Технические характеристики системы
• 2.5.2 Выбор контроллерной аппаратуры, подбор персональных компьютеров и настройка сетевого подключения
• 2.5.3 Контрольно-измерительные приборы
• 2.6 Программное обеспечение АСУТП
• 3. СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
• 4. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
• 4.1 Характеристика предприятия как источника нарушения и загрязнения природной среды
• 4.1.1 Район расположения и природные климатические условия
• 4.2 Охрана атмосферного воздуха
• 4.2.1 Санитарно-защитная зона
• 4.2.2 Источники, загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферный воздух
• 4.3 Охрана подземных и поверхностных вод
• 4.4 Охрана земельных ресурсов
• 5. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
• 5.1 Безопасность в условиях производства
• 5.1.1 Анализ вредных и опасных факторов производства
• 5.1.2 Анализ травматизма
• 5.1.3 Техника безопасности
• 5.1.4 Промсанитария
• 5.1.5. Противопожарная безопасность
• 5.2 Безопасность жизнедеятельности в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС)
• 5.2.1 Анализ потенциально возможных ЧС
• 5.2.2 План предупреждения и ликвидации ЧС
• 6. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 6.1 Электроснабжение участка цеха
• 6.2 Характеристики потребителей
• 6.3 Расчётная нагрузка потребителей
• 6.4 Выбор трансформатора
• 6.5 Потери напряжения в сети
• 6.6 Выбор коммутационной аппаратуры
• 7 .ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
• 7.1 Общая характеристика плавильного отделения
• 7.1 Калькуляция себестоимости продукции
• 7.2 Расчёт экономической эффективности
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


ВВЕДЕНИЕ

Металлургия меди, а также других тяжелых цветных металлов является ведущим звеном отечественной цветной металлургии. На долю тяжелых цветных металлов в РФ приходится значительная часть валовой продукции отрасли.

Значение меди из года в год возрастает, особенно в связи с бурным развитием энергетики, электроники, машиностроения, авиационной, космической и атомной техники. Дальнейшее развитие и технический уровень медного производства во многом определяют технический прогресс многих отраслей народного хозяйства нашей страны, в том числе микропроцессорной техники.

Повышение требований к защите окружающей среды привело к значительному удорожанию строительства и эксплуатации предприятий цветной металлургии. Это в свою очередь вызвало активное совершенствование существующих процессов производства металлов и разработку новых, более интенсивных процессов, обеспечивающих охрану окружающей среды, комплексное использование всех компонентов и теплотворной способности сырья, снижение капитальных и эксплуатационных расходов, позволяющих широко использовать автоматические системы управления технологическими процессами (АСУТП).

Разработка и внедрение взвешенной плавки для переработки сульфидных концентратов имеет большую историю. Впервые этот процесс в печи, состоящей из шахты и отражательной камеры для проведения обжига и плавки, был предложен в 1908 г. в России Броуном. Исследовательские работы по взвешенной плавке на воздушном дутье были проведены в нашей стране в 1928-1929 гг. под руководством проф. В.А. Ванюкова в Московском институте цветных металлов и золота и на Московском электролитном заводе. Испытания процесса затем были продолжены в 1932-1933 гг. на московском опытном и Карабахшском медеплавильных заводах. Крупные полупромышленные испытания были проведены в 1932 г. на заводе «Анаконда» (США) и в 1935 г. - в г. Дегтярке под руководством инженера Г.Я. Лейзеровича.

Наиболее интенсивно процесс взвешенной плавки медных концентратов начал разрабатываться в послевоенные годы в Финляндии и Канаде, испытывавших серьезные затруднения в угле и электроэнергии. Финские металлурги после длительных испытаний процесса взвешенной плавки на горячем дутье на полупромышленной установке в г. Поти внедрили в 1949 г. эту технологию на заводе «Харьявалта». С момента пуска первых печей взвешенной плавки медных концентратов прошло уже около 50 лет. За этот период финский процесс получил наиболее широкое распространение.

В настоящее время в мире имеется около 20 печей взвешенной плавки на горячем воздушном дутье, которые перерабатывают не только медные, но и никелевые, и полиметаллические концентраты. Значительному совершенствованию подвергнуты печи, горелки, котлы-утилизаторы и воздухоподогреватели, стало использоваться воздушно-кислородное дутье, много сделано по совершенствованию процесса и конструкции печей японскими металлургами, применившими оригинальные решения по шихтоподготовке, глубокой сушке, воздухонагреву, повышению стойкости огнеупоров.

Наиболее широкое распространение среди новых интенсивных автогенных процессов получили плавки во взвешенном состоянии, разработанной фирмой «Оутокумпу» (Финляндия) для сульфидного медного сырья.

Основными преимуществами взвешенной плавки по сравнению с отражательной плавкой являются:

· высокая производительность;

· возможность получения богатых штейнов;

· возможность получения богатых по SO₂ (10-15%) газов, обеспечение высокой степени извлечения серы из отходящих газов и сокращение выбросов сернистого газа в атмосферу (включая газы конвертирования, которые смешивают с богатыми газами взвешенной плавки);

· низкий суммарный расход энергии в результате использования тепла экзотермических реакций при плавке сульфидной шихты и высокой степени утилизации тепла отходящих газов для выработки энергии, возвращаемой в процесс (примерно 80 % тепла отходящих газов полезно используется с помощью котла-утилизатора, применяемого фирмой «Оутокумпу»);

· высокая степень механизации и автоматизации.

При плавке во взвешенном состоянии на подогретом дутье успешно решены вопросы тепловой энергетики и использования серы в газах.

Процесс взвешенной плавки позволяет существенно снизить энергозатраты по сравнению с традиционными (отражательной плавкой и электроплавкой). Это преимущество процесса «Оутокумпу» является следствием не столько принципиальных особенностей самой взвешенной плавки, сколько результатом успехов фирмы в решении вопросов конструктивного оформления всего плавильного комплекса и, в первую очередь, котла-утилизатора.

В замыкании энергетического баланса важную роль играет содержание кислорода в дутье. Если температура в газовом пространстве печи не превышает определённого уровня, определяемого стойкостью огнеупоров, и избыточная теплота отнимается охлаждаемыми элементами, то и температура отходящих из печи газов при различном содержании кислорода будет оставаться практически постоянной.

Данный проект разрабатывается для реконструкции существующей технологии обработки медных концентратов на Надеждинском Металлургическом Заводе (НМЗ) входящего в состав заполярного филиала горной металлургической компании «Норильский Никель».



1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Наиболее широкое распространение среди новых интенсивных автогенных процессов получили плавки во взвешенном состоянии, разработанной фирмой «Оутокумпу» (Финляндия) для сульфидного медного сырья.

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 дутьё, подогретое до 400 - 500⁰С. Начиная с конца 60-х годов, этот процесс по лицензии фирмы «Оутокумпу» стали широко применять на металлургических заводах многих стран. В настоящее время он внедрён более чем на 30 предприятиях для переработки медных, никелевых и пиритных концентратов. Финскую плавку на сегодня можно считать самым распространённым в промышленности и наиболее технологически и аппаратурно отработанным автогенным процессом плавки сульфидных концентратов.

С момента возникновения плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье претерпела существенные изменения, особенно в дутьевом режиме. Температура нагрева дутья колеблется от 200 до 1000 ⁰С.

1.1 Общая характеристика автогенных процессов

Принцип автогенности уже в течение более 100 лет широко используют при окислительном обжиге сульфидных руд и концентратов и конвертировании штейнов.

Широкое внедрение процессов обогащения привело к получению более богатых, но мелких материалов, не пригодных для шахтной плавки. Это вызвало к жизни сначала отражательную плавку, а затем и электроплавку.

Однако в обоих случаях широко распространенных в современной металлургической практике процессах плавка сульфидного концентрата ведётся за счёт поступающих извне источников энергии. Однако в связи с ростом стоимости энергетических ресурсов, проблема эффективного использования теплоты от сжигания сульфидов становится более актуальной.

В основе любого автогенного способа плавки сульфидных медных концентратов лежат экзотермические реакции окисления сульфидов шихты и в первую очередь сульфидов железа:

2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ = Fe₂SiO₄ + 2SO₂ + 1030290 кДж (1)

2FeS + 3O₂ = 2FeO + 2SO₂ + 937340 кДж (2)

2FeO + 2SiO₂ = Fe₂SiO₄ + 92110 кДж (3)

Таким образом, автогенная плавка по своей сущности является окислительным процессом. При её осуществлении степень десульфуризации можно регулировать в любых заданных пределах, изменяя соотношение между количествами перерабатываемого материала и дутья.

Тепловая работа печей автогенных плавок характеризуется тем, что температура отходящих газов превышает температуру плавления шлаков, составляя не менее 1200 - 1250 . Высокая температура отходящих газов обуславливает большие потери с ними теплоты. Если в пиритном процессе даже при использовании холодного воздушного дутья теплоты от сжигания сульфидов практически достаточно для ведения процесса плавки, то при автогенной плавке флотационных концентратов обнаруживается значительный её дефицит. Недостаток теплоты может быть восполнен как увеличением статей прихода, так и уменьшением статей расхода в тепловом балансе плавки. Дополнительная теплота для процесса может быть получена за счёт предварительного подогрева дутья.

Необходимая температура подогрева дутья определяется количеством сульфидов, которое может быть окислено по условиям технологии. Как правило, достаточно нагревать воздушное дутьё до 500 - 600 . При этом следует иметь в виду, что подогрев дутья может и должен быть осуществлён за счёт теплоты отходящих газов самой плавки.

На основе автогенных процессов могут быть созданы технологические схемы, обеспечивающие минимальные энергетические затраты, высокую комплексность использования сырья и предотвращающие загрязнение воздушного и водного бассейнов.

Применительно к флотационным концентратам автогенные металлургические процессы могут быть организованы по-разному как технологически, так и аппаратурно. С технологической точки зрения эти процессы в первую очередь различаются методом сжигания сульфидов. Мелкие сульфидные концентраты можно сжигать как в распыленном состоянии в газовой фазе (в факеле), так и в расплавах.

Плавками во взвешенном состоянии называют процессы, при осуществлении которых мелкие сульфидные концентраты сжигают в факеле, образующемся при горении сульфидов шихты, подаваемой в раскаленное пространство печи через специальные горелки вместе с дутьём. За счёт теплоты, выделяющейся при горении сульфидов, распыленная шихта нагревается и плавится. Образовавшиеся капли падают на поверхность шлакового расплава, находящегося в отстойной камере, где происходит разделение штейна и шлака.

При осуществлении автогенной плавки в расплаве шихтовые материалы тем или иным способом вводятся вначале в ванну уже имеющегося сульфидно-оксидного расплава, плавятся и растворяются в нём, а затем сульфиды, находясь в жидком состоянии, окисляются подаваемым в расплав дутьём.

Первоначально казалось, что использование при плавке во взвешенном состоянии сильно развитой поверхности мелких концентратов, позволяющее осуществлять процесс окисления распыленных сульфидов с очень большими скоростями, является достаточным преимуществом, чтобы считать это направление наиболее перспективным. Однако этого условия оказалось недостаточно для создания высокопроизводительного метода плавки, так как производительность агрегатов в конечном итоге определяется не скоростью окисления сульфидов, а другими, более медленными стадиями в сложном комплексе процессов, протекающих при плавке.

Идея использования автогенного процесса для плавки флотационных концентратов на штейн возникла и была впервые почти одновременно опробована в CCCР и в США на заводе «Анаконда», получив в дальнейшем широкое распространение во всем мире. В настоящее время можно назвать не менее двух десятков освоенных промышленностью, внедряемых и предлагаемых автогенных процессов.

Первые исследования плавки сульфидных концентратов при сжигании их во взвешенном состоянии были начаты в начале 30-х годов прошлого столетия. Одним из направлений этих исследований предусматривалось сжигание сухих концентратов при вдувании их в газовое пространство печи по образцу сжигания угольной пыли в отражательных печах. Работы выполнялись Рыковым и другими под руководством доктора технических наук В.А. Ванюкова. Предложенный ими вариант автогенной плавки получил название «газ-процесс».

Г.Я. Лейзерович позднее предложил сжигать и плавить сульфидные концентраты в вертикальной шахте с последующим разделением продуктов плавки в горизонтальной части печи. Опытный образец комбинированной печи некоторое время работал на одном из опытных металлургических заводов Урала. Результаты исследований, к сожалению, не доведенных до конца, в дальнейшем были использованы как отечественными, так и зарубежными фирмами, в том числе фирмой «Оутокумпу» (Финляндия), для создания современного процесса плавки во взвешенном состоянии.

1.2 Обоснование выбранной технологии

В настоящее время, наиболее важным из направлений развития металлургического производства является внедрение ресурсосберегающих технологий и оборудования, а также их дальнейшее развитие и усовершенствование. С внедрением в промышленное производство микропроцессорной техники настал новый период современного развития металлургии. Как показывает опыт развития металлургического производства, в течение последних нескольких десятилетий технология переработки медного и никелевого сырья во всем мире совершенствуется на основе разработки и освоения автогенных процессов.

Под автогенным понимается пирометаллургический процесс, в котором необходимый для технологии уровень температур обеспечивается только за счет теплоты, вносимой исходными материалами, и теплоты от экзотермических реакций самого процесса. Автогенный процесс, таким образом, проходит без затрат углеродистого топлива или электроэнергии непосредственно в рабочем пространстве агрегата. Практически в производстве металлов единственной группой реакций, которые могут дать достаточный экзотермический эффект для автогенности процесса, являются реакции окисления компонентов исходного сырья кислородом. Поэтому все автогенные пиропроцессы являются окислительными, для их осуществления требуется подача газообразного кислорода, т.е. кислородосодержащего дутья.

В настоящее время автогенная плавка в производстве меди и никеля получила широкое распространение и на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных процессов переработки сульфидного сырья.

Современный металлургический процесс должен обеспечивать:

- высокую степень комплексности использования перерабатываемого сырья;

- высокую удельную производительность металлургических аппаратов;

- минимальные энергетические затраты;

- высокую степень комплексной автоматизации;

- максимально безопасные и безвредные условия труда;

- минимальный выброс в атмосферу вредных газов;

- наибольшую экономическую эффективность.

Высокая степень комплексности использования сырья является основным и едва ли не самым важным требованием к современной технологии, причем она должна пониматься в самом широком смысле.

Понятие комплексности использования перерабатываемого сырья включает в себя максимально высокое извлечение всех ценных составляющих (медь, никель, цинк, кобальт, сера, железо, благородные металлы, редкие и рассеянные элементы), использование силикатной составляющей руды.

Перерабатываемые сульфидные руды и концентраты обладают достаточно высокой теплотворной способностью и являются не только источником ценных компонентов, но и технологическим топливом, следовательно, в понятие комплексного использования сырья включает в себя использование его внутренних энергетических возможностей.

Сульфиды по своей теплотворной способности незначительно уступают таким видам топлива, как торф, углистые сланцы, дрова. А если сопоставить количество добываемых в год сульфидных руд, с количеством тепловой энергии, которая может быть получена при их сжигании, то можно получить цифру порядка нескольких миллионов единиц условного топлива.

Конечным итогом увеличения комплексности использования сырьевых материалов должно привести к созданию так называемых безотходных технологий, высшей ступени развития промышленности.

Важным элементом дальнейшего повышения комплексности использования сырья является также использование вторичных энергоресурсов, создающихся при осуществлении главным образом пирометаллургических процессов - физической теплоты отходящих газов, расплавленных шлаков и других нагретых до высоких температур продуктов и полупродуктов.

С повышением комплексности использования перерабатываемого сырья неразрывно связано решение проблемы устранения вредных выбросов в окружающую среду (таких как, накопление всякого рода отвалов (шлаки, хвосты и др.), выбросы SO₂ и других вредных газов, пыли и возгонов, сброса технологических вод фабрик и заводов).

Важную роль в совершенствовании технологии получения цветных металлов играет удельная производительность металлургического оборудования. Перспективно создание непрерывных поточных линий (ряд последовательно установленных агрегатов, работающих в едином непрерывном потоке), тогда степень их автоматизации будет обеспечивать наибольшую удельную производительность металлургического производства.

При выборе технологических и аппаратурных решений возможность создания непрерывных поточных линий должна являться важным критерием их оценки. На основе автогенных процессов могут быть созданы технологические схемы, обеспечивающие минимальные энергетические затраты, высокую комплексность использования сырья и предотвращающие загрязнение воздушного и водного бассейнов.

Анализ тенденций развития взвешенной плавки с подогретым дутьем и кислородно-взвешенной плавки показывают, что различия между этими процессами постепенно сглаживаются. В кислородно-взвешенном процессе исследуется возможность перехода на вертикальный факел горения. В плавке с подогретым дутьем начато использование обогащения дутья кислородом. Таким образом, отличия сохраняются лишь в содержании кислорода, степени нагрева дутья и аппаратурном оформлении. При повышении содержания кислорода в дутье увеличивается содержание в газах SO₂ и в принципе могут быть снижены затраты на их переработку. Однако при этом снижается коэффициент использования теплоты и возрастают затраты на получение кислорода. Выбор оптимального содержания кислорода в дутье должны окончательно решать экономические расчёты для условий конкретного предприятия. Что касается аппаратурного оформления, то и здесь в конечном итоге должны быть найдены близкие оптимальные решения.

Принципиальное единство технологических основ двух разновидностей плавки во взвешенном состоянии порождает общность их достоинств и недостатков. Основными достоинствами процесса являются использование тепла сжигания сульфидов и высокое извлечение серы в газы, богатые по содержанию SO₂. Главнейшие недостатки процесса: низкая удельная производительность, высокое содержание ценных компонентов в шлаках необходимость глубокой сушки исходной шихты и связанный с этим большой пылеунос.

Основные технико-экономические показатели взвешенной плавки с использованием подогретого дутья приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Основные технико-экономические показатели работы ряда заводов, использующих взвешенную плавку с подогретым дутьем

Показатель	«Харьявалта» (Финляндия)	«Саганосеки» (Япония)	«Тамано» (Япония)
Производительность печи, т/сут	900	3330	1280
Удельный проплав, т/м2*сут	11,9	10,9	9,3
Содержание О2 в дутье, %	35-40	22,1	Воздух
Температура дутья, 0С	200	900-1000	450
Содержание меди, % в штейне в шлаке (после обеднения)	60 0,85	60 0,52	50 0,56
Содержание SO2 в газах, %	18-20	10,3	8-10
Пылеунос	8-10	8-10	8-10
Метод обеднения шлака	Флотация	Флотация	В электрообогреваемом отстойнике

Таким образом, наиболее экономически выгодным путем развития металлургического производства является реконструкция действующих предприятий при максимальном использовании уже имеющегося вспомогательного хозяйства, существующих фундаментов, зданий, сооружений, в частности складов, отделений подготовки и транспортировки шихты, газоходного хозяйства, транспорта продуктов плавки и т. д. В этом случае переход на новую технологию будет связан только с заменой старой аппаратуры на новую и установкой, при необходимости, некоторой дополнительной вспомогательной аппаратуры. Если при этом удельная производительность новой технологии и аппаратов будет существенно выше старой, то на тех же производственных площадях мощность завода может быть значительно увеличена при минимальных капитальных затратах.

1.3 Структура пирометаллургического процесса

Любой пирометаллургический процесс характеризуется одновременным или последовательным протеканием многочисленных физико-химических превращений -- элементарных стадий. При плавке сульфидных руд и концентратов, каким бы методом она не проводилась, важнейшими элементарными стадиями являются:

1) нагрев шихты;

2) диссоциация неустойчивых химических соединений;

3) окисление сульфидов;

4) расплавление легкоплавких составляющих шихты с образованием первичных расплавов;

5) растворение наиболее тугоплавких компонентов в первичных расплавах;

6) разделение продуктов плавки.

Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры, интенсивности массо- и теплообмена, а производительность агрегатов в целом определяется скоростью завершения наиболее медленной из элементарных стадий.

Считаем необходимым рассмотреть важнейшие стадии процесса плавки и их кинетические закономерности.

Нагрев шихты практически полностью лимитируется процессами теплопередачи. Условиями теплопередачи и размерами кусков определяется также в значительной степени начало термического разложения неустойчивых химических соединений.

В настоящее время, когда на плавку поступают преимущественно флотационные концентраты с малыми размерами частиц (70 мкм и меньше), можно легко достичь очень высоких скоростей их нагрева, если будут созданы благоприятные условия для интенсивного массо- и теплообмена. Одним из приемов, обеспечивающих высокие скорости нагрева, является распыление шихты в нагретом до высокие температуры газовом пространстве при высокой степени турбулентности потока. В этом случае мелкая шихта нагревается за считанные доли секунды. Исключительно быстро протекает нагрев шихты также при загрузке ее в расплав. В автогенных процессах, где источником теплоты служат реакции окисления сульфидов концентрата, теплота выделяется непосредственно на поверхности частиц или в ванне расплава, т. е. там, где она расходуется на процессы плавления. Поэтому нагрев мелких частиц шихты в условиях интенсивного массообмена осуществляется быстро и не лимитирует производительности плавильных агрегатов.

Окисление сульфидов. Окисление сульфидов кислородом является экзотермическим процессом и протекает на границе раздела фаз.

Многочисленные исследования кинетики реакций окисления сульфидов показали, что скорость их протекания зависит от многих факторов: температуры, природы фаз, их физико-химических свойств и агрегатного состояния, крупности сульфидных частиц, размеров поверхности контакта реагентов и т. п.

С момента воспламенения окисление (горение) сульфидов идет очень интенсивно и ускоряется с ростом температуры. Однако скорость гетерогенных процессов, протекающих на границе раздела фаз (твердой, жидкой и газообразной), не может неограниченно расти с температурой, так как начинает зависеть от процессов массообмена. Это обусловлено тем, что суммарная скорость в данном случае будет определяться соотношением скоростей собственно химической реакции и подвода реагентов к реакционной поверхности.

Таким образом, для обеспечения высоких скоростей окисления необходимы большая реакционная поверхность и интенсивный массообмен.

Плавление шихты и формирование расплавов. Конечная цель любого вида плавки -- перевод всей перерабатываемой шихты в расплавленное состояние с получением штейна и шлака с их последующим разделением.

Значительные различия в физико-химических свойствах соединений, в первую очередь в их температурах плавления, приводят при нагревании шихты только к постепенному формированию расплава конечного состава. Сначала идёт образование первичного расплава из наиболее легкоплавких компонентов с последующим растворением в них более тугоплавких веществ. Следовательно, процессы штейно- и шлакообразования включают в себя две элементарные стадии: расплавление легкоплавких составляющих шихты и растворение в первичных расплавах более тугоплавких веществ.

Из числа присутствующих в сульфидных шихтах химических соединений наиболее легкоплавкими являются сульфиды. При этом природные сульфидные эвтектики по сравнению с отдельными сульфидами имеют еще меньшие температуры плавления. Поэтому процессы штейнообразования начинаются раньше, чем процессы шлакообразования, и идут с большими скоростями.

Шлакообразование начинается позднее из-за более высоких температур плавления не только свободных оксидов, но и оксидных эвтектик. Образование первичных шлаковых расплавов -- процесс достаточно быстрый и скорость его практически совпадает со скоростью нагрева шихты до температуры плавления легкоплавких компонентов. При ограниченных температурах в плавильных агрегатах особо важное значение приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах.

Процессы растворения являются значительно более медленными по сравнению с прямым расплавлением легкоплавких компонентов и лимитируются малой скоростью диффузии.

В реальных условиях растворение твердой фазы в жидком растворителе (при плавке растворителем является первичный расплав) проходит в три этапа: диффузия растворителя к поверхности твердой фазы, химическое взаимодействие реагентов с образованием растворимого соединения и его диффузия в массу раствора. Поэтому конечная скорость шлакообразования существенным образом зависит от гидродинамических условий, то есть от интенсивности массообмена между компонентами твердой шихты и жидкими продуктами плавки, устраняющей диффузионные сопротивления.

Образование шлаков в металлургических печах начинается, как правило, с получения железо-силикатных эвтектик фаялитового состава или более сложных многокомпонентных легкоплавких композиций на основе силиката оксида железа. В дальнейшем в них растворяются более тугоплавкие оксиды и в первую очередь кремнезём, содержащийся в рудном сырье или вводимый в шихту в качестве кварцевого флюса.

Возможность значительного ускорения процесса растворения тугоплавких составляющих в первичных расплавах путем интенсивного их перемешивания не вызывает никаких сомнений. Так, автогенные плавки, осуществляемые в барботируемых расплавах, отличаются очень высокими скоростями формирования шлаков. В существующих процессах, в частности при отражательной плавке и плавках во взвешенном состоянии, скорость растворения флюсов может быть увеличена только путем очень тонкого их измельчения и перемешивания расплава в зонах отстаивания.

Таким образом, скорость растворения тугоплавких составляющих (скорость формирования конечного шлака) в отдельных случаях, когда перемешивание расплавов в плавильных печах отсутствует или происходит очень медленно, может существенно влиять на скорость плавки в целом.

Скорость и полнота разделения фаз. Медь находится в шлаке частично в растворённом состоянии и частично в виде мелких взвешенных частиц штейна. Решающее влияние на её содержание в шлаке оказывает степень его окисленности, т. е. содержание в нем трехвалентного железа.

Следовательно, полнота перевода меди в штейн в значительной степени определяется полнотой восстановления магнетита при его взаимодействии с сульфидами. В ряде случаев целесообразно даже восстанавливать магнетит углеродистыми восстановителями. Процесс восстановления магнетита сульфидами протекает относительно медленно и, хотя он и не определяет общей производительности печи, влияние магнетита на содержание растворенной меди и разделение фаз необходимо учитывать при создании современной технологии и принимать все возможные меры для обеспечения максимально полного его восстановления. Для обеспечения достаточной скорости восстановления магнетита прежде всего необходимо вести процесс при повышенной температуре (не менее 1300--1350 °С) и энергичном перемешивании расплава газами для снятия диффузионных сопротивлений и снижения парциального давления SО₂. Нужно также обеспечить необходимое время контакта шлака с сульфидами. Очевидно, что эти требования наиболее полно реализуются при осуществлении процесса плавления в барботируемых расплавах.

Значительная часть меди находится в шлаках в виде мелкой штейновой эмульсии. Кроме того, при восстановлении или сульфидировании металлов в шлаковом расплаве обычно выпадает дополнительное количество очень мелкой взвеси металлсодержащей фазы, отстаивание которой происходит крайне медленно и не успевает завершиться за приемлемое с практической точки зрения время. Поэтому одновременно с восстановлением шлака необходимо обеспечить укрупнение штейновых или металлических частиц.

Можно однозначно утверждать, что именно медленное протекание процессов укрупнения мелкой штейновой (металлической) взвеси и ее отделение от шлака являются одними из самых медленных этапов, лимитирующих скорость процесса плавки в целом. Из этого вытекает важный практический вывод -- необходимо изыскивать такие методы ведения плавки, которые обеспечивали бы быстрое протекание процесса коалесценции штейновой взвеси. Наиболее эффективным приемом ускорения этого процесса является перемешивание шлака с получающимся в самом процессе плавки штейном. Известно, что даже загрузка сульфидов на поверхность шлаковой ванны и однократная промывка шлака каплями штейна приводят к заметному обеднению шлака. Если же перемешивание шлака вести с большим количеством штейна (при малом его расходе), то это позволит многократно повторять промывку и практически полностью собрать мелкую взвесь штейна или металла в донную фазу. При этом важно, чтобы извлекающая фаза имела высокие плотность, поверхностное натяжение и растворяющую способность по отношению к меди. Чем больше будет межфазное натяжение, тем крупнее будут образующиеся при перемешивании капли металлсодержащей фазы, что в сочетании с той ее плотностью обеспечит быстрое разделение фаз при последующем отстаивании.

Сочетание процессов восстановления и перемешивания шлака со штейном позволяет резко интенсифицировать процесс укрупнения штейновых частиц и разделение фаз. Доказано, что крупность частиц при этом возрастает настолько, что для разделения штейна и шлака вместо 10--15 ч требуется менее одного часа.

Правильная организация процесса разделения фаз создает предпосылки для резкой интенсификации работы плавильных агрегатов и повышения их удельной производительности.

1.4 Сущность плавки сульфидного сырья во взвешенном состоянии

Печь взвешенной плавки применяется при автогенной плавки медного концентрата на штейн.

Пылевидные частицы медного концентрата вместе с оборотной пылью печи взвешенной плавки вдуваются подогретым дутьём через четыре шихтовые горелки, расположенные в центре свода реакционной шахты, в печь. В горелках происходит перемешивание шихты с дутьем.

Шихтовоздушная смесь из горелок поступает в раскалённое подсводовое пространство плавильной шахты, где сульфиды воспламеняются, пока шихта находится во взвешенном состоянии. За время падения сульфиды успевают в должной степени окислиться, а легкоплавкие сульфиды и железистые силикаты расплавиться.

На поверхность шлаковой ванны, находящейся в отстойной камере печи, из вертикальной шахты падают капли расплава раскаленные частицы тугоплавких компонентов. В этих условиях процессы формирования шлака и штейна продолжаются и заканчиваются в ванне печи.

Продукты плавки: штейн и шлак выпускаются из печи периодически и поступают на конвертирование и обеднение соответственно.

1.5 Физико-химические основы процесса

Процесс окисления сульфидов меди в реакционной шахте печи происходит в переходном режиме: то есть когда на скорость процесса влияют одновременно диффузия и кристаллохимическое превращение сопровождается воспламенением частиц, которое длится доли секунды. При этом скорость реакции достигает своего максимального значения и здесь возможно кратковременное протекание процесса в кинетическом режиме.

В области более высоких температур, характерных для реакционной зоны плавильной шахты печи (температура 1500-1550 С), процесс окисления сульфидных частиц с большей вероятностью протекает в диффузионном режиме. По мере развития химической реакции на поверхности сульфидной частицы образуется твердый слой продуктов окисления. Транспорт кислорода к реакционной зоне в этом случае затрудняется, и процесс переходит в область, лимитируемую внутренней диффузией. Для этого режима характерно отсутствие зависимости скорости окисления от интенсивности движения газа. Кроме того, диффузионное сопротивление возрастает со временем по мере увеличения толщины оксидной пленки.

Процесс окисления сульфидных частиц после их расплавления состоит из следующих основных стадий:

1. Окисление серы на поверхности сульфидного расплава адсорбированным кислородом газовой фазы;

2. Окисление двухвалентного железа на поверхности капли адсорбированным кислородом;

3. Окисление серы трехвалентным железом в объеме жидкой фазы.

1.6 Теплообмен в рабочем пространстве печи

Основу теплового баланса процесса плавки в печи взвешенной плавки составляет теплота экзотермических реакций окисления сульфидов. На кинетические закономерности, как отдельных этапов, так и в целом процесса окисления существенное влияние оказывает теплопередача. Количество теплоты, выделяемой на поверхности, определяется макроскопической скоростью реакции, а количество теплоты, отводимой от поверхности, условиями теплопередачи.

Достигнув определенной температуры, при которой тепло, выделяемое при окислении, достаточно для протекания автогенного процесса, сульфидная частица воспламеняется. В результате интенсивного окисления на поверхности сульфидной частицы температура может быть более 1500 °С при температуре газового потока 1300-1350°С.

Температура воспламенения и удельная поверхность сульфидов находятся в одинаковой гиперболической зависимости от среднего размера частиц. Удельная поверхность при уменьшении размере зерен возрастает, а температура воспламенения снижается.

Помимо реакций окисления, по мере прогрева твердой частицы начинают протекать реакции диссоциации высших сульфидов. Интенсивно процесс начинается при температуре 550°С и заканчивается при температуре 850°С. Наиболее низкую температуру диссоциации имеет пирит (550°С), наиболее высокую борнит (850°С).

Особенностью диссоциации является то, что процесс сопровождается значительным поглощением теплоты, протекает как на поверхности, так и внутри зерна сульфида. Таким образом, при окислении и диссоциации на одной и той же частице протекало два конкурирующих процесса: окисление с выделением теплоты, диссоциация с ее поглощением. Результирующая величина может быть определена из теплового эффекта реакций и скорости их протекания.

В результате процессов окисления и диссоциации, теплоты выделяется значительно больше, чем поглощается.

Особенностью высокотемпературного взаимодействия кислорода с сульфидными расплавами является то, что их окисление осуществляется как за счет кислорода газовой фазы, так и кислорода оксидов железа.

В условиях процесса плавки во взвешенном состоянии доставка окислителя из объема газовой фазы к поверхности частицы может осуществляться с помощью конвективной диффузии за счет наличия скорости потока и вследствие молекулярной диффузии.

Общее уравнение массопередачи в данном случае имеет вид:

,

где первый член уравнения учитывает законы молекулярной диффузии,

второй член учитывает законы конвективного массообмена,

- скорость перемещения газа относительно твердого тела.

При плавке в печах взвешенной плавки скорости движения сульфидных частиц шихты и окислителя (газа) сравнимы друг с другом, поэтому стремится к нулю и соответственно конвективной составляющей уравнения можно пренебречь.

В данном случае процесс окисления можно рассматривать с позиции диффузионной кинетики микрогетерогенных реакций, т.е. реакций, протекающих на поверхности дисперсных частиц, взвешенных в другой фазе. Конвективная диффузия в микрогетерогенных системах практически не оказывает влияния на скорость реакции, так как частицы перемещаются вместе с потоком. Однако общая скорость массопереноса в таких системах достаточно высока из-за того, что диффундирующие реагенты имеют незначительные размеры. Таким образом, если пренебречь влиянием конвекции на диффузию кислорода к поверхности сульфидной частицы, а, также допуская, что она имеет форму сферы диаметром d, коэффициент массоотдачи может быть определен по формуле:

,

где Nu - критерий Нуссельта, характеризующий массоперенос.

С учетом того, что для сферических частиц, взвешенных в неограниченной покоящейся среде, Nu = 2, данное выражение приобретает вид:

Когда кинетика реакции окисления на поверхности первого порядка, то для каждой отдельной частицы зависимость эффективной константы скорости , отнесенной к единице поверхности дисперсной частицы, можно перейти к эффективной константе скорости , отнесенной к единице объема газовой фазы:

где F - средняя поверхность дисперсной частицы;

N - число частиц, диспергированных в единице объема газа.

Зная , N, F и гранулометрический состав концентрата, а также концентрацию окислителя на поверхности, от которой происходит диффузия, можно оценить скорость процесса на единицу объема газовой фазы. При слабом развитии конвекции массоперенос кислорода к реакционной поверхности происходит за счет молекулярной диффузии, в основе которой лежит градиент концентрации.

В соответствии с представлениями о механизме массопереноса реагента из объема фазы к реакционной поверхности различают две области: ядро (основной объем газа) и пограничный слой у поверхности раздела фаз. Перенос компонентов в основном объеме при интенсивном перемешивании в основном происходит вследствие конвективной диффузии; роль молекулярной диффузии в этом случае не столь велика. По мере приближения к поверхности раздела фаз конвективные потоки затухают, и возрастает значение молекулярной диффузии. В непосредственной близости от границы раздела фаз существует пограничный слой, через который массоперенос осуществляется только молекулярной диффузией.

Природа пограничного диффузионного слоя сложна и его возникновение обусловлено наличием вязкости потока и силами притяжения между молекулами твердого компонента и окружающей среды. Толщина слоя зависит от вязкости газа, характера поверхности, условий перемешивания и размера частицы. Чем меньше размер частицы, тем больше толщина слоя. Для частиц диаметром не более 0,5 мм этот параметр составляет 10-20 радиусов частицы.

Для условий взвешенной плавки, где основное количество частиц флотационного концентрата имеет размеры менее 0,07 мм, толщина слоя может составлять 0,35-0,70 мм.

Проникновение молекул газа через диффузионный пограничный слой осуществляется молекулярной диффузией.

Скорость молекулярной диффузии зависит от коэффициента диффузии, толщины диффузионного слоя, поверхности частицы и разности концентраций.

Использование подогретого дутья позволяет повысить количество окислителя, поступающего к реакционной поверхности. Соответственно, снижается продолжительность этапа молекулярной диффузии. Это приводит к увеличению общей скорости окисления, лимитируемой диффузией.

Высокое содержание дисперсных частиц в дутье (до 4 кг/м³) приводит к тому, что толщина газовой прослойки между ними составляет 0,5-1,0 мм, т.е. становится соизмеримой с толщиной диффузионного слоя. При низкой относительной скорости газового потока, обтекающего реакционную поверхность взвешенной частицы, толщина слоя сохраняется. Это дает возможность сосредоточения в нем основного сопротивления массопереносу и появления диффузионных затруднений со стороны газовой фазы.

Удаление диоксида серы в объем газового потока происходит со скоростью:

Поскольку концентрация SО₂ в зоне реакции выше, чем в турбулентной области газового потока, то движущей силой диффузии газообразных продуктов здесь является разность их концентраций у поверхности раздела фаз и в объеме газа.

При протекании процесса окисления сульфидного концентрата во внешне диффузионной области оперативное удаление SО₂ от поверхности твердой частицы приводит к увеличению общей скорости взаимодействия.

1.7 Конструкция печи

Конструкция печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом дутье достаточно сложна -- она сочетает в себе две вертикальные шахты (плавильную и газоход-аптейк) и горизонтальную камеру-отстойник (рис. 1.1.).

Рис. 1.1. Печь взвешенной плавки на штейн с вертикальным расположением технологического факела: 1 -- реакционная шахта; 2 -- отстойник; 3 -- вертикальный газоход (сепарационная камера)

Тонкоизмельченная шихта, предварительно высушенная до содержания влаги менее 0,2%, подается в бункер шихты. Из бункера шихта двумя скребковыми транспортерами "Редлер" подается через свод реакционной камеры с помощью четырех специальных горелок (рис. 1.2). 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.



Рис. 1.2. Схема горелки печи для плавки во взвешенном состоянии

1 - дутьё; 2 - шихтовая воронка; 3 - загрузочный патрубок; 4 - воздушный патрубок; 5 - конус-рассекатель; 6 - распределительная решётка; 7 - диффузор.

Вся печь финской плавки выполнена в виде кладки из магнезитового кирпича. Футеровка плавильной шахты и аптейка заключена в металлические кожухи из листовой стали. В кладку всех элементов печи заложено большое количество водоохлаждаемых элементов, что позволяет значительно удлинить срок службы агрегата. Аптейк непосредственно сочленён с котлом-утилизатором туннельного типа. В боковой стенке отстойной камеры установлены две медные водоохлаждаемые плиты с отверстиями для выпуска шлака, а в передней торцевой стене - чугунные шпуры для выпуска штейна.

Основным элементом печи является плавильная шахта, представляющая собой цилиндрическую камеру с внутренним диаметром 3--8 м, высотой 7--12 м и толщиной стен 250--380 мм. Реакционная камера выложена из хромомагнезитового кирпича и заключена в металлический кожух из листовой стали. Чтобы исключить смещение кладки, кожух жестко скреплен с футеровкой и установленными в ней медными водоохлаждаемыми кессонами, которые расположены на стыке шахты со сводом отстойника. Шахта может иметь арочный или распорно-подвесной свод, выложенный из термостойкого кирпича. Свод обычно двухслойным. Второй слой состоит из легковесного шамота толщиной 75--150 мм. Общая, толщина свода 525 мм. Сверху кладка закрывается стальным листом, что улучшает герметичность свода и исключает возможность попадания пыли на его поверхность. В своде имеются 4 отверстия для установки шихтовых горелок. Кроме того, в центре свода расположено отверстие для установки горелки, предназначенной для сжигания традиционных видов топлива, и ряд отверстий по периферии для подачи в печь конвертерной пыли.

Отстойная зона печи имеет площадь пода от 40 до 300 м². В конструктивном отношении отстойник аналогичен анодным печам стационарного типа. Внутреннюю футеровку печи отстойника выполняют из хромитопериклазового кирпича. Для наружной кладки применяют шамот. Между шамотной и хромитопериклазовой кладкой по всему периметру печи на уровне ванны установлены медные водоохлаждаемые кессоны. Общая толщина кладки на уровне расплава составляет около 800 мм. Над ванной толщину стен ступенчато уменьшают до 450--600 мм, В торцевой и боковых стенках печи предусмотрено несколько (9--11) шпуровых отверстий для выпуска продуктов плавки. Штейн выпускают в головной части печи, шлак -- со стороны вертикального газохода. Выпускные отверстия обычно расположены на разных уровнях; высота шлаковых шпуров над подом составляет 500--600 мм, штейновых шпуров--25, 100 и 250 мм. В кладке стен предусмотрено 18--20 отверстий для установки горелок природного газа и наблюдения за ходом технологического процесса, расположенных на расстоянии около 4 м от основания подины.

Под печи сооружают из хромитопериклазового термостойкого кирпича в виде многослойной обратной арки. Для его теплоизоляции используют легковесный шамот.

Свод отстойной камеры имеет арочную или, распорно-подвесную конструкцию. Его кладку ведут в два слоя: нижний слой состоит из хромитопериклазового кирпича, верхний -- из легковесного шамота или другого теплоизоляционного материала. В кладке свода размещены 8 отверстий диаметром 300 мм для загрузки чугунного скрапа и 4 контрольных отверстия диаметром 120 мм для проведения замеров уровня расплава в ванне печи. Отстойник имеет сварной металлический кожух и снаружи заключен в подвижный металлический каркас стоечного типа.

Вертикальная сепарационная камера значительно выше плавильной и имеет прямоугольную форму. Ее длина составляет 9 м, ширина 7 м и высота 17 м. К торцевой стенке камеры примыкает газоход для отвода продуктов сгорания топлива и технологических газов, имеющий в поперечном сечении форму прямоугольника шириной 7 и высотой 6 м. В кладке стен размещены также 2 контрольных люка для осмотра футеровки и несколько (8--10) отверстий для установки фурм, через которые подают газ для восстановления сернистого ангидрида.

Сверху сепарационная камера ограничена распорно-подвесным сводом, который выкладывают из хромитопериклазового кирпича, образующего огнеупорную футеровку толщиной порядка 300 мм. Для утепления свода футеровку покрывают слоем теплоизоляции из легковесного шамота. В центре кладки размещено отверстие для аварийного отвода газов, при нормальной работе печи закрытое крышкой из огнеупорных материалов.

Процесс окисления сульфидов шихты проходит с большим выделением тепла. Поэтому части печи, температура в которых достигает наивысших значений, кессонируют закладными кессонами.

Для кессонного охлаждения применяют химически чистую воду. Несмотря на предпринимаемые меры и кессонное охлаждение огнеупорной кладки печи, она довольно быстро изнашивается. Как показала практика, в течение первых 6-8 месяцев работы: происходит разгар футеровки шахты до достаточной толщины 50-70 мм. В газовом объеме отстойной части печи толщина футеровки в течение 1,0-1,5 лет становится равной0-100 мм с полным выкрашиванием в связи с потерей связки. Кессоны этой части печи работают в гарнисажном режиме.

Наиболее перспективным для агрегатов автогенной плавки являются охлаждаемые элементы, полученные из высокотеплопроводного материала, с увеличенной толщиной стенки со стороны расплава. Достаточная толщина стенок и высокая теплопроводность медного проката предотвращают или значительно снижают возможные последствия кратковременных отклонений от стационарных тепловых условий - локальных тепловых ударов, обеспечивая быстрое растекание тепла по всей массе кессона.

Расположение и число кессонов на агрегате должны отвечать некоторому оптимуму, поскольку чем чаще поставлены кессоны в футеровке, тем больше кладка выдержит воздействие со стороны рабочего пространства печи и тем значительнее теплопотери с охлаждением, что неблагоприятно действует на тепловой баланс и технико-экономические показатели плавки. Удачно выбранные расстояния между кессонами и режимы охлаждения на финских печах взвешенной плавки продлевают кампанию до 3-4 лет без остановки на капитальный ремонт. Однако после выработки футеровки до определенной толщины износ ее значительно замедляется, так как образуется гарниссаж (пропитка остаточной толщины расплавом), который продолжает исполнять роль футеровки.

В большинстве случаев механические усилия в футеровке возникают вследствие изменения теплового режима печи, включая режим сушки и разогрев воды в огнеупорах. В инерционный период разогрева печи, когда тепловой импульс еще не достиг противоположной стороны стенки, внутренняя (прогретая) часть огнеупорной кладки испытывает температурную деформацию, а со стороны непрогретой части кладки -реактивное противодействие этой деформации. Величина теплового импульса, определяющего температурную деформацию, размер прогретых зон кладки, термомеханические свойства материалов футеровки, при определенных ситуациях способствуют разрушению кладки.