Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Аннотация

В данном курсовом проекте описан процесс плавки во взвешенном состоянии. Представлено описание физико-химических основ процесса, технологии и конструкции. Так же приведен расчет минералогического состава, материального и теплового баланса процесса.

Страниц 35, таблиц 18, рисунков 1.

печь газ аптейк плавка

The summary

In the given course project the smelting process of fusion a condition is described. The description of the physico-chemical base of process. As the calculation of a heat balance of process, heat generation, sizes and heat balance of board, an gas of a system is adduced.

Pages 35, tables 18, figures 1.

Содержание

• Введение
• 1. Теоретические основы производства
• 1.1 Физико-химическое содержание процессов, протекающих в шахте печи
• 1.2 Физико-химическое содержание технологической оптимизации процессов ПВП в отстойной зоне
• 1.3 Основное содержание физико-химических процессов первичной обработки технологических газов в аптейке
• 1.4 Подготовка медного концентрата к плавке
• 1.5 Устройство печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье
• 1.6 Достоинства плавки концентрата в ПВП
• 2. Расчёт вещественного состава
• 3. Расчёт материального баланса
• 4. Расчёт теплового баланса
• 5. Условия теплогенерации и теплообмена
• Заключение
• Библиографический список

Введение

Процесс плавки медных концентратов во взвешенном состоянии благодаря ряду достоинств находит всё большее распространение в медеплавильной промышленности.

Сущность взвешенной плавки заключается в том, что сухой медный концентрат в смеси с тонко измельченными флюсами вдувается горячим воздушным, воздушно-кислородным или кислородным дутьём в предварительно разогретую до высоких температур печь, в которой протекают процессы окисления сульфидов, плавления шихты, создаются предпосылки для образования шлака и штейна. В зависимости от условий проведения процесса и состава перерабатываемых концентратов взвешенная плавка может протекать автогенно, т.е. без углеродистого топлива, или с добавкой некоторого количества топлива.

Широкое распространение взвешенной плавки и практическое использование её на предприятиях нашей и других стран мира, определяют необходимость обобщения теории и практики процесса взвешенной плавки медных концентратов. В данном курсовом проекте приведена теоретическая основа процесса, конструкция печи ПВП, расчёт минералогического состава, материального и теплового баланса.

1. Теоретические основы производства

Плавка во взвешенном состоянии относится к современным автогенным плавкам. Автогенными в металлургическом производстве принято называть технологические процессы, которые осуществляются полностью за счет внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты- топлива или электрического тока. Использование реакционной способности распыленных в атмосфере воздуха или кислорода частиц концентрата приводит к резкому увеличению скорости процессов окисления и плавления сульфидов. Кроме того, в процессе используется значительный тепловой эффект окисления сульфидов, что позволяет частично или полностью отказаться от топлива.

Все реакции протекающие в ходе плавки можно разбить на три группы:

I. Основные реакции:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

II. Реакции с участием примесей:

(7)

(8)

(9)

(10)

III. Реакции пустой породы:

(11)

(12)

(13)

Вследствие того, что процесс протекает в условиях избытка кислорода, только после процессов окисления пойдут процессы диссоциации.

Тепловой эффект этой плавки обеспечивает максимально возможный перегрев шихты и обеспечивает условия для формирования продуктов плавки (штейна и шлака) по схеме:

Десульфуризация в этом виде плавок составляет 85-90%. Она регулируется количеством вдуваемого в печь воздуха (кислорода). Вследствие высокой десульфуризации в шлак переходит значительное количество железа, которое эффективно может быть выделено только в виде силиката - фаялита. Плавка во взвешенном состоянии на холодном воздушном дутье имеет очень напряженный тепловой баланс. Для устранения этого недостатка в зависимости от состава сырья применяют подогрев воздуха до 500-1000С (завод "Харьявалта" в Финляндии), обогащение дутья кислородом до 30-40% и подсушивают медный концентрат в барабанных сушилках и после выхода из сушилки с температурой 150-300С (Надеждинский металлургический завод) и переход на чисто кислородное дутье КФП (Алмалыкский медный завод). Вместе с газами уносится пыль в количестве от 2 до 5% от массы концентрата.

1.1 Физико-химическое содержание процессов, протекающих в шахте печи

Промышленная практика даёт многочисленные примеры чрезвычайно серьёзных осложнений процесса по причине образования значительного количества магнетита. Для этого есть все основания в самой сути плавки, которая реализуется в системе твердое - газ. Шихта, внесённая воздушно-кислородным дутьём в зону обжига-плавки, испытывает высоко кинетические процессы окисления сульфидов, и в первую очередь, и даже исключительно, идёт окисление сульфидов железа и в эти моменты никакого контакта с флюсами практически нет. Тем самым создаются условия переокисления сульфидов железа до магнетита.

В силу отмеченных причин, в окислительно-плавильной шахте процесс шлакообразования не носит массового характера, здесь происходит лишь подготовка к последующему шлакообразованию. Об этом свидетельствуют: диссоциация сложных компонентов пустой породы, появление оксидов железа, повышение реакционной способности, усреднение состава штейно-шлаковых продуктов.

Таким образом, в шахте обжига-плавки происходят значительные физико-химические преобразования исходной шихты: 1) автогенное окисление сульфидного железа, обеспечивающее мощный перегрев всех участников процесса; 2) в соответствие с запланированной десульфуризацией, в продуктах окисленного плавления появляются в оптимальном состоянии все участники будущего шлака ; 3) компоненты будущего штейна в первичном состоянии образуют первичные сульфидные эвтектики; 4) перегретые участники процесса оказываются в отстойной зоне печи, где заканчивается формирование каждого продукта штейна и шлака, и их физическое разделение.

1.2 Физико-химическое содержание технологической оптимизации процессов ПВП в отстойной зоне

В эту зону печи поступают два компонента из вертикальной шахты: полурасплавленная шихта и газовая фаза. Технологические газы характеризуются высокими температурами на входе (1400 - 1500С) и на выходе (1200 - 1300С). Главным их компонентом является . В зависимости от концентрации кислорода (воздух-кислород), содержание колеблется от 28 до 68%. Другой особенностью газов является индеферентность по отношению к продуктам плавки.

Раскалённые продукты плавки накапливаются в отстойной зоне печи, в первую очередь, из них уходит сульфидная часть, обладающая большей плотностью, меньшими температурами плавления, взаимной растворимостью, отсутствием растворимости в шлаке. Поэтому процесс формирования штейна не лимитирует плавку ПВП. К тому же в погоне за автогенностью вынуждены работать с высокой десульфуризацией, что естественно приводит к образованию богатых по меди штейнов (до 60 - 70%). И поэтому в таких штейнах содержание магнетита будет минимальным Ѓm1Ѓn.

Наряду с формированием штейна, самым медленным процессом в отстойной зоне является оптимизация состава шлака из отдельных оксидов шихты. Процесс носит ярко выраженный диффузионный характер. Скорость массообменна минимальна и определяется некоторыми невыразительными явлениями: разница плотностей , дифференциация всего слоя по температуре (у плавильной шахты температура выше). Особое отрицательное влияние на процесс шлакообразования оказывает магнетит. Обычно его содержится до 30 - 50%. Незначительная его часть переходит в штейн. Но при этом шлак не может ассимилировать весь магнетит из-за разности плотностей, температур плавления и жидкотекучего состояния, и поэтому магнетит начинает формирование самостоятельной структуры между шлаком и штейном. По данным НГМК (Надежденский металлургический завод) толщина магнетитовой прослойки может доходить до 0,5 метра. Естественно, что образование самостоятельного слоя магнетита затрудняет эффективное разделение продуктов плавки, ухудшает качество того и другого продукта, увеличивает потери меди со шлаком. Оптимизация составов продуктов плавки в отстойной зоне снижает производительность ПВП в целом до .

Ниже, в таблицах 1 и 2, приведены составы штейнов и шлаков по данным анализов некоторых предприятий.

Таблица 1 Состав промышленных штейнов, %

Завод
Алмалыкский "Сарганосеки" "Харьявалта"	35 58,6 60	--- --- 0,4	--- 0,2 1,0	34 15,5 14	26 23 22,7	78 --- ---

Таблица 2 Состав промышленных шлаков, %

Завод
Алмалыкский "Сарганосеки" "Харьявалта"	0,9 0,88 0,9	--- --- 0,04	--- 0,9 2,5	41 38,9 44	33 32 29	11 --- 14

1.3 Основное содержание физико-химических процессов первичной обработки технологических газов в аптейке

Отходящие газы, проходящие через аптейк характеризуются повышенным содержанием сернистого ангидрида. При плавке с дутьём, обогащенным кислородом, содержание его на выходе из печи составляет 18 - 20%, а при плавке на кислородном дутье концентрация достигает 80 - 90%. Увеличение содержания сернистого ангидрида в газах оказывает значительное влияние на такие свойства, как степень черноты и "точку росы" - температуру конденсации паров серной кислоты.

Физические свойства пылей взвешенной плавки в основном определяются их химическим и гранулометрическим составом. Уменьшение размера частиц пыли при движении через аптейк приводит к увеличению удельной поверхности и угла естественного откоса, а так же к уменьшению её плотности и насыпной массы.

1.4 Подготовка медного концентрата к плавке

Взвешенная плавка предъявляет более жесткие требования к шихтоподготовке и постоянству состава шихты, чем, например, отражательная плавка. Это связанно с тем, что колебания в составе шихты при взвешенной плавки приводят не только к изменению состава штейна и шлака, но и в значительной степени влияют на тепловой баланс печи.

Непременным условием плавки медных концентратов во взвешенном состоянии является глубокая сушка шихты до содержания влаги в ней не более 0,1 - 0,5%. Более сырая шихта смешивается, частицы её укрупняются, что приводит к нарушению самого принципа процесса нахождения частиц во взвешенном состоянии и использования развитой поверхности сульфидного материала, окисляемого воздухом или кислородом. Для глубокого обезвоживания шихты применяют барабанные печи и аппараты сушки во взвешенном состоянии - вертикальные трубы-сушилки и распылительные сушилки.

На медеплавильных заводах используют различные способы подготовки приготовления шихты. Наиболее распространено смешение компонентов шихты на ленточных конвейерах. Из бункеров концентраты и флюсы различных обогатительных фабрик с помощью весовых питателей подаются на сборный конвейер. При транспортировке в узлах пересыпки и сушильных печах происходит смешение составляющих шихты.

1.5 Устройство печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье

Кожух плавильной шахты изготовлен из листовой стали толщиной 13 мм. Шахта и ее свод выложены из хром - магнезитового кирпича, толщина кладки 375 мм, между стенами шахты и кожухом имеется теплоизоляционная засыпка. Внутренние размеры шахты: диаметр 3,7 м, высота 8,8 м. Свод шахты опирается на подпятовые балки и кирпичи, в центре свода расположено отверстие с медной водоохлаждаемой амбразурой для установки шихтовой горелки. В кладку стен шахты через определенные интервалы заложены горизонтальные кольца из плоских медных кессонов толщиной 65 мм с залитыми стальными трубами. Эти кольца скреплены с кожухом и предупреждают вертикальное смещение кладки шахты.

Рис.1. Схема печи для плавки во взвешенном состоянии на нагретом воздушном дутье: 1 - Шахта, 2 - Отстойная камера, 3 - Аптейк, 4 - Пылевая камера

Отстойная камера печи представляет собой горизонтальную печь, имеющую внутренние размеры,: длина - 16,9 м, ширина в области зеркала ванны - 4,5 м, высота от лещади до свода - 1,8 м. Передней торцовой стене придана трапециевидная форма, за счет чего она удалена приблизительно на 1 м от внутренней поверхности кладки шихты. Это предупреждает ее от интенсивного разъединения стекающим из шахты расплавом и разрушения настылями, падающими иногда со стен шахты.

Лещадь камеры изготовлена из трех слоев кирпича: верхний из хром - магнезитового, два следующих - из шамотного, между слоями имеются зазоры, заполненные огнеупорным порошком. Кладка лещади уложена на подушку из жаропрочного бетона.

Стены камеры выполнены в виде откосов, внутренняя кладка стен изготовлена из хром - магнезитового кирпича, внешняя - из шамотного. Между хром - магнезитовой и шамотной кладкой боковых стен установлены вертикальные водоохлаждаемые кессоны. В боковой стене установлены две водоохлаждаемые плиты с отверстиями для выпуска шлака, в передней торцевой стене - чугунные шпуровые плиты для выпуска штейна.

Арочный свод камеры толщиной 375 мм изготовлен из хром - магнезитового кирпича. Аптейк печи выполнен в виде шахты из магнезитового кирпича. Стальной кожух опирается на металлическую конструкцию, не связанную с креплением отстойной камеры. Нижняя конусная часть аптейка, подверженная более значительному температурному воздействию запыленного газового потока, заключена в водоохлаждаемые кессоны. Они как и кожух, связаны с опорной металлоконструкцией. Аптейк плотно примыкает к своду камеры, но не опирается на него.

Конструкция печи ПВП достаточно сложна - она сочетает в себе две шахты и горизонтальную камеру. Еще более конструкция усложнена большим числом водоохлаждаемых элементов, тем не менее их применение позволяет значительно удлинить срок службы агрегата.

1.6 Достоинства плавки концентрата в ПВП

Плавка во взвешенном состоянии имеет ряд достоинств:

1) Процесс плавки является автогенным;

2) получение постоянного потока концентрированных отходящих газов (16 - 80%), пригодных для получения жидкого сернистого ангидрида, серной кислоты или элементарной серы;

3) возможность полной автоматизации процесса;

4) высокую степень десульфуризации (70 - 80%), что позволяет соответственно получить богатый по содержанию меди штейн и даже черновую медь;

5) высокую степень извлечения серы (около 90%) по заводу;

6) повышение производительности труда.

2. Расчёт вещественного состава

Для расчёта вещественного (минералогического) состава и материального баланса воспользуемся данными Надежденского металлургического завода. Здесь медный концентрат, поступающий в ПВП, имеет следующий состав: ; ; ; ; ; ; ; ; ; Данные минералогических исследований показывают, что компоненты этого концентрата содержатся в следующих минералах: медь - в ; никель - в ; железо - помимо предыдущих минералов, ещё содержится в и в ; компоненты пустой породы находятся в следующих состояниях - ,

Произведём расчёт минералогического состава по заданным минералам, условившись, что расчёты будем вести на 100 кг исходного концентрата.

1) Количество железа и серы в определим по количеству меди:

Проверка:

2) Количество железа и серы в определим по количеству никеля:



Проверка:

3) Количество железа в определим по количеству остаточной серы:

Проверка:

4) Количество кислорода в определим по количеству остаточного железа:

Проверка:

5) Определим количество , выделяющегося в результате разложения:



Проверка:

6) Определим количество , выделяющегося в результате разложения:

Проверка:

Результаты расчётов вещественного состава медного концентрата приведены в таблице 3.

Таблица3 Вещественный состав медного концентрата, кг

Компоненты	Cu	Ni	Fe	S							прочие	Всего
	25		21,93	25,16								72,09
		2	1,9	2,18								6,08
			8,94	5,86								14,8
			2,03						0,78			2,81
					0,8							0,8
						0,8				0,63		1,43
							0,5			0,55		1,05
								0,2				0,2
прочие											0,74	0,74
Итого	25	2	34,8	33,2	0,8	0,8	0,5	0,2	0,78	1,18	0,74	100,00

Вещественный состав флюса имеет следующий вид :

Таблица4 Вещественный состав песчаника, кг

Компоненты					прочие	Всего
	90					90
		5				5
			1,68	1,32		3
прочие					2	2
Итого	90	5	1,68	1,32	2	100,00

3. Расчёт материального баланса

По данным практики НГМК мы имеем, что распределение меди в результате процесса ПВП имеет следующие пределы: в штейн - в шлак - в газы - А для никеля имеются следующие значения: в штейн - в шлак - в газы -

Примем следующие значения распределения, %:

Таблица5

В штейн	93	95
В шлак	4	2
В пыль	3	3

В результате получается, что в штейне находится: и .

Главным продуктом плавки во взвешенном состоянии является штейн, состоящий из и Сразу можно определить количество и

:

:

Основываясь на практику, принимаем процентное содержание серы в штейне 23%, а меди - 50%.

Тогда выход штейна будет:

А серы в штейне будет: Из которых в будет: Отсюда можно определить количество железа в :

Количество магнетита в штейне будет равно:

Результаты расчётов количества и состава штейна приведены в таблице 6:

Таблица 6 Состав штейна

Ком-ты						Всего
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
	23,25	50					5,85	12,58			29,1	62,58
			1,9	4,09			0,69	1,48			2,59	5,57
					7,5	15,59	4,16	8,95			11,41	24,54
					2,46	5,29			0,94	2,02	3,4	7,31
Итого	23,25	50	1,9	4,09	9,71	20,88	10,7	23,01	0,94	2,02	46,5	100,00

По данным практики принимаем выход пыли равным 3%, тогда количество серы и железа, уносимое с пылями:

и

В результате мы получаем количество серы и железа, которое нужно окислить из концентрата:

В этом случае степень десульфуризации равна:

Из 21,5 кг S которых нужно окислить, видно что в окисленную форму полностью можно перевести и , а так же часть (см. таблицу 3 вещественного состава): Это означает, что только 13,46 кг S из 25,16 кг S мы можем окислить в . Отсюда можно найти количество , которое мы окисляем:

Это составляет .

Наряду с необходимостью обеспечить расчётную десульфуризацию (65%), надо учитывать состав оксидов железа, т.к. в условиях ПВП происходит формирование до 25 - 45% магнетита. Примем, что 35% из окисляется до, а остальная часть (65%) до

1) окисление до :



до окислится

Проверка: 5,18+3,25 = 4,33+4,1 8,43 = 8,43 (верно)

2) окисление до :

до окислится

Проверка: 8,75+4,88 = 6,67+6,78 13,45 = 13,45 (верно)

Определим количество получившееся в результате окисления , имея, что здесь участвует 1,9 кг железа

Проверка: 6,08+3,27 = 2,54+2,44+4,36 9,35 = 9,35 (верно)

Определим количество получившееся в результате окисления , учитывая, что только 53,5% железа из окислится. Это составляет 11,73 кг Fe

Проверка: 38,57+18,49 = 15,06+15,09+26,91 57,06 = 57,06 (верно)

Всего железа, которого нужно окислить из , и в , составляет: 6,67+2,44+15,09 = 24,2 кг .

Теперь расчитаем теоретическое количество кварцевой руды, принимая, что вся закись будет связана с в фаялит -

При плавке ПВП используют флюс (песчаник) следующего состава: флюсующая способность которого будет ниже процентного содержания . Причём, при использовании флюса за счёт содержания и образуются и :

Т.е. в результате способности шлака действовать на шлакование 5% и 1,68% потребовалось 2,09+0,9=2,99%. В таком случае флюсующая способность песчаника снизиться до 90-2,99=87,01%. В результате при плавке в печь ПВП с медным концентратом необходимо загрузить флюса. Приведём количества всех компонентов флюса, необходимых для плавки.

Таблица 7 Количество песчаника, участвующего в плавке

Компоненты	кг	%
Прочие	10,46 0,58 0,35 0,23	90 5 3 2
Итого	11,62	100

Однако известно, что пылевынос всех компонентов составляет 3%, т.е. из всех загружаемых компонентов, только 96% участвуют в плавке. И в этом случае необходимо флюса.

Таблица 8 Количество и состав песчаника, загружаемого в ПВП

Компоненты					прочие	Всего
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
	10,78	90									10,78	90
			0,6	5							0,6	5
					0,2	1,66	0,16	1,34			0,36	3
прочие									0,24	2	0,24	2
Итого	10,78	90	0,6	5	0,2	1,66	0,16	1,34	0,24	2	11,98	100,00

Воспользуемся данными таблиц 3 и 8 для определения общего количества пыли, принимая во внимание тот факт, что пылевынос всех компонентов составляет 3%.

Таблица 9 Количество и состав пыли

Ком-ты										прочие	Всего
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
	1	22,35																			1	22,35
			0,08	1,79																	0,08	1,79
	0,877	19,6	0,076	1,7	0358	8	0,081	1,81	0,019	0,42											1,411	31,54
	1,006	22,49	0,087	1,94	0,234	5,23															1,327	29,66
											0,468	10,46									0,468	10,46
													0,03	0,89							0,03	0,89
															0,02	0,45					0,02	0,45
																	0,008	0,18			0,008	0,18
							0,031	0,69	0,005	0,11											0,036	0,8
													0,032	0,72							0,032	0,72
прочие																			0,03	0,67	0,03	0,67
Итого	2,883	64,44	0,243	5,43	0,592	13,23	0,112	2,5	1,071	26,79	0,468	10,46	0,042	0,94	0,02	0,45	0,008	0,18	0,03	0,67	4,472	100,00

Теперь оценим состав шлака. Для этого воспользуемся данными о том, сколько всех компонентов содержится в штейне и пылях (таблицы 6 и 9).

Определим количество , зная что в нём содержится 25-23,25-1=0,75кг

Определим количество , зная что в нём содержится 2-1,9-0,08=0,02кг

Определим количество , зная что в нём содержится 33,2-10,7-1,327-5,86-2,18-11,7=1,433кг

Количество магнетита в шлаке будет равно:

Определим количество , в котором 34,8-9,71-1,411-2,499-2,625=18,555кг

Таблица10 Количество и состав шлака

Ком-ты											прочие	Всего
	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	кг	%	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%	кг	%
	0,75	1,56			0,19	0,4																	0,94	1,98
			0,02	0,04	0,007	0,01																	0,027	0,05
					1,433	2,98	2,499	5,26															3,932	8,28
							2,625	5,52	1,003	2,08													3,628	7,63
							18,555	39,05	5,45	11,32													23,875	50,24
											11,232	23,64											11,232	23,64
													0,98	2,06									0,98	2,06
															0,48	1,01							0,48	1,01
																	0,192	0,4					0,192	0,4
																			1,268	2,71			1,268	2,71
проч																					0,95	2	0,95	2
Итого	0,75	1,56	0,02	0,04	1,63	3,39	24,149	50,2	6,453	13,3	11,232	23,64	0,98	2,06	0,48	1,01	0,192	0,4	1,268	2,71	0,95	2	48,107	100,00

Для завершения материального баланса необходимо определить количество подаваемого воздуха и состав отходящих газов.

Необходимое количество кислорода составляет:

Принимаем коэффициент использования в ПВП - 90%. Тогда кислорода потребуется: или . Известно, что технический кислород содержит 95% и 5% . Т.е. необходимо технического кислорода, из которых или .

Количество подаваемого воздуха сводим в таблицу 11.

Таблица 11 Состав дутья

Компоненты	кг	Вес., %		Объёмн., %
	33,2	95	23,24	94,32
	1,75	5	1,4	5,68
Итого	34,95	100,00	24,64	100,00

Рассчитаем состав выходящих газов.

Воспользовавшись расчётами количества окисленных элементов, можно определить количество : или из которых будет и .

Определим количество образующегося кислорода:

или .

Количество выходящих газов приведено в таблице 12.

Таблица 12 Состав выходящих газов

Компоненты	кг	Вес., %		Объёмн., %
	39,08	81,47	13,68	68,13
	7,141	14,89	5	24,9
	1,75	3,64	1,4	6,97
Итого	47,971	100,00	29,12	100,00

Теперь имеются все необходимые данные для составления таблицы материального баланса - см. таблицу 13

Таблица 14 Материальный баланс плавки во взвешенном состоянии

4. Расчёт теплового баланса

Для начала расчёта теплового баланса воспользуемся справочными данными стандартных теплот образования [5].

Таблица 14 Теплоты образования соединений

Соединение	H?298, кДж/моль
CuFeS2 NiFeS2 Fe7S8 Fe3О4 FeO Cu2O NiO SiO2 2FeO· SiO2 SO2 O2	190 ---- 755 1120 270 171,8 244,7 860,6 1440 297 0

Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления:

Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления(т.к. данных стандартных теплот образования для в справочнике нет, возьмём их равными как и для , т.е. ):



Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления до:

Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции окисления до :

Определим тепловой эффект и количество тепла для реакции шлакования :

Всего, в результате протекания экзотермических реакций, выделится тепла:



Определим приход физического тепла с шихтой. В состав шихты входит медный концентрат и флюс. Средняя удельная теплоёмкость шихты равна Шихта поступает в печь с температурой Количество тепла, вносимое шихтой равно:

Определим физическое тепло дутья. . Обозначим объемное содержание кислорода в техническом кислороде {O₂}_т.к.,%. Масса кислорода и азота в дутье соответственно и . Объем дутья V_т.к. .

Объёмы кислорода и азота в дутье в этом случае равны:

;

Так же объёмы кислорода и азота можно вычислить как:

;

Приравняв эти выражения, получим:

Решив это уравнение, получаем:

Найдем теперь теплоту, вносимую техническим кислородом по формуле: , где - средняя объёмная теплоемкость при температуре технического кислорода. Примем при , . Отсюда получаем:

.

Теперь определим статьи потерь тепла.

Продуктами плавки ПВП являются штейн, шлак и технические газы (пыль + газ). Теплоту уносимую со штейном, шлаком и пылью вычислим через энтальпии, которые принимаем: при , ; при , ; при , . В результате получаем:

;

;

.

Тепло, уносимое отходящими газами, определим по отдельным газовым составляющим: , где - средние объёмные теплоёмкости газовых составляющих; - объёмы газов; - температура выходящих газов. Принимаем при , , , . Получаем:

Потери тепла во внешнюю среду определим по разнице статей прихода и расхода тепла:

Результаты расчётов теплового баланса сводим в таблицу 15.

Таблица 18 Тепловой баланс

Приход тепла	Расход тепла
Статьи	кДж	%	Статьи	кДж	%
Экэотерм. реакции Физ. тепло шихты Физ. тепло дутья	283960 1890 1480	98,8 0,7 0,5	Тепло со штейном Тепло со шлаком Тепло с пылями Тепло отходящих газов Потери во внешнюю среду	50406 70236 7065 98623 59679	17,5 24,4 2,5 18,7 36,9
Итого	287330	100,00	Итого	287330	100,00

5. Условия теплогенерации и теплообмена

Условия теплогенерации и теплообмена в печи взвешенной плавки (ПВП), разработанной финской фирмой "Оутокумпу" и представленной в России двумя пирометаллургическими линиями на Надеждинском заводе НГМК, принципиально отличаются от рассмотренных выше аппаратов струйно-окислительного типа. ПВП относится к категории автогенных аппаратов. Главную часть тепловой энергии доставляют реакции факельного окисления частиц сульфидных минералов. Однако, к этому добавляются энергозатраты на глубокую сушку измельченной шихты (до влажности не более 0,4-0,5%), нагрев воздуха до 300-500С (а из практики зарубежных предприятий - до 1100С) и обогащения дутья кислородом (до 30-50%).

Основной особенностью тепловой работы ПВП является конструктивно предопределенная кардинальная пространственная разобщенность зоны теплогенерации и зоны теплообменных процессов в массе расплава.

Реакционная шахта ПВП представляет собою своеобразную топку, в которой в нагретом и обогащенном кислородом дутье в распыленном виде сжигается сухая, тонко измельченная сульфидная шихта. Продуктами этого процесса являются концентрированные по SO₂ газы и оксисульфидный расплав, падающий в виде огненно-жидкого диспергированного потока в головную часть отстойной зоны печи.

Тепловое состояние ванны, заполненной расплавом, должно отвечать термодинамическим и кинетическим условиям протекания реакций обменного взаимодействия типа MeO + FeS = MeS + FeO, реакций шлакообразования 10FeO + 5SiO₂ = 5(2FeOSiO₂) и восстановления магнетита 3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeOSiO₂) + SO₂.

Доставка тепла к ванне ПВП необходима также для перегрева шлака и штейна до температур, обеспечивающих условия их удовлетворительного расслаивания и выпуска через летки и шпуры.

Тепловой режим ванны ПВП до настоящего времени поддерживается только за счет первоначального теплосодержания оксисульфидного расплава, сформированного в реакционной шахте и тепла, передаваемого на поверхность ванны газовым потоком, движущимся в подсводовом пространстве отстойника.

Плотность теплового потока, передаваемого газами на поверхность ванны, можно ориентировочно определить по известной формуле лучистого теплообмена между газами, кладкой и расплавом:

q_изл = C₀, кДж/м?час

где С₀ - коэффициент излучения абсолютно-черного тела, 21 кДж/м?часК⁴; _м - степень черноты поверхности кладки и расплава, примем 0,6; _г - степень черноты газа при t = 1350С, средней концентрации SO₂ - 20%, и средней длине луча 2,5 м (PS = 0,5) имеем _г = 0,22; - степень развития кладки; для открытой ванны, которую отхватывает контур кладки (стены и свод) можно принять =1,5; Т_г - средняя температура газа, К (Т_г = 1623 К); Т_м - средняя температура ванны, К. Примем Т_м = 1523 К.

Подставив в формулу принятые значения величин, получим округленно

q_изл = 59000 кДж/м?час.

Сопоставим полученную величину с потерями тепла во внешнюю среду наружным контуром отстойника. В соответствии с геометрией отстойника его наружная поверхность (свод и стены, укрытые стальным кожухом) в 2,5 раза больше зеркала ванны.

Приняв среднюю температуру наружной поверхности 300 С, окружающей атмосферы 20С, по формулам (7) и (8) найдем значения суммарного коэффициента теплоотдачи.

= 86 кДж/м?часС;

плотность теплового потока q = 86(300-20) = 24000 кДж/м?час;

на 1 м длины отстойника потери тепла составят 862802,5 = 60200 кДж/час

Таким образом, в печи взвешенной плавки доставка тепла в отстойную зону за счет конвекции и излучения сопоставима с высокими потерями тепла относительно "зеркала" ванны. По-видимому, целесообразным мероприятием нужно считать ввод дополнительного источника тепла в отстойную часть печи, одновременно снимая тепловую нагрузку с реакционной шахты.

Заключение

В результате проведённых расчётов по материальному балансу подтвердилась возможность проведения плавки во взвешенном состоянии в автогенном режиме. Выход основных продуктов составил: штейна - 31,62%, шлака - 32,72%. При этом штейн очень богат медью - содержание меди в штейне 50%.

Расчёты теплового баланса потвердели, что выбранная высокая степень десульфуризации (65%) так же позволила провести плавку в автогенном режиме.

Помимо этого, применение дутья, обогащенного кислородом, обеспечило получение газов с высоким содержанием (81,47%). А это играет не мало важную роль с экономической точки зрения, т. е. уменьшает затраты на дальнейшую переработку на элементарную серу и серную кислоту.

Библиографический список

[1] Ю.П. Купряков "Автогенная плавка медных концентратов во взвешенном состоянии", Москва, "Металлургия", 1979 г.

[2] Л.А. Синев, В.Ф. Борбат " Плавка сульфидных концентратов во взвешенном состоянии", Москва, "Металлургия", 1979 г.

[3] А.В. Ванюков, Н.И. Уткин "Комплексная переработка медного и никелевого сырья", Челябинск, "Металлургия", 1988 г.

[4] Ф.М. Лоскутов, А.А. Цейдлер "Расчёты по металлургии тяжёлых цветных металлов ", Москва, "Металлургия", 1963 г.

[5] Н.В. Гудима, Я.П. Шейн "Краткий справочник по металлургии цветных металлов ", Москва, "Металлургия", 1975 г.

[6] А.А. Гальнбек, Л.М. Шалыгин, Ю.Б. Шмонин "Расчёты пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии", Челябинск, "Металлургия", 1990 г.

[7] Лекции Ю.М. Смирнова по дисциплине "Металлургия меди и никеля", 2002г.

Размещено на Allbest.ru