Плавка медных концентратов в жидкой ванне, производительностью 500 тыс. тонн штейна в год

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение Высшего профессионального  образования

«Государственный  университет цветных металлов и  золота»

 

 

Институт металлургии

Кафедра      «Металлургия тяжелых цветных металлов и общей металлургии»

Дисциплина  «Металлургия»

Группа           МЭ-04-2

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

«плавка медных концентратов в жидкой ванне, производительностью 500 тыс. тонн штейна в год»

 

 

 

 

Руководитель   ______________________  Т.В. Алексеева

проекта (работы)   (подпись, дата)

 

Разработал студент ______________________  М.П. Смирнова

(подпись, дата)

 

 

 

 

Красноярск 2006 
Содержание

 

ВВЕДЕНИЕ

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

Медь - мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета, легко прокатывается  в тонкие листы и вытягивается в проволоку, по электропроводности и теплопроводности уступает только серебру.

Химически металл малоактивен, но при высоких температурах образует соединения с кислородом, серой, галогенами. Температура плавления меди 1083°С, а оксиды и сульфиды меди практически нелетучи. Плотность меди 8,92 г/см³. В химических соединениях медь одно- и двухвалентна. Причем в продуктах пирометаллургической переработки (штейны, шлаки) всегда одновалентна, а при окислении этих продуктов устойчивыми являются двухвалентные соединения.

Во влажном воздухе и в  присутствии СО₂ на поверхности металла образуется зеленая пленка основного карбоната СuСОз • Сu(ОН)₂.

В  растворах  кислот  (HCl,  Н₂SО₄)  в отсутствие  окислителей медь  не растворяется. В присутствии окислителей и в кислотах, одновременно являющихся окислителями (HNO³, горячая концентрированная  H₂SO₄),  медь растворяется легко. В присутствии кислорода при нагревании медь хорошо растворяется в аммиаке.

При температурах 200—375°С медь окисляется до черного оксида СuО. Нагревание до температур выше 800 °С образует красно-бурый оксид Сu₂О.

С серой медь образует два сульфида: сернистую (CuS) и полусернистую (Cu₂S) медь. Сернистая медь при температурах выше 400—450 °С диссоциирует

4CuS • 2Cu₂S + S₂.                                                                   (1)

Таким образом, в процессах, протекающих при высоких температурах, устойчивыми могут быть только одновалентные  Сu₂О и Cu₂S. Медь и ее сульфид хорошо растворяют золото и серебро; их попутно извлекают при рафинировании черновой меди.

Медь со многими металлами  образует сплавы с разнообразными свойствами: бронзы (Сu, Sn), латуни (Сu, Zn), мельхиор (Сu, Ni, Мn), нейзильбер (Сu, Zn, Ni), константан (Сu, Ni, Мn).

Широко используют соли меди, в частности, медный купорос CuSO₄ • 5Н₂О применяют для борьбы с сельскохозяйственными вредителями, ряд других солей идет для приготовления красок.

Ценные свойства меди обусловили многочисленные области  применения. Это электротехника и  электроника, машиностроение, транспорт, строительные материалы, химическая промышленность, изделия и приборы бытового назначения, сельское хозяйство. [1]

Распределение по областям применения в развитых странах характеризуется  следующими примерными цифрами, %:

•    электротехника и электроника....................45—55

•    транспорт.......................................................5—10

•    машиностроение............................................10—15

•    строительные материалы...............................8—10

•    химическая промышленность......................5—7

•    прочие потребители.......................................до 10.

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 и никелевого производств во многом определяют технический прогресс многих отраслей народного хозяйства нашей страны, в том числе микропроцессорной техники. Для получения меди используются всевозможные способы плавок, например, плавка медных концентратов в электрических, отражательных, шахтных печах, при использовании процесса конвертирования медных штейнов, благодаря автогенным плавкам во взвешенном состоянии, на штейне и др. На сегодняшний день существует несколько основных процессов автогенных плавок: процесс «Норанда», «Уоркра», «Мицубиси» и Ванюкова. К сожалению, разработка новый конструкций печей и различных процессов требует значительных капиталовложений, а свободный средств у Российских предприятий недостаточно. В данной курсовой работе будет рассмотрена технология А.В. Ванюкова или ПЖВ.[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ меди

Переработку медного  рудного и вторичного сырья проводят с использованием пирометаллургических и гидрометаллургических процессов. В общем объеме производства меди на долю пирометаллургических способов приходится около 85% мирового выпуска этого металла, гидрометаллургическим методом медь получают лишь в очень небольших масштабах.

Гидрометаллургические способы получения меди обычно применяют для руд, в которых:

- преобладают окисленные  медные минералы,

- в пустой породе отсутствуют минералы, которые реагируют с растворителем (значительно увеличивается расход растворителя),

- невысокое содержание  меди, нет благородных металлов;

Доля гидрометаллургических  процессов в общем производстве меди за рубежом постоянно возрастает и составляет сейчас около 12 — 15 %. Ограниченное применение гидрометаллургического метода в медной промышленности обусловлено малыми запасами окисленных руд.

Важнейший недостаток этого метода – золото и серебро перевести в раствор практически невозможно.

Гидрометаллургическая схема  состоит из двух основных операций:

- выщелачивание меди  из сырья,

- осаждение меди из  раствора.

За рубежом в настоящее время пирометаллургическим методом производиться около 85% всей меди, в России вся медь.

Пирометаллургическая  технология предусматривает переработку  исходного сырья на черновую медь с последующим ее обязательным рафинированием. Получение черновой меди из сульфидного сырья достигается в промышленных условиях путем окисления сульфидов Cu, Fe, S, содержащихся в сульфидах. Это может быть осуществлено несколькими путями. (Рисунок 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Принципиальная технологическая схема пирометаллургического производства меди из сульфидных руд.

Основным направлением развития технологии переработки сульфидного сырья является освоение промышленностью новых, более технологичных и экономичных схем, построенных на базе автогенных процессов.

Внедрение автогенных процессов, основанных на использовании теплоты сгорания сульфидов для технологических нужд, в металлургию меди и других тяжелых цветных металлов дает большой экономический эффект. В металлургии меди, в частности, значительно упрощается технология за счет совмещения процессов обжига, плавки на штейн и процесса конвертирования в одном технологическом цикле или аппарате. Использование автогенных процессов позволяет резко повысить комплексность использования перерабатываемого сырья, исключить расход постороннего топлива, улучшить многие другие ТЭП и предотвратить загрязнение окружающей среды вредными выбросами.[2].

 

2. ВЫБОР И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ медеплавильного ЦЕХА

2.1.  Теоретические основы процесса

Традиционные, наиболее распространенные до настоящего времени в металлургии меди технологические процессы и их аппаратурное оформление характеризуются многочисленными недостатками.

Основными их недостатком  является многостадийность переработки  рудного сырья, что приводит к размазыванию ценных компонентов по различным продуктам и полупродуктам технологии. В  результате   они   не   обеспечивают   достаточной   комплексности использования сырья, высокого извлечения всех ценных компонентов, связаны с большими энергетическими затратами и способствуют сильному загрязнению окружающей среды.

Серьезные недостатки устаревших                                                                                                                                                                                                                                                               процессов привело к созданию в 40-50-х годах ряда новых автогенных процессов плавки сульфидного сырья.

Первая группа таких  процессов - это автогенные процессы, осуществляемые во взвешенном состоянии, в которых сжигание сульфидов производится в факеле дутьем, обогащенным кислородом. В настоящее время по этой технологии работают плавильные агрегаты на 34 заводах мира, дающих более 20% всего мирового производства меди.

Вторая группа процессов - это автогенные процессы, осуществляемые в расплавах. В настоящее время  в промышленной эксплуатации находятся  следующие разновидности этих процессов: процесс «Норанда», «Мицубиси» и  плавка в жидкой ванне (процесс Ванюкова).

К автогенным процессам  относится окислительный обжиг  сульфидных концентратов и других сульфидных продуктов металлургического производства. В отличие от перечисленных выше автогенных процессов при обжиге окисление сульфидов металлов происходит в твердом состоянии.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2. Характеристика автогенных процессов

Автогенные процессы осуществляются полностью за счет внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников тепловой энергии.

Идея использования автогенного процесса для переработки мелких флотационных концентратов плавкой на штейн возникла и впервые была опробована в начале 30-х годов в Советском Союзе и получила в дальнейшем широкое развитие во всем мире.

В основе любого автогенного способа  плавки сульфидных медных, медно-цинковых, медно-никелевых и других концентратов и руд лежат экзотермические реакции окисления сульфидов шихты и в первую очередь сульфидов железа.

    3FeS + 5О₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂ и 6FeO + O₂ - 2Fe₃O₄                                      (2)

Таким образом, любая  автогенная плавка является окислительным  процессом.[2]

Все автогенные плавки являются совмещенными процессами. Они объединяют в одном  металлургическом агрегате обжиг, плавку на штейн и частично или полностью  конвертирование. Это, в частности, позволяет наиболее рационально и концентрированно переводить серу из исходной шихты в газы.

Автогенные процессы, осуществляемые в расплавах, имеют особый механизм плавки. Его элементарные стадии: плавление  загруженной шихты и растворение  ее компонентов первичном хорошо перегретом сульфидно-оксидном расплаве, окисление расплавленных сульфидов, процессы штейно- и шлакообразования. Последовательность их протекания в этом случае выделить невозможно, фактически все они идут одновременно в определенном   объеме сплава.

При осуществлении указанных процессов  физико-химические превращения начинаются с момента загрузки шихты в  интенсивно-перемешиваемый расплав. Шихту  можно подавать как на поверхность  расплава, так и вдуванием в  него вместе с окислительным реагентом через фурмы. Подаваемое в расплав дутье обеспечивает его интенсивный барботаж, что способствует ускорению всех физико-химических процессов.

В настоящее время к числу  наиболее технологически и аппаратурно-отработанных автогенных процессов относится плавка во взвешенном состоянии во всех ее разновидностях. Сейчас этот процесс применяют более чем на 30 предприятиях во многих странах мира г для переработки медных, никелевых и пирритиновых концентратов. Плавка во взвешенном состоянии на холодном воздушном дутье имеет очень напряженный тепловой баланс и практически невозможна. Для устранения дефицита теплового баланса применяют подогрев воздуха, обогащение дутья кислородом или используют в качестве дутья технологический кислород (95 — 98 % О₂). Подогрев дутья позволяет внести в плавильную      печь дополнительную    физическую    теплоту,      а    применение обогащенного дутья или технологического кислорода сокращает ее потери за счет уменьшения объема образующихся при плавке горячих отходящих газов.[2]

2.2 Аппаратурное оформление операции

Долгое время в металлургическом переделе меди  используется отражательная плавка. Свое широкое распространение она получила благодаря освоенности плавки применительно к переработке различных видов мелких рудных материалов, богатых сульфидных и карбонатных руд, главным образом флотационных концентратов, простоте организации процесса почти в любых условиях металлургического производства. Однако, в последнее время возникли причины острой необходимости замены отражательной плавки. Появились высокие требования к предотвращению загрязнения окружающей среды выбросами оксидов серы. В условиях отражательной плавки, характеризующейся образованием огромных количеств очень бедных по SO₂ газов, их обезвреживание требует больших капитальных затрат и обходится дорого в эксплуатации. В связи с этим, а также в связи с необходимостью активного использования теплотворной способности сульфидов и ряда других рассмотренных выше факторов были разработаны и освоены автогенные процессы, совмещающие в себе обжиг, плавку и конвертирование. В этих процессах большая часть серы переходит в отходящие газы с достаточно высоким и постоянным содержанием SO_2.