Участок плавки медного концентрата в печи Ванюкова

Влажность кварца - 6 %; с учетом влаги количество кварца составит: В таблице 3.9 приводится окончательный состав самоплавкого шлака.Таблица 3.9 - Окончательный состав шлакакомпонентыкг%SiO227,0533Fe27,5632,63Pb1,161,41Zn3,183,88CaO4.926Cu0,590,07O8,7610,69прочие8,8510,80Всего81,96100Расчет необходимого количества дутья В процессе плавки протекают следующие химические реакции:FeS + 3/2O2 = FeO + SO2;1/2S2 + O2 = SO2;PbS + 3/2O2 = PbO + SO2;ZnS + 3/2O2 = ZnO + SO2.По реакциям определяем количество необходимого дутья и количество образующихся газов:36 – 9,33 = 26,67 кг;26,67 кг;53,34 кг;.1,04 + 8,76 + 26,67 – 2,28 = 34,19 кг;VO2 = 23.93 нм3;Vo = 28,18 нм3;VO2 + Vвозд = 28,15 нм3;VO2 ·0,96 + Vвозд · 0,21 = 23,93 нм3; отсюда Vвозд = 4,12 нм3 = 5,30 кг, VO2 = 24,03 нм3 = 34,16 кг;3,42 · 0,4392 = 1,5 кг;2,35 + 1,5 = 3,85 кг; 5,26 + 1,72 = 6,98 кг; 0,44 кг; 0,72 кг;N2 = 27,32 – 23,22 = 4,22 нм3 = 5,27 кг.Полученные данные заносим в таблицу 3.10.Таблица 3.10 - Состав и количество газовкомпонентыкгнм3%SO253,3418,6755,17N25,274,2212,47H2O6,988,6925,68CO23,851,965,79Pb0,440,050,15Zn0,720,250,74Итого70,633,84100На основании проведенных расчетов составляется материальный баланс плавки. Материальный баланс плавки представлен в таблице3.11.Таблица 3.11 - Материальный баланс плавки в печи Ванюкова, кгМатериал/ составляющиеКол-воCuFeSSiO2O2CaON2H2OCO2PbZnЗагружено1. Концентрат105,26172836535,262,35262. Кварц28,7018,891,723. Известняк3,421,921,54. Конв. шлак13,160,396,843,162,285. Воздух5,301,244,066. Техн. кислород34.1632,961,20Всего19017,3934,843627,0536,484,925,266,983,8526Получено1. Штейн37,3316,807,289,331,040,42,12. Шлак81,960,5927,5627,058,764,21,163,183. Газы70,626,6726,675,266,983,850,440,72Всего190,017,3934,8436,027,0536,484,925,266,983,852,06,0После составления материального баланса переходим к тепловому балансу.Теплоемкости основных составляющих:Сшт = 0,225 ккал/кг·град; С шихт. матер. = 0,2 ккал/кг·град; Сшл = 0,3 ккал/кг·град;СSO2= 0,544; СN2 = 0,338; CCO2 = 0,544; CnH2O = 0,434; CжH2O = 1,0; Cд = 0,344 ккал/кг·град.Расчет прихода тепла.1.Рассчитываем приход тепла с загружаемыми материалами:Тепло с загружаемыми материалами поступит с конвертерным шлакомQконв.шл. = Сконв.шл.· Gконв.шл.(tконв.шл. –25) = 0,3 · 13,16 · (1200 – 25) = 4638,9 ккал.2. Рассчитываем тепло экзотермических реакций:FeS + 3/2O2 = FeO + SO2 + 11025(ккал);1/2S2 + O2 = SO2 +70900 (ккал);ZnS + 3/2O2 = SO2 + ZnO +105560 (ккал);PbS + 3/2O2 = SO2 + PbO + 99760 (ккал);2FeO + SiO2 = (FeO)2 * SiO2 + 22200 (ккал);CaO + SiO2 = CaO*SiO2 + 21500 (ккал).28 кг.Количество окисленного железа в штейне составит:2,72 кг;7,28 – 2,72 = 4,56 кг;28 – 4,56 = 23,44 кг.Таким образом, Q1 = 46271,44 (ккал).3.Рассчитываем тепло, вносимое конвертерным шлаком:2CuFeS2 = Cu2S + 2FeS + 1/2S2;FeS2 = FeS +1/2S2;2CuS = Cu2S + 1/2S2.;8,76 кг;0,03 кг;3,64 + 8,76 + 0,03 = 12,43 кг.Отсюда Q2 = 27563.52 (ккал).4. Рассчитываем тепло шлакообразования:3,18 кг.Q3 = 5132,72 (ккал).;Q6 = 1885,56 (ккал);Qприх = Qфиз + .Таким образом, приход тепла составляет 90358,92 (ккал).Расчет расхода тепла.1.Расход тепла на нагрев продуктов плавки:Qшт = Gшт · Сшт (tшт – 25) = 0,225 · 37,33 · (1250 – 25) = 10289,08 (ккал);Qщл = Gшл · Сшл (tшл – 25) = 0,3 · 81,96 · 1225 = 30120,3 (ккал);Qг = QSO2 + QCO2 + QH2O + QN2= 19858,96 (ккал);QSO2 = СSO2 VSO2 (tг – 25) = 0,544 · 18,67 · 1225 = 12441,69 (ккал);QCO2 = ССO2 VСO2 (tг – 25) = 1332,8 (ккал);QN2 = СN2 VN2 (tг – 25) = 1747,29 (ккал);QH2O= СH2O VH2O (tг – 25) = 4337,18 (ккал).На нагрев от 25 до 100 0C:2.Расход тепла на протекание эндотермических реакций1) 4CuFeS2 → 2Cu2S + 4FeS + S2 - 78600 ккал;2) 2FeS2 → 2FeS + S2 - 64600 ккал;3) CuS → ½Cu2S + ¼ S2 - 10675 ккал;4) CaCO3 → CaO + CO2 - 42500 ккал.Q1 = 4471,22 (ккал);Q2 = 8842,41 (ккал);Q3 = 22,36 (ккал);Q4 = 2271,48 (ккал);ΣQ = 15607,47 (ккал).3. Потери тепла в процессе плавки:Примем потери = 15% от 15607,47 ккалQшл + Qшт + QН2О + Qэнд.р.= 80161,53 (ккал);94307,68 (ккал); 0,15 · 94307,68 = 14146,15 (ккал).Разбаланс составляет: ΔQ = Qприх – Qрасх = 903,58 – 94307,68 = -3948,77 (ккал).4. Потери тепла с отходящими газами:Сначала производим расчет необходимого количества дутья:На 1 кг угля приходится:компонентыкгС = 95 %0,893Проч = 5 %0,047W = 6%0,06Итого1 кг кг.С + O2 = CO2 + 94052 (ккал).6999,04 (ккал);VO2 = 1,67 (нм3); О2 = 1,96 (нм3);V1кгco2 = 1,67 (нм3); VN2 = Vд – VдО2 = 1,96 – 1,67 = 0,29 (нм3);VH2O= 0,07 (нм3);Gпроч = 0,047 кг.Qг = ССО2VCO2(1250 – 25) + СN2VN2 (1250 – 25) + СH2OVH2O (1250 – 25) = 1285,67 (ккал);Qисп н2о= 1· 0,06 · 75 = 4,5 (ккал);Qпроч = СшлGпроч (1250 – 25) = 0,3 · 0,047 · 1225 = 17,27 (ккал);Qэфф = Qсум – Qпрод = 6999,04 – 1285,67 – 4,5 – 17,27 = 5691,6 (ккал);Gух.г. = 0,694 кг.VO2 = 1,67 · 0,694 = 1,16(нм3); Vд = 1,96 · 0,694 = 1,36 (нм3);Qпроч = 17,27 · 0,694 = 11,98 (ккал);Vco2 = 1,67 · 0,694 = 1,16 (нм3); VN2 = 0,29 · 0,722 = 0,2 (нм3); VH2O = 0,07 · 0,722 = 0,05 (нм3).Согласно расчету потери тепла с отходящими газами составят 20751,20 кДж.Окончательный состав отходящих газов представлен в таблице3.12Таблица 3.12 - Окончательный состав отходящих газовкомпонентыкгнм3%SO253,3418,6753,83CO25,012,557,35N25,524,4212,74H2O7,028,7425,20Pb0,440,050,14Zn0,720,250,72Всего72,0534,68100На основании проведенных расчетов составляем тепловой баланс плавки Ванюкова, данные которого заносим в таблицу 3.13.Таблица 3.13 - Тепловой баланс плавки ВанюковаПриходккалРасходккалГорение топлива4857,33Тепло шлака30132,28Тепло конв. шлака4638,9Тепло штейна10289,08Тепло реакций окисления79526,19Тепло отходящих газов20751,2Реакции шлакообразования6193,82Испарение влаги4290,22Эндотерм. реакции15607,47Потери14146,15Всего95216,24*Всего95216,40**Погрешность вычислений = 0,000168%Таким образом, технологический процесс А.В.Ванюкова позволил перевести в конверторный шлак 24% кварца, 3% меди, 52% железа, 17,32% кислорода; в 45%-тый медный штейн: почти 20% железа, 25% серы; в шлак после добавления кварцевого и известнякового флюсов перешло: 33% кварца и 6% оксида кальция (согласно требуемым показателям), а также 33.63% железа и около 0.6% меди. 4 РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВА ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАННОЙ ПРОГРАММЫДля проектированияучастка плавки медного концентрата в печи Ванюковапроизводительностью 150 тыс. тоннмеди в год требуется выплавлять 411 тоннмеди в сутки: (150 000 т / 365 дней = 411 т /сут).Зная, что производительность ПЖВ-20 составляет 80 т концентрата в час определим суточную производительность однойпечи: 80т/час × 24ч = 1920 тонн концентратав сутки.Изматериального баланса плавки в печи Ванюкова (таблица 3.11), получаем, что на 1 тонну штейна приходится 2,82 тонны концентрата (105,26/37,33 = 2,82).При содержание меди штейне равным 45%.Отсюда получаем, что за сутки одна ПЖВ-20 выплавляет 680,85 тонн штейна (1920 т / 2,82 =680,85). При выходе меди в штейне 45% получаем, что одна ПЖВ-20 за сутки выплавляет 306,38 тонн меди (680,85 × 0,45 = 306,38).Отсюда получаем, что для участка плавки медного концентрата в печи Ванюковапроизводительностью 150 тыс. тонн меди в год требуется 2 печи ПЖВ-20 (411 / 306,38 = 1,34 ≈ 2 печи).Общий чертеж ПЖВ-20 представлен на рисунке 4.1.Для проектирования двух участков плавки основное и вспомогательное оборудование комплекса плавильного агрегата для плавкив жидкой ванне ПЖВ-20 (в расчете на одну печь) будет состоять из: узла загрузки шихты; плавильного агрегата с газоходной системой; копильника отвального шлака; копильника (миксера) штейна; оборудования для транспортировки расплавов (штейна и шлака); систем подачи в печь воздуха, технического кислорода, природного газа и воды для охлаждения кессонированных элементов (рисунок 4.2).1 – летка полного выпуска; 2 – летка для выпуска штейна; 3 - штейновый отстойник; 4 – разделительная стенка штейнового сифона; 5 – свод печи; 6 – рабочее пространство печи; 7 – загрузочные отверстия; 8 – боров для отвода газов (аптейк); 9 – подача дутья для дожигания серы; 10 – водоохлаждаемыестеновые кессоны; 11 – шлаковый переточный канал; 12 – фурмы для продувки расплава; 13 – шлаковая летка; 14 – разделительная стенка шлакового сифона;15 – футеровка подины печи; 16 – фундамент Рисунок 4.1 - Конструкция ПЖВ-201- бункера шихтовые; 2- ленточные питатели; 3- транспортеры; 4 - печь ПЖВ-20; 5- газоход с пылевой камерой; 6 - сборный боров отражательного отделения; 7 - шлаковоз; 8 - копильник шлака; 9- шлаковый сифон; 10 -шлаковый желоб; 11 - штейновый желоб; 12 - штейновый сифон; 13 - копильник штейна; 14 - штейновая тележкаРисунок 3.1 -Схема участка плавки в печи ПЖВ-205 ПЕРСПЕКТИВЫ МОДЕРНИЗАЦИИ ПРОЦЕССАУспешное освоение плавки медного сырья в жидкой ванне на Норильском ГМК послужило основанием для дальнейшего развития этого процесса. Принято решение о полном переводе медного завода Норильского ГМК на новую технологию. Первым этапом этой реконструкции явилось проектирование опытно-промышленного комплекса в составе двухзонного плавильного агрегата, объектов очистки, охлаждения отходящих газов и цеха получения элементарной серы.При проектировании новой установки был учтен опыт работы ПЖВ-20, а также впервые заложен целый ряд новых принципиальных решений.Новый плавильный агрегат состоит из двух зон: плавильной (площадь в области фурм 28,5 м2) и восстановительной (площадь в области фурм 19,5 м2). Ширина печи на высоте осей фурм 2,5 м. Ось фурм поднята над подиной на 2 м. На новой установке предусмотрена заливка жидкого конвертерного шлака, осуществляемачерез специально спроектированный для этой цели заливочный сифон, совмещенный по месту со штейновым сифоном. Узел загрузкишихты решен так же, как и на ПЖВ-20. Сульфиды и восстановитель загружают в восстановительную зону.Шлаковый и штейновый копильники выполнены в поворотном варианте, что полностью исключает тяжелый физический труд при их обслуживании и ускоряет транспортирование горячих расплавов.Восстановительная зона печи оборудована фурмами для подачи газа, позволяющими регулировать коэффициент избытка воздуха а в широком интервале и создавать восстановительную атмосферу.Газоходная система состоит из котла-утилизатора, сухой и мокрой систем газоочистки. Далее очищенный газ поступает в цех получения элементарной серы, технологическая схема которого разработана сотрудниками института "Гинцветмет".В апреле 1985 г. первая очередь опытно-промышленного комплекса ПЖВ-28/19 запущена в эксплуатацию.С самого начала эксплуатации работа печи характеризовалась высокими технико-экономическими показателями. Время работы под дутьем уже в первые четыре месяца превысило 95-98 %. При этом были достигнуты следующие показатели:Производительность:- удельная: 70-75т/(м2·сут);- суточная: 2000-2200, т/сут.2) Содержание меди:- в штейне45-50%;- в шлаках0,55-0,6%;3) Содержание SО2 в аптейке печи: 25-30, % (объемн.).4) Пылевынос0,5—0,6% от массы шихты.5) Расход условного топлива 30% кг/т шихты.При дальнейшем освоении нового комплекса перед исследователями стоят следующие пути совершенствования технологи: 1) отработка режимов обеднения шлаков в восстановительной зоне; 2) переработка и обеднение жидких конвертерных шлаков; 3) переработка пыли, холодных оборотных материалов, в том числе огарка обжигового цеха медного завода; 4) отработка технологии конвертирования богатых штейнов ПЖВ; 4) дальнейшее совершенствование отдельных узлов и деталей установки с целью повышения надежности и долговечности их работы.Помимо применения двухпозиционных установок ПЖВ, ещё одним вариантом совершенствования технологии выплавки меди является увеличение содержания кислорода в подаваемом дутье с 45 до 65 %, что обеспечит снижение суммарных затрат, в том числе затрат на себестоимость выплавляемого штейна.Во-первых, при использовании дополнительного топлива заметно увеличивает объем покидающих рабочее пространство печи газов, уносящих большое количество теплоты. Кроме того, при увеличении объема отходящих газов гораздо труднее организовывать их эффективную очистку от пыли и обеспечить утилизацию содержащейся в них серы. Во-вторых, при использовании дополнительного топлива зона теплогенерации находится вне технологической зоны, в которую передается лишь часть теплоты, выделившейся в результате горения топлива, что, естественно, снижает коэффициент теплоиспользования. Из ранее проведенного анализа теплового баланса автогенной плавки следует, что каждый килоджоуль, полученный при окислении сульфидов и использованный на нагрев исходных материалов до средней температуры технологической зоны, эквивалентен примерно 3,3 кДж, выделившимся при сжигании топлива в рабочем пространстве плавильной печи. Эффективность автогенных процессов в значительной степени может зависеть от ряда физикохимических параметров: содержания сульфидов железа в шихте, ее влажности, величины потерь теплоты в окружающую среду (иначе говоря, от тепловой изоляции рабочего пространства), степени обогащения дутья кислородом и др. При этом можно варьировать ряд факторов, влияющих на теплоэнергетические характеристики автогенной плавки. ЗАКЛЮЧЕНИЕЦветная металлургия — весьма капиталоемкая отрасль народного хозяйства. Наиболее целесообразным путем ее развития является реконструкция действующих предприятий при максимальном использовании уже имеющегося вспомогательного оборудования, зданий и сооружений, в частности складов, отделений подготовки и транспортирования шихты и продуктов плавки, системы переработки отходящих газов, транспорта и т.д. В этом случае переход на новую технологию может быть связан с заменой старой аппаратуры новой и установкой лишь некоторых дополнительных вспомогательных приборов и механизмов. Если при этом удельная производительность новой технологии и аппаратов существенно выше старой, то на тех же производственных площадях мощность завода может быть увеличена при минимальных капитальных затратах. При этом необходимо обеспечить гигиенические условия в цехе и на предприятии в целом, комплексную механизацию и автоматизацию процессов.Традиционные технологические процессы (например, отражательная плавка, электроплавка, плавка в шахтных печах) не отвечают современным требованиям. Возможные пути их совершенствования не позволят решить поставленные задачи в полном объеме. Значительным шагом вперед по сравнению с отражательной плавкой являются автогенные процессы, наиболее перспективным из которых является плавка в печи Ванюкова.Ванюкова (ПЖВ) имеет наиболее производительную плавку, которая превосходит на десятки процентов все остальные типы процессов. Рассмотренные в главе 2 сравнения технико-экономических показателей разных видов плавки сульфидных медных концентратов делают процесс А.В.Ванюкова одним из наиболее перспективных.Внедрение данной технологии на крупнейших металлургических предприятиях страны - Норильского горно-металлургического комбината и  Балхашского горно-металлургического комбината- доказало ее преимущества перед процессами-аналогами как в России, так и за рубежом.БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКУткин, Н.И. Производство цветных металлов / Н.И.Уткин. – М: Интермет Инжиниринг, 2004. - 442 с.Ванюков,А.В.Плавка в жидкой ванне / А. В. Ванюков, В. П. Быстров, А.Д. Васкевич и др.; Под ред. А. В. Ванюкова. – М.: Металлургия, 1988.– 208 с.Ванюков, А.В. Комплексная переработка медного и никелевого сырья: учебник для вузов / Ванюков А.В., Уткин Н.И. – Челябинск: Металлургия, 1988. – 432 сАветисян, Х.К. Металлургия черновой меди / Х.К. Аветисян. – М.: Металлургиздат, 1954. – 464 с. Ванюков, А.В. Шлаки и штейны цветной металлургии / А.В.Ванюков, В.Я.Зайцев. – M.: Металлургия, 1969. – 425 с. Ванюков, А.В. Теория пирометаллургических процессов. Учебник для вузов / А.В.Ванюков, В.Я.Зайцев.–М.: Металлургия, 1993. – 504 с.Bystrov V., Komkov A., Fedorov A. Application of Vanyukov Furnace in various Fields of Industry // Symposium on Advanced Materials, Chinese Academy of Engineering, October 11, 2000, Beijing, China. New World Press, Session D, 2000. – v. 2. – P. 1118-1126.Купряков, Ю.П. Автогенная плавка медных концентратов во взвешенном состоянии / Ю.П. Купряков. – М.: Металлургия, 1979. – 232 с.Набойченко, С.С. Процессы и аппараты цветной металлургии / С.С. Набойченко, Н.Г. Агеев, А.П. Дорошкевич и др. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. – 700 с.Худяков, И.Ф. Металлургия меди, никеля, и сопутствующих элементов и проецирование цехов. Учебник для вузов / И.Ф.Худяков, С.Э.Кляйн, Н.Г.Агеев.–М.: Металлургия, 1993.– 315 с. Аглицкий, В.А. Пирометаллургическое рафинирование меди / В.А. Аглицкий. – М.: Металлургия, 1971. – 184 с.Набойченко С.С. Процессы и аппараты цветной металлургии / С.С. Набойченко, Н.Г. Агеев, А.П. Дорошкевич и др. – Екатеринбург: УГТУ, 1997. – 655с.Газарян, Л.М. Пирометаллургия меди / Л.М. Газарян. – М.: Металлургия, 1965. – 358 с. Купряков, Ю.П. Отражательная плавка медных концентратов /   Ю.П. Купряков. – М.: Металлургия, 1975. – 352 с.Елисеев, Е.И. Расчеты металлургических процессов производства меди: учебное пособие / Е.И. Елисеев, А.И. Вольхин, Г.Г. Михайлов, Б.Н. Смирнов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2012. – 221 с.Диомидовский, Д.А. Расчеты пиропроцессов и печей цветной металлургии / Д.А. Диомидовский, Л.М. Шалыгин, А.А. Гальнбек, И.Л. Южанинов. – М.: Металлургиздат, 1963. – 400 с.Гудима, Н.В. Технологические расчеты в металлургии тяжелых цветных металлов / Н.В. Гудима, Ю.А. Карасев, Б.Б. Кистяковский и др. – М.: Металлургия, 1977. – 256 с.Васкевич, А.Д. Расчет балансов автогенной плавки при равновесии между штейном, шлаком и газовой фазой /  А.Д.Васкевич, Н.М.Манцевич, А.В. Ванюков // Цветные металлы.–1986.–№ 1.–С. 15–17.