Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский  государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический  университет) 
 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 
 

По дисциплине  __________________________________________________________

________________________________________________________________________

^{(наименование  учебной дисциплины  согласно учебному  плану)} 
 
 
 
 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 
 
 

Выполнил: студент гр.   ММ-05     ____________________              /  Иванов А.А.   /

                                            ^{(подпись)                (Ф.И.О.)} 
 
 

ОЦЕНКА: _____________ 

Дата: ___________________

ПРОВЕРИЛ

Руководитель  проекта __профессор__       __________________         / Петров Г. В. /

                               ^{(должность)                         (подпись)                                                         (Ф.И.О.)} 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2008

Аннотация.

             В работе освещены вопросы  теории и практики конвертирования  медно-никелевых штейнов. Проведен  расчет материального и теплового  баланса процесса на основании практики конвертирования медно-никелевых штейнов рудотермических печей комбината «Печенганикель». 

The summary.

        In work the questions of the theory and practice of converting copper-nikel stein are covered. The account of material and thermal balance of process is carried out on the basis of practice of converting copper-nikel stein ore-thermal of furnaces of combine «Pechenganikel». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Оглавление

Введение…………………………………………………………………………4

1. Теоретическая часть

1.1 Характеристика  исходных материалов процесса  конвертирования…….5

1.2. Теоретические  основы процесса конвертирования  медно-никелевых штейнов………………………………………………………………………….7

1.3 Продукты конвертирования……………………………………………….10

2. Материальный  баланс процесса

2.1 Технологическая  схема конвертирования………………………………..13

2.2 Расчет ведем  в соответствии с технологической  схемой……………….13

3 Аппаратно-технологическая схема конверторного передела…………….22

Список использованной литературы………………………………………....23 
 
 
 

       Введение

     АО  «Горно-металлургический комбинат Печенганикель» представляет собой сложный производственный комплекс по добыче и переработке сульфидной медно-никелевой руды.

     Технологическая схема переработки медно-никелевых  руд начинается с процессов обогащения и состоит из четырех циклов:

1. механическое обогащение руд;
2. металлургический передел (плавка концентратов и конвертирования штейна);
3. разделения меди и никеля методом флотации;
4. извлечение полученных из медных и никелевых концентратов меди, никеля и сопутствующих металлов.

    Рис.1. Технологическая схема АО “ГМК Печенганикель” 

  Основной  технологической задачей процесса конвертирования штейнов является продувка жидкого штейна воздушным дутьем и получения файнштейна заданного качества. При продувке железо и другие компоненты окисляются и переходят из штейна в шлак, сера, окисляясь, переходят в газовую фазу.

     Конвертерные  газы после очистки от пыли, поступают в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают в сернокислотный завод для получения серной кислоты.

     Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди.

     Файнштейн является конечной продукцией комбината. Его дальнейшая переработка осуществляется на комбинате «Североникель».

 1. Теоретическая часть

1.1 Характеристика исходных материалов  процесса конвертирования

В таблицах 1 и 2 приведены опытные данные конвертирования.

Таблица 1.                                                          Опытные данные конвертирования, %

Таблица 2.                                 Опытные данные конвертирования с загрузкой массы из конвертора 1, %

1.1.1 Штейн

      Штейн - промежуточный продукт, представляющий сплав сульфидов железа и цветных металлов переменного химического состава, в нём аккумулируются имеющиеся в сырье благородные и сопутствующие металлы.

Таблица 3.                                                           Состав штейнов, поступающих на конвертирование, %

    Штейн имеет низкое содержание серы, в связи с этим серы штейна не хватает для связывания всех металлов в сульфид и часть металлов находится в нем в свободном состоянии, такие штейны называют металлизированными.

    Штейны  обеднительного передела имеют большую степень металлизации. Это существенно влияет на режим процесса конвертирования.

    Так же используется штейн из рудотермических  печей, получаемый при плавке в РТП  руды, обожженных окатышей, оборотного шлака и флюса, а так же штейн из электропечей обеднения конверторного шлака, получаемый при переработке в ЭПО конверторного шлака.

1.1.2 Флюсы

      Флюсы - материалы, применяемые в металлургических процессах с целью образования  или регулирования состава шлака, предохранения расплавленных металлов от взаимодействия с внешней газовой средой, а также служащие для связывания окислов при пайке и сварке металлов.

      Кварцевый флюс (70-75% SiO₂) при конвертировании штейнов отвечает всем необходимым требованиям. Необходимо отметить, что кварцевый флюс в конверторном процессе применяют еще и в качестве регулятора температуры. Так же в качестве флюса применяется речной песок (65-68% SiO₂).

            По техническим  условиям содержание кремнезема SiO₂ не должно быть ниже 67 %. Обычно предпочитают флюсы с максимальным содержанием кремнезема, поскольку в этом случае расход флюса минимален, а процесс шлакообразования протекает наиболее успешно. Влажность кварцевого флюса не должно превышать 2 %.

1.2. Теоретические  основы процесса конвертирования  медно-никелевых штейнов

    Руда  с низким содержанием металлов подвергается переработке на обогатительной фабрике в городе Заполярном. Полученный медно-никелевый сульфидный концентрат поступает в цех обжига, также расположенный в Заполярном. Обожженные окатыши поступают на рудную электроплавку в плавильный цех в поселке Никель. В сернокислотном цехе перерабатывают газы конверторного передела, содержащие в среднем 3% диоксида серы.

    Богатые сульфидные медно-никелевые руды перерабатываются по схеме прямой селективной флотации с последовательным получением медного, никелевого, пирротинового концентратов и отвальных хвостов. Далее производится плавка.

        Конвертирование штейнов  — один из основных металлургических процессов в производстве меди и  никеля. Конвертерный передел является частью плавильного цеха. В нем размещаются конвертеры - агрегаты, в которых перерабатывается медно-никелевый штейн, поступающий из рудно-термических и обеднительных электропечей. Целью конвертерного процесса является удаление из штейна практически всего железа и получение продукта, который называется файнштейном. В файнштейн с возможной полнотой должны быть извлечены никель, медь, кобальт, благородные (платина, рутений, родий, иридий, осмий) металлы.

            В конверторах расплавленный  штейн продувают воздухом в присутствии вводимого в конвертер кварцевого флюса. Образующее при продувке закисное железо FeO взаимодействует с кварцем флюса, образуя силикат типа фаялита [(FeO)₂ґ´SiO₂].

      В операции конвертирования получают три конечных продукта: файнштейн; конверторный шлак и запыленные отходящие газы, содержащие сернистый ангидрид (SO₂).

      Конверторный  шлак направляют на операцию обеднения  для обеспечения более высокого извлечения ценных металлов в файнштейн.

      Конверторные  газы после очистки от пыли, поступающей в оборот, выбрасывают в атмосферу или передают на сернокислотный завод для получения серной кислоты.

      Файнштейн далее поступает на операцию разделения никеля и меди.    

      Сульфиды  железа, кобальта, никеля и меди, из которых в основном состоит штейн, каждый в отдельности, при температуре конвертирования (1200С-1300^oС) обладает высоким сродством к кислороду. Это означает, что каждый сульфид способен активно окисляться кислородом по следующим реакциям:

                           FeS+0,5ґ´O₂ =FeO+SO₂ ;

                           CoS+0,5ґ´O₂=CoO+SO₂ ;

                           Cu₂S+0,5ґ´O₂=2ґ´Cu+SO₂ ;

                           2ґ´Cu+0,5ґ´O₂=Cu₂O ;

                           Ni₃S₂+1,5ґ´O₂=3ґ´NiO+2ґ´SO₂.

      Высокое сродство к кислороду при температурах конверторного процесса имеют также  свободные металлы -- железо, кобальт, никель и медь -- и поэтому, они каждый в отдельности, весьма, активно взаимодействуют с кислородом.

      При совместном присутствии в расплаве металлы и сульфиды окисляются не одновременно, а в определенной последовательности в соответствии с величинами их сродства к кислороду или сере.

1.2.1 Продувка  штейнов

а) не содержащих свободных  металлов.

      При продувке воздухом медно-никелевого штейна, не содержащего свободных металлов, в начале кислородом воздуха будет  окисляться наиболее активная составляющая расплава FeS по реакции FeS+0.5ґ´O₂ =FeO+SO₂ .

Находящийся в расплаве FeS защищает сульфиды Со, Ni и Cu от окисления, так как обменные реакции MeO+FeS=MeS+FeO, где Me означает  Со, Ni, Cu, протекают слева направо. Основная реакция конвертирования неметаллизированных штейнов:

2ґ´FeS+3ґ´O₂+SiO₂= (FeO)₂ґ´SiO₂+2ґ´SiO₂ .

    При конвертировании большее значение имеет процесс образования магнетита (Fe₃O₄). Магнетит образуется при конвертировании любых штейнов вследствие окислительного характера процесса.

б) металлизированных  штейнов.

      При продувке металлизированных штейнов  в начале протекает следующая  реакция:

2ґ´Fe+0.5ґ´O₂+SiO₂= (FeO)₂ґ´SiO₂ 

Только  после практически полного окисления  свободного железа начинает окисляться FeS, характеризующее начало периода  продувки.

  Основная реакция конвертирования металлизированных штейнов:

6ґ´Fe+3ґ´O₂+3ґ´SiO₂=3ґ´(FeO)₂ґ´SiO₂

1.2.2 Тепловая работа конвертора

           Конвертерный процесс  осуществляется за счет тепла экзотермических  реакций окисления свободного железа(Fe) и его сульфида(FeS) и ошлакования закиси железа и по этому не требует использования топлива. Основные реакции конвертирования:

6ґ´Fe+3ґ´O₂+3ґ´SiO₂=3ґ´[(FeO)₂ґ´SiO₂]+448800 кал

2ґ´FeS+3ґ´O₂+SiO₂= (FeO)₂ґ´SiO₂+2ґ´SO₂+246080 кал

     Продувка  металлизированных штейнов имеет значительно большие резервы тепла, чем продувка насыщенных серой не металлизированных расплавов. Основные данные по температурному режиму процесса конвертирования Сu--Ni штейнов:

Температура штейна рудотермических печей, ^oC…………………1100-1200

Оптимальная температура массы в конвертере в период

набора, ^oC……………………………………………………………...1220-1250

Оптимальная температура массы в конвертере в период

варки файнштейна, ^oC……………………………………………………1180

Температура, ^oC:

конвертерных  шлаков…………………………………………….1150-1290

конвертерных  газов………………………………………………...950-1000                 

      Количество холодных присадок зависит от степени металлизации штейна и ряда факторов, связанных с емкостью конвертера и характером поведения процесса. В условиях комбината «Печенганикель» количество холодных присадок составляет 10-20 %.    

1.2.3 Механизмы  процессов, протекающих в конверторной ванне окисления штейна

           Окисление штейна происходит на границе воздух--штейн газового пузыря, образуемого дутьем, и в самой газовой струе на границе воздух --распыленный штейн, имеющей весьма развитую поверхность. 

      1) При продувке не металлизированных  штейнов на границе газовый  пузырь -- штейновый расплав происходит преимущественное окисление сернистого железа, причем оно протекает непосредственно до магнетита по реакции 3ґ´FeS+5ґ´O₂= Fe₃O₄+3ґ´SO₂. Магнетит далее частично восстанавливается в расплаве по реакции 3ґ´Fe₃O₄+FeS=10ґ´FeO+SO₂. Внутри дутьевого факела, кроме этой реакции, идут также следующие:

2ґ´Ni₃S₂+7ґ´O₂=6ґ´NiO+4ґ´SO₂ (после выгорания FeS)

2ґ´Cu₂S+3ґ´O₂=2ґ´CuO+2ґ´SO₂ (после выгорания основного количества Ni₃S₂)  Сu₂S+2ґ´CuO=6ґ´Cu+SO₂.

Далее образовавшиеся окислы и металлы, взаимодействуя со штейном, восстанавливаются и  сульфидируются по реакциям:

3ґ´NiO+3ґ´FeS=Ni₃S₂+3ґ´FeO+0,5ґ´S₂,

Cu₂O+FeS=Cu₂S+FeO, 2ґ´Cu+FeS=Cu₂S+Fe.

      Таким образом, в конечном счете окисляется сернистое железо штейна при незначительном переходе цветных металлов в шлак, определяемом равновесием последних трех реакций и другими причинами физического характера, рассматриваемыми ниже.

      2) При продувке металлизированных  штейнов окислительные процессы  протекают по несколько иной  схеме. На границе воздух -- штейновый расплав идет реакция избирательного окисления металлического железа до вюстита FeO по реакции 2ґ´Fe +O₂=2ґ´FeO. В дутьевой струе происходит окисление мелких капель штейна по стадиям:

2ґ´Fe +O₂=2ґ´FeO,

3ґ´FeO+0,5ґ´O₂.=Fe₃O₄,

3ґ´FeS+5ґ´O₂=Fe₃O₄+3ґ´SO₂ (после выгорания Fe),

2ґ´Ni₃S₂+7ґ´O₂=6ґ´NiO+4ґ´SO₂ (после выгорания FeS),

2ґ´Cu₂S+3ґ´O₂=2ґ´Cu₂O+2ґ´SO₂ ( после выгорания большей части Ni₃S₂),

Cu₂S+2ґ´Cu₂O=6ґ´Cu+SO₂.

Окислы  цветных металлов и двуокись серы взаимодействуют с расплавленным штейном, в результате чего металлы и сера снова переходят в штейн по реакциям:

3ґ´Ni+2ґ´FeS=Ni₃S₂+2ґ´Fe,

Cu₂O+Fe=2ґ´Cu+FeO,

2ґ´Cu+FeS=Cu₂S+Fe,

SO₂+3ґ´Fe=FeS+2ґ´FeO.

 1.3 Продукты конвертирования

      Конечными продуктами конверторного передела являются медно-никелевый файнштейн, конвертерный шлак периода набора, конвертерные газы и конвертерная пыль. Кроме, того при конвертировании получают шлаки периода варки файнштейна, которые являются внутренним оборотным продуктом конвертерного передела.

  1.3.1 Фанштейн 

      В таблице  приведен состав файнштейна, получаемого на «Печенганикель»..

Таблица 4.                                                                 Состав медно-никелевого файнштейна ,%

      Медно-никелевый  файнштейн разделяют методом  флотации. Успешное разделение его на никелевый и медный концентраты  зависит от:

      1) состава и главным образом  от содержания серы и железа. По действующим техническим условиям  содержание серы в файнштейне не должно быть ниже 23%.

      2) отношение меди к никелю в  нем. В настоящее время перерабатывают  файнштейн, отношение меди к  никелю в котором не превышает  1,0.

1.3.2 Конверторные  шлаки

     Состав  конвертерного шлака приведен в  таблице 5.

           Конвертерные шлаки  состоят в основном из силикатов железа фаялита (FeO)₂ґ´SiO₂, в котором растворено небольшое количество окислов, перешедших из кварцевого флюса и футеровки.

           Конвертерные шлаки  также содержат некоторое количество цветных металлов. Цветные металлы в шлаке находятся в трех основных формах: свободных сульфидов, сульфидов, растворенных в шлаке, и окислов, образующих обычно в расплаве силикатные комплексы.

Таблица 5 .                                                                                         Состав конвертерных шлаков, %

      В шлаке также растворяется заметное количество сульфида железа, чем объясняется  повышенное содержание в шлаке серы. Характерная особенность конвертерных шлаков -- присутствие в них значительных количеств магнетита. Содержание магнетита в шлаке обычно составляет 10-25 % и зависит от ряда факторов.

1.3.3 Конверторные  газы

      Концентрация SO₂ в отходящих газах в газоходе снижается вследствие очень больших подсосов воздуха через напыльник в газоходную систему. С целью повышения концентрации SO₂ в газах для получены из него серной кислоты на предприятии установлены герметичные напыльники.

На графике  приведён состав конверторных газов  по ходу продувки

Рис 2. Состав конверторных газов по ходу продувки 

1- обычный  режим продувки;

2,3 –  продувка обогащённой массы, перелитых  из других конверторов;

4,5 –  продувка штейна, залитого на  оставленный в конверторе шлак;