Проект отделения конвертирования медных штейнов производительностью 300 тыс. тонн черновой меди в год

     Федеральное государственное образовательное  учреждение

     высшего профессионального образования

     «Сибирский  федеральный университет»

     ИНСТИТУТ  УПРАВЛЕНИЯ БИЗНЕС ПРОЦЕССАМИ И ЭКОНОМИКИ 

     Факультет      

     Кафедра         

     Дисциплина   Металлургия

     Группа            ПЭ-08-01 (МБ) 
 
 

     КУРСОВАЯ  РАБОТА

     Проект  отделения конвертирования медных штейнов производительностью 300 тыс. тонн черновой меди в год 
 
 
 

Руководитель работы      _____________________              А. В. Чубаров

                                                  (подпись, дата)

Разработал  студент            _____________________            Д. В. Клеменкова

                                                   (подпись, дата)   
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Красноярск 2010 
Содержание

     Введение

     1 Выбор технологической  схемы для получения  меди

1. Сырье для получения меди
2. Способы получения меди
3. Подготовка руды
4. Выплавка медного штейна
2. Теоретические основы процессы конвертирования

     2.1  Описание процесса  конвертирования

     2.2 Модель технологического  конвертирования  штейнов

     3   Расчет рационального  состава процесса  конвертирования

     Заключение

     Список  использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Введение

     Медь  (лат.  Cuprum)  -  химический  элемент.  Один  из   семи металлов, известных с глубокой древности.  По  некоторым археологическим данным, медь была хорошо известна египтянам еще за  4000 лет до Нашей Эры. Использованию меди способствовало то, что медь встречается в свободном состоянии в виде самородков. Масса наиболее крупного из известных самородков меди составляла около 800 т. Поскольку кислородные соединения меди легко восстанавливаются, а металлическая медь имеет сравнительно невысокую температуру плавления (1083 °С), древние мастера научились плавить медь. Вероятнее всего это произошло в процессе добычи самородной меди на рудниках.

     Научились также выплавлять медь из богатых, отобранных вручную окисленных руд. Вначале  плавку проводили, загружая на раскаленные  угли куски руды. Затем стали делать кучи, складывая послойно дрова и  руду. Позднее слон дров и руды начали помещать в ямы, подавая воздух для  горения топлива по деревянным трубкам, заложенным в борта ямы. Полученный в яме слиток (крицу) меди по окончании  плавки вынимали и проковывали.

     По  мере роста потребности в металле  возникла необходимость увеличить  выплавку меди за счет увеличения производительности плавильных устройств. Для этого  начали увеличивать объем ям, выкладывая их борта из камня, а затем и  из огнеупорного кирпича. Высоту стен постепенно увеличивали, что привело  к появлению первых металлургических печей с вертикальным рабочим  пространством. Такие печи являлись прототипом шахтных печей; они получили название домниц. Домницы в отличие  от ям выдавали медь и получающийся шлак в жидком виде. Современные шахтные печи не многим отличаются от своих «предшественников».

       Медь  входит  более  чем  в  198  минералов,  из  которых для промышленности важны  только  17,  преимущественно   сульфидов,   фосфатов, силикатов,  карбонатов,  сульфатов.

     Главными  рудными  минералами  являются халькопирит  CuFeS2, ковеллин CuS, борнит Cu5FeS4, халькозин Cu2S.

     Пo объёму потребления медь занимает 2-e место в мире среди цветных  металлов (после алюминия). У меди уникальное сочетание свойств, обеспечившее ей широкое применение, - высокие  электро- и теплопроводность, хорошая  коррозионная стойкость, высокая пластичность и привлекательный естественный цвет. Более 70% всей потребляемой меди идет на электротехнические изделия, 15% - на элементы строительных конструкций, 5% - на детали машин и механизмов, 4% - на транспортные конструкции и 4% - на другие виды изделий, в том числе  на изготовление артиллерийского оружия. Строительная промышленность потребляет около 40% всей производимой меди, электротехника и электроника около 26%, общее  машиностроение - около 14%, транспортное машиностроение - около 11%, промышленность товаров широкого потребления - остальные 9%. Кабели, электротехнические шины, трансформаторные обмотки и другие электротехнические изделия изготавливаются из разных сортов меди. Медь с пониженным содержанием  кислорода обладает хорошими литьевыми  свойствами и применяется для изготовления химико-технологического оборудования, медных труб, автомобильных радиаторов, судовых конденсаторов, бытовых водопроводных труб, кровельного материала и других технических изделий. Медные сплавы - это группа распространенных сплавов, свойства которых изменяются в широких пределах. Некоторые сплавы меди, содержащие кадмий, хром, серебро или теллур, обладают высокой прочностью при высокой технологичности и хорошей электропроводности. Наиболее известными и широко применяемыми сплавами меди являются латуни (сплавы с цинком) и бронзы (сплавы с оловом).

     Анализ  положения добычи российской меди в  мире показывает, что здесь не отмечается принципиальных изменений. Россия по-прежнему лидирует по разведанным запасам, добыче и производству меди среди стран  СНГ, занимает третье место в мире по разведанным запасам и седьмое - по производству меди в концентрате.

Удерживая шестое место по производству рафинированной меди, Россия является вторым в мире (после Чили) нетто-экспортером металла. При этом по потреблению рафинированной меди на душу населения Россия на порядок  отстает от развитых стран и уступает некоторым развивающимся. 
 

1. Выбор технологической  схемы для получения  меди
1. Сырье для получения меди

     Для получения меди применяют медные руды, а также отходы меди и ее сплавов. В рудах содержится 1-6% меди.

           В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (медный колчедан или халькопирит  CuFeS₂, халькозин Cu₂S,  ковелин CuS), оксидов (куприт Cu₂O, тенорит CuO) или гидрокарбонатов (малахит CuCO₃ × Cu(OH₂), азурит 2CuCO₃ × Cu(OH)₂).

           Пустая порода состоит  из пирита FeS, кварца SiO₂, карбонатов магния и кальция (MgCO₃ и CaCO₃), а также из различных силикатов, содержащих Al₂O₃, CaO, MgO и оксиды железа.

           В рудах иногда содержится значительное количество других металлов: цинк, олово, никель, золото, серебро, кремний  и другие.

           Руда делится на сульфидные, окисленные и смешанные. Сульфидные руды бывают обычно первичного происхождения, а окисленные руды образовались в результате окисления металлов сульфидных руд.

           В небольших количествах  встречаются так называемые самородные руды, в которых медь находится  в свободном виде. 

2. Способы получения меди

           Известны  два  способа извлечения меди из руд и  концентратов: гидрометаллургический  и пирометаллургический.

     Гидрометаллургические процессы реализуются в водных растворах  кислот, щелочей, солей. Их температура  равна положительной температуре  окружающей среды или превышает  ее, достигая 60-80 ºС. При автоклавной  обработке она может быть еще  выше (до 200 ºС и более).

       Гидрометаллургическим операциям  обычно предшествует подготовка  исходных продуктов к ним. Добытую  руду часто измельчают для  вскрытия ценных минералов и  увеличения удельной поверхности  твердой фазы. Если это необходимо, руду обогащают. В ряде случаев  исходные составляющие руды или  концентрата обжигом переводят  в иные химические соединения, после чего ценные компоненты  легче извлекаются, а пустая  порода либо остается неизменной, либо переходит в трудновыщелачиваемую форму.

       Несмотря на разнообразие гидрометаллургических  схем, каждая из них включает  сходные этапы:

      - перевод ценных составляющих  руды (концентрата) в раствор –  выщелачивание;

      - подготовка раствора к извлечению  из него основного компонента;

      - выделение основного компонента  из раствора.

       На всех этих этапах, как правило,  протекают гетерогенные процессы, лимитируемые диффузией при повышенной  температуре и имеющие кинетические  затруднения при более низкой. Процессы протекают на границе  твердой и жидкой, двух жидких или жидкой и газообразной фаз.

       При выщелачивании реализуется  ряд процессов избирательного  перехода одного или нескольких  компонентов из руды, концентрата  или полупродуктов в раствор,  который может быть простым  физическим растворением или  сопровождаться обменной реакцией.

       Простое растворение осуществляется, когда металл находится в твердой  фазе в виде растворимых в воде соединений.

       Растворение с обменной реакцией  имеет место, когда растворяемое  соединение металла взаимодействует  с реагентом, образуя растворимую  соль. Другим продуктом взаимодействия  могут быть вода в Киеве,  газ или еще менее растворимый,  чем выщелачиваемое вещество, остаток  продукта реакции.

       Растворитель должен легко взаимодействовать  с извлекаемым компонентом, но  не с пустой породой. В этом  плане очевидна нецелесообразность  применения растворителей с кислотными  свойствами, если пустая порода  содержит основные соединения и наоборот.

       Подготовка к излечению из  раствора основного компонента  заключается в отделении его  от нерастворимого остатка пустой  породы путем фильтрования или  отстаивания и в доведении  концентрации его в растворе до оптимальной.

       Выделение чистых соединений  из растворов осуществляют реализуя  различные химические процессы, в результате которых извлекаемые  компоненты переводятся в малорастворимые  соединения, металлические или электролитические  компаунды и выпадают в осадок. Осаждение может быть также  реализовано физическими или физико-химическими методами.

       В настоящее время применяют  гидрометаллургические технологии  кучного, чанового, автоклавного, геотехнологического выщелачивания.

       Кучному выщелачиванию подвергаются  бедные забалансовые руды или  старые отвалы руд цветных  металлов, например медных, золотосодержащих, урановых. Чановое выщелачивание  получило распространение применительно  к окисленным медным, урановым, золотосодержащим  рудам, труднообогатимым продуктам.  Автоклавное выщелачивание в  большом масштабе применяется  в алюминиевой промышленности.

           Гидрометаллургический способ не нашел широкого применения. Его используют при переработке бедных окисленных и самородных руд. Этот способ в отличии от пирометаллургического не позволяет извлечь попутно с медью драгоценные металлы.

           Второй способ пригоден для переработки всех руд и  особенно эффективен в том случае, когда руды подвергаются обогащению. 
 

      Руда меди

      Подготовка руды к плавке (обогащение, обжиг)

      Плавка руды на штейн 

      Первичный штейн

      Конвертирование штейна (продувка воздухом) 

      Черновая медь

      Рафинирование черновой меди 

     Медь

     Рис. 1. Упрощенная схема пирометаллургического  способа производства меди

     Основу  этого процесса составляет плавка, при которой расплавленная масса  разделяется на два жидких слоя: штейн-сплав сульфидов и шлак-сплав  окислов. В плавку поступают либо медная руда, либо обожженные концентраты  медных руд. Обжиг концентратов осуществляется  с целью снижения содержания серы до оптимальных значений.

           Жидкий штейн продувают  в конвертерах воздухом для окисления  сернистого железа, перевода железа в  шлак и выделения черновой меди.

           Черновую медь далее  подвергают рафинированию – очистке  от примесей.

3. Подготовка руды

     Большинство медных руд обогащают способом флотации. В результате получают медный концентрат, содержащий 8-35% Cu, 40-50% S, 30-35% Fe  и пустую породу, главным образом составляющими которой являются  SiO₂, Al₂O₃ и CaO.

           Концентраты  обычно обжигают в окислительной среде  с тем, чтобы удалить около 50% серы и получить обожженный концентрат с  содержанием серы, необходимым для  получения при плавке достаточно богатого  штейна.

           Обжиг обеспечивает хорошее смешение всех компонентов  шихты и нагрев ее до 550-600 ⁰С и, в конечном итоге, снижение расхода топлива в отражательной печи в два раза. Однако при переплавке обожженной шихты несколько возрастают потери меди в шлаке и унос пыли.  Поэтому  обычно богатые медные концентраты (25-35% Cu) плавят без обжига, а бедные  (8-25% Cu) подвергают обжигу.

           Температура  обжига концентратов применяют многоподовые печи с механическим перегреванием.  Такие печи работают непрерывно.

               1.4 Выплавка медного штейна

           Медный штейн, состоящий  в основном из сульфидов меди и  железа (Cu₂S+FeS=80-90%) и других сульфидов, а также окислов железа, кремния, алюминия и кальция, выплавляют в печах различного типа.

           Комплексные руды, содержащие золото, серебро, селен и теллур, целесообразно обогащать так, чтобы  в концентрат была переведена не только медь, но и эти металлы. Концентрат переплавляют в штейн в отражательных  или электрических печах.

           Сернистые, чисто  медные руды целесообразно перерабатывать в шахтных печах.

           При высоком содержании серы в рудах целесообразно применять  так называемый процесс медно-серной плавки в шахтной печи с улавливанием газов и извлечением  из них  элементарной серы.

           В печь загружают  медную руду, известняк,  кокс и оборотные  продукты. Загрузку ведут отдельными порциями сырых материалов и кокса.

           В верхних горизонтах шахты создается восстановительная  среда, а в нижней части печи –  окислительная. Нижние слои шихты плавятся, и она постепенно опускается вниз навстречу потоку горячих газов. Температура у фурм достигается 1500 ⁰С  на верху печи она равна примерно 450 ⁰С.

           Столь высокая температура  отходящих газов необходима для  того, чтобы обеспечить возможность  из очистки от пыли до начала конденсации  паров серы.

           В нижней части печи, главным образом у фурм, протекают  следующие основные процессы:

     а) Сжигание углерода кокса

     C + O₂ = CO₂

     б) Сжигание серы сернистого железа

     2FeS + 3O₂ = 2 FeO + 2SO₂

     в)  Образование силиката железа

     2 FeO + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂

           Газы, содержащие CO₂, SO₂, избыток кислорода и азот, проходят вверх через столб шихты. На этом пути газов происходит теплообмен между шихтой и ними, а также взаимодействие  CO₂ с углеродом шихты. При высоких температурах CO₂  и SO₂ восстанавливаются углеродом кокса и при этом образуется окись углерода, сероуглерод и сероокись углерода:

     CO₂ + C = 2CO

     2SO₂ + 5C = 4CO + CS₂

     SO₂ + 2C = COS + CO

        В верхних горизонтах печи пирит разлагается по реакции:

     FeS₂ = Fe + S₂

           При температуре  около 1000 ⁰С плавятся наиболее легкоплавкие эвтектики из FeS  и Cu₂S, в результате чего образуется пористая масса.

           В порах этой массы  расплавленный поток сульфидов  встречается  с восходящим потоком  горячих газов и при этом протекают  химические реакции, важнейшие из которых  указаны ниже:

     а) образование сульфида меди из закиси меди

     2Cu₂O + 2FeS + SiO₂ = (FeO)₂ × SiO₂ + 2Cu₂S;

     б) образование силикатов из окислов  железа

     3Fe₂O₃ + FeS + 3,5SiO₂ = 3,5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

     3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂;

     в) разложение CaCO₃ и образование силиката извести

     CaCO₃ + SiO₂ = CaO × SiO₂ + CO₂;

     г) восстановление сернистого газа до элементарной серы

     SO₂ + C = CO₂ + ½ S₂

           В результате плавки получаются штейн, содержащий 8-15% Cu, шлак состоящий в основном из силикатов железа и извести, колошниковый газ, содержащий S₂, COS, H₂S, и CO₂. Из газа сначала осажают пыль, затем из него извлекают серу (до 80% S)

           Чтобы повысить содержание меди в штейне, его подвергают сократительной плавке. Плавку осуществляют в таких  же шахтных печах. Штейн загружают  кусками размером 30-100 мм вместе с  кварцевым  флюсом, известняком и  коксом. Расход кокса составляет 7-8% от массы шихты. В результате получают обогащенный медью штейн (25-40% Cu) и шлак (0,4-0,8% Cu).

           Температура плавления  переплавки концентратов, как уже  упоминалось, применяют отражательные  и электрические печи. Иногда обжиговые  печи располагают непосредственно  над площадкой отражательных  печей с тем, чтобы не охлаждать  обожженные концентраты и использовать их тепло.

           По мере нагревания шихты в печи протекают следующие  реакции восстановления окиси меди и высших оксидов железа:

     6CuO + FeS = 3Cu₂O + SO₂ + FeO;

     FeS + 3Fe₃O₄ + 5SiO₂ = 5(2FeO × SiO₂) + SO₂

           В результате реакции  образующейся закиси меди  Cu₂O с FeS получается Cu₂S:

     Cu₂O + FeS = Cu₂S + FeO

           Сульфиды меди и  железа, сплавляясь между собой, образуют первичный штейн, а расплавленные  силикаты железа, стекая по поверхности  откосов, растворяют другие оксиды и  образуют шлак.

           Благородные металлы (золото и серебро) плохо растворяются в шлаке и практически почти  полностью переходят в штейн.

           Штейн отражательной  плавки на 80-90% (по массе) состоит из сульфидов меди и железа. Штейн  содержит, %: 15-55 меди; 15-50 железа; 20-30 серы; 0,5-1,5 SiO₂; 0,5-3,0 Al₂O₃; 0.5-2.0 (CaO + MgO);  около 2% Zn и небольшое количество золота и серебра. Шлак  состоит в основном   из SiO₂, FeO, CaO, Al₂O₃ и содержит 0,1-0,5 % меди. Извлечение меди и благородных металлов в штейн достигает 96-99 %.

               2 Теоретические основы процессы конвертирования

           В 1866 г. русский инженер  Г. С. Семенников предложил применить  конвертер типа бессемеровского  для продувки штейна. Продувка штейна снизу воздухом обеспечила получение  лишь полусернистой меди (около 79% меди) – так называемого белого штейна. Дальнейшая продувка приводила к  затвердеванию меди. В 1880 г. русский  инженер предложил конвертер  для продувки штейна с боковым  дутьем, что и позволило получить черновую медь в конвертерах.

           Конвертер делают длиной 6-10, с наружным диаметром 3-4 м. Производительность за одну операцию составляет 80-100 т.  Футеруют конвертер магнезитовым кирпичом. Заливку расплавленного штейна и  слив продуктов осуществляют через  горловину конвертера, расположенной  в средней части его корпуса. Через ту же горловину удаляют  газы. Фурмы для вдувания воздуха  расположены по образующей поверхности  конвертера. Число фурм обычно составляет 46-52, а диаметр фурмы – 50мм. Расход воздуха достигает 800 м²/мин. В конвертер заливают штейн и подают кварцевый флюс, содержащий 70-80% SiO₂, и обычно некоторое количество золота. Его подают во время плавки, пользуясь пневматической загрузкой через круглое отверстие в торцевой стенке конвертеров, или же загружают через горловину конвертера.

     В результате плавки медного рудного  сырья получают две жидкие фазы –  штейновую и  шлаковую, при этом происходит концентрирование меди, некоторых  сопутствующих цветных и благородных  металлов в штейне. Так же штейны получают при восстановительной  плавке медьсодержащего свинцового сырья.

     Основными компонентами штейнов являются сульфиды железа (FeS) и цветных металлов. В зависимости от состава перерабатываемого сырья получают  медные, медно-никелевые, медно-свинцовые и полиметаллические штейны.

     Концентрация  цветных металлов  в штейне связана  с их содержанием в сырье и  определяется степенью дисульфиризации  при плавке, которая в свою очередь  зависит от количества высших сульфидов, диссоциирующих при высокой температуре, так и от  условий  окисления  сульфида железа в печи с ошлакованием оксида железа и переводом образующегося  диоксида серы в газовую фазу.

     В медных штейнах часто присутствует никель, цинк и свинец. В штейнах также концентрируются благородные металлы.

     Из-за неограниченной взаимной растворимости  сульфидов меди, никеля, железа в  расплавленном состоянии друг в  друге при переработке сульфидного  медно-никелевого сырья получают штейны с различным соотношением меди и  никеля. Медно-никелевые штейны по свойствам близки к медным штейнам. Так же, как содержание в них серы составляет около 25%.

     Отрицательное влияние на свойства медных штейнов  оказывает цинк, содержание которого иногда достигает 6-8 %. Сульфид цинка  тугоплавок и ограничено растворим  в медных штейнах, поэтому при  понижении температуры может  выделяться из расплава в твердом  состоянии. Обладая меньшей плотностью по сравнению с медным штейном, выделивщийся из расплава ZnS образует вязкий тугоплавкий промежуточный слой на границе раздела шлак-штейн, нарушающий процесс отстаивания жидких продуктов плавки.

     Содержание  сульфида свинца в медных штейнах  обычно не превышает 2-3 % . Присутствие PbS снижает температуру плавления как медных, так и полиметаллических штейнов, содержащих еще и цинк.

     Термодинамика реакций конвертирования.

     Переработка штейнов методом конвертирования  состоит в продувке через слой расплава кислородосодержащего дутья, осуществляемой в присутствии кварцевого флюса. В результате продувки происходит окисление присутствующих в штейне сульфидов металлов и переводсеры  в газы в виде SO₂. В образующемся дутьевом факеле в условиях местного избытка кислорода (при одновременном дефиците кислорода по отношению ко всем содержащимся в ванне сульфидам) может происходить глубокое окисление штейна.

     Реакция окисления сульфидов штейна кислородом дутья может быть представлена уравнением:

     MeS+1,5 O₂₌MeO+ SO2

     Образующиеся  оксиды железа и цветных металлов взаимодействуют с SiO₂ флюса и сульфидами и распределяются между шлаком и штейном (или металлом).

     Последовательность  окисления сульфидов в расплаве зависит от их концентрации и физико-химических свойств сульфидов и образующихся оксидов. При одинаковой концентрации сульфида в расплаве наиболее вероятно окисление того сульфида, который  при данной температуре обладает наибольшим давлением диссоциации  и при окислении которого образуется наиболее прочный оксид.