Анализ технологии производства меди в мировой и отечественной практике. Генеральный план возведения проектируемого цеха конвертирования медных штейнов. Расчеты технологического процесса конвертирования. Конструктивный расчет и выбор оборудования.
Аннотация к работе
Жезказганский медеплавильный завод получает медь по стандартной пирометаллургической схеме, включающей в себя стадии: плавка медных концентратов на штейн, конвертирование штейна с получением черновой меди, огневое рафинирование черновой меди в анодных печах с получением анодов, электролитическое рафинирование анодов с получением товарной катодной меди. Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. Сделаны выводы, что успешное завершение двухлетней программы по гранту USAID (США) “Экологически чистый процесс получения черновой меди» и научно-технические контакты с Технионом позволят получить новые физико-химические данные в области теории непрерывных схем производства черновой меди; провести количественные расчеты скоростей окислительных и восстановительных процессов для определения наиболее медленной стадии всего процесса; получить новые данные по структуре богатых по меди и переокисленных шлаковых расплавов, определить формы потерь меди и других цветных металлов с целью их использования для количественной оценки технологических и энергетических показателей электротермического восстановления шлаков. Предлагается безшлаковое производство черновой меди - новый метод, основанный на: плавке в отдельном агрегате одного только концентрата с максимально возможным содержанием меди в нем; последующем конвертировании всей расплавленной массы концентрата, поступающей из печи в виде штейна и шлака совместно с получением конечных продуктов: черновой меди и конвертерного шлака; удалении пустой породы из процесса через конвертерный шлак с последующим доизвлечением меди обогатительным или металлургическим путем. Разработанная технология позволяет дополнительно извлечь медь и свинец из концентратов, загружаемых в первом и втором периодах; за счет снижения содержания меди в конвертерном шлаке и извлечения ее из концентратов, минуя стадии агломерации и плавки, повысить извлечение меди в черновую медь с 93,5 до 98-99 %; в результате глубокой возгонки свинца повышается его извлечение в конвертерные пыли в 1,5-2 раза; за счет восстановления магнетита из шлака повышается содержание сернистого ангидрида в газах в 1,5 раза; повышается комплексность использования сырья; улучшается экологическая ситуация.Сверху, в середине цилиндрической части бочки конвертера, находится горловина, через которую в конвертер заливается штейн, загружаются флюсы и холодные материалы, сливается шлак и черновая медь, отходят технологические газы. Для подачи дутья в конвертер по образующей кожуха снизу задней его стороны установлен фурмоколлектор с 48 фурмами, от которых фурменные трубки с внутренним диаметром 41 - 49 мм проходят в конвертер через фурменный пояс. Конвертер выводится изпод дутья и после 1-2 минут отстоя производится слив шлака в ковш, установленный под носком горловины конвертера, после чего он заливается в плавильную печь. Для ополоска в конвертер заливают 2 - 3 ковша штейна и дают дутье, пока не расплавится так называемая «шуба» в конвертере, остаток расплавленной массы переливают в другой конвертер. Для обмотки в конвертер заливают два ковша горячего штейна и один ковш холодного конвертерного шлака, конвертер ставят под дутье и разогревают, затем конвертер поворачивают то в одну, то в другую сторону.В настоящем дипломном проекте произведен расчет материальных и тепловых балансов процесса конвертирования по периодам, а также конструктивный расчет и выбор основного и вспомогательного оборудования, свидетельствующий о том, что для достижения заданной годовой производительности по черновой меди необходимо установить четыре стандартных 80-т конвертера. Предусмотрено ведение процесса на дутье, обогащенном кислородом до 25 %, что позволяет увеличить заданную годовую производительность конвертера за счет дополнительной переработки холодных материалов, кроме того, появляется возможность переработки в конвертере сульфидных медных концентратов.
План
2 Генеральный план, транспорт и строительные решения по проекту
Введение
Медь является стратегическим тяжелым цветным металлом. Масштабы потребления меди значительны, а структура потребления очень широка. Медь и ее сульфид являются хорошими коллекторами золота и серебра, что делает возможным высокое попутное извлечение благородных металлов при производстве меди.
Переработку медного сырья можно проводить с использованием как пиро-, так и гидрометаллургических процессов. В промышленной практике металлурги имеют дело фактически с комбинированными технологическими схемами. Для современной металлургии характерна пирометаллургическая схема, которая предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование. Конвертерный передел в этой схеме наиболее интенсивный. Задачей процесса конвертирования является окисление сопутствующих меди компонентов с получением черновой меди.
Целью настоящего дипломного проекта является исследование процессов конвертирования медных штейнов в условиях ЖМЗ и проектирование соответствующего цеха.
В настоящем дипломном проекте предусматриваются вопросы технологических решений, сопровождаемые необходимыми металлургическими расчетами. В соответствующих разделах представлены мероприятия по обеспечению охраны труда и окружающей среды, в полной мере освещены вопросы строительства проектируемого цеха. Экономическая целесообразность строительства цеха подтверждается соответствующими экономическими расчетами.
1 Общая пояснительная записка
1.1 Анализ технологии производства меди в мировой и отечественной практике
Жезказганский медеплавильный завод получает медь по стандартной пирометаллургической схеме, включающей в себя стадии: плавка медных концентратов на штейн, конвертирование штейна с получением черновой меди, огневое рафинирование черновой меди в анодных печах с получением анодов, электролитическое рафинирование анодов с получением товарной катодной меди. Стадия конвертирования является неотъемлемым элементом данной схемы, поскольку весомой альтернативы процессу конвертирования до настоящего времени пока еще нет. Разрабатываемые процессы высоко- и низкотемпературного выщелачивания медных штейнов еще не нашли промышленного применения. Процесс конвертирования медных штейнов известен еще с 1880 года, когда уральский инженер Ауэрбах сконструировал конвертер с боковым расположением фурм и впервые получил в нем черновую медь.
Конвертерный передел является промежуточной стадией в технологической схеме получения товарной меди и взаимоувязан как с предыдущими, так и с последующими стадиями общими транспортными и технологическими потоками.
В целом технологическая схема получения товарной меди на Жезказганском медеплавильном заводе представлена на рисунке 1.
1.1.1 Литературный обзор научно-технической и патентной информации по конвертированию медных штейнов
Наиболее распространенная до настоящего времени технология предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавка на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В ряде случаев перед плавкой на штейн проводят предварительный окислительный обжиг сульфидного сырья, например, Средне-Уральский медеплавильный завод.
Процесс конвертирования медного штейна является периодическим процессом, связанным с простоями между операциями для подготовки конвертера к следующей операции. Это основной недостаток процесса конвертирования медного штейна, для преодоления которого разрабатывают в настоящее время процесс непрерывного конвертирования [1].
Непрерывный процесс получения черновой меди сопряжен с ростом содержания меди в шлаках до 3-7 %. С помощью циркуляционного метода проведен эксперимент по изучению равновесного распределения меди в системе медь - высокожелезистый шлак - газовая среда в зависимости от добавок оксида бора, сульфата кальция и содержания диоксида серы в газовой фазе при 1250 °С. Результаты: добавка сульфата кальция и оксида бора к высокожелезистому шлаку способствует снижению степени окисленности шлакового расплава, разукрупнению сложных кремнекислородных комплексов с появлением оксида кальция и образованию легкоплавких низкотемпературных боратов железа и кальция. Это ведет к улучшению физико-химических свойств шлакового расплава и уменьшению общих потерь меди со шлаками [2].
Также рассматриваются проблемы теории, разработки технологий и оборудования для получения черновой меди на основе непрерывных бесконвертерных процессов. Изучена кинетика процессов окисления штейновых расплавов и восстановления оксидов металлов и шлаковых расплавов. Сделаны выводы, что успешное завершение двухлетней программы по гранту USAID (США) “Экологически чистый процесс получения черновой меди» и научно-технические контакты с Технионом позволят получить новые физико-химические данные в области теории непрерывных схем производства черновой меди; провести количественные расчеты скоростей окислительных и восстановительных процессов для определения наиболее медленной стадии всего процесса; получить новые данные по структуре богатых по меди и переокисленных шлаковых расплавов, определить формы потерь меди и других цветных металлов с целью их использования для количественной оценки технологических и энергетических показателей электротермического восстановления шлаков.
Предлагается безшлаковое производство черновой меди - новый метод, основанный на: плавке в отдельном агрегате одного только концентрата с максимально возможным содержанием меди в нем; последующем конвертировании всей расплавленной массы концентрата, поступающей из печи в виде штейна и шлака совместно с получением конечных продуктов: черновой меди и конвертерного шлака; удалении пустой породы из процесса через конвертерный шлак с последующим доизвлечением меди обогатительным или металлургическим путем. Главное преимущество метода заключается в рациональном изменении технологического режима процесса производства черновой меди на действующем оборудовании. Экономический эффект достигается за счет сокращения расходов по тепло- и электроэнергии на печах, отказа от применения известняка и кварцевого песка, уменьшения расхода материалов, ускорения процесса производства черновой меди [4].
Для образования железосиликатного расплава - шлака в первом периоде конвертирования в конвертер подают кварц. Предложен способ, который включает подачу штейна, кремнистого флюса в виде жидкого отвального шлака электроплавки медных концентратов и продувку штейна кислородсодержащим газом. В качестве флюса сначала подают жидкий отвальный шлак в количестве 5-15 мас. % от перерабатываемого штейна, а затем кварцевую руду в количестве 10-15 мас. % от перерабатываемого штейна [5].
Также предлагается эффективная технология конвертирования полиметаллических штейнов, позволяющая извлечь медь в черновую до 98-99 % с получением высоких марок черновой меди МЧ-1,2. Сущность технологии заключается в следующем. На сформированный в первом периоде слой конвертерного шлака подается сульфидный медьсодержащий концентрат при отношении его к массе загруженного штейнового расплава, равном (0,2-0,5):1. Во втором периоде конвертирования до образования шлака на массу расплава подают селективный медный концентрат при отношении его к массе расплава (0,15-0,3):1. Разработанная технология позволяет дополнительно извлечь медь и свинец из концентратов, загружаемых в первом и втором периодах; за счет снижения содержания меди в конвертерном шлаке и извлечения ее из концентратов, минуя стадии агломерации и плавки, повысить извлечение меди в черновую медь с 93,5 до 98-99 %; в результате глубокой возгонки свинца повышается его извлечение в конвертерные пыли в 1,5-2 раза; за счет восстановления магнетита из шлака повышается содержание сернистого ангидрида в газах в 1,5 раза; повышается комплексность использования сырья; улучшается экологическая ситуация. При этом повышается качество черновой меди с марок МЧ-6,5 до МЧ-1,2 [6].
Конструктивное оформление процесса создает определенные трудности для реализации всех технологических возможностей процесса. Для получения бедных шлаков с низким содержанием магнетита необходимы более высокие температуры, не достижимые на практике вследствие быстрого выхода футеровки из строя. Даже при существующих условиях ведения процесса кампания конвертера составляет 1,5-3 мес. По истечении этого срока требуется замена, по крайней мере, футеровки фурменного пояса. По этому вопросу была проведена работа, целью которой являлось определение стойкости огнеупорной футеровки фурменной зоны медеплавильных конвертеров. Испытывались периклазохромитовые огнеупоры, изготовленные на комбинате «Магнезит» с использованием отходов электроплавки периклазсодержащих материалов. Изделия имели следующие показатели качества: предел прочности при сжатии 74,9-101,4 Н/мм2; пористость открытая 13,0-14,4 %; термостойкость 6-11 водных теплосмен; температура начала деформации 1590-1600 °С. Огнеупоры содержали, мас. %: MGO 75,5-76,6; Cr2O3 11,1-11,7. Сумма оксидов кремния и кальция, образующих легкоплавкие силикатные соединения, составила 3-4 %, количество которых примерно в 2 раза меньше, чем у применяемых огнеупоров. После остановки конвертера проведенные замеры остаточной толщины огнеупоров фурменной зоны показали, что износ огнеупоров составляет 2,74-3,23 мм за плавку, т.е. на 15-20 % меньше ранее применяемых огнеупоров [7].
1.2 Анализ работы действующего предприятия
Базовое предприятие работает по технологической схеме конвертирования в горизонтальных 80-т конвертерах в периодическом режиме. В ходе процесса образуются запыленные газы, черновая медь и конвертерные шлаки. Последние являются оборотным продуктом и поступают в плавильные печи в расплавленном состоянии с целью обеднения. Объем образующихся шлаков значителен, они довольно богаты по меди, вследствие неудовлетворительного разделения фаз, обусловленного медленным обогащением штейна. Это способствует увеличению непродуктивной нагрузки на плавильные агрегаты.
Режимные параметры процесса конвертирования приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1
Режимные параметры конвертирования
Показатели Величина
1 2
Количество штейна, т: - на зарядку 40 - 60
- на весь набор 100 - 150
Количество холодных от веса горячего штейна, % До 20
Набор штейна и получение белого матта, мин 150 - 240
Варка меди, мин 120 - 150
Пробивка фурм, розлив меди, очистка горловины, мин 60 - 150
Расход воздуха, тыс. нм3/ч: - в наборе 35 - 40
- на варке меди Свыше 35
Давление в пылевой камере, Па 9,8 - 29,4
Разряжение в газоходах за циклонами, Па 588 - 882
Содержание, %: - меди в штейне 41 - 54
- двуокиси кремния в конвертерном флюсе 62 - 72
- меди в конвертерном шлаке < 5
- двуокиси кремния в конвертерном шлаке 22 - 26
- сернистого ангидрида в товарной точке > 3,5
Температура массы, °С: - 1 период 1200 - 1250
- 2 период 1250 - 1290
- газов перед СЭФ > 300
- газов за дымососами < 450
- воды на сливе из кессонов < 40
Вывод
В настоящем дипломном проекте произведен расчет материальных и тепловых балансов процесса конвертирования по периодам, а также конструктивный расчет и выбор основного и вспомогательного оборудования, свидетельствующий о том, что для достижения заданной годовой производительности по черновой меди необходимо установить четыре стандартных 80-т конвертера.
Предусмотрено ведение процесса на дутье, обогащенном кислородом до 25 %, что позволяет увеличить заданную годовую производительность конвертера за счет дополнительной переработки холодных материалов, кроме того, появляется возможность переработки в конвертере сульфидных медных концентратов.
С целью облегчения труда конвертерщика и снижения расхода дутья предусмотрена установка пневмомеханической фурмовочной машины.
В разделе охраны труда произведен расчет аэрации цеха, разработаны мероприятия по обеспечению безопасных условий труда обслуживающего персонала.
Экономические расчеты показывают высокую эффективность работы спроектированного цеха. Рентабельность составляет 34,38 %, срок окупаемости 2 года 11 месяцев, ориентировочная годовая прибыль предприятия 571000000 тенге.
Омарова Н.С., Омарова А.С., Жалелев Р.З. Изучение равновесного распределения меди в системе медь - высокожелезистый шлак - газовая среда в присутствии сульфата кальция и оксида бора // КИМС, 2002.
Кожахметов С.М. и др. Непрерывный процесс получения черновой меди // Состояние и перспективы научного сотрудничества Казахстана и Израиля: Тр. науч.-практ. конф., г. Алматы, 29-30 мая 2000 г. - Алматы: КАЗГОСИНТИ, 2000.
Оспанов М.Х. и др. Бесшлаковое металлургическое производство черновой меди (бесшлаковая плавка) // Вестн. Жезказган. ун-та им. О.А. Байконурова. - Жезказган, 2000.
Бобров В.М. и др. Способ конвертирования медных штейнов: Пат.5309 KZ, МКИ с 22 В 15/06 // Институт металлургии и обогащения НАЦ по КМПИ РК. - № 960070.1, 2000.
Нечистых Г.А. Особенности процессов износа видов периклазохромитовых огнеупоров в медеплавильных конвертерах // Наука и образование Южного Казахстана. Сер. «Экология. Охрана окруж. среды и рац. использов. природных ресурсов». - 2003.
Орловский Б.Я., Абрамов В.К., Сербинович П.П. Архитектурное проектирование промышленных зданий. - М.: Высшая школа, 1982.
Диомидовский Д.А., Шалыгин Л.М., Гальнбек А.А., Южанинов Н.А. Расчеты пиропроцессов и печей цветной металлургии. - М.: Металлургиздат, 1962.
Злобинский Б.М. Охрана труда в металлургии. - М.: Металлургия, 1975.
Общие правила безопасности для предприятий и организаций металлургической промышленности. - Челябинск: Металлургия, 1988.
Грацерштейн Н.М., Малинова Р.Д. Организация, планирование и управление на предприятиях цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1980.
СТ РГП 38944979-09-2009. Стандарт организации. Система качества. Работы учебные. Общие требования к построению, изложению, оформлению и содержанию текстового и графического материала. - Алматы, КАЗНТУ, 2009. - 49 с.