Технологический расчет конвертера

3. Технологический расчет

3.1 Исходные данные

Рассчитать конвертер для переработки медного штейна содержащего 28,7 %

Сu, производительностью 397 т/сутки.

Процесс ведется на получение черновой меди, содержащей 98,7 % Сu и не более 0,2 % S.

В качестве кварцевого флюса используется окисленная кремнистая руда, а для поддержания нормального теплового режима процесса в конвертере перерабатываются холодные присадки, являющиеся оборотами медеплавильного завода. Химический состав присадок и флюсов представлен ниже в таблице.

Таблица. Химический состав флюсов и холодных присадок, %
Наименование	Сu	Fe	S	SiO2	CaO	А12О3	прочие
Руда	2,1	3,4	0,3	72,8	1,8	9,4	10,8
Холодные присадки	12,3	44,8	7,6	17,5	2,0	5,0	10,8

3.2 Расчет рационального состава штейна

Для заводских медных штейнов можно принять сумму

Cu₂S+FeS+Fe3O4=97%.

Для штейна, содержащего 28,7 % Сu, методом интерполяции данных находим, что содержание серы будет 24,865 %.

Всю медь принимаем связанной в Cu₂S и находим количество Cu₂S в 100 кг штейна:

кг.

Количество серы в Cu₂S: кг,

остается серы на FeS кг.

С ней связано железа кг.

Всего же количество FeS в штейне кг.

Магнетита Fe3O4 в штейне кг.

В нем находится железа кг.

Количество кислорода, связанного в магнетит кг.

В результате расчетов мы получаем рациональный состав штейна, приведенный в таблице.

Таблица. Рациональный состав медного штейна
Соединения	Всего	Сu	Fe	S	О2	Прочие
Cu2S	35,93	28,70	-	7,23	-	-
FeS	48,35	-	30,71	17,64	-	-
Fe3O4	12,72	-	9,20	-	3,52	-
Прочие	3,00	-	-	-	-	3,00
ВСЕГО:	100,00	28,70	39,91	24,87	3,52	3,00

3.3 Расчет рационального состава кварцевого флюса

Примем, что вся сера, содержащаяся в кремнистой руде, связана с медью и железом в CuFeS_2.

Количество меди в халькопирите: кг.

Железа в халькопирите кг.

Всего количество халькопирита: кг.

Оставшаяся от халькопирита медь в количестве кг связана в

куприт Сu₂О. В куприте находится кислорода кг.

Общее количество куприта рассчитывается как: кг.

Оставшееся от халькопирита железо в количестве кг

связано в лимонит Fe₂O₃*3H₂O.

Количество кислорода, связанного с железом в Fe₂O₃: кг.

Кристаллической влаги в лимоните кг.

Тогда количество лимонита рассчитывается как: кг, а количество Fe₂O₃:

Глинозем примем связанным в каолинит A12O₃*2SiO2*2H₂O.

Кремнезема в каолините будет: кг.

Кристаллической влаги в нем 24,05-11,2-9,5=3,35 кг.

Тогда количество каолинита кг.

Оставшийся от каолинита кремнезем находится в форме кварца в

количестве кг.

СаО примем связанной в известняк СаСОз, тогда углекислоты,

связанной с СаО, будет: кг.

Количество известняка кг.

В результате всех расчетов получаем рациональный состав окисленной кремнистой руды, представленный ниже в таблице.

Таблица. Рациональный состав окисленной кремнистой медной руды
Соединения	Всего	Сu	Fe	S	SiO2	СаО	А12О3	О2	Н2О	Прочие
Сu2О	2,03	1,80	-	-	-	-	-	0,23	-	-
Fe2O3*3H2O	6,01	-	3,14	-	-	-	-	1,35	1,52	-
Al2O3*2SiO2*2H2O	23,75	-	-	-	11,04	-	9,40	-	3,31	-
СаСОз	3,21	-	-	-	-	1,80	-	-	-	1,41
CuFeS2	0,86	0,30	0,26	0,30	-	-	-	-	-	-
SiO2	61,76	-	-	-	61,76	-	-	-	-	-
Прочие	2,38	-	-	-	-	-	-	-	-	2,38
Всего:	100,00	2,10	3,40	0,30	72,80	1,80	9,40	1,58	4,83	3,79

3.4 Расчет состава конвертерного шлака

В основу определения состава конвертерного шлака может быть положен ряд закономерностей, выявленных заводской практикой и исследованиями:

а) содержание меди в конвертерных шлаках колеблется обычно от 1 до 3 %, а кремнезема от 20 до 30 %;

б) содержание магнетита в шлаке зависит от содержания кремнезема;

в) суммарное содержание кремнезема, магнетита и закиси железа в конвертерных шлаках зависит от состава кварцевого флюса и состава холодных оборотов. При использовании чистых кварцитов шлак лучше.

Для упрощения расчетов допускаем, что вся медь в конвертерном шлаке находится в форме Cu₂S. Сульфид железа FeS в шлаке содержится в количестве, пропорциональном содержанию его в штейне. На основании этого принимаем содержание меди в конвертерном шлаке 2,5%, сумма SiO2+Fe3O4+FeO=85%.

Принимаем по графику содержание SiO2 в шлаке 24%, при такой кислотности среднее содержание магнетита 17%.

Находим, что в магнетите в шлаке количество железа кг, а количество кислорода кг.

В FeO в шлаке будет железа кг, а кислорода кг.

Примем, что вся закись железа связана с кремнеземом в фаялит 2FeO*SiO2, тогда количество кремнезема в фаялите на 100 кг шлака находим как:

кг.

Количество фаялита: кг.

Остается свободного кварца кг.

Количество Cu₂S по меди: кг

Серы на образование Cu₂S идет: кг.

Поскольку при продувке штейна в конвертере он постепенно обогащается, а содержание FeS в штейне снижается от начального почти до 0 (в белом матте), расчетное содержание FeS в штейне для определения среднего содержания FeS в конвертерном шлаке примем как среднее этих

пределов: %.

По графику такому содержанию FeS в штейне соответствует 4,4 % FeS в конвертерном шлаке.

Железа в сульфиде кг,

серы кг.

В результате расчетов получаем рациональный состав конвертерного шлака, приведенный ниже в таблице.

Таблица. Рациональный состав конвертерного шлака, кг
Соединения	Всего	Cu	Fe	S	O2	SiO2	Прочие
Cu2S	3,13	2,50	-	0,63	-	-	-
FeS	4,40	-	2,80	1,60	-	-	-
Fe3O4	17,00	-	12,30	-	4,70	-	-
2FeO*SiO2	62,30	-	34,20	-	9,80	18,30	-
SiO2	5,70	-	-	-	-	5,70	-
Прочие	7,47	-	-	-	-	-	7,47
Всего	100,00	2,50	49,30	2,23	14,50	24,00	7,47

3.5 Расчет состава и количества холодных материалов

Холодные присадки являются оборотными материалами самого процесса конвертирования, поэтому имеют разнообразный состав: металлическая медь, сульфиды, разнообразные окислы из конвертерного шлака и флюсов. Примем, что 50 % меди, содержащейся в холодных материалах, находится в металлическом виде, а остальные 50% в форме Cu₂S.

При расчете на 100 кг холодных присадок получим, что в них металлической меди содержится: 6,15 кг и 6,15 кг в виде Cu₂S.

Количество Cu₂S: кг,

в нем серы кг.

Остается серы: кг.

Принимаем, что оставшаяся сера связана с железом в FeS и находим его количество:

кг.

В FeS железа

кг.

Остальное железо находится, в окисленной форме в виде

FeO и Fe₃O₄

Примем, что вся закись Fe связана с кремнеземом в файялит 2FeO*SiO₂. Из рационального состава конвертерного шлака находим, что отношение свободного кремнезема к общему количеству кремнезема составляет примерно 5,60:24,00=1:4. Поскольку кремнезем в холодных материалах в основном присутствует за счет конвертерного шлака, можно считать, что отношение сохранится и для холодных материалов.

Находим количество свободного кремнезема в холодных материалах:

кг.

Количество кремнезема в файялите 2FeO*SiO2: кг.

Количество FeO в файялите: кг.

Количество Fe в FeO: кг, а кислорода в нем кг.

Остается Fe на магнетит: кг.

Количество магнетита: кг, кислорода в нем кг.

В результате всех расчетов получаем рациональный состав холодных присадок, приведенный ниже в таблице.

5 Расчет конвертера

5.1 Пропускная способность конвертера по воздуху

На основании сводного материального баланса находим практический

удельный расход воздуха на 1т штейна:

м³/т.

Пропускная способность конвертера находится из формулы:

м³/мин.

где:

- пропускная способность конвертера по воздуху , м³/мин.;

А - суточная производительность по штейну, т/сутки;

К- коэффициент использования конвертера под дутьем, К = 0,75;

1440 - число минут в сутках.

5.2 Удельная нагрузка фурм конвертера

Удельная нагрузка фурм конвертера находится по формуле:

м³/ см²*мин.

где:

- удельная нагрузка фурм конвертера по воздуху, м³/ см²*мин;

- давление дутья на коллекторе, кг/ см²;

- среднее гидростатическое противодавление ванны, =0,3 кг/ см²;

С - показатель гидравлического сопротивления воздухораспределительной системы конструкции, С = 6,0.

5.3 Площадь сечения работающих фурм:

см².

5.4 Число работающих фурм:

Приняв на основании практических данных диаметр фурменных трубок d = 46 мм, находим необходимое число одновременно работающих фурм:

5.5 Число установленных фурм

С учетом резерва 20% число установленных фурм будет: штук.

5.6 Тип и размеры конвертер

Исходя из найденных значений площади сечения фурм см², диаметра фурм d = 46 мм и числа фурм п_уст = 49, по таблице выбираем стандартный горизонтальный конвертер 3 типа с размерами по кожуху 3,96*9,15 м и емкостью по черновой меди 80т.

5.7 Проверка размеров горловины

Проверяем сечение горловины выбранного конвертера по скорости газов. В соответствии с технологическими расчетами общее количество газов за оба

периода на 1т штейна: м³/т.

Для производительности А = 397 т/сутки находим по формуле секундное количество конвертерных газов при t = 1000С :

м³/сек.

Находим скорость газов в сечении горловины: м/сек,

где: - площадь отверстия горловины, м².

Так как полученное значение скорости газов не превышает пределов, установленных практикой (8-12 м/сек), то стандартные размеры горловины не нуждаются в изменениях.

5.8 Параметры воздуходувной машины и расчет воздухопроводов

Производительность воздуходувной машины с учетом 10 % резерва на восполнение потерь находим по формуле: м³/мин.

Давление дутья на воздуходувке с учетом 20 % резерва находим по формуле:

атм.

Секундное количество воздуха, проходящего по воздуховоду на 1 конвертер при давлении 1,44 атм. и t = 60:

м³/сек.

При скорости воздуха = 20 м/сек диаметр воздухопровода находится по формуле:

м.

5.9 Определение числа операций

При заданной производительности конвертера по горячему штейну А = 397

т/сутки будет получено черновой меди: т/сутки.

При емкости конвертера по черновой меди до 80 т число операций в сутки:

опер/сутки.

6 Тепловой баланс конвертера

Тепловой баланс печи состоит из равных между собой приходной и расходной частей, каждая из которых складывается из ряда статей. То есть это равенство между количеством располагаемой теплоты и суммой использованной или потерянной по разным причинам теплоты.

6.1 Тепловой баланс первого периода

6.1.1 Приход тепла

В расчете конвертера отсутствуют такие статьи теплового баланса, как химическая теплота топлива () и физическая теплота подогрева топлива (), так как не используется топливо.

1) Физическая теплота подогретого воздуха ();

Принимаем температуру подогретого в воздухопроводе воздуха 60.

КВт.

2) Физическая теплота загружаемых материалов - штейна ();

Принимаем температуру заливаемого горячего штейна 1100 .

КВт,

где:- количество штейна, отнесенное к единице времени.

3) Теплота экзотермических реакций ();

- тепловой эффект реакции для сложных веществ.

где: - масса исходного материала, перерабатываемого в единицу времени;

- масса одного моля данного материала.

Тепло реакций окисления железа (расчет по железу):

а) 3Fe + 2О₂ = Fe₃O₄ + 1122,9 КДж/моль;

КВт.

б) Fe + 3/2О₂ = FeO + 265,6;

КВт.

Всего от окисления Fe до Fe₃O₄ и FeO выделяется теплоты:

_КВт.

Тепло реакций окисления серы (расчет по сере):

а) S + О₂ = SO₂ + 297;

КВт.

б) S + 3/2О₂ = SO₃ + 393,4;

КВт.

Всего от окисления серы до SO₂ и SO₃

КВт.

Тепло реакций шлакообразования (расчет по количеству Fe, окисляющегося до FeO):

Количество FeO: 1,05+0,23+29,02=30,3 кг.

2FeO + Si0₂ = 2FeO * SiO₂ + 40,7;

КВт.

Тепло прочих экзотермических реакций (расчет ведется по Cu₂O):

FeS + Cu₂O = FeO + Cu₂S + 85,2;

КВт.

Таким образом, всего приход тепла первого периода конвертирования составляет:

7632,21 + 92180 + 147124,25 + 169959,12 + 11030,5 + 351,52 = 428271,6 КВт.

6.1.2 Расход тепла

1) Тепло, уносимое нагретыми и расплавленными материалами (белый матт) -

для плавильных печей, где:

- тепло, уносимое из печи с металлом в единицу времени;

- тепло, уносимое из печи со шлаком в единицу времени;

- тепло, затрачиваемое на превращения, связанные с плавлением металла.

Принимаем температуру белого матта 1250, а шлака - 1200.

КВт.

КВт.

Эндотермические реакции:

а) FeS = Fe + S - 95,50 (расчет по сульфиду железа, количество его 30,53 кг);

КВт.

б) FeS + 3Fe ₂O₃ = 7FeO + SO₂ - 408,3 (расчет по Fe₂O₃, количество его 1,3 кг);

КВт.

в) Тепло на испарение 1,40 кг влаги кремнистой руды:

КВт.

Всего на эндотермические процессы затрачивается тепла:

КВт.

2) Потери тепла с отходящими газами ():

,

где: - потери тепла с продуктами сгорания;

- потери тепла с технологическими газами, образовавшимися в процессе.

Принимаем температуру газов 1000.

(2,24*10,49 + 3,89*1,76 + 1,48*1,01 + 1,40*77,78 + 1,71*1,73)*1000 = 143689 КВт.

Потери тепла вследствие механического и химического недожога () отсутствуют, так как в конвертере не используется топливо.

3) Потери тепла во внешнюю среду и с внутрипечными побочными теплоприемниками ().

6.2 Тепловой баланс второго периода

6.2.1 Приход тепла:

1) Физическая теплота подогретого воздуха ();

Принимаем температуру подогретого в воздухопроводе воздуха 60.

КВт.

2) Физическая теплота загружаемых материалов - белого матта ();

Она посчитана в первом периоде и составляет КВт.

3) Теплота экзотермических реакций ();

Тепло реакций окисления серы (расчет ведем по сере):

а) S + О₂ = SO₂ + 297;

КВт.

б) S + 3/2О₂ = SO₃ + 393,4;

КВт.

Всего от окисления серы до SO₂ и SO₃

КВт.

Таким образом, всего приход тепла второго периода конвертирования составляет:

2124,59 + 36927,15 + 69358,81 = 108410,55 КВт.

6.2.2 Расход тепла:

1) Тепло, уносимое черновой медью - ;

Принимаем температуру черновой меди 1200.

КВт.

Эндотермические реакции:

Cu₂S_ж = 2 Cu_ж + S - 82,1 (расчет ведется по сере);

КВт.

2) Потери тепла с отходящими газами ():

Принимаем температуру отходящих газов 1200 .

(2,25*4,13 + 3,90*0,83 + 1,48*0,28 + 1,41*21,64)*1200 = 52146 КВт.

3) Потери тепла во внешнюю среду и с внутрипечными побочными теплоприемниками ().