Плавка медного концентрата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

КАФЕДРА МЕТАЛЛУРГИИ ЦВЕТНЫХ, РЕДКИХ И БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «ПЛАВКА МЕДНОГО КОНЦЕНТРАТА»

Москва

2009

1. Расчет рационального состава концентрата следующего состава, %:

Cu - 23,20, Fe - 20,00, Zn - 6,20; Pb-3,50; S - 26,55, SiO2 - 3,00, Al2O3 - 1,20, CaO - 1,60, MgO - 1,20.

В концентрате присутствуют следующие минералы: халькопирит (CuFeS2), куприт (Cu2O), галенит (PbS), сфалерит (ZnS), известняк (CaCO3), кремнезем (SiO2), глинозем (Al2O3), магнезит (MgCO3)

Расчет распределения элементов исходного материала по присутствующим в нем минералам

Все расчеты проводим на 100 кг руды. Расчет целесообразно начать с определения количества сфалерита и галенита и содержащихся в нем элементов.

Расчет количества серы в сфалерите:

кг

Масса сфалерита:

кг

Расчет количества серы в галените:

кг

Масса галенита:

кг

Расчет количества меди и серы в халькопирите

По разности определяем количество серы, связанной в халькопирит:

кг

кг

Принимаем кг т.к содержание серы в халькопирите не стехиометрическое.

кг

Масса халькопирита:

кг

Расчет количества меди и кислорода в куприте

Количество меди в куприте определяем по разности между исходным содержанием в руде и её содержанием в халькопирите:

кг

Рассчитываем количество кислорода в куприте:

кг

Масса куприта:

кг

Расчет количества известняка и углекислого газа в нем:

CaCO3 = CaO + CO2

кг

Масса известняка:

кг

Расчет количества магнезита и углекислого газа в нем:

кг

Масса магнезита:

кг

Шлакообразующие окислы при расчете рационального состава на элементы не разлагаются.

Количество прочих компонентов определяем по разности:

кг

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Рациональный состав концентрата в процентах

Минералы	Компоненты
	Cu	Fe	Zn	Pb	S	CaO	MgO	SiO2	CO2	O2	Al2O3	Прочие	Итого:
СuFeS2	22,76	20,00			22,97								65,73
Cu2O	0,44									0,06			0.50
PbS				3,50	0,54								4,04
ZnS			6,20		3,04								9,24
CaCO3						1,60			1,26				2,86
SiO2								3,00					3,00
Al2O3											1,20		1,20
MgCO3							1,20		1,31				2,51
Прочие												10,92	10,92
Итого:	23,20	20,00	6,20	3,50	26,55	1,60	1,20	3,00	2,57	0,06	1,20	10,92	100,00

2. Рассчитать количество и состав штейна, отвального шлака и расход флюсов при плавке данного концентрата в отражательной печи, исходя из следующих условий: - извлечение в штейн меди - 97,6%, цинка - 20%, свинца - 85%, в шлак свинца - 15%, цинка - 40%,

остальной Zn переходит в пыль,

десульфуризация при павке - 50%,

- содержание в шлаке: SiO2 - 30%, CaO - 6,

- 1/15 часть железа в шлаке в форме Fe3O4

- состав флюсов, %:

- кварцевого: SiO2 - 95, FeO - 2, CaO - 1,

- известкового: CaO - 49, SiO2 - 0,5, Al2O3 - 5

Расчет состава штейна

Все расчеты проводим на 100 кг

При степени десульфуризации равной 50% в штейн перейдет: 100-50=50% серы от её исходного количества в концентрате. Следовательно из 100 кг исходного концентрата, содержащего 26,55 кг серы, в штейн перейдет:

кг

По правилу В.Я. Мостовича содержание серы в медных штейнах близко к 25%.

Тогда, приняв содержание серы в штейне равным25%, определяем количество получаемого штейна:

кг

С учетом степени извлечения в штейн перейдет меди:

кг

что составит:

%%

Количество цинка в штейне:

кг или 2,33%

Количество свинца в штейне:

или 5,61%

Медные штейны обязательно содержат кислород в форме растворенного магнетита. По значениям приведенным в приложении 1, путем интерполяции определяем концентрацию кислорода в штейне, содержащем 42,62% меди.

%% или 1,45 кг

Помимо основных компонентов медные штейны обязательно содержат прочие компоненты. Примем содержание прочих в штейне равным 1,50%, тогда их количество составит:

кг

Содержание в штейне железа определяем по разности

%%

или

кг

кг

Результаты расчетов сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Состав и количество штейна

Компоненты	Масса, кг	Содержание, %
Cu	22.64	42.62
Fe	10.73	20.21
Zn	1.24	2.33
Pb	2.98	5.61
S	13.28	25.00
O2	1.45	2.73
прочие	0.80	1.50
Итого:	53.12	100.00

плавка медный концентрат

Расчет количества самоплавкого шлака

Определяем количество железа, находящееся в шлаке. Расчет ведется по разности количества железа, находящегося в концентрате и в штейне.

m(Fe) = 20,00 - 10,73 = 9,27 кг.

По условию 1/15 часть железа в шлаке находится в форме Fe3O4, определяем массу и количество FeO и Fe3O4

Определяем количество железа находящееся в минералах

кг

кг

Определяем массу минералов FeO и Fe3O4

кг

кг

Известно, что 2,40% Cu переходит в шлак в виде Cu2O. Определяем массу Cu2O

кг

кг

Известно, что 40% Zn переходит в шлак в виде ZnO. Определяем массу ZnO

кг

кг

И известно, что 15% Pb переходит в шлак в виде PbO. Определяем массу PbO

кг

кг

Определяем массу прочих компонентов

mпр = 10,92 - 0,80 = 10,12 кг

Результаты расчета сведены в таблицу 3

Таблица 3 - Состав и количество самоплавкого шлака

Компоненты	Масса, кг	Содержание, %
FeO	11,13	33,32
Fe3O4	0,86	2,58
MgO	1,20	3,59
SiO2	3,00	8,98
Al2O3	1,20	3,59
Cu2O	0,63	1,89
ZnO	3,09	9,25
PbO	0,57	1,71
CaO	1,60	4,79
Прочие	10,12	30,30
Итого:	33,40	100,00

Расчет количества флюсов

Определяем количество CO2 содержащегося в CaCO3:

в кварцевом флюсе

кг

в известковом флюсе

кг

Расчет количества флюсов проводим с использованием балансовых уравнений, которые составляются только по тому компоненту, содержание которого должно быть увеличено за счет добавки соответствующего флюса.

Обозначим количество кварцевого флюса через «х», известкового флюса через «у». Тогда масса конечного шлака (mк шл) после добавки флюсов составит:

mк шл = mс шл + mкв ф + mиз ф = 33,40 + 0,616y + 0,992x,

где mс шл=33,40 - вес самоплавкого шлака;

0,616 - суммарная весовая доля шлакообразующих компонентов в известняке;

0,992 - суммарная весовая доля шлакообразующих компонентов в кварце.

Для определения значений х и у составляем 2 балансовых уравнения:

- по кремнезему

3,00+ 0,95x + 0,005y = 0,30 · mк шл

где в левой части уравнения - количество SiO2 поступившего из самоплавкого шлака (3,00), из кварца (0,95х) и известняка (0,005у), а в правой - количество SiO2 в шлаке, полученного умножением общего веса шлака на его процентное содержание;

- по окиси кальция

1,60 + 0,01x + 0,49y = 0,06 · mк шл

Решив эту систему уравнений получаем:

x = 11,35 кг - масса кварца

y = 2,13 кг - масса известняка

Для проверки правильности выполненного расчета составляем сводную таблицу 4 окончательного состава отвального шлака.

Таблица 4 - Состав и количество конечного шлака.

Компоненты	Масса, кг	Содержание, %
FeO	11,13 + 0,02 · 11,35 = 11,36	24,71
Fe3O4	0,86	1,88
MgO	1,20	2,61
SiO2	3 + 0,95 · 11,35 + 0,005 · 2,13 = 13,79	30,00
Al2O3	1.2 + 0,05 · 2,13 = 1,31	2,85
Cu2O	0,63	1,37
ZnO	3,09	6,72
PbO	0,56	1,24
CaO	1,60+ 0,01 · 11,35 + 0,49 · 2,13 = 2,75	6,00
Прочие	10,12 + 0,012 · 11,35 + 0,0705 · 2,13 = 10,41	22,64
Итого:	45,96	100,00

Из расчетов видно, что расчетные концентрации SiO2 и СаО полностью совпадают с заданными. Следовательно, расчет выполнен правильно.

3. Рассчитать горение топлива, количество и состав технологических и отходящих газов в процессе плавки исходя из следующих условий:

вся сера в газах в форме SO2,

коэффициент избытка кислорода - 1.07,

содержание кислорода в техническом кислороде - 96%,

содержание кислорода в дутье - 29%,

влажность концентрата - 5%, флюсов - 8%,

-подсосы воздуха в печь составляют 130% от объема дутья идущего на сжигание природного газа,

расход природного газа на 100 кг шихты - 9 кг,

состав природного газа, % об.: CH4 - 88, С2H2 - 11, N2 - 1.

Расчет количества и состава технологических и отходящих газов в процессе плавки

Расчет ведется на 100 кг сухого концентрата

Рассчитываем количество кислорода необходимого на плавку

кг

Кислород в процессе плавки будет расходоваться на окисление Fe до FeO и Fe3O4; Cu до Сu2O; Zn до ZnO; Pb до PbO; S до SO2

кг

кг

кг

кг

кг

Определяем массу серы в газовой фазе

кг

где mгф - масса газовой фазы;

- масса серы в концентрате.

кг

кг

м3

Рассчитываем количество и состав технологических газов

кг

м3

кг

м3

кг

м3

Результаты расчета сведены в таблицу 5

Таблица 5 - Количество и состав технологических газов.

Компоненты	Масса, кг	Объем, нм3	Объема, %
SO2	26,52	9.27	83,97
CO2	3,48	1,77	16,03
Итого:	30,00	11,04	100,00

Расчет влажности

Влажность концентрата - 5%, флюсов 8%

кг

mвл.к-т=100,00+5,26=105,26кг

кг

м3

Расчет процесса горения топлива

Рассчитываем состав и количество природного газа необходимого на плавку

кг

Таблица 6 - Состав природного газа

Компоненты	% Объемный	Масса, кг	% Весовой
CH4	88,00		81,76
С2H2	11,00		16,61
N2	1,00		1,63
Итого:	100,00	76,93	100,00

кг/м3

м3

м3

м3

м3

Рассчитываем количество О2 необходимое на сжигание природного газа

При расчете пользуемся законом Авогадро.

Тогда по химическим реакциям легко подсчитать объем необходимого кислорода:

CH4+2O2=CO2+2H2O

м3

м3

м3

м3

С2H2+5/2O2=2CO2+H2O

м3

м3

м3

м3

Для сжигания потребуется кислорода:

м3

С учетом коэффициента избытка дутья:

м3

кг

В дутье, обогащенном кислородом до 29%, поступит азота:

м3

кг

Общий объем дутья:

м3

кг

Рассчитываем количество и состав дутья

Количество необходимого количества технического кислорода и воздуха определяем из уравнений:

x+y=99,66

0,96x+0,21y=28,90

где х - объем технического кислорода;

у - объем воздушного дутья.

x=10,63

y=89,03

Кислород и азот распределяются следующим образом:

м3

м3

м3

м3

Таблица 7 - Количество и состав дутья

Компоненты	O2	N2	Всего:
	объем, м3	масса, кг	объем, м3	масса, кг	объем, м3	масса, кг
Технический O2	10,20	14,57	0,43	0,54	10,63	15,11
Воздух	18,70	26,72	70,33	87,97	89,03	114,69
Итого:	28,90	41,29	70,76	88,51	99,66	129,80

Таблица 8 - Количество и состав топочных газов

Компоненты	Масса	Объем
	Кг	%, Весовой	м3	%, Объемный
N2	88,65	63,34	70,89	63,18
O2	2,70	1,93	1,89	1,69
CO2	28,69	20,49	14,60	13,01
H2O	19,94	14,24	24,82	22,12
Итого:	140,00	100,00	112,20	100,00

В газовую фазу также поступает воздух за счет подсосов в количестве:

м3

м3 кг

м3 кг

Расчет свободного кислорода в отходящих газах

кг нм3

Таблица 9 - Состав и количество отходящих газов

Компоненты	Масса	Объем
	кг	%, Весовой	м3	%, Объемный
SO2	26,52	8,16	9,27	3,74
N2	216,68	66,65	173,22	69,83
O2	23,38	7,19	16,37	6,60
CO2	32,17	9,89	16,37	6,60
H2O	26,37	8,11	32,82	13,23
Итого:	325,12	100,00	248,05	100,00

4. Составить материальный баланс плавки с учетом 0,75 % безвозвратных потерь от веса сухой шихты в процессе плавки

Таблица 10 - Материальный баланс без учета безвозвратных потерь , В килограммах

Материалы и продукты	Компоненты
	Cu	Fe	Zn	Pb	S	CaO	MgO	SiO2	C	O2	Al2O3	N2	H2	Прочие	Всего
Поступило
1 Концентрат	23.20	20.00	6.20	3.50	26.55	1.60	1.20	3.00	0.70	6.61	1.20	-	0.58	10.92	105.26
2 Кварцевый флюс	-	0.18	-	-	-	0.11	-	10.78	0.02	0.97	-	-	0.11	0.14	12.31
3 Известковыйфлюс	-	-	-	-	-	1.04	-	0.01	0.22	0.76	0.11	-	0.02	0.15	2.31
4 Воздух	-	-	-	-	-	-	-	-	-	14.57	-	0.54	-	-	15.11
5 Технический O2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	26.72	-	87.97	-	-	114.69
6 Топливо	-	-	-	-	-	-	-	-	7.83	-	-	0.14	2.22		10.19
7 Подсосы	-	-	-	-	-	-	-	-	-	38.87	-	128.03	-	-	166.90
Итого:	23.20	20.18	6.20	3.50	26.55	2.75	1.20	13.79	8.77	88.50	1.31	216.68	2.93	11.21	426.77
Получено
1 Штейн	22.64	10.73	1.24	2.98	13.28	-	-	-	-	1.45	-	-	-	0.80	53.12
2 Шлак	0.56	9.45	2.48	0.52	-	2.75	1.20	13.79	-	3.49	1.31	-	-	10.41	45.96
3 Отходящие газы	-	-	2.48	-	13.27	-	-	-	8.77	83.49	-	216.68	2.93	-	327.62
Итого:	23.2	20.18	6.20	3.50	26.55	2.75	1.20	13.79	8.77	88.43	1.31	216.68	2.93	11.21	426.70
Итого:	23.20	20.18	6.20	3.50	26.55	2.75	1.20	13.79	8.77	8.43	1.31	216.68	2.93	11.21	426.70

Таблица 11 - Материальный баланс с учетом безвозвратных потерь В килограммах

Материалы и продукты	Компоненты
	Cu	Fe	Zn	Pb	S	CaO	MgO	SiO2	C	O2	Al2O3	N2	H2	Прочие	Всего
Поступило
1 Концентрат	23.20	20.00	6.20	3.50	26.55	1.60	1.20	3.00	0.70	6.61	1.20	-	0.58	10.92	105.26
2 Кварцевый флюс	-	0.18	-	-	-	0.11	-	10.78	0.02	0.97	-	-	0.11	0.14	12.31
3 Известковыйфлюс	-	-	-	-	-	1.04	-	0.01	0.22	0.76	0.11	-	0.02	0.15	2.31
4 Воздух	-	-	-	-	-	-	-	-	-	14.57	-	0.54	-	-	15.11
5 Технический O2	-	-	-	-	-	-	-	-	-	26.72	-	87.97	-	-	114.69
6 Топливо	-	-	-	-	-	-	-	-	7.83	-	-	0.14	2.22		10.19
7 Подсосы	-	-	-	-	-	-	-	-	-	38.87	-	128.03	-	-	166.90
Итого:	23.20	20.18	6.20	3.50	26.55	2.75	1.20	13.79	8.77	88.50	1.31	216.68	2.93	11.21	426.77
Получено
1. Штейн	22.47	10.65	1.23	2.96	13.18	-	-	-	-	1.44	-	-	-	0.79	52.72
2. Шлак	0.56	9.38	2.46	0.51	-	2.73	1.19	13.69	-	3.46	1.31	-	-	10.34	45.62
3. Отходящие газы	-	-	2.46	-	13.17	-	-	-	8.70	82.86	-	215.05	2.91	-	325.15
4. Безвозвратные потери	0.17	0.15	0.05	0.03	0.20	0.02	0.01	0.10	0.07	0.67	0.01	1.63	0.02	0.08	3.21
Итого:	23.20	20.18	6.20	3.50	26.55	2.75	1.20	13.79	8.77	8.43	1.31	216.68	2.93	11.21	426.70

5. Разработать и описать безотходную технологическую схему комплексной переработки заданного вида сырья с получением товарной меди и извлечением всех ценных составляющих сырья в самостоятельные продукты

Для осуществления процесса плавки данного концентрата предлагаю использовать двухзонную печь Ванюкова. Плавка ведется в полуавтогенном режиме. Процесс осуществляется в две стадии. В первой основная масса цинка и свинца переводится в шлак, а медь извлекается в штейн; на второй выполняется отгонка цинка, свинца и других летучих компонентов из шлака.

Печь состоит из двух зон, окислительной и восстановительной. В окислительной зоне происходит окисление и расплавление шихты, загружаемой на поверхность расплава. Расплав перетекает в восстановительную зону и затем через шлаковый сифон в миксер, где происходит его накопление. Штейн периодически выпускается из печи через шпуровое отверстие.

Во второй зоне происходит процесс фьюмингования- восстановительная обработка расплавленного шлака при 1200-13000С продувкой смесью воздуха с природным газом. В условиях сильно восстановительной атмосферы, наряду с цинком, уже в начале продувки восстанавливаются и улетучиваются Pb, In и Cd.

Металлический Zn, кипящий при 9070С, при температурах процесса фьюмингования образуется в виде пара. Над поверхностью расплава пары цинка вследствие высокого его сродства к кислороду вновь окисляется не только кислородом, но и углекислым газом.

Таким образом, Zn в результате возгонки переходит в твердофазное состояние. В атмосфере печи также окисляются пары кадмия, свинца и его сульфида. В результате возгоны, представляющие тонко дисперсную пыль, практически полностью состоят из оксидов. Возгоны н

Газы отбираются раздельно из каждой зоны. Из окислительной зоны газы через кессонированный аптейк и футерованный газоход поступают в скруббер испарительного охлаждения, затем сухой электрофильтр, после чего газы идут на производство S, SO2, H2SO4, грубые пыли возвращаются на плавку, т.к. их состав идентичен составу перерабатываемого материала.

Из восстановительной зоны газы и возгоны через кессонированный аптейк поступают в камеру дожигания, далее в скруббер испарительного охлаждения, а затем в циклон для очистки от грубой пыли и из него - в газоохладитель. После охлаждения газы попадают в рукавный фильтр, где улавливаются возгоны; затем, очищенные от возгонов, они идут на производство S, SO2, H2SO4. Возгоны цинка и свинца отправляются на дальнейшую переработку с целью извлечения ценных компонентов.

После плавки шлак идет на электролиз, после чего, полученный штейн отправляют на производство чугуна, а оставшаяся после выделения основной массы железа силикатная часть расплава может быть использована для изготовления каменного литья, получения шлаковаты, шлакоситаллов , низкосортного цемента и других силикатных изделий.

Получаемый в процессе плавки штейн отправляется на конвертирование. В конвертер подаем флюсы и кислородосодержащее дутье. В результате получаем черновую медь, конвертерный шлак пыль и газы.

Пыли и газы поступают в газоход, который снабжен котлом - утилизатором. Полученная пыль из газоходного тракта полностью возвращается на конвертирование, а газы на производство серной кислоты.

Далее черновая медь подается на огневое рафинирование с подачей дутья, восстановителя, топлива и флюсов. Сущность этого процесса заключается в окислительной обработке жидкой меди кислородосодержащим дутьем. Огневое рафинирование позволяет обеспечить очистку Сu от примесей, обладающих большим сродством к кислороду, чем Сu (Fe, Zn, Pb, As, Sb). В результате рафинирования получаем анодную Cu и рафинировочный шлак. Рафинировочный шлак отправляют на конвертирование, а огневую медь отправляют на электролитическое рафинирование.

Анодная медь подвергается электролитическому рафинированию. Сущность этого процесса заключается в анодном растворение меди в водных растворах с последующем осаждением меди на катоде под действием постоянного электрического тока.

Рафинирование позволяет получить медь высокой частоты(=99,9"/о). В результате получаем катодную медь, шлам и электролит.

Периодически часть электролита выводится из процесса и поступает на регенерацию с целью извлечения таких металлов, как As, Sb, Вi, потом снова на электролиз.

Шлам - идет на извлечение редких и благородныx металлов.

Катодная медь - к потребителю.

Приложение 1 - Зависимость содержания кислорода в штейне от содержания в нем меди

Компонент	Содержание, %
Cu	10,00	20,00	30,00	40,00	50,00
O2	6,54	5,33	4,21	3,02	1,90

Размещено на Allbest.ru