Автогенная плавка медного концентрата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Тема

Аннотация

В данной курсовой работе исследуется процесс плавки медного концентрата во взвешенном состоянии. В работе описана современная ситуация производства меди, приведена технологическая схема передела в общей схеме производства, технологическая характеристика процесса и непосредственный расчет процесс, включающий вещественный состав, материальный баланс и тепловой баланс плавки.

Введение

Доля России в мировом производстве меди составляет 6%. Около 70% всей российской рафинированной меди идет на экспорт. Этот сегмент мирового рынка был захвачен в 90-е годы прошлого столетия путем отчаянного демпинга, во многом вынужденного, потому как на внутреннем рынке спрос на медь сократился в 6 раз. Уникальный шанс был использован полностью, и второй такой возможности выйти на мировые рынки у России, скорее всего, больше не будет. Мировой рынок потеснился, цена на медь упала. Рафинированная медь как биржевой продукт подвергается постоянным колебаниям цены, что делает российские предприятия зависимыми от мировой конъюнктуры. Удерживают захваченные позиции отечественные металлурги только высоким качеством и чистотой металла.

Российская медная промышленность могла успешно демпинговать все 90-е годы потому, что имела существенный конкурентный ресурс: низкие тарифы на электроэнергию и железнодорожные перевозки. При уравнивании тарифов на энергию и транспорт с мировым уровнем может случиться так, что себестоимость российской рафинированной меди может стать выше биржевой цены, несмотря на дешевую рабочую силу.

Вторая большая проблема российских промышленников - сырьевой голод. Только «Норильский никель» не будет его испытывать до 2050г. Рудная же база Урала за 300 лет эксплуатации выбрана на 70 - 90%. Правительство СССР в 60-80-е годы вместо того, чтобы вкладывать деньги в собственные месторождения, активно развивало горную промышленность Монголии.

В настоящее время контроль над монгольским «Эрденетом» Россией утерян: ее доля в СП составляет 49%. Основные потоки медного концентрата Монголия переориентировала на Китай, который активно развивает собственное медное производство. Разработка богатейшего (20 млн. тонн) Удоканского месторождения (Читинская обл., зона БАМ) под вопросом, потому как на него, кроме Уральской горно-металлургической компании (УГМК) претендует казахская монополия «Казахмыс», контролируемая корейской корпорацией Samsung. «Казахмыс» сырьевого голода не испытывает. Напротив, имеет избыточные рудные запасы в самом Казахстане и договор с Президентом Башкирии на разработку медных месторождений в этой российской республике. Весьма вероятно, что у Samsung большие планы по поглощению уральских медных предприятий, и прямой путь к этому - организацию «сырьевого голода».

Третья проблема - сера. Так распорядился Творец, когда создавал Землю, что на просторах Евразии все загажено серой, даже нефть и газ. В медной руде ее доля может достигать 30%. В Западном полушарии, где руды в два раза беднее по меди, сера отсутствует, поэтому отсутствует и основная головная боль промышленника: куда девать серный ангидрид в огромных количествах. Пока с серой борются путем улавливания ее в серную кислоту. Этот отход производства черновой меди настолько избыточен на просторах СНГ, что российские предприятия еле удерживают рынок от конкурентов. Сами посудите: только Среднеуральский медеплавильный завод за февраль 2003г. произвел 15 тыс. тонн черновой меди и 73 тыс. тонн серной кислоты. В Казахстане дошло до того, что кислоту возят по железной дороге из Джезказгана в Павлодар и нейтрализуют там, просто сливая в старые известняковые катакомбы. Уничтожают, потому что невозможно продать: рынок «забит» серной кислотой на годы вперед. Борьба с серой серьезно повышает себестоимость российской меди.

Четвертая беда - технологическое отставание российских предприятий от ведущих мировых производителей. Только физическая изношенность оборудования на некоторых предприятиях достигает 60%. Не говоря уже о моральном старении производственной базы, возраст которой 65 - 90 лет. Пятая проблема - падение мировых цен. До начала 90-х годов соотношение между производимой медью и ее потреблением было практически равновесным, и этим структура медного рынка существенно отличалась от структуры рынков других цветных металлов. В начале 90-х в отрасли произошел «бархатный» мировой кризис. С одной стороны, из-за замедления темпов роста экономик ведущих стран стали падать и темпы прироста ежегодного потребления меди. С другой - начался активный процесс замещения меди альтернативными материалами. Например, в США сантехнические трубы обычно изготавливают из меди. Однако сейчас становятся популярными трубы из композитного металлопласта, более удобные в монтаже и не менее долговечные, они постепенно вытесняют традиционные. На рынке проводников стекловолокно вытесняет медный кабель. В итоге производство меди стало расти быстрее, чем потребление. Соответственно стали падать цены. А тут еще после развала Советского Союза на мировой рынок обрушился никем не запланированный поток в десятки тысяч тонн металла по демпинговым ценам. Мировой рынок на это отреагировал банкротством мелких производителей и формированием крупных медных холдингов. По прогнозам World Bureau of Metal Statistics, в ближайшие годы производство будет превышать потребление. Крупнейшие производители меди уже сокращают выпуск. В частности, в 2008г. на 170 тыс. тонн меньше произвели австралийская компания ВНР Billiton, на 100 тыс. - чилийский государственный концерн Codelco, и на 200 тыс. - американская компания Phelps Dodge http://www.compromat.ru/page_13596.htm. Основные медедобывающие компании, на долю которых приходится более половины производства рудничной медной продукции мира, - это чилийская Codelco, американская Freeport-McMoRan Copper and Gold Inc., британо-австралийские BHP Billiton Group и Rio Tinto plc, швейцарская Xstrata plc, мексиканская Grupo Mexico, российская ГМК «Норильский никель», британские Anglo American plc, Antofagasta plc и Kazakhmys plc http://www.mineral.ru/Analytics/worldtrend/108/236/index.html. Основные поставки медных концентратов на мировой рынок осуществляют Чили (2258 тыс.т в пересчете на металл в 2008г.), Перу (789 тыс.т), Индонезия (518 тыс.т), Австралия (494,5 тыс.т) и Канада (211,7 тыс.т). Черновой медью торгуют около 30 стран. Из них более 100 тыс.т меди в пересчете на металл экспортируют только две страны: Чили (505,3 тыс.т) и Болгария (139,3 тыс.т). Большая часть рафинированной меди закупается странами Азии (более 43% мирового объема меди, поставленной на мировой рынок в 2007г.), Европы (36%) и Америки (около 15%). Основными импортерами рафинированной меди в 2008г. являлись Китай (19,7%), Германия (11,1%), США (11%), Италия (9,9%) и Тайвань (8,1%). Доля 11 стран, импортировавших в этом году более 200 тыс.т рафинированной меди каждая, превысила 79%. С начала 2009г. медь подорожала более чем в два раза за счет увеличения Китаем импорта сырья для удовлетворения растущих потребностей производственного сектора и создания стратегических запасов. Динамика роста цен на медь в течение текущем году представлена на рис.1. Тем не менее уже во второй половине будущего года стоимость металла, вероятнее всего, восстановится. В первом полугодии 2010г. цены на "красный" металл будут ниже $6 тыс./т. Однако в 2011-2012 гг. материал вновь подорожает до максимума прошлых годов.

Медь получают главным образом пирометаллургическим способом, сущность которого состоит в производстве меди из медных руд, включающем ее обогащение, обжиг, плавку на полупродукт - штейн, выплавку из штейна черновой меди и ее очистку от примесей (рафинирование).

Рис. 1.Стоимость меди на лондонской бирже металлов в 2009г.

Для производства меди применяют медные руды, содержащие 1 - 6% , а также отходы меди и ее сплавов. В рудах медь обычно находится в виде сернистых соединений (, оксидов ( или гидрокарбонатов ().

Перед плавкой медные руды обогащают и получают концентрат. Для уменьшения содержания серы в концентрате его подвергают окислительному обжигу при температуре Полученный концентрат переплавляют в отражательных или электрических печах. При температуре восстанавливаются оксид меди () и высшие оксиды железа. Образующийся оксид меди, реагируя с дает . Сульфиды меди и железа сплавляются и образуют штейн, а расплавленные силикаты железа растворяют другие оксиды и образуют шлак. После этого расплавленный медный штейн заливают в конвертеры и продувают воздухом для окисления сульфидов меди и железа и получения черновой меди. Черновая медь содержит 98,4-99,4% и небольшое количество примесей. Эту медь разливают в изложницы. Черновую медь рафинируют для удаления вредных примесей и газов. Сначала производят огневое рафинирование в отражательных печах. Примеси и другие окисляются кислородом воздуха, подаваемым по стальным трубкам, погруженным в расплавленную черновую медь. Затем удаляют газы, для чего снимают шлак и погружают в медь сырое дерево. Пары воды перемешивают медь и способствуют удалению и других газов. При этом медь окисляется, и для освобождения ее от ванну жидкой меди покрывают древесным углем и погружают в нее деревянные жерди. При сухой перегонке древесины, погруженной в медь, образуются углеводороды, которые восстанавливают

После огневого рафинирования получают медь чистотой 99-99,5%. Из нее отливают чушки для выплавки сплавов меди (бронзы и латуни) или аноды для электролитического рафинирования.

Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой от примесей меди (99,99% ). Электролиз ведут в ваннах, покрытых изнутри винипластом или свинцом. Аноды делают из меди огневого рафинирования, а катоды - из листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор (10-16%) и (10-16%). При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, а на катодах разряжаются ионы меди. Примеси (мышьяк, сурьма, висмут и др.) осаждаются на дно ванны, их удаляют и перерабатывают для извлечения этих металлов. Катоды выгружают, промывают и переплавляют в электропечах.

Гидрометаллургический метод переработки медных руд и концентратов, осуществляемый в промышленности в различных технологических вариантах, включает следующие основные операции: подготовку руды (концентрата) к выщелачиванию, выщелачивание, осаждение извлекаемого металла из раствора в металлическом состоянии или в виде химического соединения. Подготовка рудного сырья к гидрометаллургической переработке включает дробление и измельчение, окислительный, сульфатизиующий, восстановительный обжиг.

Выщелачивание рудных материалов проводят просачиванием раствора через слой руды или концентрата, в чанах с механическим или воздушным перемешиванием при повышенных температурах (до 300) и давлениях.

Для осаждения металлов из растворов после выщелачивания могут быть применены следующие методы: цементация, электролиз с нерастворимыми анодами, восстановление водородом при повышенном давлении (в автоклавах), выпаривание, гидролитическое осаждение.

2. Плавка на штейн

Основной процесс при получении меди пирометаллургическим методом - это плавка на штейн. Основной целью этого процесса является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов - штейна и шлака. При этом ставится задача как можно полнее перевести в штейн медь и ряд других ценных элементов, например благородных металлов, а пустую породу ошлаковать.

Рис. 2. Принципиальная схема пирометаллургического передела меди: плавка на штейн

Плавка на штейн проводят в отражательных, электрических, шахтных печах, конвертерах. Перечисленное выше традиционное аппаратурное оформление характеризуется многочисленными недостатками. Основным их недостатком следуте считать многостадийность переработки, что приводит к размазыванию ценных компонентов по различным продуктам и полупродуктам технологии. Кроме того, существующие пирометаллургические процессы, м в первую очередь рудные плавки, связаны с большими энергетическими затратами и способствует сильному загрязнению окружающей среды. Многие из применяемых процессов можно назвать просто устаревшими, полностью не удовлетворяющими требованиям современности.

В связи с этим медное производство в настоящее время характеризуется внедрением ресурсосберегающих технологий и оборудования - автогенным процессам. Автогенными в металлургическом производстве называют технологические процессы, которые осуществляются за счет внутренних энергетических ресурсов без затрат посторонних источников теплоты. При переработке сульфидного сырья автогенность процесса достигается за счет теплоты экзотермических реакций горения (окисления) сульфидов перерабатываемой шихты и реакций шлакообразования. В качестве окислительного реагента может использоваться воздух, обогащенное кислородом дутье или технологический кислород (95…98% ).

Все автогенные плавки являются совмещенными процессами. Они объединяют в одном металлургическом аппарате процессы обжига, плавки и частично или полностью конвертирование. Это позволяет наиболее рационально и концентрированно (в одном месте) переводить серу шихты в газы. На основе автогенных процессов созданы технологические схемы, обеспечивающие минимальные энергетические затраты и высокую комплексность использования сырья и предотвращающие загрязнение окружающей реды. К настоящему времени предложено большое количество технологических и аппаратурных вариантов автогенных процессов. Среди автогенных процессов, осуществляемых во взвешенном состоянии, наибольшей известностью пользуется кислородно-взвешенная плавка КВП, плавка на подогретом дутье ПВП, кислородно-взвешенная циклонно-электротермическая плавка КИВЦЭТ-процесс. Примерами автогенных плавок, осуществляемых в расплавах могут служить процессы «Уоркра» (Австралия), «Норанда» (Канада), «Мицубиси» (Япония) и плавка в жидкой ванне (СССР). Плавка во взвешенном состоянии на кислородном дутье(факельная). Этот вид плавки применяют в настоящее время только на двух заводах в мире - в Канаде на заводе «Копер-Клиф» и на Алмалыкском ГМК.

Рис. 3. Схема комплекса кислородно-взвешенной (факельной) плавки:

1 - шихтовые бункера; 2 - питатели; 3 - расходометры; 4 - печь; 5 - газоход; 6 - выпускные желоба; 7 - штейновый ковш; 8 - шлаковоз

Отличительной особенностью плавки является для ее осуществления печей с горизонтальным факелом. Возможность использования в этом виде плавки печей с горизонтальным рабочим пространством обусловлена высокой скоростью окисления сульфидов в чистом кислороде и относительно низкой скоростью газовых потоков в печи вследствие небольшого объема образующихся технологических газов.

Печь представляет собой агрегат типа отражательной печи с горелками на обоих торцах печи и центральным отводом газов. Предварительно высушенная шихта подается в струю кислорода горелками, установленными на одной из торцевых стен печи. Штейн отстаивается под слоем шлака, а в шлаковом расплаве протекают реакции взаимодействия сульфидов с оксидами и шлакообразование. Штейн по мере накопления периодически выпускают через шпур. Выпуск шлака осуществляется со стороны обеднительного торца. Отходящие газы направляют на химическое производство.

При сжигании сульфидов в чистом кислороде в факеле развиваются высокие температуры (1550-1600). При этих температурах факела в атмосфере кислорода горение сульфидов протекает очень быстро и уже на расстоянии 0,6-1м горение заканчивается. Окисление каждой сульфидной частицы концентрата протекает самостоятельно вне ее контакта с другой частицей. Важнейшими достоинствами КВП является использование теплоты от сгорания сульфидов, совмещение процессов обжига и плавки, выделение серы в одном агрегате. Наряду с неоспоримыми достоинствами КВП этот процесс имеет ряд принципиальных недостатков: сложная и дорогая подготовка шихты к плавке, высокое содержание меди в отвальных шлаках, высокий пылевынос, недостаточная комплексность использования сырья.

Плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье. Плавка во взвешенном состоянии на подогретом дутье была почти одновременно с КВП осуществлена в промышленном масштабе финской фирмы «Оутукумпу» на заводе «Харьявалта». В настоящее время этот процесс внедрен более чем на 30 предприятиях для переработки медных концентратов. Финскую плавку можно на сегодня считать самым распространенным в промышленности и наиболее технологически и аппартурно отработанным автогенным процессом плавки сульфидных концентратов.

Конструкция печи для плавки во взвешенном состоянии на подогретом дутье достаточно сложна - она сочетает в себе две вертикальные шахты (плавильную и газоход-аптейк) и горизонтальную камеру-отстойник.

Тонкоизмельченная шихта, предварительно высушенная до содержания влаги менее 0,2%, подается через свод плавильной камеры с помощью специальных горелок. Основное назначение горелки - приготовление и подготовка шихтовоздушной смеси для ускорения процесса горения сульфидов. Перемешивание шихты с дутьем достигается разбиванием струи шихты о конусорассекатель и подачей дутья через воздушный патрубок и распределительную решетку.

Вся печь финской плавки выполнена в виде кладки из магнезитового кирпича. В кладку всех элементов печи заложено большое количество водоохлаждаемых элементов, что позволяет значительно удлинить срок службы агрегата. В боковой стене отстойной камеры установлены две медные водоохлаждаемые плиты с отверстиями для выпуска шлака, а в передней торцевой стене - чугунные шпуры для выпуска штейна.

Рис. 4. Общий вид печи взвешенной плавки на воздушном дутье:

1 - вертикальная плавильная шахта; 2 - зона отстаивания; 3 - вертикальный газоход

Печь завода «Тамано» (Япония) в отличие от остальных печей оснащена в отстойной камере электродами для перегрева шлака и его обеденения и смещенным в связи с этим трубчатым водоохлаждаеым газоходом.

Механизм плавления шихты в вертикальном факеле: шихтовоздушная смесь из горелки поступает в раскаленное подсводовое пространство плавильной шахты, где сульфиды воспламеняются. За время падения сульфидные частицы успевают в должной мере окислиться, а легкоплавкие сульфиды и железистые силикаты расплавиться. Процесс начинается с прогревания частиц, которое при малых их размерах протекает достаточно быстро. Когда температура частицы достигнет 550-650, начинают интенсивно протекать реакции диссоциации высших сульфидов - пирита и халькопирита, идущие с поглощением теплоты. Бурно протекающие эндотермические реакции препятствуют прогреву частиц и, пока не удалится избыточная сера, температура частицы существенно не повысится. Горит на этой стадии только элементарная сера. После практически полного завершения диссоциации высших сульфидов начинается быстрое окисление низших сульфидов. Температура материала при этом быстро возрастает, достигая в зависимости от содержания серы в концентрате, кислорода в дутье и температуры дутья 1300-1500. Окисление сульфидов сопровождается образованием больших количеств магнетита, особенно в поверхностных слоях частиц. Переокисление железа до магнетита зависит от степени десульфуризации при плавке. Управление степенью десульфуризации достигается изменением соотношения между количеством подаваемого с дутьем кислорода и количеством вдуваемого концентрата. Степень окисления частиц разного размера различна и не соответствует среднему физическому удалению серы. Из вертикальной шахты падают капли расплава и раскаленные частицы тугоплавких компонентов на поверхность шлаковой ванны, находящейся в отстойной камере печи. В этих условиях процессы формирования шлака и штейна продолжаются и завершаются в ванне печи. К числу важнейших элементарных стадий, протекающих в отстойной камере печи, относятся сульфидирование оксидов ценных металлов, растворение тугоплавких составляющих и формирование шлака конечного состава, восстановление магнетита сульфидами, формирование штейна конечного состава и укрупнение сульфидных частиц, разделение штейна и шлака. Остаточное содержание меди в шлаках составляет около1,5%, что требует обязательного дополнительного обеднения шлака. Практическое полное использование кислорода на процесс горения сульфидов позволяет получать богатые по содержанию газы (13-18%).

Пылевынос при плавке достигает 7-10%. Выделение пыли осуществляется в две стадии: в камере котла и электрофильтре.

Основными достоинствами процесса являются использование тепла сжигания сульфидов и высокое извлечение серы в газы, богатые по содержанию . Главнейшие недостатки процесса: низкая удельная производительность, высокое содержание ценных компонентов в шлаках, необходимость глубокой сушки исходной шихты, большой пылевынос и недостаточная комплексность использования сырья.

Кивцэт - способ переработки сульфидных концентратов, объединяющий в одном агрегате плавку шихты в циклонной камере на техническом кислороде; возгонку цинка из расплава и конденсацию его в жидкий металл, а также одновременное обеднение шлака по меди, свинцу и другим металлам.

Размещено на Allbest.ru

Рис. 5. Схема промышленной кивцэтной установки:

1 - отстойная камера;2 - газоохладительный стояк; 3 - электрофильтр; 4 - шихтовые бункера; 5 - шнек; 6 - плавильный циклон; 7 - перегородка; 8 - бункер для кокса; 9 - электробогреваемый отстойник; 10 - струйный конденсатор цинка; 11 - инерционный пылеуловитель; 12 - скруббер; 13 - камера дожигания паров цинка

В кивцэтном процессе тщательно высушенный до влажности концентрат поступает в циклонную горелку сверху. Технологический кислород с большой скоростью подается в циклон тангенциально. Находящиеся в начальный момент во взвешенном состоянии частицы отбрасываются на стенки циклонной камеры. При горении сульфидов развиваются высокие температуры, шихта плавится, образуя тонкую вращающуюся пленку на внутренней стенке камеры, в которой и протекают основные процессы плавки. Перегретый расплава стекает в отстойную камеру, где происходит разделение штейна и шлака.

Шлаковый расплав по мере накопления в отстойной камере перетекает в электротермическую часть кивцэтного агрегата, где атмосфера носит сильно восстановительный характер, что позволяет отогнать цинк и частично свинец в возгоны, которые направляются в конденсатор.

Газы плавильной зоны после охлаждения и очистки от пыли поступают в сернокислотное производство. Основными достоинствами кивцэтного процесса, полностью распространяющегося и на все другие виды автогенных плавок во взвешенном состоянии, являются: использование теплоты сжигания сульфидов, высокая регулируемая степень десульфуризации и высокое извлечение серы в богатые по содержанию газы. Главнейшие недостатки: относительно низкая удельная производительность, возможность переработки только тонкоизмельченного, практически полностью сухих материалов и высокое содержание извлекаемых металлов в первичных шлаках. Окислительные плавки в расплавах в значительной степени устраняют тмеченные недостатки. Именно поэтому принцип окислительного плавления сульфидного сырья в расплавах следует признать наиболее перспективным направлением развития автогенных процессов. Рассмотрим три процесса, получивших промышленное применение и существенно отличающихся по целому ряду признаков, - «Норанда», «Мицубиси» и плавку Ванюкова. Непрерывная плавка сухих медных концентратов по методу «Норанда» осуществляется в горизонтальном цилиндрическом поворотном аппарате длиной 21,3м и диаметром 5,18м. Дутье, обогащенное кислородом до 37%, вводят через фурмы, расположенные на участке загрузки шихты.

медь автогенный плавка

Размещено на Allbest.ru