Плавка на подогретом воздушном дутье

 

Концентрат состава: 27,0% Сu, 1,2% Ni, 32,3% S, 34,5% Fe, 1,7% SiO₂, 2,3% Аl₂О₃, 1% CaO+MgO плавят на штейн, содержащий 50% Сu+Ni. Плавка ведется во взвешенном состоянии на подогретом воздушном дутье. Рассчитать тепловой баланс плавки и температуру дутья, обеспечивающую автогенность процесса (расчет ведется на 100 кг концентрата).

Концентрат получен селективной флотацией медно-никелевых сульфидных руд на одной из обогатительных фабрик СССР. Его рациональный состав приведен в таблице 31.

 

ТАБЛИЦА 31. Рациональный состав медного концентрата, %

Минералы	Cu	Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO MgO	Всего
CuFe1,15S2 NiFe1,2S2 Fe12S13 Пустая порода	27,0 – – –	– 1,2 – –	27,3 1,37 5,83 –	27,3 1,3 3,7 –	– – – 1,7	– – – 2,3	– – – 1,0	81,60 3,87 9,53 5,00
Итого	27,0	1,2	34,5	32,3	1,7	2,3	1,0

 

В качестве кремнистого флюса используют песчаники следующего химического состава: 5,3% FeO, 75% SiO₂, 13,5% А1₂О₃, 5,2% CaO, 1% прочие.

Для расчета материального баланса плавки определим выход и состав штейна. По данным отечественных и зарубежных предприятий, извлечение металлов в штейн для этого вида плавки в зависимости от качества концентратов находится в пределах 97,0–98,0%. Учитывая высокое содержание металлов в концентрате, принимаем извлечение металлов в штейн для нашего случая равным 98,0%. Всего в штейн перейдет (27,0+1,2) 0,98=27,6 кг (Сu+Ni). Масса штейна при 50%-ном содержании металлов составит 27,6/0,5=55,2 кг.

По данным Б.П. Недведецкого, в штейнах с 50% металла содержится 2% О₂ и 23,7% S. В этом случае содержание железа в штейне составит 100–(50+2+23,7)=24,3%. В указанном количестве штейна содержится 27,6 кг (Сu+Ni), 13,4 кг Fe, 13,1 кг S и 1,1 кг О₂. Перейдет железа в шлак 34,5–13,4=21,1 кг.

Определив состав и количество штейна, переходим к расчету количества кварца, необходимого для получения шлака. Расчет ведем на получение шлака, содержащего 30% SiO₂, что характерно для автогенных плавок. Примем, что X – общая масса шлака, кг; Y – масса загружаемого песчаника, кг.

Составляющие песчаника указанного выше состава, переходят в шлак целиком. Тогда общая масса шлака будет, кг:

X=Y+21,1•71,85/55,85+1,7+3,3,

где 21,1•71,85/55,85 – масса FeO, образовавшаяся из железа концентрата, перешедшего в шлак;

1,7 – количество SiO₂ в концентрате;

3,3 – количество А1₂О₃+СаО+MgO в них.

Второе уравнение получим из баланса 0,30Х=1,7+Y0,75. Решая его, находим X=49,7 кг, Y=17,6 кг.

Результат проверяем подсчетом количества и состава шлака:

		кг	%
FeO SiO2 Al2O3 CaO+MgO Прочие	27,1+17,6•0,053= 1,7+17,6•0,75= 2,3+17,6•0,135= 1,0+17,6•0,052=	28,0 14,9 4,7 1,9 0,2	56,4 30,0 9,4 3,8 0,4
	Итого	49,7

 

Практика работы предприятий, применяющих финскую плавку, показывает, что содержание металлов в шлаках колеблется в пределах 0,6–1,2%. Для данного расчета примем содержание металлов и серы в шлаках равным 0,6 и 0,8% соответственно.

С учетом меди и никеля реальный состав шлака будет следующим: 55,7% FeO; 29,6% SiO₂; 9,5% А1₂О₃; 3,8% СаО; 0,6% Сu+Ni; 0,8% S.

Такие шлаки не являются отвальными, их подвергают дальнейшей переработке в электроотстойниках или флотацией на обогатительных фабриках вместе с конверторными шлаками, которые в автогенную плавку, как правило, не возвращают.

Для расчета состава и количества отходящих газов примем, что весь кислород, необходимый для осуществления реакций, поступает с подогретым дутьем. При этом необходимо учитывать, что на практике имеются неорганизованные подсосы холодного воздуха, количество которого в зависимости от конструкции печи и вида транспортировки шихты в горелки может колебаться от 2 до 6%.

При содержании в шихте 1% влаги в печь поступит ее (100+17,6)/0,99–(100+17,6)=1,2 кг. С учетом содержания серы в штейне и шлаке ее перейдет в газы 32,3–13,1–0,4=18,80 кг, что составляет 37,6 кг SO₂.

На окисление железа, переходящего в шлак, расход кислорода составит 27,1–21,1=6 кг. Общая потребность кислорода на плавку 100 кг концентрата будет, кг:

На окисление серы 18,80

На окисление железа 6,0

Переходит в штейн 1,10

Вместе с кислородом в печь поступит азота 25,9/0,23•0,77=86,7 кг.

Состав и количество получаемых газов:

	кг	м3	% (объемн)
SO2	37,6	13,2	15,8
N2	86,7	69,1	82,4
Н2О	1,2	1,5	1,8

Полученные данные сводим в таблицу 32 материального баланса. На основании данных материального баланса осуществим расчет теплового баланса плавки.

 

 

ТАБЛИЦА 32. Материальный баланс плавки концентрата на подогретом воздушном дутье, кг

Материалы баланса	Всего	В том числе
Cu+Ni	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO+ MgO	O2	N2	H2O
Загружено: концентрата песчаника воздуха	101,0 17,6 112,6	28,2 – –	34,5 0,7 –	32,3 – –	1,7 13,2 –	2,3 2,4 –	1,0 0,9 –	– 0,2 25,9	– – 86,7	1,0 0,2 –
Всего	231,2	28,2	35,2	32,3	14,3	4,7	1,9	26,1	86,7	1,2
Получено: штейна шлака газов	55,2 50,2 125,8	27,6 0,3 0,3	13,4 21,8 –	13,1 0,4 18,80	– 14,9 –	– 4,7 –	– 1,9 –	1,1 6,2 18,80	– – 86,7	– – 1,2
Всего	231,2	28,2	35,2	32,3	14,9	4,7	1,9	26,1	86,7	1,2

Примечание. После выбора конструкции печи и горелок следует учесть избыток воздуха (подсос) 2–6% в таблице 32 и 33.

 

Приход тепла

1. Окисление сернистого железа. Количество железа, окисленного до FeO, в шлаке равно 21,1 кг. По реакции

2FeS+3О₂ = 2FeO + 2SО₂ +112440 ккал

на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 112440/55,85=2013 ккал. При окислении 21,1 кг Fe из FeS до FeO получим 21,1•2013=42480 ккал. Количество железа, окисленного до Fe₃O₄, в штейне составляет 167,55/64•1,1=2,8 кг. По реакции:

3FeS + 5О₂ = Fe₃O₄ + 3SO₂ +411640 ккал

на 1 кг окисленного железа выделяется тепла 411640/3•55,85=2459 ккал. При окислении FeS до Fe₃O₄ выделится 2,8•2459=6885 ккал. Всего при окислении сернистого железа выделится тепла 42980+6885=49365 ккал.

2. Окисление серы. Всего в газы переходит серы 18,80 кг, в том числе от окисления FeS до FeO 21,1•32/55,85=12,1 кг, от окисления FeS до Fe₃O₄ 2,8•32/55,85=1,60 кг.

Количество серы от диссоциации составит 18,80–12,1–1,60=5,1 кг. На основании рационального состава концентрата, произведем проверку этого количества серы.

Свободная сера будет выделяться при диссоциации смеси халькопирита и кубанита по реакции

2CuFe_{1, 15}S₂→Cu₂S + 2,3FeS+ 0,7S.

При этом количество диссоциированной серы составит 27,3•0,7/4=4,78 кг. От диссоциации пентландита по реакции

3NiFe_{1, 2}S₂→Ni₃S₂+3,6FeS + 0,4S

выделится 1,3•0,4/6=0,09 кг серы, а от диссоциации пирротина по реакции

Fe₁₀S₁₁→10FeS +S

выделится 2,7•1/11=0,34 кг. Всего получим серы 4,78+0,09+0,34=5,21 кг, что соответствует точности расчета.

Количество тепла, выделяющегося при окислении 1 кг серы по реакции

S + О₂ = SO₂ + 70940 ккал,

равно 70940/32=2217 ккал. Всего тепла от горения серы 5,1•2217=11306 ккал.

3. Ошлакование закиси, железа. Тепло от ошлакования железа определим по реакции

2FeO + SiO₂ = 2FeO•SiO₂ +7000 ккал.

На 1 кг железа выделится тепла 7000/2•55,85=62,7 ккал. Всего тепла от ошлакования железа выделится 21,8•62,7=1367 ккал.

4. Ошлакование окиси кальция. По реакции

CaO +SiO₂ = CaO•SiO₂ +21500 ккал

на 1 кг СаО выделится тепла 21500/56=384 ккал, а всего 1,9•384=730,0 ккал.

Таким образом, от экзотермических реакций поступит тепла

49365+11306+1367+730=62768 ккал.

5. Физическое тепло шихты при 25⁰С составит 118,6•0,22•25=653 ккал, а весь приход тепла составит 62768+653=63421 ккал.

 

Расход тепла

Принимая, как и ранее, расход тепла на диссоциацию 1 моля серы равным 20 ккал, получаем весь расход на образование 5,2 кг серы равным (5200/32)•20=3250 ккал. Количество тепла, затрачиваемое на разложение 1 кмоля СаСО₃, равно 42500 ккал.

На 1 кг СаО расходуется 42500/56=766 ккал. Расход тепла на разложение СаСО₃ равен 766•1,9=1455 ккал. Всего расход тепла на эндотермические реакции составит 3250+1455=4705 ккал.

Тепло, выделяющееся при плавлении-окислении 1 кг концентрата, равно (63421–4705)/100=593 ккал, а при плавлении 1 кг шихты – соответственно 593/1,183=502 ккал.

Определим расход тепла. При нормальном ведении процесса температура продуктов плавки, т. е. штейна, шлака и отходящих газов, составит 1150, 1250 и 1300⁰С соответственно.

При этом расход тепла с продуктами плавки составит, ккал:

Со штейном 55,2•0,22•1150=13961

Со шлаком 50,2•0,29•1250=18270

С отходящими газами:

с SO₂ 13,20•715,3=9442

с N₂ 69,4•444,9=30843

с Н₂О 1,5•555,7=834

Всего расход тепла со всеми продуктами плавки равен 73350 ккал.

Примем, что потери тепла через кладку составляют 4,5% от прихода тепла. Тогда общий расход тепла составит 73350/0,955=76810 ккал.

С воздухом требуется ввести тепла 76810–59998=16812 ккал. Энтальпия 1 м³ воздуха в этом случае будет 16812/87,5=192,10 ккал. По таблице 25 это соответствует температуре нагрева, равной 616⁰С. Полученные результаты расчета сведем в таблицу 33.

 

 

ТАБЛИЦА 33 Тепловой баланс автогенной (финской) плавки

Приход тепла	Расход тепла
Статьи баланса	ккал	%	Статьи баланса	ккал	%
Химические реакции Шихта Дутье		77,3 0,9 21,8	Штейн Шлак Отходящие газы Потери через кладку		18,2 23,8 53,5 4,5
Итого			Итого

 

⇐ Предыдущая567891011121314Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: