 |
Продувка никелевого концентрата кислородом в вертикальном конверторе
|
|
|
|
Требуется определить расход кислорода, состав отходящих газов и тепловой баланс при продувке расплавленного никелевого концентрата в вертикальном конверторе. Состав концентрата: 67% N1; 0,9% Со; 3,2% Fe; 4,6% Сu; 24,3% S.
В настоящее время внедряют технологию получения металлического никеля путем продувки сульфидного никелевого расплава кислородом в вертикальном конверторе с последующей вакуумной обработкой расплава и разливкой металла на аноды. Расплавление никелевого концентрата производится в специальной отражательной печи, отапливаемой природным газом. Продувка сульфидного никелевого расплава ведется до остаточного содержания серы 2–4% и заканчивается при температуре 1600–16500С. Основной реакцией, определяющей процесс, является реакция взаимодействия между сульфидом и закисью никеля:
Ni3S2 + 4NiO ↔ 7Ni + 2SO2.
Полнота протекания этой реакции определяется температурой процесса. Данные по влиянию температуры на конечное содержание серы в никеле приведены ниже.
| t,0C | ||||||||||
| S,% | 26,2 | 22,4 | 17,8 | 14,2 | 9,6 | 6,0 | 4,8 | 3,7 | 2,6 | 2,0 |
РАСЧЕТ РАСХОДА КИСЛОРОДА
Расчет производится на 100 кг расплавленного никелевого концентрата. Первоначально определяем его рациональный состав, принимая, что вся медь связана с серой в форме Cu2S, а остальная сера связана с никелем в форме Ni3S2 Рациональный состав исходного никелевого расплава приведен в таблице 58.
ТАБЛИЦА 58 Рациональный состав исходного никелевого расплава, %
| Компоненты | Ni | Cu | Co | Fe | S | Всего |
| Ni3S2 Cu2S Niмет Coмет Feмет | 64,0 – 3,0 – – | – 4,6 – – – | – – – 0,9 – | – – – – 3,2 | 23,14 1,16 – – – | 87,14 5,76 3,0 0,9 3,2 |
| Итого | 67,0 | 4,6 | 0,9 | 3,2 | 24,3 | 100,00 |
Для расчета можно принять, что извлечение никеля в расплав после кислородной продувки составляет 75%. В такой же мере извлекается кобальт.
|
|
|
Железо извлекается на 50%, а медь на 90%. Содержание никеля в расплаве после кислородной продувки составляет 85%, а серы 2%. Определяем выход расплава после кислородной продувки: 67•0,75/0,85=59,12 кг, в том числе никеля 50,25 кг.
Данные о составе расплава приведены ниже:
| кг | % | кг | % | ||
| Ni Сu Со | 50,25 4,14 0,68 | 85,0 7,0 1,15 | Fe S О2 | 1,60 1,18 1,27 | 2,70 2,0 2,15 |
Для расчета выхода шлака принимаем, что содержание никеля в шлаке составляет 65%. Определяем количество никеля, перешедшего в шлак: 67–50,25=16,75 кг.
Определяем выход шлака: 16,75/0,65=25,77 кг.
Шлак имеет следующие массу и состав:
| кг | % | |
| Ni Cu Co Fe O2 | 16,75 0,46 0,22 1,6 6,74 | 65,0 1,79 0,86 6,20 26,15 |
| Итого | 25,77 | 100,00 |
Шлак в основном состоит из окислов никеля, кобальта, железа и меди. Кислород в расплаве и шлаке определяется по разности и переходит из дутья.
Определяем количество серы, которое окисляется при кислородной продувке сульфидного никелевого расплава: 24,3–1,18=23,12 кг.
При окислении серы до SO2 на 1 г-атом серы (32 ед.) затрачивается 1 моль кислорода (32 ед.). Следовательно, на окисление 23,12 кг серы нужно израсходовать 23,12 кг кислорода. Определяем количество кислорода, которое пошло на окисление серы и перешло в расплав и шлак: 23,12+6,74+1,27=31,13 кг.
При содержании кислорода в дутье 98% и степени его усвоения 90% расход кислорода составит 31,13/(0,98•0,9)=35,29 кг.
Для определения состава отходящих газов принимаем, что с кислородом дутья поступает 2% N, а подсос воздуха составляет 100% от расхода дутья. Тогда количество азота, поступающего с дутьем, составит 35,29–35,29•0,98=0,71 кг. Определяем количество кислорода, которое из дутья перейдет в отходящие газы: (35,29–0,71)•0,1=3,46 кг. Подсос воздуха составляет 35,29 кг. Определяем количество кислорода, поступающего с воздухом: 35,29•0,23=8,11 кг.
|
|
|
Состав и количество отходящих газов приведены ниже:
| кг | м3 | %(объемн) | |
| O2 N2 SO2 | 11,57 27,89 23,12 | 11,57/32•22,4=7,91 27,89/28•22,4=22,57 23,12/64•22,4=8,09 | 19,73 59,29 20,98 |
РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА
Для расчета теплового баланса принимаем, что поступающий на кислородную продувку расплав, имеет температуру 9500С, конечный расплав имеет температуру 16500С, такую же температуру имеет и шлак. Температуру газов на выходе из конвертора можно принять равной 17000С. Теплоемкость никелевого концетрата равна 0,22 ккал/(кг•0С). Тогда тепло никелевого концентрата составит 0,22•950•100=20900 ккал.
В процессе кислородной продувки в конверторе протекают экзотермические реакции
Ni3S2 + 2O2 ↔ 3Ni + 2SO2 + 94 ккал; (1)
Ni3S2 + 7/2O2 ↔ 3NiO + 2SO2 + 268 ккал; (2)
Fe + 1/2O2 ↔ FeO + 64,3 ккал. (3)
Определяем количество образовавшейся закиси никеля. Принимаем, что весь кислород (1,27 кг) в металлическом расплаве связан с никелем. Количество NiO в расплаве 1,27•75/16=5,95 кг.
В шлак перешло 16,75 кг Ni, весь никель шлака находится в форме NiO. Определяем количество NiO в шлаке: 16,75•75/59=21,29 кг. Всего образовалось NiO 5,95+21,29=27,24 кг.
Определяем количество сульфида никеля, которое израсходовано на образование 27,24 кг NiO по реакции (2): 27,24•241/225=29,18 кг. Остальное количество сульфида никеля (87,14–29,18=57,96 кг) израсходовано на образование металлического никеля по реакции (1).
Теперь определяем количество тепла реакции (1): 94•57,96•1000/241=22620 ккал. Далее определяем количество тепла реакции (2): 29,18•268•1000/241=32470 ккал.
В шлак переходит 1,6 кг железа. Определяем количество выделившегося тепла реакции (3): 1,6•64,3•1000/56=180 ккал.
Тепло от окисления меди и кобальта не учитывается из-за их малых количеств. От протекания экзотермических реакций выделится тепла 22620+32470+180=55270 ккал.
Теплоемкость расплава при 16500С равна 0,16 ккал/(кг-0С). Определяем количество тепла, уносимое расплавом: 0,16•1650•59,12=16000 ккал. Теплоемкость шлака при температуре 16500С равна 0,2 ккал/(кг-0С). Определяем количество тепла, уносимое шлаком: 0,2•1650•25,77=8400 ккал. По данным настоящего расчета и таблицы 19 определяем количество тепла, уносимое газами, ккал:
О2 7,91•0,37•1700=4975
N2 22,57•0,35•1700=13429
SO2 8,09•0,57•1700=7838
Итого 26242 ккал
Тепловой баланс конвертора, перерабатывающего расплавленный сульфидный никелевый концентрат, приведен в таблице 59.
|
|
|
Таблица 59 Тепловой баланс процесса продувки никелевого концентрата кислородом в конвекторе
| Приход тепла | Расход тепла | ||||
| статьи баланса | ккал | % | статьи баланса | ккал | % |
| Расплав Экзотермические реакции | 27,5 72,5 | Металл Шлак Газы Потери в окружающую среду | 21,06 11,06 34,53 33,35 | ||
| Итого | Итого |
Примечание. Потери тепла в окружающую среду определяются по разности.
В заключение следует сказать, что невысокое извлечение никеля в металл на операции конвертирования значительно повышается во время вакуумирования расплава. Это объясняется, во-первых, завершением реакции Ni3S2 + 4NiO = 7Ni + 2SO2, по которой на 64 кг S образуется из Ni3S2 234,8 кг Ni. В нашем примере на 1 кг S будет доизвлечено из шлака 1•234,8/64=3,67 кг никеля. Второй причиной доизвлечения никеля является значительное теоретически возможное развитие в вакууме реакции диссоциации NiO = Ni + 1/2O2. Вследствие снижения при 16500С теплового эндотермического эффекта этой реакции в системе шлак–металл оказывается достаточно тепла, чтобы диссоциация закиси никеля за 15–20 мин завершилась нацело. Таким образом, можно получить высокое извлечение никеля. Вакуумирование, кроме того, обеспечивает удаление вредных примесей (свинца, цинка, кадмия и др.).
На практике, чтобы не затягивать операцию вакуумирования, закись никеля из вакуум-ковша, не дожидаясь ее диссоциации, возвращают в конвертор, где она вместе с закисью, оставшейся на стенках конвертора, участвует в образовании металла (Ni3S2 + 4NiO = 7Ni + 2SO2), реагируя с сульфидом никеля из новой порции расплавленного концентрата после необходимого повышения температуры.
Из цикла выводят только небольшое количество железистых шлаков.
|
|
|
