автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Дутьевой режим и условия шлакоудаления при интенсивной автогенной переработке медного никельсодержащего концентрата

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ХАРАКТЕРИСТИКА СЫРЬЯ И СПОСОБЫ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНОГО НИКЕЛЬСОДЕРЖАЩЕГО КОНЦЕНТРАТА.

1.1. Гидрометаллургические способы переработки файнштейна.

1.2. Пирометаллургические методы переработки медного никельсодержащего концентрата.

1.2Л. Переработка медного никельсодержащего концентрата на НГМК.

1.2.2. Переработка медного никельсодержащего концентрата на комбинате "Североникель".

1.2.3. Физико-химические основы переработки медного концентрата от разделения файнштейна.

В России медный концентрат разделения файнштейна перерабатывается на предприятиях НГМК и комбинате «Североникель». Недостатки существующих технологий переработки медного никельсодержащего концентрата привели к поиску новых процессов. Приоритетным направлением переработки такого сульфидного материала является автогенная плавка.

Автогенная переработка медного никельсодержащего концентрата ЦРФ в полунепрерывном режиме, который характеризуется непрерывной подачей шихты с дискретным выводом продуктов процесса (шлак и штейн), позволяет получить стабильный поток отходящих газов, пригодных для утилизации сернистого ангидрида, эффективно использовать тепло экзотермических реакций, автоматизировать процесс.

На комбинате «Североникель» построен комплекс автогенной плавки с использованием твердых флюсов и подачи дутья в стационарный автогенный агрегат через единичную вертикальную фурму. Такой способ подачи дутья не обеспечивает высокоэффективного тепломассопереноса во всем объеме аппарата, т.к. приводит к образованию локального очага физико-химических превращений, сосредоточенных в ограниченной зоне дутьевого кратера. Существование неравномерного температурного и химического полей приводит к высоким вынужденным потерям тепла с элементами охлаждения.

В качестве физико-химической основы предлагаемого в настоящей работе процесса сохранена разработанная институтом «Гипроникель» технология автогенной переработки медного концентрата ЦРФ в стационарном аппарате с получением жидкотекучего шлака, в который выводится часть никеля. Физико-химические обоснования такого процесса в данной работе дополнены подробным анализом теплового баланса с построением его математической модели.

Вместе с тем показано, что в условиях шлакового процесса существенно изменяется картина физического взаимодействия кислородной струи с поверхностью расплава. Полностью подтверждается ранее установленный факт тормозящего воздействия накапливаемого слоя шлака на доступ кислорода к сульфидному слою, а также возникновение вспенивания шлака при вертикальной подаче дутья. Исходя из этого, главное внимание в данной работе уделено условиям подачи дутья в автогенный аппарат. Найдено, что наиболее пригодным для шлакового процесса является подача дутья наклонными струями, распределенными по периферии аппарата. Такие струи препятствуют образованию толстого слоя шлака, обеспечивая его непрерывное удаление, и одновременно обеспечивая интенсивный регулируемый массотеплоперенос во всем объеме расплава.

Таким образом, исследования дутьевого режима, обеспечивающего подвод окислителя к сульфидной массе и перемешивание расплава как фактора, отвечающего за формирование конечных продуктов плавки оптимального состава, а также разработка аппарата автогенной плавки в интенсивном режиме представляют собой актуальную задачу.

Цель работы. Найти оптимальный дутьевой режим, исследовать условия образования и удаления шлаков, подойти к решению проблемы непрерывного автогенного процесса и отвечающего технологическим, энергетическим и экологическим требованиям аппарата.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Пирометаллургическая технология переработки медного концентрата от разделения файнштейна имеет значительный резерв тепловой энергии, который эффективно реализуется за счет увеличения производительности автогенного аппарата.

2. Пространственно-ориентированная подача дутья отвечает принципу наложенных касательных напряжений на поверхность ванны, приводит расплав в цилиндрическом аппарате во вращательное движение и создает регулярный управляемый тепломассообмен с возможностью многократного увеличения удельного расхода дутья.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Объектом диссертационного исследования является процесс пироме-таллургической автогенной переработки медного концентрата от разделения файнштейна с получением в первом периоде жидкотекучего кремнистого шлака, формируемого за счет добавки кварцевого флюса. Принята физико-химическая концепция такого процесса, предложенная институтом «Гипрони-кель». Эта концепция в диссертации дополнена детальной разработкой теплового баланса процесса с построением универсальной математической модели, позволяющей дать оценку роли каждой из статей теплового баланса и оценить возможности рационального воздействия на эти статьи.

2. Показана взаимосвязь внешних теплопотерь и удельной производительности металлургического аппарата. Показано, что фактором, ограничивающим увеличение удельной производительности, является способ подачи дутья. Единичные вертикальные струи, на которые в настоящее время ориентирована новая технология, не обеспечивают управляемого массотеплопереноса в расплаве. Пространственная разобщенность зон теплогенерации и теплообмена приводит к неэффективному использованию химической энергии сульфидного материала, не обеспечивает оптимальных кинетических условий протекания физико-химических превращений в гетерогенной системе.

3. Для осуществления процесса переработки медного концентрата разделения файнштейна в автогенном режиме предлагается принципиально новый пространственно-ориентированный способ подачи дутья, позволяющий максимально совместить в пространстве автогенного агрегата зоны теплогенерации и теплообмена. На холодных моделях и огневых установках показана возможность увеличения удельной дутьевой нагрузки в 6-10 раз по сравнению с непогруженным способом подачи дутья через верхнюю единичную фурму, для которой к тому же характерен большой выброс расплава и явление вспенивания массы.

4. Предложена новая конструкция автогенного агрегата для переработки медного никельсодержащего концентрата на основе использования пространственно-ориентированных струй, создающих вращательное движения расплава во всем объеме аппарата. Помимо значительного увеличения производительности установлена возможность непрерывного удаления шлака за счет отгона его действием дутьевых струй в тангенциально примыкающий канал.

5. Установлен характер тепломассообмена в предлагаемом аппарате струйного вращения под воздействием касательных напряжений, создаваемых кинетической энергией распределенных пространственно-ориентированных струй.

6. Получено математическое описание вращения вязкой несжимаемой жидкости при наложении касательных напряжений, которое в установившемся режиме имеет вид: к-ii-R3 k=lJo(Pk)-Pk ch(Pkh) где Mo - момент относительно оси симметрии, создаваемый распределенными по свободной поверхности касательными напряжениями, Н-м;

R - радиус цилиндра, м;

Ro - радиус приложения касательных напряжений, м; - динамическая вязкость, Па-с;

Рк- нули функции Бесселя.

7. Показана возможность создания устойчивой гарниссажной защиты при регулярном управляемом тепломассопереносе.

8. На основе закономерностей формирования дутьевой струи в аппарате струйного вращения обосновано использование давления дутья не более 8 ати, что отвечает задаче экономии электроэнергии, расходуемой на кислородные компрессоры без потери производительности за счет возможности установки не одной, а нескольких радиально осевых фурм.

9. Разработаны конструкции принципиально новых кислородных и кислородно-топливных фурм, предназначенных для пространственно-ориентированной подачи дутья, а при необходимости - топлива в аппарат струйного вращения.

10. Результаты исследований по созданию автогенного аппарата струйного вращения для переработки МКРФ проверены в укрупненном масштабе на созданной пилотной установке комбината «Североникель» при удельной дутьевой нагрузке до 95 нм3/мин-м3 при отсутствии выбросов расплава и вспенивания шлака.

11. Экономический эффект при производительности 120000 т/год достигается за счет:

- использования дутья от компрессоров КВЦ до 8 ати с учетом расхода дутья 16,5 м3 на 100 кг медного концентрата (по расчету математической модели),

110,4-41,5> 16,5-1200 = 1,4 млн. руб/год

- снижения расхода воды на охлаждение фурменного устройства с 85 до 20 т/час при себестоимости производственной воды 2240 руб/тыс.м1

85-20)2,240 = 145,6 руб/час или 1,2 млн. руб/год

- снижения расхода мазута, тепло от горения (40000кДж/кг) которого расходуется на нагрев воды от 20 до 40°С в фурменном устройстве, при стоимости мазута 2170,7 руб/т.

85-20)4,19-(40-20>2170,7/40000 = 295,6 руб/час или 2,4 млн. руб/год Ожидаемый экономический эффект от внедрения составит 5 млн. рублей в год в расчете на производительность по концентрату 120000 т/год.

1. Сорокин В.Г., Бадер В.И. Способы переработки металлизированной фракции файнштейна, коллектирующей цветные металлы платиновой группы //Бр. ЦНИИЭИЦМ. М.: - 1986. - 34 с.

2. Мироевксий Г.П., Попов И.О., Брюквин В.А., Парецкий В.М. Усовершенствованная технология переработки файнштейна, обеспечивающая повышение извлечения кобальта и металлов платиновой группы// Цветная металлургия. -2001. -№ 2. С.21-23

3. Волков JI.B., Филиппов B.C. // Цветные металлы. 1996. - №5.

4. Ремень Т.Ф., Рябко А.Г., Кострицын В.Н. Способы переработки медно-никелевых файнштейнов. //Бр. ЦНИИцветмет. 1982. - вып.7. - С. 17-22

5. Грейвер Т.Н., Петров Г.В., Вергизова Т.В. Исследование и разработка технологии извлечения благородных металлов из остатков гидрометаллургической переработки никелевого концентрата флотации файнштейна. Отчет по НИР СПбГГИ. 2000. 65 с.

6. Мироевский Т.П. Разработка усовершенствованной технологии переработки медных концентратов на стадиях плавки и получения катодной меди. Афтореф. дис. канд. техн. наук. М., 1999. - 51 с.

7. Ванюков А.В. Плавка в жидкой ванне. М.: МеталлургияД988. - 207 с.

8. Ванюков А.В., Манцевич Н.М., Кириллин И.И. и др. Бюл. Цветная металлургия. -1985.-№12. с.30-32

9. Бочкарев Л.М., Ушаков К.И., Рамазанов М.Г. и др. Металлургия и обогащение руд тяжелых цветных металлов. //Науч. тр. Гинцветмет. М. Металлургия. -1979. -№47. -С.68-82

10. Гречко А.В., Рабичева Л.М., Оглоблин Л.П. и др. Исследование пирометал-лургических процессов производства тяжелых цветных металлов. Науч. тр. Гинцветмет. М. Металлургия. 1984. - С.33-39

11. Купряков Ю.П. Автогенная плавка медных концентратов во взвешенном состоянии. М.: Металлургия, - 1979. - 232 с.

12. Синев Л.А., Борбат В.Ф., Козюра А.И. Плавка сульфидных концентратов во взвешенном состоянии. -М.: Металлургия, 1979. - 150 с.

13. Медная промышленность капиталистических стран. М.: Цветметинфор-мация, - 1962. - С. 140-151

14. J. of Metalls. 1994. - Vol. 11. -№> 8. -Р.61-64

15. Абрамов Н.П., Цемехман Л.Ш., Рыжов О.А. и др. Разработка технологии переработки медных никельсодержащих рудных концентратов до черновой меди. //Цветные металл. 1999. - №11. - С.39-39

16. Костюкович Ф.В., Абрамов Н.П., Сухарев С.В. и др. Освоение печи Ваню-кова для плавки медного концентрата от разделения файнштейна на Норильском ГМК. //Цветные металлы. 1998. - №2. - С.33-35

17. Абрамов Н.П. Разработка научных основ и совершенствование технологии переработки сульфидных концентратов, содержащих медь и никель, с использованием автогенных процессов. Дис. докт. техн. наук. /МИСИС. М., - 2000. -374 с.

18. Мечев В.В. Конвертирование никельсодержащих медных штейнов. М.: Металлургия, - 1973. - 184 с.

19. Технические показатели конвертерных переделов медеплавильных и никелевых зарубежных заводов. М., ЦНИИЭИ ЦМ. - 1981. - 40 с.

20. Гречко А.В., Мечев. В.В., Макарова А.Н. Новое в технологии и аппаратуре конвертирования штейнов. М. ЦНИИЭИ ЦМ. - 1987. - 43 с.

21. Цемехман Л.Ш., Рябко А.Г., Лукашев Л.П. Автогенные процессы в медно-никелевом производстве. //Цветные металлы. 1984. - №8. - С. 19-21

22. Астафьев А.В., Лукашев Л.П., Одинцова В.А. и др. Кислородно-конвертерная технология получения черновой меди. //Сб. науч. тр. института Гипроникель. Л. - 1987. - С. 10-17

23. Ермаков Г.П. Научно технический прогресс на комбинате «Североникель». //Цветные металлы. 1987. - №1. - С.10-12

24. Одинцов В.А., Астафьев А.Ф., Лукашев Л.П., Цемехман Л.Ш., Щечка В.Г.// Цветные металлы. 1982. - №2. - С.31-35

25. Жинусов М.Т., Сухарев С.В., Кожанов АЛ., Калинин Р.А. Поведение компонентов расплава на заключительном этапе конвертирования медных никель-содержащих штейнов. НИИ НГМК. //Цветные металлы. 1995. -№2. -С.13-15

26. Мечев В.В., Быстров В.П., Тарасов А.В. и др. Автогенные процессы цветной металлургии. М.: Металлургия, — 1991. — 413 с.

27. Мироевский Г.П. Разработка научных основ и новых высокоэффективных технологий переработки медных, никелевых и медно-никелевых концентратов, промежуточных и техногенных продуктов. Дис. докт. техн. наук. /Гинцветмет. -М.-2002.-130 с.

28. Шалыгин Л.М., Бумажное Ф.Т. и др. Совершенствование процессов и аппаратов струйно-окислительного типа в технико-экономическом, энергетическом и экологическом отношениях. //Отчет. СПГГИ. 1991. - 55 с.

29. ТЭО «Выбор варианта технологии рафинирования меди на НГМК». СПб. Гипроникель. 1995. - 358 с.

30. Технологический регламент для разработки проекта переработки медного концентрата от флотации файнштейна в медеплавильном цехе комбината "Североникель". Института "Гипроникель". Мончегорск. 1997. - 36 с.

31. Попов И.О., Мироевсий Г.П., Шаньгин О.В., Шкондин М.А. Гидрометаллургическая переработка свернутых никельсодержащих медных шлаков. //Цветные металлы. -2001. №2. - С. 124-126

32. Абрамов Н.П., Ермаков Г.П., Мироевский Г.П., Онищин Б.П., Ежов Е.И. Никелевые предприятия Китайской Народной Демократической Республики. -М.: Дом «Руды и Металлы», 1998. - 80 с.

33. Онищин Б.О., Хуанхуа Хе, Линьсяо Гу, Цемехман Л.Ш., Ермаков Г.П. Освоение автогенной плавки медного концентрата на Тинчуанском медно-никелевом комбинате. //Цветные металлы. 1998. - №1. - С.26-29

34. Мироевский Г.П., Онищин Б.П., Цемехман Л.Ш., Самойленко А.И. Экономическая эффективность внедрения автогенной плавки медного концентрата на АО «Комбинат Североникель». //Цветные Металлы. 1999. - №1. - С.38-40

35. Цемехман Л.Ш., Рябко А.Г., Лукашев Л.П. Автогенная плавка медного и медно-никелевого сульфидного сырья и полупродуктов в агрегатах с верхним кислородным дутьем. //Цветные металлы. 1998. - №2. - С.26-27

36. Фили Н.А., Зыков A.M., Миронов Н.Г. Изучение взаимодействия между сульфидом и закисью никеля в вакууме и атмосфере инертного газа. //Бюл. Металлургия. -1959. -№10. -С.9-17

37. Голеци Ю., Шмидл Ю., Сегналек Ф.// Изв. Вузов. Цветная металлургия. -1964. -№4. -С.76-81

38. Деревцов И.В. Разработка новой технологии непрерывного конвертирования богатых никельсодержащих медных штейнов и концентратов в двухзонной печи Ванюкова. Дис. канд. техн. наук. СПб., 1997. - 147 с.

39. Цепаев И.А. физико-химическое обоснование и разработка процесса плавки сульфидного медного концентрата разделения файнштейна на получерновой металл. Автореф. канд. техн. наук. -М., 2001. -30 с.

40. Гальнбек А.А., Шалыгин Л.М., Шмонин Ю.Б. Расчеты пирометаллургиче-ских процессов и аппаратуры цветной металлургии. -М.: Металлургия, 1990. -447 с.

41. Шалыгин Л.М., Косовцева Т.Р., Салтыкова С.Н. Расчеты пирометаллурги-ческих процессов на основе простых математических моделей. СПб.: СПГГИ, 1996.-65 с.

42. Зобнин Б.Ф., Казяев М.Д., Китаев Б.И., Телегин А.С. и др. Теплотехнические расчеты металлургических печей. -М.: Металлургия, 1982. 360 с.

43. Блатов И.А., Паршуков А.Б. , Деревцов И.В., Желдыбин О.И. Математическая модель процесса конвертирования медно-никелевых штейнов. //Цветные металлы. 1998. - №8. - С.22-25

44. Диомидовский Д.А. Металлургические печи цветной металлургии. М.: Металлургия, 1970. -704 с.

45. Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А. Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов. М.: Металлургиздат, 1963. 592 с.

46. Мищенко К.П., Равдель А.А. Краткий справочник физико-химических величин. -Л.: Химия, 1974. -200 с.

47. Куняшева К.Х., Ларикова М.Г., Линев В.Д., Ремень Т.Ф. Состояние процесса взвешенной плавки фирмы «Оутокумпу» за рубежом. М. ЦНИИЭИ ЦМ. 1982.

48. Кобахидзе В.В. Тепловая работа и конструкции печей цветной металлургии. М.: МИСИС, 1994. - 356 с.

49. Кривандин В.А. Металлургическая теплотехника, т. II. М.: Металлургия, 1986. - 592 с.

50. Гущин С.Н., Телегин А.С. и др. Теплотехника и теплоэнергетика металлургического производства. М.: Металлургия, 1993. - 336 с.

51. Шалыгин Л.М. Конвертерный передел в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1965. - 160 с.

52. Шалыгин Л.М. Воздействие условий подачи дутья на характер тепломассообмена в конвертерной ванне. //Цветные металлы. 1998. - №4. - С.27-30

53. Кобахидзе В.В. «Цветные металлы» и проблемы газопечной теплотехники. //Цветные металлы. 1996. -№12.-С.33-35

54. Шалыгин Л.М. Оценка энерготехнологической эффективности применения кислорода при конвертировании штейнов. //Цветные металлы. 1996. - № 2. -С.12-16

55. Шалыгин Л.М., Бумажное Ф.Т., Белоглазов И.Н. Совершенствование процессов и аппаратов струйно-окислительного типа в технико-экономическом,энергетическом и экологическом отношениях. //Отчет 6/91 Д1158.: СПГГИ. -1992.-63 с.

56. Мастепанов A.M. Топливо-энергетический комплекс России на рубеже веков состояние, проблемы и перспективны развития. - М.: Современные тетради, 2001.-624 с.

57. Гальнбек А.А. Гидроаэромеханика в металлургическом производстве. -СПб.: СПГГИ, 1991,- 131 с.

58. Ефимов J1.M. Некоторые вопросы теории процессов продувки металла кислородом. М.: Металлургиздат, ЦНИИЧМ. - 1957.

59. Баптизманский В.И. Механизм и кинетика процессов в конвертерной ванне. М.: Металлургиздат, 1960. - 283 с.

60. Абрамович Г.И. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, - 1976.

61. Ботук Б.О. Гидравлика. М.: Высшая школа, 1962. - 456 с.

62. Шалыгин JI.M., Бумажное Ф.Т., Салтыкова С.Н. Совершенствование аппаратов струйно-окислительного типа в техническом, энергетическом и экологическом отношениях. //Отчет. СПГГИ. 1993. - 68 с.

63. Баптизманский В.И. Теория кислородно-конвертерного процесса. М.: Металлургия, 1975. 374 с.

64. Казанцев И.Г. Труды Ждановского металлургического института. М.: Металлургиздат, - 1952. - Вып.2. - С. 71-75

65. Казанцев И.Г. Механика газовой струи в бессемеровской ванне. //Сталь. -1940. -№1. С.25-29117

66. Косовцева Т.Р. Тепло-массообменные явления в аппаратах струйно-окислительного типа применительно к конвертированию штейнов. Дис. канд. техн. наук. СПб., 1997. 112 с.

67. Гальнбек А.А. Непрерывное конвертирование штейнов. М.: Металлургия, 1993.-86 с.

68. Таблицы физических величин. Справочник./под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. - 1008 с.

69. Вайсбурд С.Е. Физико-химические свойства и особенности строения сульфидных расплавов. М.: Металлургия, 1996. 304 с.

70. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). М.: Наука, 1977. - 832 с.

71. Янке Е., Эмде Ф., Леш Ф. Специальные функции. М.: Наука, 1983. - 356 с.

72. Тарасов А.В. Развитие технологий цветной металлургии России.//Цветные металлы. 2001. - №6. - С.70-75

73. Диомидовский Д.А. Контроль и автоматизация процессов цветной металлургии. М.: Металлургия, 1965. - 376 с.

74. Косовцева Т.Р. Гидродинамические испытания кислородных фурм новой конструкции на физической модели.//Сб. тр. СПГГИ. 1996. С. 121-123.