Вводная часть 1 страница

Конвертирование медно-никелевого штейна

Технологическая инструкция

ТИ 2- 48200234- 47.1-03-2012

(взамен ТИ 2- 48200234- 47.1-03-2009)

Дата введения – «___»_ _ _______ 2012 г.

	Разработана
	Главный инженер ПЦ     __________________ О.И. Климук   Начальник ППКУ ПЦ     __________________ Ю.Г. Ураков
	Старший мастер ППКУ ПЦ     __________________ Д.С. Бейлинсон

пл. Никель

СОДЕРЖАНИЕ

Технологическая инструкция. 1

1 Вводная часть. 2

2 Теоретические основы процесса. 6

2.1 Сущность процесса конвертирования. 6

2.2 Физико-химические и термодинамические закономерности процесса конвертирования. 8

2.3 Режим дутья при конвертировании. 11

2.4 Пропускная способность фурм.. 11

2.5 Работа струи дутья в расплаве, гидродинамика и теплообмен в конвертерной ванне. 13

2.6 Влияние технологических параметров конвертирования на извлечение цветных металлов. 15

3 Практика конвертирования медно-никелевых штейнов. 16

3.1 Характеристика сырья и материалов. 16

3.2 Характеристика продуктов конвертирования. 17

3.2.1. Файнштейн. 17

3.2.2. Конвертерный шлак. 18

3.2.3. Конвертерные газы.. 20

3.2.4. Пыль. 21

3.3 Расход кварцевого флюса и холодных оборотов. 21

3.3.1 Расход кварцевого флюса. 21

3.3.2 Расход холодных оборотов. 22

4 Характеристика основного оборудования. 23

4.1 Конструкция конвертера. 23

4.1.1 Кожух (корпус) конвертера. 23

4.1.2 Футеровка конвертера. 26

4.1.3 Привод конвертера. 26

4.2 Воздухоподводящая система. 28

4.3 Газоходная система конвертеров. 31

4.4 Управление механизмами конвертера и проверка блокировочных (защитных) устройств. 36

4.5 Ремонт конвертера. 38

5 Порядок ведения процесса конвертирования. 41

5.1. Зарядка конвертера. 41

5.2. Период набора массы.. 42

5.3. Варка файнштейна. 44

5.4. Разливка и охлаждение файнштейна. 46

5.5. Распределение конвертерного газа между УПСК и сбросом в дымовую трубу № 3. 47

6 Требования охраны труда и промышленной безопасности. 48

7 Характеристика готовой продукции. 49

8 Охрана окружающей среды.. 50

9 Методы мониторинга и метрологическое обеспечение технологического процесса. 50

9.1. Режимная карта процесса: 52

10 Действия в случае отклонений в ходе технологического процесса. 55

11 Электроснабжение. 65

12 Водоснабжение. 65

13 Ссылочные нормативные документы*. 65

Лист ознакомления исполнителей. 67

Лист регистрации изменений. 68

Вводная часть

1.1 Настоящая технологическая инструкция распространяется на процесс конвертирования медно-никелевых штейнов в конвертерах №№ 4-8 плавильно - конвертерного участка плавильного цеха.

Инструкция содержит краткие теоретические основы и порядок ведения процесса конвертирования, характеристики основного и вспомогательного оборудования.

1.2 Положения, указания и правила, изложенные в настоящей инструкции, являются обязательными для исполнения всем персоналом плавильно - конвертерного участка.

1.3. Плавильно - конвертерный участок является частью плавильного цеха и территориально расположен в новой части цеха.

Конвертера №№ 4-8 и три разливочных поля расположены в осях 15-63 и рядах С-Т.

Схема участка приведена на рисунках 1 и 2.

1.4 В строй действующие конвертера были введены: конвертеры № 4 и № 5 в 1962 году, № 6 – в 1967 г., конвертер № 7 в 1973 году, конвертер № 8 в 1981 году. Проект установки конвертеров выполнен институтом "Гипроникель" и ВНИИЭТО.

1.5 Технологическая схема конвертирования медно-никелевого штейна приведена на рисунке 3.

Рисунок 1 - Поперечный разрез плавильного цеха

Рисунок 2 – Схема плавильно - конвертерного участка

2 Теоретические основы процесса

2.1 Сущность процесса конвертирования

Конвертеры – агрегаты, в которых перерабатывается медно-никелевый штейн, поступающий из рудно-термических электропечей (РТП-3 и РТП-4).

Штейн рудной электроплавки содержит:

Ni – от 12 % до 22 %, Cu – от 6 % до 12 %, Co – от 0,6 % до 0,8 %, Fe – от 38 % до 48 %, S – от 24 % до 28 %.

Целью процесса конвертирования является получение файнштейна с содержанием железа не более 3,7 %. В файнштейн с возможной полнотой должны быть извлечены никель, медь, кобальт и драгоценные металлы (платина Pt, палладий Pd, рутений Ru, родий Rh, иридий Ir, золото Au, серебро Ag).

Технологическая схема процесса конвертирования медно-никелевого штейна показана на рисунке 3.

Снижение содержания железа в штейне достигается за счет продувки сжатого воздуха через слой расплавленного штейна, залитого в конвертер. При продувке штейна происходит окисление сульфида железа кислородом воздуха по реакции:

FeS + 1,5O₂ = FeO + SO₂ + 473470 кДж (1)

Образовавшаяся закись железа нерастворима в штейне. Поэтому она всплывает на поверхность ванны и соединяется с загруженным в конвертер кремнеземом, образуя расплав, содержащий окисленные формы металлов связанные с двуокисью кремния (далее конвертерный шлак):

2FeO + SiO₂ = 2FeO x SiO₂ + 92599 кДж (2)

Окисление сульфида железа и шлакование полученной закиси железа можно представить одной суммарной реакцией:

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeО x SiO₂ + 2SO₂ + 1039958 кДж (3)

Процесс окисления сульфида железа сопровождается значительным выделением тепла. Этого тепла с избытком хватает, чтобы вести процесс конвертирования.

Более того, приходится принимать меры к снижению температуры процесса конвертирования, загружая в конвертер различные холодные присадки (шлаковые корки, застывший штейн, привозные материалы и др.).

Наряду с протеканием реакции (2) некоторая часть закиси железа при взаимодействии с кремнеземом может подвергаться воздействию кислорода дутья и окисляться до магнетита Fe₃O₄ по реакции:

6FeO + O₂ = 2Fe₃O₄ + 611740 кДж (4)

Магнетит, растворяясь в конвертерном шлаке, ухудшает его свойства, повышая вязкость, температуру плавления, удельный вес, снижая поверхностное напряжение на границе штейн – конвертерный шлак.

Протекание реакции (4) определяется температурными условиями продувки штейна, которые, в свою очередь, находятся в прямой зависимости от количества воздуха, подаваемого в конвертер в единицу времени.

	Воздух

1-1;

Конвертирование

ПУПСиШ

1-2

5-1 6-1; 6-2

Пыль, газ

Файнштейн

Конвертерный шлак

Чистые газы

6-3

Сернокислотное производство

Дымовая

H₂SO₄ труба № 3

Рисунок 3 - Технологическая схема процесса конвертирования медно-никелевого штейна

Примечание к рисунку 3: 1-1, 1-2 и т.д. – точки контроля продуктов конвертирования (смотри таблицу 12).

Реакция (2) шлакования закиси железа кремнеземом протекает значительно труднее и для ее интенсификации требуется температура более 1230 ^оС. После зарядки конвертера штейном температура ванны не превышает 1150 ^оС. С пуском конвертера под дутье образовавшаяся по реакции (1) закись железа будет окисляться до магнетита по реакции (4). При этом выделяется дополнительное количество тепла и происходит разогрев ванны конвертера.

Лишь после подъема температуры ванны конвертера более 1230 ^оС создаются благоприятные условия для образования фаялита 2FeO х SiO₂ по реакции (3).

С повышением температуры более 1230 ^оС магнетит, пришедший в конвертер со штейном и накопившийся при холодном ходе конвертера, взаимодействует с сульфидом железа и шлакуется согласно реакции:

3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5 (2FeO x SiO₂) + SO₂ (5)

Конвертерный шлак, содержащий от 1,0 % до 4,5 % Ni; от 0,5 % до 3,0 % Cu; от 0,2 % до 0,7 % Сo; от 42 % до 49 % Fe; от 15 % до 24 % SiO₂, периодически сливается из конвертера в ковши и передается на переработку в рудно-термические электропечи.

По мере окисления железа происходит постепенное обогащение конвертерной массы сульфидами никеля, меди, кобальта. Продувку заканчивают, когда в массе остается от 2,5 % до 3,7 % железа. В результате почти полного перевода железа в конвертерный шлак получается сплав сульфидов никеля Ni₃S_2, меди Cu₂S, кобальта CoS, железа FeS. Этот сплав называется файнштейном. Он является конечным продуктом конвертирования. Файнштейн разливают в изложницы вместимостью 14-18 т и 25-28 т, охлаждают не менее 56 и 72 часов соответственно и в виде слитков отправляют на дальнейшую переработку в рафинировочный цех (пл. Мончегорск).

Кроме файнштейна и конвертерного шлака продуктами конвертирования являются конвертерные газы, содержащие сернистый ангидрид (SO₂) и уносящие из конвертера значительное количество пыли. Конвертерная пыль, уловленная в пылевой камере, газоходной системе, электрофильтрах, является оборотным продуктом и возвращается в конвертеры (грубая пыль) или электропечи (тонкая пыль).

Конвертерные газы с содержанием от 1,0 % до 3,4 % SO₂ направляются на участок производства серной кислоты (УПСК).

2.2 Физико-химические и термодинамические закономерности процесса конвертирования

Расплавленный штейн, залитый в конвертер при температуре от 1150 ^оС до 1200 ^оС, подвергается действию кислорода воздушного дутья, которое подается через фурмы, погруженные в слой штейна на глубину от 0,60 до 0,70 м.

Кварцевый флюс (пески кварцевые и кварциты) загружается через горловину и попадает на поверхность расплава.

В ванне работающего конвертера отчетливо различают:

- Зону интенсивного окисления штейна, расположенную на участке, примыкающем к фурмам;

- Зону шлакообразования (в поверхностных слоях конвертерной ванны);

- Зону протекания реакции обменного взаимодействия между продуктами первичного окисления и компонентами исходного штейна. Это зона – зона энергичного перемешивания всего объема, расплава, которое происходит за счет кинетической энергии дутьевых струй и сил всплытия газовых потоков.

На рисунке 4 приведена схема размещения зон физико-механических процессов в конвертере.

Рассмотрим последовательность протекания основных реакций процесса конвертирования медно-никелевых штейнов.

Один из разделов химии – термодинамика – дает возможность рассчитать предпочтительно вероятность протекания одной реакции по сравнению с другой. Для этого следует определить величину убыли стандартного изобарно-термодинамического потенциала ^Z^о. Чем выше абсолютное отрицательное значение ^Z^о (со знаком минус), тем большая вероятность протекания данной реакции. Положительное значение ^Z^о означает, что данная реакция не осуществима.

Рисунок 4 - Размещение зон физико-механических процессов в конвертере

1. Зона интенсивного окисления штейна;

2. Зона шлакообразования;

3. Зона протекания реакции обменного взаимодействия между продуктами первичного окисления и компонентами исходного штейна;

4. Конвертер;

5. Напыльник.

Таблица 1 - Значения изменений стандартных изобарных потенциалов основных реакций конвертирования медно-никелевых штейнов

№ пп	Уравнения реакций	t =1200 ^оС	t =1400 ^оС
кал	Дж	кал	Дж
	1 Реакции окисления
1.	2/7 Ni3S2 + O2 = 6/7 NiO + 4/7 SO2	-60550	-252294	-56561	-235670
2.	2/3 Cu2S + O2 = 2/3 Cu2O + 2/3 SO2	-40081	-167700	-37141	-155400
3.	2/3 CoS + O2 =2/3CoO + 2/3 SO2	-65233	-271805	-62498	-260409
4.	2/3 FeS + O2 = 2/3 FeO + 2/3 SO2	-55608	-231700	-521700	-217375
5.	3/5 FeS + O2 = 1/5 Fe3O4 + 3/5 SO2	-56991	-237462	-52815	-220062
6.	2 Fe + O2 = 2 FeO	-80333	-334720	-75312	-292880
7.	3/2 Fe + O2 = 1/2 Fe3O4	-79330	-330540	-70291
8.	6 FeO + O2 = 2 Fe3O4
	2 Реакции обменного взаимодействия
9.	9/7 NiO + FeS = 3/7 Ni3S2 + FeO + 1/7 SO2	-5555	-23144	-5515	-22978
10.	CuO + FeS = Cu2S + FeS	-24958	-104424	-26232	-109755
11.	CoO + FeS = CoS + FeO	-24779	-103675	-30449	-127399
12.	2/3 Cu2S + 2/7 Ni3S2 + 2/21 SO2 = 2/3 Cu2S + 6/7 NiO	-20469	-85642	-19420	-81253
13.	2/3 CoO + 2/7 Ni3S2 + 2/21 SO2 = 2/3 CoS + 6/7 NiO	+4683	+19594	+5937	+24840
13a.	CoO + Ni = NiO + Co	+7000	+29288	+9000	+37656
	3 Реакции восстановления и шлакообразования
14.	3 Fe3O4 + FeS = 10 FeO + SO2	+19862	+82760	+8846	+36860
15.	3 Fe3O4 + FeS + 5 SiO2 = 5(2 FeO х SiO2)+ SO2	+171	+715	-16649	-69659
16.	CoO + Fe = FeO + Co	-13340	-55814	-12529	-52421
17.	NiO + Fe = FeO + Ni	-18531	-77534	-16988	-71077
18.	Fe3O4 + Fe = 4 FeO	-12078	-50534	-14614	-61145
19.	2 FeO + SiO2 = Fe2SO4	-4111	-17200	-5769	-24137

В таблице 1 приведены значения ^Z^о для основных реакций, возможных в условиях конвертирования. Из таблицы 1 следует, что при контакте с кислородом дутья все компоненты штейна – как сульфиды, так и свободные металлы, практически в одинаковой степени способны окисляться (реакция 1-7). Однако преобладающее содержание железа в исходном штейне по сравнению с цветными металлами (Ni, Cu, Co) создает условия преимущественного окисления металлического железа и его сульфидов с самого начала продувки штейна.

Следует отметить, что если в фурменной зоне произойдет окисление сульфидов цветных металлов, то активный термодинамический потенциал реакции обменного взаимодействия (таблица 1 реакции 9, 10, 11) обеспечит возможность возвращения окислившихся цветных металлов вновь в форму сульфида по схеме:

3NiO + 3FeS + O₂ = Ni₃S₂ + 3FeO + SO₂

CuО + FeS = CuS + FeO

CoО + FeS = CoS + FeO

Таким образом, результатом продувки штейна в конвертере в течение определенного времени будет окисление только железа и его сульфида.

Железо и его сульфид на этой стадии процесса как бы защищают сульфиды цветных металлов от окисления кислородом дутья. Однако это защитное действие железа в ходе продувки постоянно снижается, а содержание цветных металлов возрастает. Поэтому возникает вероятность необратимого окисления цветных металлов.

Сульфид никеля начинает заметно окисляться уже тогда, когда его концентрация приблизительно сравнивается с концентрацией сульфида железа. Сульфид меди сохраняется в штейновой массе вплоть до полного вывода из нее железа, чему способствует протекание реакций (10) и (12). Из всех сульфидов цветных металлов наиболее подвержен необратимому окислению сульфид кобальта. Заметное его окисление начинается при содержании железа в массе от 15 % до 20 %, хотя концентрация кобальта в это время в десятки раз меньше концентрации железа. Это объясняется тем, что значение ^Z^о для реакции (3) значительно выше, чем для реакции (11). Реакции (13) и (13а) при указанных температурах не протекают (~^Z^о имеет положительное значение).

Таким образом, в процессе конвертирования все сульфиды, составляющие штейн, необратимо окисляются в следующей последовательности: сульфид железа, сульфид кобальта, сульфид никеля и сульфид меди. Рассмотренные термодинамические закономерности служат теоретическим обоснованием разделения процессов конвертирования медно-никелевых штейнов на два периода: период набора штейна и период "варки" файнштейна.

В период набора штейна каждая его порция продувается с таким расчетом, чтобы в штейновой массе сохранилось железа не менее 20 % (см.п.2.6), т.е. не ниже той концентрации, при которой сульфид железа надежно защищает от окисления сульфиды цветных металлов.

"Варка" файнштейна начинается после того, как в конвертере накопится заданный объем массы с содержанием железа от 15 % до 20 %. В процессе "варки" в массе оставляют содержание железа от 2,5 % до 3,7 %. При этом происходит обогащение массы цветными металлами. При резкой убыли концентрации железа появляются предпосылки для необратимого окисления никеля и кобальта. Поэтому конвертерные шлаки периода "варки" значительно богаче никелем и кобальтом по сравнению с конвертерными шлаками периода набора массы.

2.3 Режим дутья при конвертировании

Дутье подается в конвертер через фурменные трубки, установленные в кладке.

Сжатый воздух, необходимый для конвертирования, вырабатывается воздуходувными машинами.

Статическое давление дутья (от 0,08 до 0,1 МПа) реализуется на образование интенсивного струйного режима истечения воздуха из фурм в штейновый расплав. Воздушная струя является носителем кислорода для протекания реакций окисления и кинетической энергии, способной обеспечить эффективный массообмен во всем объеме расплава, необходимый для полноты химических реакций.

2.4 Пропускная способность фурм

Пропускную способность фурм по воздуху принято характеризовать величиной удельной нагрузки, приходящейся на сечения фурменных трубок в минуту (нм³/м²·с) и можно выразить формулой:

где:

Р – давление в коллекторе, МПа

Т – температура дутья, ^оК

коэффициент, учитывающий адиабатические процессы, происходящие при истечении

где:

Н – гидростатическое противодействие расплава, находящегося над фурмами, МПа;

Н = g h х10⁴, где g - удельный вес расплава, кг/м³;

h – высота слоя, м;

m – степень чистоты фурм

Отношение сечения выходного конца фурменной трубки к полному ее сечению, т.е.

m = (d₁)² / (d_ф)²

где:

d_ф – диаметр фурменной трубки;

d₁ – диаметр выходного отверстия

Сужение выходного конца фурменной трубки объясняется образованием фурменной настыли на контакте расплава с холодной воздушной струей. Удаление этой настыли (чистка фурм) является важной операцией по обслуживанию конвертера.

Установлено, что степень чистоты фурм зависит от давления дутья.

j - коэффициент аэродинамики фурменной системы, определяющей полноту преобразования статической энергии сжатого газа в кинетическую энергию газовой струи, образующейся при истечении.

Величина коэффициента j зависит от геометрической конфигурации воздухораспределительной системы, которая должна выбираться из расчета наименьших потерь энергии при движении воздуха от коллектора до конца фурменной трубки при условии эксплуатационной надежности и удобства обслуживания.

На конвертерах плавильного цеха установлены фурмоколлекторы, имеющие высокое значение коэффициента j = 0,9 (см. рисунок 5).

Промышленными опытами было установлено, что наиболее эффективным средством увеличения удельной нагрузки на фурмы является повышение давления дутья (см. рисунок 6).

Установлено, что при давлении дутья от 0,16 до 0,18 МПа фурмы работают в режиме самоочистки при высокой степени чистоты (m = 0,7-0,8) и не требуют ручного обслуживания.

Заметное влияние на пропускную способность фурм оказывает глубина их погружения под слой расплава h. При давлении от 0,10 до 0,12 МПа для получения максимальной удельной нагрузки на фурмах эту глубину следует ограничить от 0,3 до 0,4 м. При повышенном давлении (от 0,16 до 0,18 МПа) целесообразно увеличить глубину погружения фурм до 0,7 м.

Расчеты суммарной пропускной способности по воздуху в зависимости от параметров дутья следует выполнить по формуле:

Максимальное количество фурм для 100 - тонного конвертера, имеющего длину 12 м, может быть 57 шт.; на практике устанавливают 42 фурм. Оптимальный диаметр фурм составляет от 0,048 до 0,050 м.

Расчеты показывают, что во избежание массового выброса расплава через горловину, максимальный расход дутья не должен превышать 0,2 нм³/с на каждый кубометр рабочей полости конвертера. Для 100 - тонного конвертера, имеющего объем около 70 м³, предельное количество дутья составляет 14,0 нм³/с.

Таким образом, основными факторами интенсивного дутьевого режима является гидродинамическое совершенство фурменной системы, повышение давления дутья и поддержание высокой степени чистоты фурм.

2.5 Работа струи дутья в расплаве, гидродинамика и теплообмен в конвертерной ванне

Процессы, возникающие при подаче дутья в штейновый расплав, пока не доступны для непосредственных наблюдений и измерений.

Поэтому единственным средством качественной и количественной оценки условий взаимодействия дутья с расплавом является метод физического моделирования.

Исследования проводились в Ленинградском (горном) институте профессором Шалыгиным Л.М. на прозрачных моделях с использованием разных по плотности прозрачных жидкостей, моделирующих штейн и конвертерный шлак.

Исследования показали, что при скорости более 50 м/с газ (воздух) поступает в жидкость в виде струи. По ходу этой струи возникает газожидкостный факел, в котором жидкость находится в виде мелкодиспергированных частичек, имеющих огромную реакционную поверхность. В условиях факела имеется местный избыток кислорода, что способствует интенсивному окислению сульфида железа с образованием магнетита по реакциям (5, 7).

Дата добавления: 2015-08-27