- W Boga - wierze. Natomiast nie bardzo wierzę w to, co ludzie mówią o Bogu.

AKADEMIA GÓRNICZO-HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

WYDZIAŁ METALI NIEZELAZNYCH

Zarządzanie i Inżynieria Produkcji

Konstrukcje inżynierskie
w metalurgii

Temat projektu:

„Zaprojektuj proces i zaproponuj urządzenie do rafinacji

ogniowej miedzi. Wydział ma produkować 100 tys. ton

miedzi na rok, miedź konwertorowa zawiera 98% Cu”.

Ewelina Wojewoda

Metalurgia rok III

Założenia główne:

·      Produkcja miedzi 100 tyś ton

·      Produkcja roczna

·      Zawartość miedzi w miedzi konwertorowej 98%

Otrzymywanie miedzi:

·         Przygotowanie surowców do topienia.

·         Wytapianie kamienia miedziowego.

·         Konwertorowanie kamienia miedziowego.

·         Ogniowa rafinacja miedzi konwertorowej i odlewanie anod.

·         Elektrorafinacja miedzi anodowej.

·         Przetapianie katod i odlewanie wlewków.

Praktycznie cała miedź produkowana w procesie topienie – konwertorownie jest rafinowana elektrolitycznie. Rafinacja elektrolityczna wymaga anod o odpowiedniej jakości, które powinny być cienkie, mocne i gładkie. Aby takie anody otrzymać z miedzi blister musi być usunięta prawie cała siarka oraz znaczna ilość tlenu. W procesie rafinacji ogniowej usuwamy więc siarkę i tlen poprzez:

·         utlenienie siarki i usunięcie powstałego SO2

·         redukcję tlenu za pomocą węglowodorowych reduktorów z utworzeniem CO i H2O

Podczas rafinowania ogniowego miedzi przeprowadza się następujące operacje:

·         Roztopienie miedzi surowej - operacja ta jest zbędna, gdy do pieca rafinacyjnego wlewa się miedź ciekłą, dostarczoną bezpośrednio z konwertora.

·         Utlenienie ciekłej miedzi przedmuchiwaniem przez nią powietrza -    wytworzony tlenek miedziowy reaguje z domieszkami utleniając je, przy czym z powstających tlenków tworzy się żużel, który trzeba usunąć przed następną operacją.

·         Redukcja tlenku miedziowego rozpuszczonego w miedzi (tzw. żerdziowanie).

·         Odlewanie anod lub wlewków - odlewa się rzadko, tylko wówczas, gdy miedź rafinowana ogniowo nie zawiera Au i Ag i jest przeznaczona do przygotowania stopów, od których nie wymaga się dobrej przewodności elektrycznej i dużej czystości.

Wyznaczenie składu miedzi konwertorowej

Korzystająca z wykładów z przedmiotu „Metalurgia Metali Nieżelaznych”, książki „Pirometalurgia Miedzi” oraz informacji umieszczonych w internecie dokonuję założeń odnośnie zawartości poszczególnych pierwiastków oraz związków chemicznych w miedzi konwertorowej:

Proponowany skład:

·         Miedź 98% 

·         Tlen 0,4%

·         Siarka 0,1%

Zanieczyszczenia:

·         Zn 0,3%

·         Sn 0,26%

·         Ni 0,58%

·         Pb 0,36%

Skład chemiczny miedzi surowej wynoszącej 100000t

Średni skład chemiczny anod

Obliczenia:

Z jednej tony wsadu otrzymaliśmy w jednym cyklu produkcyjnym 0,9925 tony miedzi.

Zdolność produkcyjna procesu musi wynosić 100 000 ton miedzi na rok.

0,9925 ton Cu – 1 tona wsadu

100 000 ton Cu – x

x = 100755,6675 ton = 100756  ton wsadu na rok da nam wydajność procesu 100000 ton miedzi na rok.

Gdy uwzględnimy liczbę przestoi w procesie - ok. 40 dni w roku –huta będzie   pracować 325 dni w roku.  

Na jeden dzień przypada: 100756/325 = 310,2 ton wsadu.

Wyobraźmy sobie, że mamy do dyspozycji cztery piece, w tym jeden rezerwowy.

Czas trwania jednego cyklu produkcyjnego wynosi około 7 godzin. Oznacza to, że jeden piec w ciągu dnia roboczego przejdzie 3 cykle produkcyjne.

310,2/9 = 34,47 ton wsadu w jednym cyklu.

Przyjmujemy, że pojemność pieca anodowego, który posiadamy, wynosi 40 ton.

Proces rafinacji ogniowej przeprowadzamy w obrotowym piecu anodowym

w temperaturze 1200 °C, co zapewni nam wystarczającą ilość ciepła do odlania anod.

Powietrze podajemy do pieca razem z gazem lub olejem w miarę wolno, tak aby zapewnić dobrą kontrolę składu rafinowanej miedzi. W celu usunięcia zanieczyszczeń wraz z powietrzem wdmuchujemy topniki.

Powietrze doprowadzamy do pieca przez 2 dysze w nośności 15 Nm3/min na jedna dyszę o ciśnieniu 0,35 MPa. Czas trwania 3 – 4 godziny w tym około godzinę poddawane jest powietrze celem usunięcia siarki, a następnie 2 – 3 godziny trwa usuwanie tlenu. Jeśli zawartość siarki w miedzi jest większa, to wówczas czas procesu ulega wydłużeniu.

Podsumowanie wyników (parametry procesu):

Parametry procesu rafinacji ogniowej miedzi

1.Ilość pieców

4 szt. (3 w użytku, 1- rezerwowy)

2.Ilość cykli w ciągu dnia

3

3.Czas trwania jednego cyklu

7 godz.

4.Ilość wsadu na dzień

310,2 ton

5.Ilość wsadu do jednego cyklu

34,47 ton

6.Pojemność pieca

40 ton

7.Temperatura rafinacji

1200 °C

8.Ilość dysz

2 szt.

9.Nośność dostarczanego powietrza

15 Nm3/min

10.Czas dostarczanego powietrza

60 minut

11.Ciśnienie dostarczanego powietrza

0,35 MPa

1.      Utlenianie miedzi

Po zetknięciu z powietrzem następuje utlenienie ciekłego metalu. Najpierw utleniają się pierwiastki, które mają większe powinowactwo do tlenu niż miedź.

Tlenki metali domieszkowych nierozpuszczalne w ciekłej miedzi, wypływają na powierzchnię, tworząc żużel. W miarę obniżania się stężenia domieszek, ich dalsze utlenianie jest coraz trudniejsze. Aby ułatwić ten proces, bardzo często do pieca rafinacyjnego wprowadza się krzemionkę, która wiąże powstające tlenki w krzemiany.

Miedź utlenia się podczas przedmuchiwania przez nią powietrza według reakcji:

2Cu + 0,5 O2 = Cu2O

Rozpuszczalność Cu2O w miedzi przy 1200°C wynosi 12,4%.

Duże stężenie Cu2O w kąpieli miedzianej jest konieczne do zapewnienia maksymalnego utleniania domieszek.

2.     Usuwanie siarki

Siarkę usuwamy z miedzi poprzez przedmuchiwanie kąpieli metalu powietrzem.

Siarka znajduje się w miedzi surowej głównie w postaci Cu2S. Jej utlenienie następuje według reakcji:

Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2

Zawartość siarki po utlenieniu powinna się kształtować na poziomie 0,0001÷0,005.

Ilość siarki we wsadzie w jednym cyklu: 100 g/t ∙34,47 t = 3447 g

Ilość siarki w anodach: 20 g/t

Siarka utleniona: 100 – 20 = 80 g/t

Siarka utleniona: 80 g/t ∙ 34,47 t = 2757,6 g

1 mol siarki wynosi 32 g, a tym samym jest to 22,4 dm3 to:

32 g – 22,4 dm3

2757,6 g – x

x = 1930,3 dm3 – otrzymana objętość SO2

3.      Usuwanie ołowiu

Pewna część ołowiu przechodzi do miedzi blister i musi on być z niej usunięty do zawartości poniżej 0,3% mas. przed odlaniem anod. Takie stężenie ołowiu uzyskuje się już w procesie konwertorownia, a podczas rafinacji ogniowej usuwane są już tylko niewielkie ilości tego metalu. Proces utleniania można zapisać za pomocą reakcji:

0,5O2 = [O]Cu

[Pb]Cu + [O]Cu = (PbO)żużel

Ilość ołowiu w miedzi blister: 2000 g/t

Ilość ołowiu w anodach: 1000 g/t

Usuwamy: 3600 – 1000 = 2600 g/t, 2600 g/t ∙ 34,47 t = 89622 g ołowiu w jednym cyklu.

207,2 g Pb + 16 g O = 223,2 g PbO

207,2 g Pb – 223,2 g PbO

89622g Pb – x

x = 96542,6 g – ilość PbO, która wchodzi do żużla

4.      Usuwanie niklu

Nikiel należy do pierwiastków bardzo trudno usuwalnych. Podczas rafinacji nikiel przechodzi do żużla, głównie w postaci ferrytu NiO ∙ Fe2O3.

...