Beata Kozak
Metalurgia 3 rok, 1 gr
Zaprojektuj proces i zaproponuj urządzenia do rafinacji ogniowej miedzi. Wydział ma produkować 100 000 ton Cu na rok. Miedź konwertorowa zawiera 98% Cu.
Proponowany skład wsadu:
|
Skład chemiczny |
Zawartość % |
|
Cu |
98 |
|
O2 |
0,1 |
|
S |
0,03 |
|
Pb |
0,5 |
|
Fe |
0,6 |
|
Ni |
0,15 |
|
Sb |
0,36 |
|
Zn |
0,1 |
|
Sn |
0,16 |
Miedź surowa zawiera 0,8-2,0% domieszek pogarszających własności mechaniczne i przewodność elektryczną. W związku z tym miedzi surowej nie stosuje się na ogół do celów technicznych. Poza tym miedź surowa zawiera zazwyczaj metale szlachetne.
Rafinacja ogniowa miedzi jest w zasadzie operacją poprzedzającą rafinację elektrolityczną. Głównym celem rafinacji ogniowej jest otrzymanie zwartych, ścisłych anod do elektrolizy oraz usunięcie tych domieszek, których obecność w anodach wpływa ujemnie na proces rafinacji elektrolitycznej.
Usuwanie siarki i tlenu z miedzi.
Siarkę usuwamy z miedzi poprzez przedmuchiwanie kąpieli metalu powietrzem. Powszechnie sądzi się, że zasadnicza reakcja odpowiedzialna za usuwanie siarki to :
[S]Cu+O2SO2
Stała równowagi tej reakcji w temperaturze 1473K wynosi ok. 106, pomimo dużej wartości pod koniec procesu usuwania siarki nie ma warunków do samoistnego odsiarczenia miedzi. W tym samym czasie zachodzi reakcja natleniania miedzi:
O2=2[O]Cu
Po zakończeniu tego etapu zawartość tlenu w miedzi wynosi 0,6-1% mas i ten tlen musi zostać częściowo usunięty za pomocą reduktorów wodorowo-węglowych:
C(s)+[O]CuCO
CO+[O]CuCO2
H2+[O]CuH2O
Do redukcji tlenu z miedzi w piecach stacjonarnych używane jest drewno. W tym celu stosuje się go ok. 20kg na odtlenienie tony miedzi. Stosowane są również reduktory ciekłe i gazowe, których należny zużyć 5-7kg na odtlenienie tony miedzi
Usuwanie zanieczyszczeń w rafinacji ogniowej.
Większość zanieczyszczeń znajdujących się w koncentracie przechodzi do miedzi blister. Jeśli poziom zanieczyszczeń jest zbyt duży, mogą być one usunięte w procesie elektrorafinacji. Jeśli natomiast stężenie zanieczyszczeń jest duże, wówczas należy pewną ich część usunąć podczas rafinacji ogniowej. W tym celu do miedzi wdmuchuje się topniki przy równoczesnym utlenianiu miedzi. O możliwości utlenienia zanieczyszczeń miedzi decyduje ich powinowactwo do tlenu. Ale otrzymywana miedź tworzy roztwory wieloskładnikowe Cu-X1-X2-…-Xi przy czym X1,X2,…,Xi są domieszkami które zamierzmy usunąć. Własności termodynamiczne takiego roztworu będą obok powinowactwa domieszki do tlenu decydować o tym, czy jej usunięcie z miedzi jest możliwe, a jeśli tak, to do jakiego poziomu.
Domieszki możemy podzielić na trzy grupy:
Takie, które można usunąć prawie w całości przez ich utlenianie: Zn, Fe, S
Takie które można usunąć w znacznym stopniu przez ich utlenianie: Pb, As, Sb, Ni
Domieszki, które prawie w całości zostają w miedzi: Ag
Na Przykład nikiel, który może utleniać się wg reakcji:
Ni+Cu2O=2Cu+NiO
Odlewanie anod.
W nowoczesnym przemyśle miedziowym jedynie niewielka część miedzi rafinowanej metodą ogniową jest produktem końcowym, który odlewa się na wlewki określonego kształtu i wymiarów zależnie od sposobów dalszej przeróbki. Najczęściej jednak po rafinacji ogniowej następuje jeszcze rafinacja elektrolityczna. Urządzenia do odlewania półciągłego są dość
proste, a ich wydajność jest duża.
Schemat
urządzenia do odlewania półciągłego.
1-kadź, 2-skrzynka rozdzielcza, 3- mechanizm posuwisto-zwrotny, 4-krystalizator, 5- urządzenie natryskowe, 6-trzona ze stali nierdzewnej, 7- wlewek, 8-cylinder hydrauliczny, 9- woda chłodząca, 10- betonowa ściana studni.
Ciekły metal spływa bez przerwy z pieca przez pośrednią kadź i krótką rynnę równomiernym strumieniem do wlewnicy- krystalizatora chłodzonego wodą przepływającą przez rurki zalane w jego ściankach. Przy tych ściankach powstaje zakrzepła warstwa metalu grubiejąca ku dołowi w miarę opuszczania się wlewka razem z ruchomym stołem otrzymującym napęd od cylindra pneumatycznego. W powstały lej u góry podaje się przez cały czas miedź zastygającą na jego dnie wskutek chłodzenia wlewka do dna studni przerywa się dopływ miedzi, zdejmuje krystalizator i usuwa się cały wlewek ze stołu za pomocą suwnicy mostkowej. Po podniesieniu stołu do pierwotnego położenia i ustawieniu krystalizatora zaczyna się odlewanie nowego wlewka.
Obliczenia:
|
WSAD |
||
|
Skład chemiczny |
Zawartość % |
Masa [g/t] |
|
Cu |
98 |
980000 |
|
O2 |
0,1 |
1000 |
|
S |
0,03 |
300 |
|
Pb |
0,5 |
5000 |
|
Fe |
0,6 |
6000 |
|
Ni |
0,15 |
1500 |
|
Sb |
0,36 |
3600 |
|
Zn |
0,1 |
1000 |
|
Sn |
0,16 |
1600 |
|
ANODA |
||
|
Skład chemiczny |
Zawartość % |
Masa [g/t] |
|
Cu |
99,18 |
991800 |
|
O2 |
0,1 |
1000 |
|
S |
0,0016 |
16 |
|
Pb |
0,19 |
1900 |
|
Fe |
0,008 |
80 |
|
Ni |
0,13 |
1300 |
|
Sb |
0,0101 |
101 |
|
Zn |
0,0042 |
42 |
|
Sn |
0,0015 |
15 |
Na początku należy obliczyć, ile potrzeba wsadu do produkcji 100 000 t miedzi.
1 t wsadu – 0,98 t Cu
X t wsadu - 100 000 t Cu
X=102 040, 8163= 102 041 t
Zakładamy, że wydajność procesu wynosi 90%, zatem:
102 041/0,9=113 378,9
wsadu
Zakładając, że w roku jest 50 dni wolnych od pracy huta będzie pracować 315 dni.
Z tego obliczenia wiemy, że dziennie należy przerobić 359,9 t wsadu. Huta jest w posiadaniu trzech pieców, zakładamy, że są one bezawaryjne. Czas trwania jednego cyklu produkcyjnego nie przekracza 8 godzin, huta pracuje na 3 zmiany.
Pojemność każdego pieca anodowego wynosi 100 ton, z tym że są one uzupełniane w 40% swojej wielkośći.
Proces rafinacji ogniowej przeprowadzamy w obrotowym piecu anodowym w temperaturze 1200 °C, co zapewni nam wystarczającą ilość ciepła do odlania anod.
Utlenianie miedzi
Miedź utlenia się według reakcji:
2Cu+ ½ O2Cu2O
Rozpuszczalność Cu2O w miedzi przy 1200°C wynosi 12,4%.
Duże stężenie Cu2O w kąpieli miedzianej jest konieczne do zapewnienia maksymalnego utleniania domieszek.
Usuwanie siarki
Siarka znajduje się w miedzi surowej głównie w postaci Cu2S. Jej utlenienie następuje według reakcji:
Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2
Ilość siarki jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(300[ g/t] – 16 [g/t])*40t= 11 360 g
MS=32 [g/mol]
1 mol ma objętość 22,4 [dm3]
32 [g] - 22,4 [dm3]
11360 [g] - x
X=7 952 dm3 – tyle wydzieli się SO2
Usuwanie ołowiu
Ołów jest usuwany poprzez utlenianie do PbO i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Pb]Cu+[O]Cu(PbO)żużel
Ilość ołowiu jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(5000[ g/t] – 1900 [g/t])*40t=124 000 [g]
MPb=207 [g/mol]
MPbO=223 [g/mol]
207 - 223
124 000 - x
X=133 584,5 g – tyle PbO przejdzie do żużla
Usuwanie żelaza
Żelazo jest usuwane poprzez utlenianie do FeO i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Fe]Cu+[O]Cu(FeO)żużel
Ilość żelaza jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(6000[ g/t] – 80 [g/t])*40t=236 800 [g]
MFe=56 [g/mol]
MFeO=72 [g/mol]
56 - 72
236 800 - x
X=304 457,1 g – tyle FeO przejdzie do żużla
Usuwanie niklu
Nikiel jest usuwany poprzez utlenianie do NiO i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Ni]Cu+[O]Cu(NiO)żużel
Ilość niklu jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(1500[ g/t] – 1300 [g/t])*40t=8 000 [g]
MNi=59 [g/mol]
MNiO=75 [g/mol]
59 - 75
8 000 - x
X=10 169,5 g – tyle NiO przejdzie do żużla
Usuwanie antymonu
Antymon jest usuwany poprzez utlenianie do Sb2O3 i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Sb]Cu+[O]Cu(Sb2O3)żużel
Ilość antymonu jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(3600[ g/t] – 101 [g/t])*40t=139 960 [g]
MSb=122 [g/mol]
MSb2O3=292 [g/mol]
122 - 292
139 960 - x
X=334 386,2 g – tyle Sb2O3 przejdzie do żużla
Usuwanie cynku
Cynk jest usuwany poprzez utlenianie do ZnO i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Zn]Cu+[O]Cu(ZnO)żużel
Ilość żelaza jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(1000[ g/t] – 42 [g/t])*40t=38 320 [g]
MFe=65 [g/mol]
MFeO=81 [g/mol]
65 - 81
38 320 - x
X=47 752,6 g – tyle ZnO przejdzie do żużla
Usuwanie cyny
Cyna jest usuwana poprzez utlenianie do SnO i przejście tlenku do żużla według reakcji:
[Sn]Cu+[O]Cu(SnO)żużel
Ilość żelaza jaką należy utlenić podczas jednego cyklu:
(1600[ g/t] – 15 [g/t])*40t=63 400 [g]
MSn=119 [g/mol]
MSnO=135 [g/mol]
119 - 135
63 400 - x
X=71 924,4 g – tyle SnO przejdzie do żużla
Usuwanie tlenku miedzi (odtlenianie miedzi)
Proces usuwania tlenku miedzi zachodzi dzięki użyciu gazu ziemnego GZ-41,5.
Przed tym procesem należy usunąć żużel, który składa się z PbO, FeO, NiO, Sb2O3, ZnO, SnO, a jego masa wynosi 3 642 387,3 [g], czyli 3,6423873 [t]. Ponieważ nie da się idealnie oddzielić żużla można przyjąć, że pozostanie oddzielone 3,7 tony. Z tego można obliczyć, że pozostały wsad ma wagę 36,3 tony.
Skład gazu ziemnego GZ-41,5: metan(ok.79%); etan, propan, butan (ok. 1%); azot (ok. 19,5%); dwutlenek węgla i reszta składników (ok. 0,5%).
Ilość reduktora jaką należy użyć do odtlenienia 1 tony miedzi to 7kg.
36,3*7=254,1
255kg
reduktora dla jednego cyklu.
Literatura:
Szczepan Chodkowski „Metalurgia metali nieżelaznych” wydanie drugie przerobione i rozszerzone, Wydawnictwo „Śląsk” Katowice 1971
Marian Kucharski „Pirometalurgia miedzi” Wydawnictwa AGH, Kraków 2003
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
więcej podobnych podstron