Konstrukcje inżynierskie w metalurgii

Temat projektu:

„Zaprojektuj proces rafinacji ogniowej miedzi o zdolności produkcyjnej 100 000 ton Cu anodowej na rok, przy założeniu że Cu konwertorowa zawiera 98% Cu.”

Krystyna Wyżga

III rok

Metalurgia

Wstęp teoretyczny

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. Podczas krzepnięcia miedzi zawierającej duże ilości siarki i tlenu zachodzi reakcja łączenia siarki i tlenu w SO₂, która tworząc pęcherzyki powoduje, że odlane anody byłby słabe i nierówne. W procesie rafinacji ogniowej usuwamy więc siarkę i tlen poprzez:

- utlenienie siarki (do zawartości ~0,001%) i usunięcie powstałego SO₂,

- redukcje tlenu (do zawartości ~0,15%) za pomocą węglowodorowych reduktorów z utworzeniem CO i H₂O,

Rafinację ogniowa przeprowadza się w piecu obrotowym.

Proces rafinacji ogniowej miedzi prowadzi się w piecach stacjonarnych.

Proces rafinacji prowadzony jest w temperaturze 1200 ºC, co zapewnia wystarczającą ilość ciepła do odlania dobrych anod. Powietrze razem z olejem lub gazem jest podawane do pieca stosunkowo wolno, aby zapewnić dobrą kontrolę składu rafinowanej miedzi. W tym procesie stosuje się 1-2 dysz, przez które doprowadza się powietrze na jedną dyszę o ciśnieniu 0,2-0,5 MPa. Rafinacja 250 ton wsadu w takim piecu trwa 3-4 godziny, przy czym przez około 1 godzinę poddawane jest powietrze celem usunięcia siarki, a następnie 2-3 godziny trwa usuwanie tlenu.

Typowe czynności podczas rafinacji są następujące:

- załadunek ciekłej miedzi za pomocą kadzi do pieca o pojemności 200-300 ton,

- usuwanie siarki przez przedmuchiwanie kąpieli powietrzem do chwili, aż stężenie siarki nie obniży się do około 0,001 % mas.,

- odtlenienie miedzi przez wdmuchiwanie do kąpieli mieszaniny olej/powietrze lub gaz/powietrze.

Poddawanie reduktora jest kończone wówczas, gdy stężenie tlenu spadnie do około 0,015% mas. Miedź z taką zawartością tlenu i siarki daje anody o pożądanej jakości.

Proces rafinacji ogniowej miedzi

Tab.1. Skład miedzi surowej – 100000 ton

Tab.2. Średni skład chemiczny anod

Po uwzględnieniu dni przestoi w trakcie procesu- 40, huta będzie pracować 325 dni w roku. Huta posiada 4 piece obrotowe anodowe pracujące oraz 1 rezerwowy. Na jeden dzień pracy przypada 600 ton wsadu. Jeden cykl pracy pieca to 8 godzin. Na jeden cykl pracy pieca przypada 50 tony wsadu. Pojemność jednego pieca zakładamy 80 ton. Proces będzie przeprowadzany w temperaturze 1200̊C co zapewni odlanie anod o pożądanej jakości.

Rys.1. Schemat obrotowego pieca anodowego

W procesie stosujemy 2 dysze, przez które doprowadzamy powietrze w ilości 18Nm³/min o ciśnieniu 0,4MPa na jedna dyszę. Proces trwa 3 do 4 godzin z tym, że przez około godzinę usuwamy siarkę, natomiast 2-3 godziny trwa usuwanie tlenu.

Ilość potrzebnego powietrza na jeden cykl produkcyjny:

- ilość dysz: 2szt.

- nośność dostarczanego powietrza na jedną dyszę: 18 Nm³/min

- czas dostarczanego powietrza: 60 minut

- ilość potrzebnego powietrza na jeden cykl: 2∙18 Nm³/min ∙ 60 min = 2160 Nm³.

Usuwanie siarki:

Siarka występuje w miedzi wyłącznie w postaci związków chemicznych Cu₂S, SO₂, H₂S. Siarka, występująca w miedzi w postaci Cu₂S wpływa ujemnie na przewodnictwo elektryczne oraz powoduje „kruchość na gorąco“. Związki siarki SO₂, H₂S rozpuszczają się w miedzi, powodując jej duża porowatość.

Cu₂S + 2Cu₂O = 6Cu + SO₂

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

Ilość siarki we wsadzie w jednym cyklu: 250 g/t ∙50 t = 12500 g

Ilość siarki w anodach: 18 g/t

Siarka utleniona: 250 – 18 = 232 g/t

Siarka utleniona: 232 g/t ∙ 50 t = 11600 g

1 mol siarki - 32 g, jest to 22,4 dm³ :

32 g – 22,4 dm³

11600 g – x

x = 8120 dm³

Uzyskana objętość SO₂ to 8120 dm³

Usuwanie ołowiu:

Proces utleniania można zapisać za pomocą reakcji:

0,5O₂ = [O]_Cu

[Pb]_Cu + [O]_Cu = (PbO)_żużel

Ilość ołowiu w miedzi blister: 8500 g/t

Ilość ołowiu w anodach: 1900 g/t

Usuwamy: 6600 g/t ∙ 50 t = 330000 g ołowiu w jednym cyklu.

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

207,2 g Pb – 223,2 g PbO

330000 g Pb – x

x = 355482,7g

Ilość PbO, która wchodzi do żużla: 355482,7g

Usuwanie żelaza:

Żelazo obniża przewodnictwo elektryczne oraz plastyczność natomiast podwyższa kruchość i twardość. Żelazo występujące w ciekłej miedzi utlenia się najpierw do FeO i wypływa na powierzchnię wanny, gdzie reaguje z krzemionką lub utlenia się do Fe₂O₃.

[Fe]_Cu + [O]_Cu = (FeO)_żużel

Ilość żelaza w miedzi surowej: 90 g/t

Ilość żelaza w anodach: 76 g/t

Usuwamy: 90 – 76 = 14 g/t, 14 g/t ∙ 50 t = 700 g żelaza w jednym cyklu.

55,845 g Fe + 16g O = 71,845 g FeO

55,845 g Fe – 71,845 g FeO

700 g Fe – x

x =900,6 g

Ilość FeO, która wchodzi do żużla: 900,6 g

Usuwanie antymonu:

Antymon należy do składników nie tworzących roztworów. Występuje w postacie wytrąceń międzykrystalicznych. Tworzy wokół kryształów miedzi cienkie otoczki, które utrudniają poślizg kryształów w czasie przeróbki plastycznej, powodując pękanie podczas walcowania lub przeciągania. Antymon tworzy lotny związek Sb₂O₃. Część antymonu pozostaje w metalu i może być usunięta tylko przez elektrolizę.

[Sb]_Cu + [O]_Cu = (Sb₂0₃)_żużel

Ilość antymonu we wsadzie: 100 g/t

Ilość antymonu w anodach: 10,1 g/t

Usuwamy: 100 – 10,1 = 89,9 g/t; 89,9 g/t ∙ 50 t = 4495 g antymonu w jednym cyklu.

2 ∙ 121,76 g Sb + 3 ∙ 16g O = 291,04 g Sb₂O₃

243,52 Sb – 291,04 g Sb₂O₃

4495 Sb – x

x = 5372,15 g

Ilość Sb₂O₃, która wchodzi do żużla: 5372,15 g

Usuwanie niklu:

Nikiel należy do pierwiastków bardzo trudno usuwalnych. Podwyższa temperaturę topliwości, twardość, obniża natomiast kowalność oraz nieznacznie przewodnictwo elektryczne. Podczas rafinacji nikiel przechodzi do żużla, głównie w postaci ferrytu NiO ∙ Fe₂O_3.

[Ni]_Cu + [O]_Cu = (NiO)_żużel

Ilość niklu w miedzi surowej: 500 g/t

Ilość niklu w anodach: 130 g/t

Usuwamy: 370g/t, 370 g/t ∙ 50t = 18500 g niklu w jednym cyklu.

58,69 g Ni + 16g O = 74,69 g NiO

58,69 Ni – 74,69 NiO

18500 g Ni – x

x = 23543,45 g

Ilość NiO, która wchodzi do żużla 23543,45g

Usuwanie arsenu:

Mimo, że prężność arsenu w temperaturach powyżej temperatury topnienia miedzi jest bardzo wysoka, usunięcie go z miedzi jest poważnym problemem. Dzieje się to dlatego, że roztwory Cu – As wykazują bardzo silne ujemne odstępstwa od prawa Raoulta.

Reakcję tworzenia się pięciotlenku arsenu As₂O₅ można wyrazić równaniem:

[As]_Cu + 2,5[O]_Cu = (AsO_2,5)_żużel

Aby obliczyć ilość sody potrzebnej do usunięcia arsenu z miedzi należy użyć wzoru:

Soda = 21,2 *([%mas.As]^P – [%mas.As]^K)*Q ,gdzie

[%mas.As]^P – zawartość arsenu w miedzi przeznaczonej do rafinacji – 0,1%

[% mas. As]^K - końcowa zawartość arsenu w miedzi – 0,07%

Q – ilość rafinowanej miedzi w tonach – 50 t

soda= 21,2 ∙ (0,1 - 0,07) ∙ 50 = 31,8 kg

Ilość sody potrzebnej do usunięcia arsenu z miedzi w jednym cyklu: 31,8kg

Ilość arsenu w miedzi blister: 1000 g/t

Ilość arsenu w anodach: 700 g/t

Usuwamy: 1000-700 = 300 g/t; 300 g/t ∙ 50 t = 15000 g arsenu w jednym cyklu.

2[As]_Cu + 5[O]_Cu + 3Na₂CO₃ = 2Na₃AsO₄ + 3CO₂

149,8 g As – 415,8 g Na₃AsO₄

15000 g As – x

x = 41635,52 g

Ilość utworzonego żużla arsenianu sodu: 41635,52 g

Powstały żużel : 385,3kg

Żużel arsenianu sodu : 41,63552 kg

Suma powstałego żużla i żużla arsenianu sodu : 426,94- 70% masy żużlowej, 30% stanowi miedź

Całkowita masa żużla powstająca w trakcie jednego cyklu (50 ton wsadu): 298,858 kg

Redukcja tlenku miedziowego:

Proces ten jest procesem odwrotnym do procesu utleniania miedzi i ma on na celu

zredukowanie tlenku miedziawego (Cu₂O) do metalicznej miedzi oraz usunięcie z kąpieli

SO₂. Redukcję przeprowadza się pniami (żerdziami) drzew liściastych lub mieszanką

oleju poprażeniowego i powietrza.

Przed redukcją następuje dokładne usunięcie żużla powstałego podczas operacji utleniania.

masa miedzi surowej we wsadzie = 50 t

masa usuniętej siarki = 0,0116 t

masa żużla = 0,298858 t

Ilość wsadu do procesu redukcji = 50 t – (0,298858 t + 0,0116 t) = 49,7 t

W tym etapie zawartość tlenu w miedzi wynosi 0,6÷1 mas. i ten tlen musi zostać częściowo usunięty za pomocą reduktorów wodorowo węglowych:

C_(S) + [O]_Cu = CO

CO + [O]_Cu = CO₂

H₂ + [O]_Cu = H₂O

Można do tego celu używać gazów redukcyjnych. Dane ruchowe wskazują, że aby odtlenić miedź, należy zużyć 5÷7 kg reduktora gazowego na tonę miedzi.

Ilość reduktora na tonę miedzi: 7 kg,

Ilość reduktora jaką dodajemy do pieca w jednym cyklu procesu: 350 kg .

Odlewanie anod:

Anody odlewane są do form (20-30sztuk), umieszczonych w dużym kotle (karuzela) , które porusza się w ten sposób, że po napełnieniu jednej formy pod urządzenie rozlewcze podjeżdża następna. Odlane anody są spryskiwane wodą w trakcie ich poruszania się, po czym, w połowie obrotu karuzeli anody są wyrzucane z formy do wody w celu schłodzenia. Puste formy są skrapiane aby zapobiec przywieraniu anod do form. Szybkość odlewania anod wynosi 30-70 Mg/h i zależy od szybkości schładzania. Waga anod waha się w granicach 230-370 kg.

Bibliografia

1. M.Kucharski: „Pirometalurgia miedzi”, AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-

Dydaktyczne, Kraków 2003.
2. S.Chodkowski: „Metalurgia Metali Nieżelaznych”, wydawnictwo Górniczo- Hutnicze, Katowice 1962.

3. monografia KGHM Polska Miedź S.A Lubin, 1996