Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние и перспективы переработки сульфидных мсдно-никелевых руд и концентратов 1 7
1.1. Подготовка сульфидных медно-никелевых руд и концентратов к пирометаллургическому переделу 22
1.1.1. Общие сведения об окусковании флотоконцентратов методом агломерации 23
1.1.2. Окускование ф л ото концентрата методом окатывания с последующим окислительным обжигом 24
1.1.3. Окускование флотоконцентратов методом брикетирования 25
1.2. Общие сведения о плавке Cu-Ni сульфидной шихты в руднотермических печах 29
1.3. Общие сведения о конвертировании медно-никелевых штейнов 35
1.4. Современное состояние и перспективы переработки Cu-Ni сульфидных руд и концентратов на ГМК "Печенганикель" 36
Выводы 5 0
Глава 2. Исследование процесса подготовки сульфидного медно-никелевого сырья к пирометаллургическому переделу 54
2.1. Характеристики процесса сушки 54
2.2. Статика процесса сушки 57
2.3. Физическая картина процесса сушки 61
2.3.1. Общие закономерности кинетики сушки 67
2.3.2. Упрощенные модели кинетики сушки 73
2.4. Кинетика процесса сушки брикетированного сульфидного медно-никелевого концентрата 77
2.5. Исследование влияния параметров на технологические показатели брикетирования 88
Выводы 92
Глава 3. Математическая модель технологии электроплавки и конвертирования сульфидного медно-никелевого сырья 9 4
3.1. Особенности математического описания переработки медно-никелевых концентратов в плавцехе ГМК «Печенганикель» 97
3.2. Математическая модель технологии электроплавки сульфидного медно- никелевого сырья 98
3.2.1. Распределение цветных металлов между продуктами плавки 111
3.3. Математическая модель процесса конвертирования сульфидного медно-никелевого сырья 121
3.4. Сквозная математическая модель плавильного цеха комбината «Печенганикель» 146
3.5. Определение и оценка изменений основных технико-экономических показателей плавцеха комбината «Печенганикель» при переходе на новый вид сырья 154
3.5 Л. Изменение технологических показателей при переходе на брикеты 154
3.5.2. Влияние состава брикетов на технологические показатели плавцеха 163
Выводы 1 69
Глава 4. Разработка математической модели энергетики электроплавки сульфидного медно-никелевого сырья 1 71
4.1. Модель энергетики электроплавки брикетированного концентрата 171
4.2. Определение удельного расхода электроэнергии 180
4.3. Оценка энергетических показателей электроплавки при переходе на новый вид исходного сырья 181
Выводы 1 81
Глава 5. Оптимизация основных параметров процессов электроплавки и конвертирования сульфидного медно-никелевого сырья комбината «Печенганикель» 183
5.1 Общая постановка задачи оптимизации и основные положения 185
5.2. Численные методы поиска безусловного экстремума 197
5.3. Численные методы поиска условного экстремума 198
5.3.1. Методы последовательной безусловной минимизации 201
5.4. Разработка программы оптимальной шихтовки пирометаллургического передела комбината «Печенганикель» 208
Заключение
- Окускование ф л ото концентрата методом окатывания с последующим окислительным обжигом
- Физическая картина процесса сушки
- Математическая модель технологии электроплавки сульфидного медно- никелевого сырья
- Определение удельного расхода электроэнергии
Введение к работе
Потребность в производстве металлов непрерывно увеличивается. Удовлетворение этой потребности во всех возрастающих масштабах ведет к истощению природных ресурсов, следовательно, необходимо более эффективное их использование. В результате происходит непрерывное изменение характера производства металлов, увеличение масштаба этого производства и их технического применения [77].
Один из первых металлов, которые человек стал применять для технических целей - медь. Найденные в Египте древнейшие изделия из самородной меди относятся к пятому тысячелетию до н.э. На территории России были найдены шахты, возраст которых несколько тысяч лет [98].
Медь входит в состав более чем 200 минералов, однако, промышленное значение имеют приблизительно 40 из них.
Медные руды - комплексное сырье, помимо меди содержащее цинк, никель, молибден, кобальт и, кроме того, серу, селен, и золото. В настоящее время перерабатываются руды, содержащие от 0,7 до 3 % меди.
Производство меди основано на переработке сульфидных и окисленных медных руд. Более 80 % меди получают пирометаллургическим методом, остальные 20 % - методом гидрометаллургии [63].
Россия - один из основных производителей меди. Медь наряду с основными энергоносителями, алюминием, никелем и черными металлами, является одним из основных экспортных товаров Российской Федерации. Себестоимость российской меди ниже западной - в среднем около 1200 долл./т. Пределом рентабельности для отечественных производителей является цена меди в 1500 долл./т.
По разведанным запасам, добыче и производству меди Россия лидирует среди стран СНГ и находится в первой десятке крупнейших стран мира.
Основные месторождения медных руд в России расположены в Красноярском крае и на Урале. Кроме этого, значительные объемы руды российские
предприятия получают из Казахстана и Монголии. Основные производства меди в России, так же как и месторождения, сконцентрированы на Урале и в Заполярье. В медной промышленности России можно выделить два крупных производственных комплекса. Первый из них - это предприятия ГМК «Норильский никель», перерабатывающие богатые комплексные руды Норильского рудного района. На этих предприятиях освоен и сбалансирован весь производственный цикл - от добычи руды до рафинирования меди (около 55% медеэлектролитных мощностей страны). Второй комплекс - предприятия Урала. Здесь главенствующую роль играет Уральская горно-металлургическая компания (УГМК), производящая 38% всей российской меди. В мировой торговле рафинированной медью на долю РФ приходится почти 1/10 всех поставок. Россия занимает второе место в мире (после Чили) по экспорту этой продукции.
Производство рудничной меди осуществляется в 54 странах, при этом треть добычи приходится на Чили (34,2%) и США (12,9%). Чили и США, а также еще шесть стран обеспечивают 76% мирового рудничного производства.
Важнейшими в России являются месторождения сульфидных медно-никелевых руд Октябрьское, Талнахское и Норильск-І в Норильском рудном районе. В них сосредоточено более 40% российских запасов категорий А+В+С1 и более 60% - категории С2. Лицензии на эксплуатацию принадлежат ОАО ГМК "Норильский никель" [85].
Основной объем переработки медного концентрата осуществляет ОАО ГМК "Норильский никель".
Крупнейшие медные холдинги ГМК "Норильский никель" и ОАО «Уральская горно-металлургическая компания» обеспечивают в сумме около 90% российского производства меди.
ОАО "ГМК "Норильский никель" - крупнейший в России и один из крупнейших в мире производителей цветных и драгоценных металлов, располагающий богатыми сырьевыми ресурсами. Предприятия ОАО ГМК "Норильский никель" производят никель, медь, кобальт, драгоценные металлы (золото, се-
ребро, металлы платиновой группы), селен, теллур, техническую серу, каменный уголь и другуго продукцию производственно-технического назначения. На долю ОАО "ГМК "Норильский никель" приходится около 3,1% мирового производства меди. На отечественном рынке на долю предприятий ОАО ГМК "Норильский никель" приходится около 55% всей производимой меди. [64]
Одним из крупнейших предприятий не только Мурманской области, но и Северо-запада России, является ОАО "Кольская горно-металлургическая компания".
ОАО "Кольская горно-металлургическая компания" создана в 1998 году на базе предприятий Российского акционерного общества по производству цветных и драгоценных металлов "Норильский никель" в Мурманской области, комбинатов "Североникель" и "Печенганикель", действующих с 40-х годов.
В настоящее время ОАО "Кольская горно-металлургическая компания" представляет собой единый горно-металлургический комплекс по добыче сульфидных медно-никелевьгх руд, производству электролитного никеля, электролитной меди, никелевого порошка высокого качества, кобальтового концентрата, концентратов драгоценных металлов, серной кислоты, изделий камнерезного производства и минеральных плит. [14]
Основные производства комбината "Печенганикель" сосредоточены в городах Заполярный и Никель.
Предприятие вступило в строй в 1946 году и перерабатывало руду расположенных вблизи небольших рудников.
В настоящее время комбинат производит добычу сульфидной медно-никелевой руды, её обогащение и металлургическую переработку до файн-штейна. [14]
Конец 2001 года стал для производителей меди одним из самых тяжелых за последнее десятилетие. Спад цен на металл продолжался в течение всего года и составил почти 13% . А 7 ноября 2001 г. на ЛБМ была зафиксирована рекордно низкая цена на медь - 1319 долл./тонну. Такое положение дел с медью
было обусловлено неблагоприятной обстановкой в мировой экономике. Ранее, до начала 90-х годов, соотношение между производимой медью и потреблением было практически равновесным, однако, потом в отрасли произошел кризис. С одной стороны, из-за замедления темпов роста экономик ведущих стран стали падать и темпы прироста ежегодного потребления меди. С другой стороны, начался активный процесс замещения меди альтернативными материалами (ме-таллопластик, стекловолокно). [23]
Ведущие мировые производители меди были озабочены ситуацией, связанной с низкими ценами на этот металл. Критическая ситуация на рынке в 2001-2002 гг. вызванная переизбытком складских запасов послужила причиной того, что ВНР Biiliton (второй по величине производитель меди в мире) отказался возобновлять добычу руды на шахтах, находящихся на юго-западе США. Американская компания Asarco (производитель меди № 4) также заявила о закрытии в 2003 г. шахты, добывающей 150 тыс. тонн меди в год.
За 8 месяцев 2002 г. спрос на медь вырос на 1,5% по сравнению с аналогичным периодом 2001 г. Рост мирового потребления меди обеспечила китайская экономика. Так, в Китае спрос на медь вырос на 19,5%, в то время как в ЕС спрос упал на 3,6%, а в США - на 9,2%.
Низкие цены и затоваривание на мировом рынке, а также сокращение переработки вторичного сырья и снижение поставок медного концентрата из Монголии явились причинами снижения производства рафинированной меди в России в 2002 г. на 2,9%, в том числе на предприятиях Уральского региона - на 1,4%, а на предприятиях ОАО "ГМК "Норильский никель" - на 6,4%. При этом производство медного проката увеличилось на 5,1% по сравнению с 2001 г.[23]
В настоящее время ситуация изменилась. Растущий спрос и повышающие прогнозы сыграли определенную роль - весь прошедший год котировки меди на ЛБМ увеличились по итогам года более чем на 20%. Биржевые запасы металла, напротив, продолжили снижаться и уже к началу февраля 2005 года достигли, пожалуй, самой низкой за всю историю торгов отметки: 43,75 тыс. т. На
рынке обнаружился явный дефицит. При этом рост цены с начала года составил на конец января почти 4%, достигнув уровня в 3060 долл./т по 3- месячному контракту. Таким образом, психологически важный предел в 3000 долл./т был преодолен уже в первый месяц года. Мировое производство рафинированной меди в 2004 году составило 15,77 млн. тонн. По прогнозным оценкам в 2005 году наметилась тенденция роста производства рафинированной меди до 16,93 млн т. Главные ставки делают на рост выпуска странами Азии, такими как Китай, Индия, Таиланд. [59, 60]
Помимо медного производства большое значение для экономики России имеет производство никеля, который был открыт в 1751 г. шведом Кронштен-дом.[98]
Никель входит в состав никелевых руд и самородных минералов. Никелевые руды представляют собой в основном минеральное соединение (сернистые, мышьяковистые, кремнекислые). Наибольшее промышленное значение имеют сульфидные руды; они обычно являются комплексными медно-никелевыми. Содержание никеля в сульфидных рудах колеблется от 0,5 до 4 и даже до 5%. Постоянно присутствуют в этих рудах в качестве примесей палладий, платина, родий, золото, серебро, селен, теллур [78].
Получение чистого никеля - весьма сложный многостадийный процесс. Из сульфидных руд после предварительного обогащения получают медно-никелевые концентраты. Затем следуют процессы агломерации, первичной плавки и получения штейна, переработки штейнов в конверторах и получения файнштейна, обогащения файнштейна и разделения его на никелевые и медные концентраты, переработки файнштейна различными способами и получения металлического никеля. Общий процент извлечения никеля из руд не превышает 70-75 % [8, 63].
Мировое производство никеля составляет порядка около 1030 тыс. т. в год. Наибольшие запасы никеля расположены в Канаде, Индонезии, России, Австралии, Новой Каледонии и на Кубе. [71]
РАО «Норильский Никель» является одним из крупнейших поставщиков никеля в мире. Промышленная продукция производится дочерними компаниями РАО и ОАО «Кольская ГМК». На долю дочерних обществ РАО «Норильский никель» и ОАО «Кольская ГМК» приходится примерно 20% мирового производства никеля. На отечественном рынке на долю дочерних обществ РАО «Норильский Никель» приходится около 96% всего производимого в стране никеля. [64]
Крупнейшие североамериканские производители - Inco Ltd. (Toronto) и Falconbridge Ltd. (Toronto). В других регионах доминирующие позиции занимают WMC Ltd. (Melbourne, Australia); Sumitomo Metal Mining Co. Ltd. (зарегистрирована в Японии); Eramet SA (Франция); Jinchuan Non-Ferrous Co. (Китай).
Мировой рынок никеля отличается достаточно высокой нестабильностью цен. Так в 1998 г. на рынке никеля произошло перенасыщение, приведшее к падению цен. На протяжении 2000 г. на рынке никеля наблюдался дефицит никеля примерно в размере 20 тыс. т. по сравнению с дефицитом в размере 49 тыс. т в 1999 г. В результате сокращения дефицита на рынке никеля его цена снизилась в среднем с$10 тыс. за т. в 1999 г. до $7.2 тыс. за т. в конце 2000 г. [23]
По итогам 2004 года по оценкам экспертов объем мирового производства никеля составил около 1270 тыс.тонн. На долю России приходится более 21 % или 268 тыс.тонн. Никель и продукция на его основе экспортируется более чем в 40 стран мира. Около 200 иностранных компаний импортируют продукцию российского производства. Основными странами потребителями, на долю которых приходится около 99% всех экспортных поставок, являются: Швейцария - 42,7 %, Нидерланды - 30,2%, Великобритания - 8,0%, Финляндия - 6,5%, Китай ~ 4,1%, Швеция - 3,6%, Южная Корея - 3,6%. Общий объем экспортной выручки в 2004 году превысил 3,59 млрд.долларов США. [60]
Никель, как и медь, является биржевым товаром. За последние два года основными причинами резкого роста биржевых цен были «спекулятивные» сделки страховых и инвестиционных фондов, основанные на спросе со стороны
Китая на никель и нержавеющую сталь. Если в 2003 году среднегодовая цена составляла 9640 долларов США за тонну, то уже в начале 2004 года цены скакнули до 17000 долларов. Цены ЛБМ на никель с 3-х месячной поставкой на конец февраля 2005 г. составляют более 16100 долл. за тонну. По оценке экспертов дефицит предложения никеля в 2005 году снизится до 10-15 тыс.тонн, что повлечет корректировку цен до уровня 13500-14000 долларов за тонну. [59, 60]
Рынок никеля, так же как меди и алюминия, имеет сильные фундаментальные показатели. Дефицит металла на рынке в текущем году оценивается в 10-20 тыс. тонн, и сохранение дефицита прогнозируется как минимум до 2006 г, пока не будут реализованы крупные никелевые проекты в Новой Каледонии, Канаде или Австралии. [23]
По итогам 2004 года общий объем производства никеля ГМК "Норильский никель" увеличился до 243 тыс. тонн по сравнению с 239 тыс. тонн в 2003 году. Ежеквартальное производство никеля в 2004 году составило 61, 61, 59 и 62 тыс. тонн в первом, втором, третьем и четвертом кварталах соответственно.
Общий объем производства меди в 2004 году практически не изменился и составил 447 тыс. тонн по сравнению с 451 тыс. тонн в 2003 году. Ежеквартальное производство также было стабильным в течение 2004 года и составило 110, 112, 112 и 113 тыс. тонн в первом, втором, третьем и четвертом кварталах соответственно.
Планируется, что в 2005 году объем производства никеля и меди практически не изменится и ожидается в объеме 240 - 245 тыс. тонн никеля и 440 - 450 тыс. тонн меди.
Актуальность работы.
В настоящее время в рамках совершенствования пирометаллургической технологии переработки сульфидных медно-никелевых концентратов в Кольской горно-металлургической компании разрабатывается новая технология подготовки руд к плавке, включающая операции фильтрации, брикетирования и сушки брикетов, с последующей плавкой брикетов [14].
Планируемое радикальное изменение состава сырья, направляемого в металлургическое производство в плавильный цех комбината «Печенганикель», неизбежно внесет весьма существенные изменения в технологию цеха.
Основным компонентом шихты рудно-термических печей плавильного цеха в настоящее время являются обожженные окатыши и рудное сырье близлежащих рудников, суммарная доля которых в общей массе загрузки электропечи по данным технических отчетов составляет 45-50 %. Переход на плавку брикетированного концентрата, химико-минералогический состав и физические характеристики которого резко отличаются от смеси руды и обожженных окатышей, повлечет неизбежное изменение технологии плавильного цеха. В первую очередь эти изменения затронут головной передел - рудную электроплавку, показатели которой зависят как от состава исходного сырья (собственная руда, окатыши, норильская руда, штейны и шлаки других комбинатов, скрап, зачистки лежалого сырья, а в скором времени и брикеты) так и оборотного (жидкий конвертерный шлак).
Большое разнообразие, широкий диапазон химико-минералогических составов и физических характеристик загружаемых компонентов в сочетании с постоянным изменением долей загружаемых компонентов (о чем свидетельствуют технические отчеты плавильного цеха за последние годы) затрудняют априорную оценку технологических показателей процессов электроплавки и конвертирования. Практика показывает, что в таких условиях работа электропечей становится крайне нестабильной, что сопровождается снижением технико-экономических показателей, ухудшением экологической обстановки и условий труда, а в ряде случаев чревато возникновением нештатных и аварийных ситуаций.
Переход на плавку брикетированного концентрата, скорее всего, повлечет за собой значительные трудности в ее освоении, поэтому проведение предварительных исследований, направленных на разработку планируемой технологии, является весьма актуальным. Особое внимание должно быть уделено матема-
тическому моделированию электроплавки и конвертирования медно-никелевых руд и концентратов, что на существующем уровне развития электронной техники вполне осуществимо, несмотря на плохую моделируемость всех рудопла-вильных процессов.
Таким образом, тема данной диссертационной работы направлена на решение актуальной проблемы, стоящей перед комбинатом «Печенганикель» — определение оптимальных условий технологии электроплавки нового вида сырья - брикетированного необожженного флотационного концентрата. Для ее эффективного решения требуется проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку математического описания и оптимизации процессов электроплавки и конвертирования сульфидного мед-но-никелевого сырья.
Исследования выполнялись в соответствии с Грантом РФФИ «Поддержка ведущих научных школ» (проект № 00-15-99070л) и госбюджетной тематикой 6.30.028 «Моделирование процессов, аппаратуры и систем управления промышленных печей и технологического оборудования производства металлов» (1999-2001 г.г.) и 6.30.022 «Исследование теоретических основ и разработка экологически безопасных ресурсосберегающих процессов комплексной переработки металлосодержащего сырья и продуктов» (2002-2004 г.г.).
Цель работы - разработка оптимальных режимов подготовки шихты и ее пирометаллургической переработки, обеспечивающих улучшение основных технологических показателей.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
определить оптимальные условия операций подготовки сульфидных медно-никелевых брикетированных концентратов при дальнейшей пирометаллургической переработке;
разработать математические модели электроплавки и конвертирования, позволяющие оценить влияние состава исходного сырья на выход продуктов
переделов и основные технико-экономические показатели процессов;
разработать программный продукт, позволяющий определить
оптимальную шихтовку процессов электроплавки и конвертирования с целью
достижения максимально возможных извлечений цветных металлов в штейн и
файнштейн при соблюдении заданных ограничений.
Методы исследования. В работе были использованы экспериментальные и теоретические методы исследований. Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторном масштабе. Применялись методы математической статистики, аналитической и графоаналитической обработки данных лабораторных исследований и материалов обследования действующего промышленного производства. Количественный и химический состав проб определялся методами классической аналитической химии, рентгеноспектральным и рент-генофлюарисцентным. Физические характеристики твердых материалов изучались на основе принятых в заводской практике методов технологического контроля. Обработка результатов исследований проводилась с использованием следующих программных продуктов: Excel, Mathcad, Matlab, Statistica и собственных программных разработок.
Научная новизна работы.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований в работе получены следующие результаты:
разработана математическая модель кинетики процесса сушки
брикетированного сульфидного медно-никелевого сырья;
установлены зависимости основных показателей процесса брикетирования от определяющих технологических факторов;
дано математическое описание с помощью уравнений линейной регрессии:
количества возврата на брикет-прессе от давления брикетирования и гранулометрического состава;
прочности на сжатие брикетов от влажности концентрата и брикетов и
количества связующего;
разработана математическая модель электроплавки и конвертирования сульфидного Cu-Ni сырья, позволяющая оценить влияние состава исходного сырья на выход продуктов переделов и основные технико-экономические показатели процессов;
разработан программный продукт, позволяющий определить оптимальную шихтовку процесса электроплавки сульфидного Cu-Ni сырья и конвертирования штейна.
Практическая значимость работы. На основании проведенных исследований были сделаны следующие практические рекомендации:
даны предложения по организации рациональной системы шихтоподготовки, обеспечивающей улучшение технико-экономических показателей пирометаллургических переделов при комплексной переработке сульфидного Cu-Ni сырья;
разработаны рекомендации по выбору оптимального состава исходного сырья и промпродуктов в зависимости от показателей пирометаллургических переделов;
предложен программный продукт, позволяющий осуществлять оптимизацию шихтоподготовительных и пирометаллургических переделов при переработке сульфидного Cu-Ni сырья сложного химико-минер алогического состава.
Достоверность полученных результатов. Достоверность приводимых результатов была подтверждена надежной сходимостью с промышленными данными, предоставленными комбинатом «Печенганикель».
Защищаемые положения диссертации
1. Кинетика сушки брикетированного Cu-Ni концентрата во всем временном диапазоне может быть описана уравнением экспоненциально-степенного характера, которое позволяет определять предельную продолжительность процесса.
2. Оптимальные показатели пирометаллургической переработки
сульфидного Cu-Ni сырья могут быть найдены с помощью математической
модели, полученной на основе анализа физико-химических процессов и
производственных данных комбината «Печенганикель».
3. Переработка брикетированного Cu-Ni концентрата позволяет повысить
извлечение цветных металлов при неизменном удельном расходе
электроэнергии.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных конференциях студентов и молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" (Санкт-Петербург, 2002-2005 гг.), Международной научной конференции «Металлургические технологии и экология» РЕСТЕК (Санкт-Петербург, 2003 г.), VIII Международном Симпозиуме молодых ученых, аспирантов и студентов «Техника экологически чистых производств в XXI веке: Проблемы и Перспективы» (Москва, 2004 г.).
По теме диссертации опубликовано: 1 научная брошюра, 5 статей, 2 тезиса докладов на международных и российских конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 108 наименований, иллюстрирована 41 рисунком, содержит 17 таблиц и изложена на 230 страницах машинописного текста.
Окускование ф л ото концентрата методом окатывания с последующим окислительным обжигом
Как в черной, так и в цветной металлургии для окускования мелких материалов широко используется метод агломерации или спекания, заключающийся в окусковании мелкой руды или концентрата при сильном нагреве. Спекание шихтовых материалов производится на агломерационной машине, представляющей собой бесконечную ленту, состоящую из большого числа движущихся тележек. Днища тележек образованы колосниковыми решетками. Под ними расположены газовые камеры, соединенные с эксгаустером, создающим разряжение, необходимое для прососа воздуха через слой шихты, лежащей на колосниковой решетке. [21, 42]
При окусковании агломерацией материалы шихты претерпевают различные физико-химические превращения. В первую очередь удаляется гигроскопическая вода, затем, по мере повышения температуры слоя спекаемого материала, происходят процессы термического разложения высших сульфидов, удаляется кристаллизационная влага, разлагаются карбонаты, образуются легкоплавкие силикаты, которые связывают частицы шихты в прочный агломерат.
Спекание шихты протекает за счет тепла, выделяющегося при окислении сульфидов, а также за счет тепла от горения коксовой мелочи в шихте. Температура в слое спекаемого материала достигает 1100-1200 С, при этом легкоплавкие составляющие частично оплавляются и связывают частицы шихты в прочный агломерат [70, 80].
Агломерацию как метод окускования шихты перед электроплавкой применяют на Никелевом заводе НГМК.
Образовавшийся в процессе спекания первичный шлак повышает легкоплавкость агломерата, что приводит к снижению удельного расхода электроэнергии при его переработке в электрических печах по сравнению с плавкой неподготовленной шихты.
Однако, процесс агломерации имеет ряд недостатков: большие безвозвратные потери металлов, достигающие 1,5 % по никелю; низкая десульфуризация (до 45-50 %) при агломерации концентратов с повышенным содержанием серьт (до 28 %); выбросы бедных по содержанию SO2 газов, которые не могут быть утилизированы; необходимость применения мощных эксгаустеров из-за высокого сопротивления слоя шихты при спекании; малая вертикальная скорость спекания и низкая удельная производительностью из-за плохой газопроницаемости слоя.[21, 80]
Метод окускования тонкоизмельченных материалов путем их окатывания в частицы диаметром 8-15 мм, которые затем подвергают термическому упрочнению на ленточной конвейерной машине, применяют при подготовке медно-никелевых концентратов к электроплавке на комбинате «Печенганикель».
Исходным материалом для окатывания служит флотоконцентрат, предварительно обезвоженный в фильтр-прессах. Для успешного окатывания необходимо, чтобы концентрат содержал не менее 72-75 % фракции - 0,044 мм, в том числе не менее 25 % фракции - 0,02 мм. Для улучшения окатываемости в шихту также можно вводить сухой возврат уже обожженных окатышей, рудную мелочь, пыль из газоходов и пылевых камер. Компоненты шихты смешивают в двухвальных лопастных смесителях [80].
На комбинате «Печенганикель» концентрат перед окатыванием подвергают предварительной сушке в сушильном барабане, что позволяет увеличить производительность фабрики окатывания за счет отказа от введения в шихту возврата.
Окатывание шихты осуществляется в чашевых грануляторах. Механизм окатывания шихты на чашевом грануляторе состоит в том, что под действием центробежной силы частицы материала поднимаются по днищу чаши и, достигнув наивысшего положения, скатываются вниз. При перекатывании материала происходят столкновения между частицами материала, что способствует образованию мелких комков неправильной формы, которые с течением времени склеиваются в более крупные и принимают шарообразную форму.[21]
Так как сырые окатыши имеют малую механическую прочность, их подвергают термической обработке. Термическое упрочнение окатышей выполняют на ленточных конвейерных машинах, конструкция которых отличается от конструкции агломашин, в основном, системой газового тракта. Обжиг окатышей осуществляют с помощью топочных газов, получаемых при сжигании топлива над слоем материала. Температура в слое обжигаемых окатышей должна быть примерно 1050 С. При обжиге на поверхности окатыша образуется оболочка из окислов металлов, а расплавленные сульфиды цементируют частицы концентрата во всем объеме окатыша. [80]
Физическая картина процесса сушки
Процесс сушки сопровождается непрерывным изменением концентрации влаги в высушиваемом материале. В процессе сушки возникает разность концентраций влаги между поверхностью, с которой происходит удаление влаги, и внутренними слоями. Вследствие этого осуществляется движение влаги от мест с большей концентрацией к местам с меньшей концентрацией. Этот процесс называют влагопроводностью. Влага при проходе к поверхности тела или к границе испарения превращается в пар, который смешивается с сушильным агентом и удаляется в окружающую среду. По мере развития процесса сушки поверхность, на которой происходит испарение, перемещается от наружных слоев материала во внутренние. Между поверхностью и центром сушимого материала возникает разность температур, вследствие чего влага перемещается из более горячих мест в более холодные. Это явление получило название термо-влаго проводи ости, оно обусловлено возникновением разности давлений в капиллярных каналах при перепаде температур. Векторы вл аго про водности и термовлагопроводности направлены в разные стороны, и термовлагопровод-ность замедляет процесс сушки. По мере прогрева тела (с уменьшением градиента температуры) роль термовлагопроводности уменьшается. Поэтому в процессе сушки решающую роль играет влагопроводность [58, 93, 94].
При нагреве до - 100 С влага, находящаяся внутри сушимого материала, превращается в пар. Вследствие чего возникает разность давлений водяного пара между внутренними и внешними (более сухими) слоями материала, которая приводит к дальнейшему усилению переноса влаги из внутренних слоев к наружным.
Нагретые газы, передающие тепло сушимому материалу, играют не только роль теплоносителя, но и выполняют функцию отвода влаги удаляемой из материала с его поверхности.
Таким образом, нестационарное распределение влагосодержаний и температур определяется закономерностями влаго- и теплопереноса внутри тела, а также условиями внешнего влаго- и теплообмена с окружающей средой. На рис. 2.2 показано изменение во времени средней влажности сушимого материала, скорости удаления из него влаги, температуры поверхности и центра сушимого тела (при постоянной температуре и постоянной относительной влажности сушильного агента) [49].
Из графика видно, что процесс сушки можно разделить на три основных периода. Для начальной стадии первого периода характерна невысокая интенсивность сушки, ввиду того, что часть тепла затрачивается на нагрев материала, а не на удаление влаги, и кроме этого, процесс термовлагопроводности (вследствие разности температур по сечению) тормозит процесс сушки. Во время первого периода происходит нагрев материала и с постепенно нарастающей скоростью начинается испарение влаги. По мере прогрева материала, скорость удаления влаги растет вследствие снижения разности температур по его сечению. Второй период сушки характеризуется постоянной скоростью удаления влаги; все подводимое к телу тепло расходуется только на испарение влаги. Температуры поверхности и центра при этом практически не изменяются и близки к температуре кипения. Во втором периоде явление термовлагопроводности практически отсутствует, и интенсивность сушки определяется исключительно влагопроводностью и условиями подвода тепла к материалу.
Во время третьего периода интенсивность сушки падает вследствие уменьшения влажности материала (замедление процесса влагопроводности из-за меньшей разности концентраций), и в результате возникновения эффекта термовлагопроводности. По мере роста температуры поверхности тела граница испарения (поверхность, разделяющая влажную и сухую часть материала) перемещается с поверхности внутрь. В третьем периоде протекает не только процесс испарения влаги, но и происходит дальнейшее повышение температуры материала. Разность давлений водяного пара во внутренних и внешних слоях тела играет большую роль, способствует росту потока влаги, направленного к поверхности. В конце третьего периода удаление влаги из высушиваемого материала практически завершается, и температура его поверхности стремится к температуре сушильного агента. В общем случае интенсивность сушки зависит не только от величины потока влаги внутри материала, но и от скорости удаления водяного пара с поверхности тела [49, 51, 100].
Скорость сушки в большей степени зависит от условий подвода тепла к поверхности сушимого тела. При прочих равных условиях интенсивность отвода влаги с поверхности тела тем выше, чем больше плотность подводимого теплового потока. Однако, при этом увеличивается вероятность возникновения термических напряжений в результате возрастания разности температур по сечению тела, и это может вызвать образование трещин в сушимых изделиях. С другой стороны, как это уже отмечалось, в течение первого и третьего периодов сушки увеличение перепада температур по сечению приводит к замедлению процесса переноса влаги внутри тела в связи с ростом обратного потока влаги за счет термовлагопроводности.
Математическая модель технологии электроплавки сульфидного медно- никелевого сырья
Другой немаловажный этап исследований заключался в изучении влияния различных параметров на технологические показатели брикетирования: характеристики сушеных брикетов, такие как прочность на сжатие и ударная прочность, количество возврата на брикет прессе. В качестве факторов влияющих на эти показатели были рассмотрены следующие параметры: гранулометрический состав концентрата, содержание лигносульфоната в шихте, поступающей на брикетирование, плотность шихты, производительность по концентрату, влажность концентрата, поступающего на брикет пресс, и влажность брикетов, давление брикетирования.
Определение прочностных характеристик сырых и готовых (сушеных) брикетов осуществлялось 3-кратным сбрасыванием с двухметровой высоты на стальную плиту и рассевом осколков на сите 10 мм (ударная прочность) и раздавливанием на прессе с фиксацией по манометру давления, при котором происходило разрушение брикетов (прочность на сжатие).
По известной методике многофакторного корреляционного анализа (Приложение 1) была произведена статистическая обработка производственных и экспериментальных данных (Приложение 2, рис.1) с целью выявления зависимости между выходом возврата на брикет прессе и выше указанных факторов.
Полученные данные относительно значимости парных коэффициентов корреляции показали, что в большей степени на выход возврата на брикет прессе влияет содержание класса -0,074+0,044 мм, содержание класса -0,044 мм, а также давление брикетирования. Влияние других рассматриваемых факторов не столь значительное, и они исключались из дальнейшего рассмотрения.
На основании проведенной статистической обработки данных установлено, что для оценочных расчетов возврата на брикет прессе можно использовать регрессионную зависимость вида: Ког = 718,85-1,069-Р -6,599-Да-4,93-Дз, (2.40) где Voz - выход возврата (-10 мм) на брикет прессе, % Рбр - давление брикетирования, бар R2 - содержание фракции класса -0,074+0,044 мм в концентрате, % R3 - содержание фракции класса -0,044 мм в концентрате, %. На рис. 2.13 представлены экспериментальные и расчетные данные по выходу возврата на брикет-прессе. И- экспериментальные точки, Ш - расчетные точки.
По известной методике многофакторного корреляционного анализа (Приложение 1) была произведена статистическая обработка производственных и экспериментальных данных (Приложение 2, рис.2), с целью выявления зависимости между ударной прочностью сухих брикетов и выше указанных факторов.
Полученные данные относительно значимости парных коэффициентов корреляции показали, что в большей степени на ударную прочность сухих брикетов влияет содержание связующего. С повышением содержания лигносуль-фоната в поступающей на брикетирование шихте ударная прочность сушеных брикетов (обратная величина выхода осколков брикетов класса -10 мм) увеличивается - выход осколков брикетов падает и при содержаниях связующего в чивается — выход осколков брикетов падает и при содержаниях связующего в шихте -4% и выше мало изменяется. С ростом содержания классов (+0,074 и -0,074+0,044 мм) в гранулометрическом составе концентрата снижается выход осколков брикетов класса- 10 мм. И, наоборот, повышение содержания мелкой фракции (-0,044 мм) в составе концентрата способствует уменьшению ударной прочности высушенных брикетов.
Рост производительности брикет пресса приводит к повышению выхода осколков сушеных брикетов класса - 10 мм. Зависимость ударной прочности сушеных брикетов от влажности концентрата, поступающего на брикет пресс, имеет экстремальных характер и в области 3% достигает максимума
Также была произведена статистическая обработка производственных и экспериментальных данных (Приложение 2, рис.3-4) с целью выявления зависимости между прочностью на сжатие сырых и сухих брикетов и выше указанных факторов.
Полученные данные относительно значимости парных коэффициентов корреляции показали, что в большей степени на прочность на сжатие сырых брикетов влияет влажность концентрата, содержание связующего и влажность брикетов. Влияние других рассматриваемых факторов не столь значительное, и они исключались из дальнейшего рассмотрения.
На основании проведенной статистической обработки данных установлено, что для оценочных расчетов прочности на сжатие сырых брикетов можно использовать регрессионную зависимость вида: SPv = 13,731 - 2,62 Vlk + 2,365 Ccv + 6,396 Vlb (2.41) где, SPv - прочность на сжатие сырых брикетов, кГ/брикет Vlk - влажность концентрата, % Ccv - содержание связующего, % Vlb - влажность брикетов, %.
Определение удельного расхода электроэнергии
Распределение цветных металлов между продуктами плавки Опыт показывает, что наиболее неопределенными вопросами, возникающими при создании модели, является распределение цветных металлов между продуктами плавки [10]. Уровень развития металлургической науки в настоящее время таков, что не позволяет даже приблизительно теоретически осветить количественно эти вопросы, и здесь почти целиком приходится ориентироваться на заводскую практику. Этот путь позволяет разработать модель, со вполне удовлетворительной адекватностью отвечающую нуждам заводской практики. Обязательным условием такого подхода является достаточная схожесть математической модели и процесса, для которого ведется численный расчет. Лишь в этом случае можно с уверенностью говорить об удовлетворительной точности расчета распределения цветных металлов в условиях моделируемого процесса.
В тех же случаях, когда модель и процесс имеют весьма рознящиеся характеристики, следует установить корреляционные зависимости между концентрациями цветных металлов и иных компонентов в продуктах плавки. Переход на плавку брикетов несомненно относится ко второму типу, поэтому прямой перенос данных нынешней технологии на новый процесс некорректен и может привести к заметным ошибкам. В этой связи вопрос о количественном описании распределения цветных металлов между продуктами при плавке брикетов является одним из важнейших при разработке модели технологии.
Как уже отмечалось в предыдущей главе, продуктами электроплавки сульфидных медно-никелевых концентратов являются обогащенный штейн, отвальный шлак, пыль и технологические газы. Поскольку пылеунос при рудной электроплавке медно-никелевой шихты целиком представлен чисто механическим уносом, вопрос распределения цветных металлов при плавке сводится к их распределению лишь между штейном и шлаком. При этом он может быть полностью описан через содержание цветных металлов в шлаке, так как наличие в структуре модели зависимостей, определяющих это содержание, «автоматически» делает известным и содержание металлов в штейне.
Из теории и практики электроплавки медно-никелевого сульфидного сырья известно, что главными факторами, определяющими переход цветного металла (никеля, кобальта и меди) в шлак, является содержание их в штейне, содержание кремнекислоты в шлаке, металлизация штейна, температура. Действуя в совокупности, эти факторы обуславливают весьма сложную картину перехода цветных металлов в шлак. Она еще больше осложняется ввиду влияния других факторов: содержания в шлаке других (помимо кремнекислоты) шлако-образующих, электрических параметров плавки, состояния ванны (высоты слоя шлака, заглубления электродов, системы загрузки печи шихтой, выпуска шлака и др.). Количественно описать всю эту совокупность невозможно не только теоретически, но и статистически по заводским данным.
Однако, и при использовании статистического подхода к описанию главных факторов возникают значительные трудности. Они определяются, прежде всего, недостаточностью заводских данных. Так, на комбинате металлизация заводских штейнов аналитически определяется крайне редко, в основном при проведении каких-либо специальных исследовательских работ. Замеры температуры шлаковой ванны печи вообще почти никогда не производятся, ее периодически определяют только на выпуске шлака из печи. В сменных анализах шлака не определяется содержание меди, ее анализируют значительно реже.
Учитывая все эти моменты, при проведении работы в первую очередь ставилась задача выявления влияния наиболее значимых факторов на содержание цветных металлов в шлаке, определение наиболее важных соотношений, характеризующих это содержание, и построение соответствующих статистических зависимостей.
При этом, что следует особо подчеркнуть, все используемые для анализа заводские данные никак не могли прямо относиться к плавке брикетированного концентрата, которой пока не существует. Вместе с тем, будущие брикеты по соотношениям содержаний металлов и шлакообразующих в общем отвечают диапазону колебаний этих содержаний в нынешнем сырье (как будет видно из приведенных ниже данных, этот диапазон достаточно широк). Поэтому зависимости, полученные для этого нынешнего сырья, могут быть использованы и для модели плавки брикетов. При выполнении этого этапа работы основное внимание было уделено анализу данных плавильного цеха за 2000 год. Для этого были взяты результаты заводских аналитических определений содержаний никеля, кобальта, кремнекислоты, оксида магния в шлаках и железа в штейнах в сменных пробах. Всего были обработаны данные примерно по 160 пробам, чего вполне достаточно для выявления значимых зависимостей.
