Автоматизация процесса конвертирования медных штейнов

[quote] Введение ……………………………………………………………………..…….8
1 Технологическая часть ...……………………………...………………….……10
1.1 Описание процесса конвертирования медных штейнов ……..…………..10
1.2 Устройство и работа конвертера ……………………..………….………...16
1.3 Металлургический расчет …………………………………...……………..18
1.3.1 Расчет количества потребного воздуха ………………………..……….18
1.3.2 Расчет отходящих газов …………………….….……………..…..……..20
1.3.3 Расчет количества потребных флюсов ………………………..………..21
1.3.4 Расчет материального баланса ……………….……………….………...21
1.3.5 Расчет теплового баланса ………………………………………….……22
2 Специальная часть ………………………………………………………….….26
2.1 Характеристика технологии процесса конвертирования ……….……..…26
2.2 Технико-экономическая сущность и выбор задач управления ………….30
2.3 Анализ процесса как объекта управления …………………………...……31
2.4 Содержательная постановка задачи оптимального управления ………...32
2.5 Математическое описание процесса конвертирования медных штейнов 33
2.6 Оценка химизма процесса конвертирования ……………………………...33
2.7 Восстановление структуры математической модели процесса
конвертирования ………………………………………………………………....35
2.8 Построение модели динамики теплового баланса для процесса
конвертирования …………………………………………….……………….…..41
2.9 Математическая постановка задачи оптимизации процесса
конвертирования …………………………………………………………..……..43
2.10 Синтез алгоритма управления процессом конвертирования в ходе
продувки ………………………………………………..…..…………………….45
2.11 Алгоритм управления процессом конвертирования в ходе продувки ..49
2.12 Информационное обеспечение …………………….…………………..…51
2.13 Техническое обеспечение ……………………..….……..……………...…52
2.13.1 Описание схемы автоматизации ………………………………..……..52
2.13.2 Выбор средств вычислительной техники ….…..…………………..…53
2.14 Программное обеспечение …………………….………………………...54
3 Экономическая часть …………………………………………………………..59
3.1 Экономическое обоснование внедрение автоматизированной системы
управления технологического процесса ……….…………………………….....59
3.2 Расчет затрат на разработку и внедрение системы автоматического
управления ……………………………………………………….…….…………59
3.2.1 Заработная плата разработчиков с отчислениями на социальные
нужды .……………………………………..……………………………...………59
3.2.2 Затраты на приборы и средства автоматизации …………………..…..60
3.2.3 Затрата на отладку программы ………………………..………. ……...62
3.3 Расчет экономической эффективности внедрения системы автоматизации
……………………………………………………………………………………...63
4 Безопасность жизнедеятельности ……………………………………………..6
4.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………….....65
4.2 Обеспечение электробезопасности ………….………….....………………66
4.2.1 Расчет защитного заземления …………………..………………...…….66
4.3 Расчет искусственного освещения ………….....…….…………………….69
Заключение ……………………………………………………………………….71
Список литературы
Технологическая часть

1.1 Описание процесса конвертирования медных штейнов

При любом виде плавки медного рудного (кроме восстановительной)
происходит концентрирование меди, благородных металлов и ряда редких и
рассеянных элементов в штейне, который выделяется из плавильных печей в
жидком виде. Целью дальнейшей переработки медного штейна является
получение черновой меди. В ней будут концентрироваться также практически
все золото и серебро и частично редкие элементы.
Эта задача в настоящее время повсеместно решается путем окисления
железа и серы продувкой через слой расплавленного штейна воздуха или
дутья, обогащенного кислородом. Такой процесс получил название
“конвертирование”. Продувка штейна сопровождается переводом оксидов
железа в шлак, а SO2 в газы.
Медные штейны, как уже отмечалось выше, в основном состоят из
сульфидов меди CuS и железа FeS. Содержание меди в них в зависимости от
состава перерабатываемого сырья и применяемого вида плавки колеблется от
10-12 до 70% и более. Поскольку между содержанием в штейне меди и железа
существует обратно пропорциональная зависимость, его состав влияет на
технико-экономические показатели процесса конвертирования: расход дутья,
продолжительность продувки, количество использованных флюсов и
образующегося конвертерного шлака, тепловой режим процесса.
Процесс конвертирования медных штейнов протекает в два периода. В
первом периоде практически полностью окисляется сульфид железа, т. е.
железо и связанная с ним сера, во втором получается черновая медь за счет
окисления полу сернистой меди.
Конвертирование медных штейнов основано на окислении сульфидного
расплава кислородом, содержащимся в дутье.
Процесс начинается с окисления сульфида железа по реакции:
2FeS+3O2+SiO2=Fe2SiO4+2SO2+1030290 кДж (1.1)
Пока в расплаве имеется достаточное количество железа, сульфид меди
практически не окисляется, поскольку равновесие реакции нацело сдвинуто
вправо вследствие более высокого сродства железа к кислороду и меди к сере.
Таким образом в первом периоде конвертирования происходит селективное
окисление сульфида железа. В фурменной зоне вследствие относительного
”избытка” кислорода окисление FeS протекает по схеме FeS FeO Fe3O4.
в конечном итоге при глубоком окислении все железо может быть
переокислено до магнита, который при температурах конвертирования
находится в твердом магнетита состоянии (t плавки магнетита равна 1590 0С).
при перемешивании расплава воздухом будет образовываться однородная
гетерогенная масса, состоящая из магнетита и оставшихся сульфидов. Таким
образом, при чрезмерном переокислении расплава, несмотря на практически

полное окисление сульфида железа, разделение оксидной и оставшейся
сульфидной фаз становится невозможным.
Для отделения образующихся оксидов железа от сульфидов необходимо
их концентрировать не в твердом, а в жидком продукте и, добиваться
возможно меньшего переокислении железа до магнетита и получения его в
основном виде FeO по реакции:
2FeS+3O2=2FeO+2SO2+937340 кДж (1.2)
С этой целью для образования железосиликатного расплава в первом
периоде конвертирования в конвертер подают кварц. При растворении
вюстита в шлаке снижается его активность, и тем в большей степени, чем
больше концентрация SiO2 в шлаке. Снижение активности вюстита замедляет
его окисление, однако предотвратить процесс переокислении железа до
магнетита добавкой кварца полностью не удается. Остаточное содержание
магнетита в шлаке определяется тем, на сколько благоприятные условия
созданы для протекания реакции:
3Fe3O4+FeS+5SiO2=5(2FeO*SiO2)+SO2+19930 кДж (1.3)
С заметной скоростью эта реакция протекает, начиная с температуры
0
разложения магнетита возрастает. Процесс конвертирования желательно
вести форсировано при максимально высоких температурах. Однако
необходимость увеличения срока службы огнеупоров требует ограничения
рабочих температур процесса. Их обычно поддерживают в пределах 1280-
13200С.
С повышением температуры скорость растворения кварца возрастает и
кислотность шлака повышается. Оптимальным считается содержание SiO2 в
конвертерном шлаке в пределах 23 – 26 %. Снижение содержания кремнезема
влечет за собой повышение в шлаке содержания магнетита и меди.
Чрезмерное его повышение (до 30%) не дает достаточного эффекта по
снижению содержания меди и магнетита и вызывает дополнительные затраты
на флюсы.
С уменьшением крупности кварца скорость его растворения
увеличивается. Оптимальная крупность кварца составляет 10-20 мм.
Использование более мелкого кварца приводит к большому его выносу из
конвертера через горловину потоком газов. Для конвертирования желательно
использовать чистый (95-96% SiO2) кварц. Эффективность усвоения кварца
расплавом возрастает также, если куски его растрескиваются при падении в
расплав. В этом случае желательно чтобы в кварцевом флюсе присутствовали
в небольших количествах легкоплавкие гидротированные примеси.
Продувка штейна без достаточного образования шлака имеет целый ряд
существенных недостатков: чрезмерно высокая температура в области фурм,
образование агрессивных первичных оксидно-сульфидных расплавов,
высокое содержание в шлаках магнетита и меди вследствие сравнительно
низкой средней температуры в конвертере. Некоторые из этих недостатков
могут быть устранены или уменьшены в результате подачи кварца
непосредственно в зону интенсивного барботажа (например, через фурму).
Сформировавшийся в барботажной зоне первичный шлак оттесняется
циркуляционными потоками в зону, где продолжают протекать процессы
идущие с меньшими скоростями, чем процессы окисления. Протекающие в
постоянно циркулирующей ванне конвертера процессы могут быть описаны
следующими суммарными уравнениями:

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

[Fе3O4]шт (Fe3O4)шл; (1.5)
По мере продувки содержание меди в штейне постепенно возрастает,
что приводит к увеличению межфазного натяжения на границе раздела шлак –
штейн, а следовательно, и к увеличению размера капель штейна. При высоких
значениях поверхностного натяжения скорость разделения фаз становится
настолько значительной, что первичная однородная шлако-штейновая
эмульсия начинает распадаться и богатый штейн в виде компактной
самостоятельной фазы концентрируется в застойных зонах конвертера.
Процесс конвертирования медных штейнов в горизонтальных
конвертерах является периодическим и состоит из двух периодов.
В первом периоде конвертирования проходит постепенное накопление в
конвертере обогащенной медью сульфидной массы. В связи с этим после
каждой заливки штейна и его частичной продувки из конвертера сливают
шлак и заливают дополнительную порцию штейна. Затем вновь проводят
продувку. Эти операции в течение первого периода проводят несколько раз,
пока в конвертере не накопится достаточное количество богатой массы.
В первом периоде процесса конвертирования медных штейнов
температура в конвертере повышается со скоростью 5-7 0С в минуту. Во
избежание чрезмерного перегрева расплава в конвертер загружают холодные
присадки (дробленный холодный шлак, корки и т.п.).
Загрузка оборотных материалов, позволяющая выравнивать
температуру в процессе конвертирования, имеет важное значение для
увеличения срока службы футеровки. Одной из главных причин быстрого
износа футеровки являются частые теплосмены. Во время разливки черновой
меди и слива конвертерного шлака открытая кладка конвертера быстро и
сильно охлаждается (до 600-800 0С). Для того чтобы избежать этого, на ряде
заводов организуется подтопка конвертеров с таким расчетом, чтобы
температура кладки не опускалась ниже 1000-1050 0С, что значительно
снижает вероятность ее растрескивания.
Вследствие охлаждения конвертера во время остановок начало
продувки протекает при температуре ниже оптимальной, и в это время
конвертер нужно разогревать. Затем вследствие избытка тепла конвертер
начинает перегреваться. Именно в это время, т. е. По достижении
оптимальной температуры конвертера, и необходимо начинать загружать
холодные обороты. Очевидно, предпочтение должно быть отдано
непрерывной загрузке флюсов и оборотов. Массированная загрузка холодных
присадок резко снижает температуру конвертера.Первый период процесса конвертирования медных штейнов
заканчивается “холостой” продувкой (без заливки штейна), целью которой
является практически полное окисление сульфида железа из обогащенной
медью сульфидной массы и получения белого штейна (матта),
представляющего собой почти чистый сульфид меди Cu2S. Конвертерные
шлаки последних продувок характеризуются повышенным содержанием меди
и поэтому возвращаются на предыдущие операции конвертирования.
Переход от первого периода конвертирования ко второму происходит в
некотором интервале изменений содержания сульфида железа в штейне.
Снижение активности FeS в штейне приводит к смещению равновесия
реакции в левую сторону, поскольку при этом одновременно повышается
активность Cu2S и уменьшается активность FeO. Остаточное содержание в
богатом штейне в тот момент, когда начинается с заметной скоростью
совместное окисление Cu2S и FeS, составляет примерно 4%.
Первый период процесса конвертирования носит в отличие от второго,
проводимого непрерывно носит циклический характер. Каждый цикл состоит
из операций заливки жидкого штейна, загрузки кварцевого флюса, продувки
воздухом, слива конвертерного шлака. Длительность каждого цикла в
зависимости от состава исходного штейна составляет 30-60 мин. После
каждой продувки в конвертере остается обогащенная медью сульфидная
масса, количество которой по мере увеличения числа продувок постепенно
возрастает. В связи с этим первый период на практике часто называют
периодом набора массы.
Продолжительность первого периода зависит от содержания меди в
штейне и количества подаваемого воздуха, которое в свою очередь зависит в
основном от размеров и состояния конвертера и организации работы. При
богатом штейне (>40-45% Cu) первый период продолжается 6-9 ч, при бедном
(

Толық нұсқасын 30 секундтан кейін жүктей аласыз!!!

Қарап көріңіз 👇