Проект цеха электролитического рафинирования меди из медных сплавов производительностью 50 000 тонн катодной меди в год (Уральский федеральный университет)
|
ВВЕДЕНИЕ 8
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ 15
1.1.Характеристика сырья 15
1.2.Пирометаллургические способы переработки 16
1.3. Гидрометаллургические способы переработки медных сплавов 20
2.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 27
3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 31
3.1. Исходные данные 31
3.2. Определение основных параметров процесса электролиза медных сплавов 30
3.3. Материальный баланс электролизной ванны. 34
3.4.Баланс напряжений электролизной ванны40
3.5. Тепловой баланс электролизной ванны 43
4. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 49
4.1. Снижение повышенного напряжения на ванне 49
4.2. Снижение утечек тока и проливов электролита 49
5. АВТОМАТИЗАИЯ 52
6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ 56
6.1. Безопасность проекта 56
6.1.1. Общие сведения о предприятии 56
6.1.2. Характеристика условий труда 57
6.1.3. Обеспечение безопасности труда 60
6.1.3.1. Электробезопасность 60
6.1.3.2. Пожарная безопасность 61
6.1.3.3. Защита персонала от механического травмирования 62
6.1.3.4. Особые условия безопасного ведения процесса 64
6.1.4. Освещенность 65
6.1.5. Оздоровление воздушной среды. Система вентиляции 67
6.2. Экологическая часть 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПЕРЕРАБОТКИ ВТОРИЧНЫХ МЕДНЫХ СПЛАВОВ 15
1.1.Характеристика сырья 15
1.2.Пирометаллургические способы переработки 16
1.3. Гидрометаллургические способы переработки медных сплавов 20
2.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ 27
3. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 31
3.1. Исходные данные 31
3.2. Определение основных параметров процесса электролиза медных сплавов 30
3.3. Материальный баланс электролизной ванны. 34
3.4.Баланс напряжений электролизной ванны40
3.5. Тепловой баланс электролизной ванны 43
4. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ 49
4.1. Снижение повышенного напряжения на ванне 49
4.2. Снижение утечек тока и проливов электролита 49
5. АВТОМАТИЗАИЯ 52
6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ 56
6.1. Безопасность проекта 56
6.1.1. Общие сведения о предприятии 56
6.1.2. Характеристика условий труда 57
6.1.3. Обеспечение безопасности труда 60
6.1.3.1. Электробезопасность 60
6.1.3.2. Пожарная безопасность 61
6.1.3.3. Защита персонала от механического травмирования 62
6.1.3.4. Особые условия безопасного ведения процесса 64
6.1.4. Освещенность 65
6.1.5. Оздоровление воздушной среды. Система вентиляции 67
6.2. Экологическая часть 82
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 88
Технический прогресс во всех сферах материального производства приводит к интенсивной эксплуатации невозобновляемых природных ресурсов, оказывает существенное воздействие на экологию. Потребление минерального сырья по темпам опережает рост численности населения планеты. Объем добычи полезных ископаемых в настоящее время приближается к 200 млрд. т в год; создалась опасность полной выработки запасов руд меди, золота, вольфрама, свинца, цинка, олова. Прирост разведанных запасов руд уже сейчас значительно отстает от возрастающего их потребления.
Россия по объемам разведанных запасов и добычи медных и медно-цинковых руд относится к ведущим странам мира. Несмотря на крупные запасы медных руд в России, из которых в разработке находится около половины, на ближайшую перспективу складывается достаточно сложное положение с производством первичной меди, цинка, олова, свинца. Это обусловлено тремя основными факторами:
- добыча из месторождений производится в основном с богатых горизонтов, которые исчерпаются уже в первом десятилетии XXI в. Компенсировать это за счет подземной разработки сравнительно бедных руд будет нерентабельно или технически невозможно;
- истощаются запасы на эксплуатируемых месторождениях Норильского и Уральского экономических районов из-за невосполнения выбывающих мощностей в связи с отсутствием инвестиций в достаточном объеме;
- снижаются объемы добычи медных и полиметаллических руд из-за общемирового кризиса горного и металлургического производства, вызвавшего адекватное падение внутреннего спроса на цветные металлы.
В связи с истощением рудных ресурсов планеты и повышением стоимости энергии все более актуальным становится использование вторичных металлов в промышленном производстве.
Пополнение сырьевой базы металлургии возможно за счет освоения новых сырьевых источников, переработки вторичного сырья, техногенных отходов и месторождений. Эти направления требуют применения современных достижений науки и техники, реализации новых технологий с учетом их природоохранной значимости.
В процессе обогащения руд цветных металлов техногенные отходы составляют 90-94 % объема добычи; при получении электролитной меди на 1 т образуется 3,6 т шлака, 54 кг пылей и шламов, 0,6 т газов, 0,2 м3 отработанного электролита. Ежегодно количество техногенных отходов увеличивается на 6 %.
По данным Delft Univ. of Tehnology (Нидерланды) расход энергии на производство 1 т меди из первичного сырья (0,7 % Cu) - 12 107 кДж, в т.ч. более 60 % - на добычу и подготовку руд. Стоимость энергии составляет 10-12 % рыночной цены меди. Переработка отходов, содержащих <1 % Cu не экономична.
Мировой объем извлечения цветных металлов из скрапа в стоймостном выражении превышает 17 млрд. долл. В конце 90-х годов XX века в странах с установившейся рыночной экономикой от общего объема потребления рафинированной меди 9,25 млн. т из скрапа произведено 1,47 млн. т и 3,23 млн. т использовано напрямую без рафинирования. В США за счет вторичного использования обеспечено производство 41 % Cu и 66 % Pb, в Японии соответственно 36 и 24 %. Очевидно, что утилизация скрапа сохраняет запасы руд в недрах, сокращает объем отходов и потребности в площадях под их захоронение, снижает зависимость стран от импорта и в целом энергопотребление.
Конкретными решениями задач технического развития вторичной цветной металлургии в мировой практике являются:
укрепление и опережающее развитие сырьевой базы;
комплексное использование сырья;
улучшение качества и номенклатуры продукции в соответствии с требованиями рынка;
снижение расхода материальных и топливно-энергетических ресурсов;
автоматизация производства;
предотвращение загрязнения окружающей среды.
В связи с постоянным совершенствованием техники, использованием новых конструкционных материалов, доля трудноперерабатываемых лома и текущих отходов постоянно увеличивается. Стремительно развивается номенклатура используемых промышленностью сплавов и композиций, содержащих цветные металлы; возрастает доля неметаллических, в том числе принципиально новых материалов, сталей и сплавов легких, благородных и редких металлов. Структура потребления вторичного медьсодержащего сырья (в пересчете на медь): 41-43 литейные сплавы, 30-33 черновая медь и бронза, 14-18 прокат, 1-3 прочие потребители.
Бесспорно, что наиболее простым направлением комплексного использования вторичного сырья является получение сплавов тех же марок, однако качество сбора, заготовки и помарочного хранения еще долгое время останется проблематичным даже для крупных производителей цветных металлов, часто использующих небольшое количество марок.
Перспективно конструирование узлов и изделий с учетом последующего экономичного использования их лома. Необходима информация о “совместимости” сплавов различного химического состава для переработки с минимальной механической разделкой и содержании примесей в конструкционных материалах.
Потребители, особенно крупные машиностроительные предприятия и отраслевые холдинги, при производстве изделий существенно снижают нормы расхода цветных металлов и увеличивают долю отходов, перерабатываемых на местах образования или смежных предприятиях на одноименные сплавы.
В условиях рыночной экономики при большом количестве собственников вторичных цветных металлов и сплавов ориентирование на существующие крупные предприятия-переработчики лома и отходов малоперспективно. Устаревшее пирометаллургическое оборудование большой единичной мощности, экологическая опасность и низкая степень автоматизации производства обусловливают низкую комплексность использования сырья и проблемы с извлечением сопутствующих меди компонентов. С учетом высоких цен на цветные металлы наиболее разумно проектирование малых гибких по отношению к перерабатываемому сырью металлургических модулей.
Для производства цветных металлов из вторичного сырья получают широкое развитие гидрометаллургические и электрохимические процессы, обеспечивающие комплексное извлечение цветных, благородных и редких металлов, низкие капитальные затраты и возможность работы при малом и резко изменяемом объеме производства.
Гидрометаллургические процессы успешно применяют при производстве многих металлов, особенно при извлечении их из низкосортного полиметаллического труднообогатимого и вторичного сырья, которое не удается эффективно переработать классическими пирометаллургическими методами. Преимущества гидрометаллургии оказались особенно важными в связи с необходимостью решения проблем охраны природы и комплексным использованием сырья.
По сравнению с пирометаллургией, насчитывающей 6000-летнюю историю, гидрометаллургия является сравнительно молодой. Считают, что в ближайшем будущем гидрометаллургия будет развиваться в условиях жесткой конкуренции с пирометаллургией меди в плане энергозатрат и экологической безопасности.
Гидрометаллургические технологии занимают особое место в решении проблемы комплексного использования вторичного медьсодержащего сырья, что объясняется рядом серьезных преимуществ перед пирометаллургией:
- возможность рентабельной переработки сложного и достаточно бедного лома и отходов;
- меньшие удельные капитальные затраты;
- высокая селективность извлечения ценных компонентов и комплексность использования сырья;
- меньшие безвозвратные потери металлов;
- возможность организации непрерывного и высокоавтоматизированного производства, в том числе малотоннажного;
- более высокое качество и широкая номенклатура товарной продукции;
- значительно меньший расход топлива и электроэнергии;
- меньшее экологическое воздействие на окружающую среду из-за отсутствия выбросов токсичных газов, пылей, аэрозолей.
Существенными преимуществами электрохимических методов являются:
- возможность создания экологически чистых циклов;
- достаточно полное отделение от основного металла сопутствующих элементов в промежуточные продукты, удобные для дальнейшей переработки;
- получение катодного металла высокой чистоты.
Таким образом, актуальными для обобщения являются вопросы разработки теоретических основ и закономерностей гидрометаллургических и электрохимических процессов, протекающих в многокомпонентных системах при переработке вторичного медьсодержащего сырья
Россия по объемам разведанных запасов и добычи медных и медно-цинковых руд относится к ведущим странам мира. Несмотря на крупные запасы медных руд в России, из которых в разработке находится около половины, на ближайшую перспективу складывается достаточно сложное положение с производством первичной меди, цинка, олова, свинца. Это обусловлено тремя основными факторами:
- добыча из месторождений производится в основном с богатых горизонтов, которые исчерпаются уже в первом десятилетии XXI в. Компенсировать это за счет подземной разработки сравнительно бедных руд будет нерентабельно или технически невозможно;
- истощаются запасы на эксплуатируемых месторождениях Норильского и Уральского экономических районов из-за невосполнения выбывающих мощностей в связи с отсутствием инвестиций в достаточном объеме;
- снижаются объемы добычи медных и полиметаллических руд из-за общемирового кризиса горного и металлургического производства, вызвавшего адекватное падение внутреннего спроса на цветные металлы.
В связи с истощением рудных ресурсов планеты и повышением стоимости энергии все более актуальным становится использование вторичных металлов в промышленном производстве.
Пополнение сырьевой базы металлургии возможно за счет освоения новых сырьевых источников, переработки вторичного сырья, техногенных отходов и месторождений. Эти направления требуют применения современных достижений науки и техники, реализации новых технологий с учетом их природоохранной значимости.
В процессе обогащения руд цветных металлов техногенные отходы составляют 90-94 % объема добычи; при получении электролитной меди на 1 т образуется 3,6 т шлака, 54 кг пылей и шламов, 0,6 т газов, 0,2 м3 отработанного электролита. Ежегодно количество техногенных отходов увеличивается на 6 %.
По данным Delft Univ. of Tehnology (Нидерланды) расход энергии на производство 1 т меди из первичного сырья (0,7 % Cu) - 12 107 кДж, в т.ч. более 60 % - на добычу и подготовку руд. Стоимость энергии составляет 10-12 % рыночной цены меди. Переработка отходов, содержащих <1 % Cu не экономична.
Мировой объем извлечения цветных металлов из скрапа в стоймостном выражении превышает 17 млрд. долл. В конце 90-х годов XX века в странах с установившейся рыночной экономикой от общего объема потребления рафинированной меди 9,25 млн. т из скрапа произведено 1,47 млн. т и 3,23 млн. т использовано напрямую без рафинирования. В США за счет вторичного использования обеспечено производство 41 % Cu и 66 % Pb, в Японии соответственно 36 и 24 %. Очевидно, что утилизация скрапа сохраняет запасы руд в недрах, сокращает объем отходов и потребности в площадях под их захоронение, снижает зависимость стран от импорта и в целом энергопотребление.
Конкретными решениями задач технического развития вторичной цветной металлургии в мировой практике являются:
укрепление и опережающее развитие сырьевой базы;
комплексное использование сырья;
улучшение качества и номенклатуры продукции в соответствии с требованиями рынка;
снижение расхода материальных и топливно-энергетических ресурсов;
автоматизация производства;
предотвращение загрязнения окружающей среды.
В связи с постоянным совершенствованием техники, использованием новых конструкционных материалов, доля трудноперерабатываемых лома и текущих отходов постоянно увеличивается. Стремительно развивается номенклатура используемых промышленностью сплавов и композиций, содержащих цветные металлы; возрастает доля неметаллических, в том числе принципиально новых материалов, сталей и сплавов легких, благородных и редких металлов. Структура потребления вторичного медьсодержащего сырья (в пересчете на медь): 41-43 литейные сплавы, 30-33 черновая медь и бронза, 14-18 прокат, 1-3 прочие потребители.
Бесспорно, что наиболее простым направлением комплексного использования вторичного сырья является получение сплавов тех же марок, однако качество сбора, заготовки и помарочного хранения еще долгое время останется проблематичным даже для крупных производителей цветных металлов, часто использующих небольшое количество марок.
Перспективно конструирование узлов и изделий с учетом последующего экономичного использования их лома. Необходима информация о “совместимости” сплавов различного химического состава для переработки с минимальной механической разделкой и содержании примесей в конструкционных материалах.
Потребители, особенно крупные машиностроительные предприятия и отраслевые холдинги, при производстве изделий существенно снижают нормы расхода цветных металлов и увеличивают долю отходов, перерабатываемых на местах образования или смежных предприятиях на одноименные сплавы.
В условиях рыночной экономики при большом количестве собственников вторичных цветных металлов и сплавов ориентирование на существующие крупные предприятия-переработчики лома и отходов малоперспективно. Устаревшее пирометаллургическое оборудование большой единичной мощности, экологическая опасность и низкая степень автоматизации производства обусловливают низкую комплексность использования сырья и проблемы с извлечением сопутствующих меди компонентов. С учетом высоких цен на цветные металлы наиболее разумно проектирование малых гибких по отношению к перерабатываемому сырью металлургических модулей.
Для производства цветных металлов из вторичного сырья получают широкое развитие гидрометаллургические и электрохимические процессы, обеспечивающие комплексное извлечение цветных, благородных и редких металлов, низкие капитальные затраты и возможность работы при малом и резко изменяемом объеме производства.
Гидрометаллургические процессы успешно применяют при производстве многих металлов, особенно при извлечении их из низкосортного полиметаллического труднообогатимого и вторичного сырья, которое не удается эффективно переработать классическими пирометаллургическими методами. Преимущества гидрометаллургии оказались особенно важными в связи с необходимостью решения проблем охраны природы и комплексным использованием сырья.
По сравнению с пирометаллургией, насчитывающей 6000-летнюю историю, гидрометаллургия является сравнительно молодой. Считают, что в ближайшем будущем гидрометаллургия будет развиваться в условиях жесткой конкуренции с пирометаллургией меди в плане энергозатрат и экологической безопасности.
Гидрометаллургические технологии занимают особое место в решении проблемы комплексного использования вторичного медьсодержащего сырья, что объясняется рядом серьезных преимуществ перед пирометаллургией:
- возможность рентабельной переработки сложного и достаточно бедного лома и отходов;
- меньшие удельные капитальные затраты;
- высокая селективность извлечения ценных компонентов и комплексность использования сырья;
- меньшие безвозвратные потери металлов;
- возможность организации непрерывного и высокоавтоматизированного производства, в том числе малотоннажного;
- более высокое качество и широкая номенклатура товарной продукции;
- значительно меньший расход топлива и электроэнергии;
- меньшее экологическое воздействие на окружающую среду из-за отсутствия выбросов токсичных газов, пылей, аэрозолей.
Существенными преимуществами электрохимических методов являются:
- возможность создания экологически чистых циклов;
- достаточно полное отделение от основного металла сопутствующих элементов в промежуточные продукты, удобные для дальнейшей переработки;
- получение катодного металла высокой чистоты.
Таким образом, актуальными для обобщения являются вопросы разработки теоретических основ и закономерностей гидрометаллургических и электрохимических процессов, протекающих в многокомпонентных системах при переработке вторичного медьсодержащего сырья
Целью этой дипломной работы является проект цеха электролиза медных сплавов с последовательным решением следующих задач:
Расчет основного оборудования, материального, теплового и электрического балансов;
Автоматизация процесса, обеспечение безопасности и экологичности проекта.
Расчеты материального, теплового и электрического балансов произведены по общепринятой классической методике.
Металлургические расчеты показали, что для производства катодной меди из медных сплавов производительностью 50 тыс. тонн в год потребуется 408 электролизных ванн, падение напряжения на ванне составит 0,9305 В.
Предложена схема автоматизации процесса. Основными направлениями автоматизации являются регулирование и контроль температуры электролита. В цехе предусмотрены мероприятия по обеспечению удовлетворительных условий труда, электро- и пожаробезопасность, а также описаны возможные причины возникновения чрезвычайной ситуации.
Расчет основного оборудования, материального, теплового и электрического балансов;
Автоматизация процесса, обеспечение безопасности и экологичности проекта.
Расчеты материального, теплового и электрического балансов произведены по общепринятой классической методике.
Металлургические расчеты показали, что для производства катодной меди из медных сплавов производительностью 50 тыс. тонн в год потребуется 408 электролизных ванн, падение напряжения на ванне составит 0,9305 В.
Предложена схема автоматизации процесса. Основными направлениями автоматизации являются регулирование и контроль температуры электролита. В цехе предусмотрены мероприятия по обеспечению удовлетворительных условий труда, электро- и пожаробезопасность, а также описаны возможные причины возникновения чрезвычайной ситуации.