ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие
Введение
ГЛАВА I. ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
§ 1. Оценка сырья
1.1 Руды
1.2 Концентраты
1.3 Комплексное использование сырья
§ 2. Минеральный состав сырья
2.1 Значение минерального состава сырья
2.2 Примеры расчета рационального состава концентратов
§ 3. Справочные данные о шлаках, штейнах и металлах
3.1 Свойства шлаков
3.2 Свойства штейнов
3.3 Свойства важнейших металлов
§ 4. 29Справочные данные о растворах, парах и газах
4.1 Справочные данные о некоторых растворах
4.2 Энтальпия водяного пара и газов
§ 5. Основы расчета экстракционных и сорбционных процессов
ГЛАВА II. РАСЧЕТЫ ПО МЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ
§ 6. Обжиг медных концентратов в кипящем слое
6.1 Обжиг при обогащении дутья кислородом
6.2 Обжиг при воздушном дутье
§ 7. Отражательная плавка
7.1 Расчет количества, флюсов для ведения плавки на заданном составе шлаков
7.2 Расчет расхода топлива и состава отходящих газов
7.3 Расчет десульфуризаций и состава штейна
§8. Автогенная плавка
8.1 Плавка на подогретом воздушном дутье
§ 9. Продувка штейна в конверторе
§ 10. Медно-серная плавка
10.1 Расчет состава штейна и десульфуризаций
10.2 Расчет расхода флюсов и количества газов
§ 11. Шлаковозгоночный процесс
11.1. Расчет материального баланса
11.2 Расчет горения природного газа и расхода воздуха
§ 12. Огневое рафинирование меди
12.1 Расчет материального баланса
12.2 Расчет теплового баланса
§ 13. Электролитическое рафинирование меди
13.1 Расчет расхода электроэнергии
13.2 Расчет количества ванн и преобразовательных агрегатов
13.3 Расчет количества катодов и размеров электролизной ванны
13.4 Расчет напряжения на ванне
13.5 Расчет количества катодов и матричных ванн
ГЛАВА III. РАСЧЕТЫ ПО МЕТАЛЛУРГИИ НИКЕЛЯ
§ 14. Агломерация окисленной никелевой руды
14.1 Расчет материального баланса агломерации
§ 15. Сушка окисленной никелевой руды
§ 16. Плавка окисленных никелевых руд в шахтных печах
16.1 Расчет шихты для плавки агломерата
16.2 Тепловой баланс плавки
16.3 Расчет шахтной печи
§ 17. Продувка никелевого штейна в конверторе
17.1 Определение расхода воздуха
17.2 Определение количества и состава отходящих газов
17.3 Расчет теплового баланса
§ 18. Обжиг никелевого файнштейна
18.1 Расчет расхода воздуха
18.2 Расчет теплового баланса
§ 19. Обеднение конверторных шлаков
19.1 Определение количества штейна, необходимого для обеднения 100кг шлака
19.2 Определение количества шлака, образующегося в конверторах рафинирования
19.3 Определение количества конечной обогащенной массы
§ 20. Электроплавка закиси никеля
20.1 Расчет расхода восстановителя и размеров электрической печи
§ 21. Электроплавка руд на ферроникель
§ 22. Рафинирование и обогащение ферроникеля
22.1 Расчет материального баланса конвертирования ферроникеля (I стадия)
22.2 Расчет материального баланса конвертирования ферроникеля в основном конверторе (II стадия)
§ 23. Агломерационный обжиг сульфидного медно-никелевого концентрата
§ 24. Электроплавка агломерата и основы расчета рудно-термической электропечи
24.1 Расчет материального баланса плавки
24.2 Расчет теплового баланса плавки
24.3 Основы расчета рудно-термической электропечи
§ 25. Продувка никелевого концентрата кислородом в вертикальном конверторе
25.1 Расчет расхода кислорода
25.2 Расчет теплового баланса
§ 26 Очистка никелевого электролита
26.1 Технологическая схема очистки
26.2 Очистка от железа
26.3 Очистка от меди
26.4 Очистка от кобальта
§ 27. Циркуляция электролита на одну катодную ячейку ванны электролитического рафинирования никеля
§ 28. Автоклавно-окислительное разложение пирротинового полупродукта
ГЛАВА IV. РАСЧЕТЫ ПО МЕТАЛЛУРГИИ СВИНЦА
§ 29. Агломерация свинцовых концентратов
29.1 Расчет расхода концентратов и числа сушильных барабанов
29.2 Расчет минералогического состава сульфидного свинцового концентрата
29.3 Выбор шлака и предварительный расчет расхода флюсов
29.4 Рациональный состав агломерата
29.5 Расчет количества аглошихты и числа агломашин
§ 30. Шахтная плавка
30.1 Расчет состава продуктов плавки
30.2 Расчет расхода воздуха
30.3 Расчет количества и состава отходящих газов
30.4 Расчет основных размеров шахтной печи и определение параметров воздуходувной машины
30.5 Расчет теплового баланса шахтной плавки
30.6 Проверка правильности расчета высоты печи
§ 31. Рафинирование чернового свинца
31.1 Расчет обезмеживания чернового свинца
31.2 Расчет щелочного рафинирования чернового свинца
31.3 Расчет гидрометаллургической переработки щелочного сплава
31.4 Расчет обессеребривания свинца
31.5 Расчет электротермической переработки серебристой пены
31.6 Расчет обесцинкования свинца
31.7 Расчет обезвисмучивания свинца
31.8 Расчет переработки свинцововисмутового сплава
31.9 Расчет качественного рафинирования
31.10 Расчет оборудования для рафинирования свинца
ГЛАВА V. РАСЧЕТЫ ПО МЕТАЛЛУРГИИ ЦИНКА
§ 32. Обжиг сульфидного цинкового концентрата при воздушномдутье
32.1 Расчет минералогического состава цинкового концентрата
32.2 Расчет рационального состава обожженного цинкового концентрата
32.3 Расчет расхода воздуха
32.4 Расчет количества и состава обжиговых газов на выходе из печи КС
32.5 Принципы расчета печей для обжига в кипящем слое
32.6 Расчет теплового баланса печи КС при обжиге цинковых концентратов
32.7 Расчет газоходной системы
32.8 Расчет необходимого количества сырья и печей КС для получения в год 200 тыс. т обожженного цинкового концентрата
§ 33. Обжиг сульфидного цинкового концентрата при дутье, обогащенном кислородом
33.1 Расчет расхода дутья
33.2 Расчет количества и состава обжиговых газов
33.3 Расчет печи КС
33.4 Расчет теплового баланса печи
§ 34. Выщелачивание обожженного цинкового концентрата
34.1 Расчет выхода и состава цинковых кеков
34.2 Расчет количества нейтрального раствора и извлекаемых из него цинка, кадмия и меди
34.3 Расчет количества цинка, меди и кадмия, поступающих в процессе с растворами от выщелачивания вельц-окислов
34.4 Расчет выхода и состава медно-кадмиевого кека
34.5 Расчет объема оборотных растворов кадмиевого производства и количества цинка в них
34.6 Расчет медно-кадмиевой очистки
34.7 Расчет отмывки цинковых кеков
34.8 Расчет баланса растворов и пульп при выщелачивании
34.9 Расчет необходимого оборудования
§ 35. Вельцевание цинковых кеков
35.1 Расчет выхода и состава вельц-окиси
35.2 Расчет расхода коксовой мелочи
35.3 Уточнение состава вельц-окиси
35.4 Расчет выхода и состава клинкера
35.5 Расчет баланса Zn, Pb и Cd
35.6 Расчет основных размеров вельц-печи
§ 36. Электролиз цинкового раствора и переплав катодного цинка
36.1 Расчет количества катодного цинка
36.2 Расчет производительности одной электролизной ванны
36.3 Расчет количества электролизных ванн
36.4 Выбор источника тока
36.5 Расчет переплавки катодного цинка и выбор печей
§ 37. Гидрометаллургическая переработка цинковых кеков
37.1 Расчет выщелачивания цинковых кеков
37.2 Расчет осаждения ярозита
37.3 Расчет осаждения гетита
37.4 Расчет восстановления Fe3+ до Fe2+ сульфидным цинковым концентратом
Список рекомендуемой литературы
Приложение I
Приложение II
Приложение III и IV
Приложение V

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие по технологическим расчетам по металлургии тяжелых цветных металлов для техникумов выходит впервые. Ранее студенты пользовались такими известными книгами, как «Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов» Ф.М. Лоскутова и А.А. Цейдлера и «Расчеты пиропроцессов и печей цветной металлургии» Д.А. Диомидовского, Л.М. Шалыгина, А.А. Гальнбека и И.А. Южанинова.

Обе книги были изданы в 1963 г. в качестве учебного пособия для студентов вузов и с тех пор не переиздавались. К настоящему времени приведенный в них цифровой материал частично устарел, а некоторые процессы существенно изменились, появились и совсем новые процессы. Авторы данного пособия, используя опыт предыдущих изданий, обновили весь материал, и добавили к нему необходимые расчеты новых процессов.

Предлагаемое пособие составлено таким образом, что им можно пользоваться для сквозных расчетов передела при дипломном проектировании, а также при курсовом проектировании, когда рассчитываются только участки передела. Данные о тепловых эффектах химических реакций и о теплоемкостях различных веществ авторы рекомендуют брать в справочном издании «Химическая термодинамика в цветной металлургии», составленном под; научным руководством Я.И. Герасимова и А.Н. Крестовникова (тт. I, II и IV), и книге М.X. Карапетянца «Химическая термодинамика». Некоторые часто необходимые данные приведены в I главе данной книги. Встречающиеся в книге несистемные единицы следует переводить в единицы системы СИ, пользуясь следующими коэффициентами:

1 кал = 4,184 Дж

1 кВт-ч = 3,6-10⁶ Дж

1 атм (физическая) = 101325 Па (1,033 кгс/см²)

1 ат (техническая) 98067 Па

1 мм вод. ст. = 9,8067 Па

1 мм рт. ст. = 133,322 Н/м² = 133,322 Па

Постоянная Фарадея равна 96487 Кл/г-экв.

Универсальная газовая постоянная R = 8,31434 Дж/(К-моль).

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам В.Г. Корешкову и проф. А.А. Цейдлеру, чьи замечания помогли устранить погрешности, имевшиеся в рукописи. Проф. А.А. Цейдлер по существу работал как консультант авторов, передавая им свой богатый опыт. Материал учебника распределяется между авторами следующим образом: Н. В. Гудима - глава I (без § 1.3) и § 24.3, 26, 27, 28, 32.5 и частично 15, 16, 17, 19, 23 и 24.2; Б. И. Равданис - глава II; Б.Б. Кистяковский - § 14, 16, 17,18,20, 21, 22 и совместно с инж. А.В. Кулаковым 15, 19; Ю.А. Карасев - § 23, 24, 25; П.Е. Колкер - главы IV и V и § 1.3.

Общее редактирование рукописи выполнил доц. Н.В. Гудима.

Москва «Металлургия» 1977

ВВЕДЕНИЕ

Необходимость хорошо владеть металлургическими расчетами была ясна давно. Еще великий русский ученый М. В. Ломоносов 240 лет назад рекомендовал составлять для плавки шихту «по весу, мере и пропорции». Его совет полностью сохранил значение до сих пор. Но как определить нужную массу и пропорции материалов, загружаемых в печи, или другие аппараты? Сколько надо грузить руды или концентрата в сутки, в час, чтобы выполнить плановое задание?

План - это закон производства. Поэтому количество задаваемого в переработку сырья надо знать в первую очередь. Но в металлургии не удается получить готовую продукцию за одну операцию. Например, для получения чистой меди нужно провести операции подготовки шихты, т. е. сдозировать сырье, флюсы и обороты, обжечь шихту, проплавить шихту опять-таки с оборотами, конвертировать штейн с флюсами и воздухом, провести огневое рафинирование конверторной меди, электролитическое рафинирование и плавку на вайербарсы. Все указанные переделы связаны между собой основным потоком материалов от сырья до готовой продукции и встречными потоками возвратов и оборотов. На каждом переделе технические руководители и рабочие должны знать, сколько им надлежит переработать сырья или полупродуктов и выдать продукции и оборотов, чтобы выполнить план. Эти данные должны быть выданы работникам каждого передела.

На всех операциях происходят потери, часть которых научно обоснована, а часть определяется по практическим данным после выбора оборудования. На старых предприятиях с установившейся технологией и постоянным составом сырья необходимые данные можно взять из отчета за прошлые годы, но и в таком простом случае их надо уметь скорректировать. А как быть, если меняется состав сырья, совершенствуется технология производства или вводится совсем новая технология и данными старых отчетов пользоваться нельзя? Как следует поступить при строительстве нового предприятия? Во всех этих случаях решающее значение имеют хорошо выполненные металлургические расчеты. С помощью подобных расчетов можно, возвращаясь, к примеру о производстве меди, достаточно точно (±1-2%) определить расход сырья, выход огарка, содержание в нем серы, количество газов, их запыленность, выход шлака и штейна, количество газов, получаемых в плавильной печи, выход меди, конверторных газов и шлаков, расход флюсов, количество рафинированной (анодной меди), количество катодной меди и в случае необходимости вайербарсов. Кроме чисто технологических расчетов, нужно уметь составлять тепловые балансы процессов. Например, тепловой баланс крайне необходим при расчете обжигового передела. С его помощью мы определяем избыток или недостаток тепла и разрабатываем меры, обеспечивающие нормальную работу печи. На основе металлургического расчета определяются условия работы установок для очистки газов от пыли и устройств для утилизации тепла, компрессоров, воздуходувок, средств транспорта и прочей аппаратуры и машин. Небольшие ошибки при расчете или разработке условий процесса могут с переходом на многотоннажное производство, многократно возрасти и расчет потеряет значение. Надо быть осторожным и при выборе данных о тепловых эффектах реакций, о физических свойствах материалов (плотности, теплоемкости и др.).

Поэтому металлургические расчеты требуют отличного знания металлургии, большого внимания, хорошей техники счета и должны сопровождаться частой проверкой. Лучший способ, самоконтроля - составление материальных и тепловых балансов по переделам. Весьма полезна также сверка своих расчетов с отчетами о работе заводов, литературными данными. Всякие резкие отклонения от расчетов-аналогов должны быть тщательно обоснованы.

Глава I основы металлургических расчетов

§ 1. Оценка сырья

1.1 Руды

Без обогащения в СССР перерабатывают окисленные никелевые и частично медно-никелевые сульфидные руды, а также богатые медные пиритные руды. За рубежом развита гидрометаллургическая переработка окисленных медных руд. В Советском Союзе применение этого процесса в ближайшее время в больших масштабах не предусматривается. Окисленные руды предполагается перерабатывать комбинированными процессами, которые находятся в стадии разработки. Поэтому далее этот вопрос не рассматривается. Непосредственная плавка необогащенной руды связана с большими расходами электроэнергии или топлива. К тому же в качестве топлива при плавке руд применяют дорогой и дефицитный кокс. Отсюда следует, что плавку руды можно применять только в особых случаях, например для попутного извлечения серы во время медно-серной плавки. Для предварительной оценки качества руды во всех случаях необходимо знать ее полный химический состав. Сумма всех определенных элементов должна быть близка к 100%. Поскольку состав руды изменяется с глубиной залегания и по простиранию, пробы руды должны быть усреднены в соответствии с ходом горных работ.

Окисленные никелевые руды отличаются низким содержанием никеля и высоким содержанием гигроскопической (до 40%) и кристаллизационной (10–12%) воды. Руды, содержащие более 1,5% Ni, можно оценить как богатые, а содержащие его 0,7–0,8% – как еще промышленные. Как правило, в окисленных никелевых рудах, кроме никеля, содержится кобальт. Отношение содержаний никель: кобальт колеблется в пределах 10–20:1. При повышенном содержании кобальта следует выбирать процесс, обеспечивающий высокое извлечение этого ценного спутника. Основная масса руды состоит из окислов железа (10–70% Fe₂O₃), кремния (10–80% SiO₂), алюминия (4–10% А1₂О₃), магния (1–30% MgO). Содержание прочих элементов (кальция, марганца, титана) обычно незначительно. Серы содержится 0,01–0,02%. Вредной примесью является медь (0,01–0,03%), так как ГОСТ на никель ограничивает ее содержание в товарном металле.

Из основных составляющих руду окислов ценными при содержании выше 40–50% являются окислы железа. Прочие окислы имеют ценность только в перспективе. В настоящее время их значение состоит лишь в том, что они существенно влияют на выбор технологии. Так, при высоком содержании MgO и А1₂О₃ не удается применить гидрометаллургические способы переработки. Сернокислотное выщелачивание отпадает вследствие высокого расхода кислоты, а карбонатно-аммиачное – вследствие низкого извлечения никеля. Отечественные руды по этим причинам не перспективны для переработки хорошо известными гидрометаллургическими способами.

Оценка окисленных никелевых руд (цены примерные*) дана в таблице 1. Предложенный здесь способ оценки руды не бесспорен. Иногда вводят поправки на извлечение металлов, в других случаях производят оценку по ценам на промежуточные продукты (железо в концентрате, кобальт в окиси).

*Глушков Н.Т. – «Цветные металлы», 1967, №10, с 13-18 с ил.

Таблица 1 Ценностная структура окисленных никелевых руд

Элементы концентрата	Содержание в руде		Цена, руб/т	Ценность
	%	кг/т		руб/т	%
Железо	35,0	350	160	56	51,9
Никель	1,0	10	4000	40	37,0
Кобальт	0,1	1	12000	12	11,1

Учитывая, что добыча окисленной руды обходится примерно в 1 руб/т**, можно сказать, что мы извлекли из недр относительно большую ценность. Второй вывод, который следует из ценностной структуры данной руды: при ее переработке надо выбирать технологию, обеспечивающую хотя бы частичное извлечение железа, так как его доля в общей ценности руды высокая.

**Основы металлургии. Т. 1. Ч. 1. М., «Металлургия», 1962. 850 с. с ил.

В заключение рассмотрим влияние на оценку руды содержания SiO₂ и MgO. Высокое содержание в руде SiO₂ указывает на необходимость расходовать значительные количества известняка на его офлюсование, т.е. плавка будет дорогой. Вести ее, возможно, придется в электропечах. Добавка флюсов необходима и при высоком содержании тугоплавкой MgO, так как редко работают на шлаках, содержащих более 20% MgO. Поэтому плавка магнезиальной руды тоже будет дорогой. Для переработки этих трудных руд разрабатывают новые способы: хлоридовозгонку и сегрегацию.

Сульфидные медно-никелевые руды значительно сложнее по составу, чем окисленные. Ценными спутниками никеля в них являются медь, кобальт, железо, сера, селен, теллур и металлы платиновой группы. Комплексный состав руд повышает их суммарную ценность. Поэтому можно использовать руды, содержащие всего 0,3–0,6% Ni. Обычно такие руды обогащают. Непосредственно в металлургическую переработку поступают руды с 1–2% Ni или более богатые. Высокосернистые руды имеют высокую теплоту сгорания (около 1000 ккал/кг) и могут плавиться автогенно. При оценке сульфидных руд в денежном выражении по приведенной выше методике (золото, серебро и платиноиды оцениваются по международным ценам) ценность 1 т сырья составляет 150–250 руб. Вопрос о непосредственной переработке руд или их обогащении с последующей переработкой концентрата решается на основе экономического расчета. При этом главными факторами в сравнении будут потери металлов во время обогащения и разность энергетических затрат на переработку руды и концентрата. Если из руды удается получить богатый (6–12%) никелевый концентрат при извлечении порядка 85% Ni, то вследствие резкого уменьшения энергетических затрат целесообразно обогащать руду с получением никелевого, медного и пирротинового концентратов.

Если во время обогащения происходят большие потери (извлечение порядка 70%), а концентрат содержит только 4–5% Ni, то более эффективной может оказаться плавка руды без обогащения.

Во время экономической оценки сульфидных руд следует по мере возможности предусматривать извлечение серы с выдачей серной кислоты или элементарной серы. При этом цены на серу следует брать в соответствии с выдаваемой продукцией. Извлечение железа из пирротиновых концентратов следует предусматривать, учитывая местные условия.

Медно-пиритные (колчеданные) руды сложное комплексное сырье. Обычно в них содержатся медь, цинк, сера, селен, теллур, золото, серебро, кадмий. Извлечение железа из этих руд пока не организовано (хотя способы его извлечения разработаны) и поэтому оно не оценивается.

Медно-пиритные руды – богатое сырье (табл. 2), Они содержат 2–4 % Сu; 35–45% S. Содержание цинка в них колеблется от 1 до 5% (соотношение с медью примерно 1:1). По данным X.К. Аветисяна, содержание золота в них составляет около 2 г/т, а серебра 20–30 г/т.

Таблица 2 Ценностная структура медно-пиритной руды

Элементы концентрата	Содержание в руде		Цена, руб/т	Ценность
	%	кг/т		руб/т	%
Медь	2,5	25	1000	25	26,0
Цинк	2,5	25	600	15	15,6
Сера	40,0	400	100	40	41,7
Золото	2×10-4	0,002	5,0	10	10,4
Серебро	30×10-4	0,030	0,2	6	6,3

Из представленной ценностной структуры ясно видна необходимость извлечения из медно-пиритных руд серы. Существенную долю в их ценности занимает цинк.

Наиболее современный способ переработки таких руд коллективно-селективное обогащение с промежуточным извлечением крупного золота. В результате такого обогащения получают три концентрата: медный, цинковый и пиритный. Из них на специализированных заводах с большой полнотой извлекают медь, цинк, кадмий, серу, золото, серебро, селен и теллур.

Если обогащение не удается осуществить без значительных потерь, то возможна непосредственная переработка руды, особенно содержащей более 2% Сu, не более 0,5–1,0% Zn и примерно 0,05% As методом медно-серной плавки. В этом случае обеспечивается высокое извлечение меди, серы, золота и серебра (селена и теллура). Цинк и кадмий в значительной мере теряются. Показатели медно-серной плавки могут быть улучшены обогащением дутья кислородом. Все же непосредственная переработка медных руд малоперспективна из-за истощения запасов богатых руд.