§10. Медно-серная плавка
Шахтная медно-серная плавка применяется для переработки кусковой медно-пиритной руды с повышенным содержанием серы (36–48%). В последнее время в печи стали подавать и брикеты из концентрата. Для восстановления серы из газов и предотвращения ее повторного окисления процесс ведется в восстановительной атмосфере. Для устранения подсосов воздуха загрузочные устройства и колошник печи при этом виде плавки герметизируют. Газы после очистки от пыли охлаждаются до 1300С для конденсации паров элементарной серы и направляются на катализ. Катализ ведется при температуре 420–4500С. В результате реакции
H2S + 2SO2 + COS + 2CS2 → 4S2 + H2O + 2CO + CO2
в газах образуется элементарная сера.
В связи со сложностью теоретического определения состава газа в металлургических расчетах используют данные практики.
10.1 Расчет состава штейна и десульфуризации
На медно-серную плавку поступает руда: 1,8% Сu, 41% Fe, 1,4% Zn, 47,6% S, 5,2% SiO2, 2,5% A12O3, 0,5% CaO и конверторные шлаки: 2,5% Сu, 25% SiO2, 49% Fe, 14% О2, 1,0% S, 8,5% прочие. Соотношение между рудой и конверторным шлаком 1:0,17. Плавка ведется на штейн, содержащий 9–11% Сu. Извлечение меди в штейн 88%. Расчет ведем по сухой массе руды.
Количество меди, переходящей в штейн из 100 кг руды, равно (1,8+17•0,025)•0,88=1,96 кг. Выход штейна при содержании в нем меди 11% составит 1,96/0,11=17,8 кг. В штейне содержится серы 17,8•0,27=4,8 кг, или 27%. По данным Б.П. Недведецкого, в штейнах, содержащих 11% Сu, содержится 7,80% О2.
Штейн при условии, что в него переходит 40% цинка руды, имеет следующий состав и массу:
|
Сu |
S |
Zn |
Fe |
O2 |
Итого |
кг |
1,96 |
4,8 |
0,64 |
9,00 |
1,40 |
17,8 |
% |
11,0 |
27,0 |
3,4 |
50,8 |
7,80 |
100 |
В газы из руды перейдет серы: от диссоциации халькопирита 1,8•32/127=0,45 кг, от диссоциации пирита 39,4•32/55,85=22,6 кг (где 39,4=41,0–1,6 т железа в халькопирите). Всего в газах будет паров серы 0,45+22,6=23,05 кг. Остальная сера в газах содержится в виде сернистого ангидрида, полученного в результате окисления сульфидов железа, цинка и других соединений серы. Ее масса равна 47,6–(23,05+4,8)=19,75 кг, без учета потерь в шлаке.
10.2 Расчет расхода флюсов и количества газов
Плавка ведется с получением шлаков, содержащих 6% СаО и 30% SiO2. Расход кокса составляет 10% от массы руды. Расчет ведем по сухой массе.
В 100 кг руды и 17 кг конверторного шлака находится 1,8+17•0,025=2,23 кг Сu; 41+17•0,49=49,4 кг Fe; 1,4 кг Zn; 47,6+17•0,01=47,77 кг S; 5,2+17•0,25=9,5 кг SiO2; 2,5 кг А12О3; 0,5 кг СаО; 3,7 кг прочих.
Из этого количества с учетом образования штейна в шлаки перейдет 0,27 кг Сu; 40,40 кг Fe; 9,5 кг SiO2; 0,5 кг СаО; 2,5 кг А12О3; 2,72 кг прочих.
Для плавки используется кокс, содержащий 83,7% С, 2% S, 10% золы, 2% летучих, 2,3% влаги.
Состав золы кокса: 2,6% А12О3, 6% SiO2, 1% FeO, 0,4% СаО. Из 10 кг кокса в шлак перейдет 0,26 кг А12О3, 0,6 кг SiO2, 0,1 кг FeO, 0,04 кг СаО.
Всего в шлак перейдет 0,27 кг Сu, 40,50 кг Fe, 10,1 SiO2, 0,54 кг СаО, 2,76 кг А12О3, 2,72 кг прочих.
Составим предварительный расчетный состав шлаков без флюсов, переведя железо в FeO:
-
кг
%
FeO
52,1
76,4
SO2
10,1
14,8
CaO
0,54
0,8
Al2O3
2,76
4,0
Прочие
2,72
4,0
Итого
68,22
100,0
Для определения необходимого количества флюсов с целью получения шлака заданного состава примем, что
(SiO2+FeO+Al2O3)/CaO=89:6; SiO2:CaO=30:6.
В качестве флюсов используется известняк (X кг) состава: 50% СаО, 9% SiO2 и кварцевая руда (Y кг), содержащая 82% SiO2, 8% А12О3, 6% FeO, 4% прочие. Из соотношений
;
составляем два уравнения:
389,76+0,54Х+5,76Y=48,06+44,5Х;
60,6+0,54Х+4,92Y=16,2+15Х.
Решая их, находим, что Y=22,3 кг, X=10,70 кг.
Из флюсов в шлак поступит 10,70•0,09+22,3•0,82=19,3 SiO2; 22,3•0,06=1,3 кг FeO; 22,3•0,08=1,8 кг А12О3; 10,70•0,5=5,35 кг СаО. Таким образом, расчетный состав шлака с флюсами будет
-
кг
%
FeO
52,1+1,3=53,3
55,0
SiO2
10,1+19,3=29,4
30,3
CaO
0,54+5,35=5,89
6,1
Al2O3
2,76+1,8=4,56
4,7
Прочие
2,72+1,1=3,82
3,9
Итого 96,97
100,0
Этот шлак вполне подходит для плавки.
Для расчета количества газов составляем таблицу предварительного материального баланса без учета воздуха (таблица 37).
ТАБЛИЦА 37 Материальный баланс медно-серной плавки без учета воздуха, кг
Материалы баланса |
Всего |
В том числе |
|||||||
Cu |
S |
Fe |
Zn |
SiO2 |
Al2O3 |
CaO |
прочие |
||
Поступило: Руды медной Шлака конверторного Руды кварцевой Известняка кокса |
100 17 22,3 10,7 10,0 |
1,8 0,43 – – – |
47,6 0,17 – – 0,2 |
41,0 8,4 1,0 – 0,1 |
1,4 – – – – |
5,2 4,3 18,3 1,0 0,6 |
2,5 – 1,8 – 0,26 |
0,5 – – 5,35 0,04 |
– 3,7 1,2 4,35 8,8 |
Итого |
160,0 |
2,23 |
47,97 |
50,5 |
1,4 |
29,4 |
4,56 |
5,89 |
18,05 |
Получено: штейна шлака отвального газов |
17,8 96,97 45,23 |
1,96 0,27 – |
4,8 0,65 42,52 |
9,0 41,5 – |
0,6 0,8 – |
– 29,4 – |
– 4,56 – |
– 5,89 – |
1,44 13,90 2,71 |
Итого |
160,0 |
2,23 |
47,97 |
50,5 |
1,4 |
29,4 |
4,56 |
5,89 |
18,05 |
Из материального баланса видно, что в газы переходит 42,52 кг S. Из этого количества перейдет 42,52–23,05=19,45 кг серы за счет окисления сульфидов по реакциям
2FeS + ЗО2 = 2FeO + 2SO2;
2ZnS + ЗО2 = 2ZnO + 2SО2.
Основываясь на практических данных, принимаем, что сера в газах содержится в следующих видах: 81,2% S2; 8,4% SO2; 7,0% CS2; 2,3% COS; 1,3% H2S. Образование S2, COS, CS2 и H2S происходит за счет взаимодействия сульфидов и сернистого газа с углеродом и водяным паром при высоких температурах. На основе принятого состава газа определяем распределение серы, кг:
-
S2
42,52•0,812=34,52
COS
42,52•0,023=1,0
SO2
42,52•0,084=3,6
H2S
42,52•0,01=0,4
CS2
42,52•0,07=3,0
Из состава газов следует, что до элементарной серы из SO2 восстанавливается 34,52–23,05=11,47 кг серы.
Подсчитываем количество углерода, необходимого для протекания реакций, кг:
2SO2 + 2С = S2 + 2СО2 |
11,47•12/32=4,3 |
C + S2 = CS2 |
3,0•12/64=0,56 |
2CO + S2 = 2COS |
1,0•12/32=0,37 |
Всего потребуется углерода 4,3+0,56+0,37=5,23 кг, что соответствует расходу кокса 5,23/0,837=6,2 кг.
Определим количество кислорода, расходуемого в процессе плавки на образование соединений, кг:
SO2 |
3,6•32/32=3,6 |
COS |
1,0•16/32=0,5 |
CO2 |
[8,37–(0,56+0,37)]•32/12=19,8 |
Количество кислорода, расходуемого на образование шлака, считая, что в нем железо и цинк находятся в виде FeO и ZnO, составляет, кг:
FeO 40,5•16/55,85=11,6
ZnO 0,8•16/65,4=0,2
На образование штейна кислорода потребуется 17,8•7,8/100=1,4 кг. Всего кислорода, таким образом, потребуется 37,1 кг.
Поступит кислорода с конверторным шлаком 17•14/100=2,4 кг. С воздухом необходимо ввести кислорода 37,1–2,4=34,7 кг. С этим количеством кислорода поступит азота 34,7•77/23=116,2 кг, всего воздуха по объему поступит (34,7+116,2)/1,293=116,7 м3.
С воздухом при содержании в нем влаги 5 г/м3 поступит 116,7•0,005=0,59 кг.
Принимаем, что в твердых компонентах шихты и кокса содержится 2% влаги. С шихтой и коксом в печь поступит влаги 160,0•0,02=3,20 кг. Всего влаги поступит 3,20+0,59=3,79 кг. По реакции 2Н2О + 1,5S2 = 2H2S + SO2 прореагирует 0,4•36/96=0,15 кг.
В газы перейдет влаги 3,79–0,15=3,64 кг. По проделанным расчетам определим теоретический состав и количество газов (без учета подсосов).
Состав и количество газов медно-серной плавки:
|
кг |
м3 |
|
% (объемн) |
S2 SO2 COS CS2 H2S H2O CO2 N2 |
34,52 7,2 1,87 3,56 0,42 3,64 27,23 116,2 |
34,52•22,4/64= 7,2•22,4/64= 1,87•22,4/60= 3,56•22,4/76= 0,42•22,4/34= 3,64•22,4/18= 27,23•22,4/44= 116,2•22,4/28= |
12,08 2,52 0,69 1,05 0,28 4,53 13,86 92,96 |
9,4 2,0 0,5 0,8 0,2 3,6 10,9 72,6 |
Итого |
194,64 |
|
127,97 |
100,0 |
По данным практики, сера из газов извлекается на 75–85% в виде элементарной, на 10–20% – в виде серной кислоты. Потери серы в виде SO2 составляют 5–6%.