§ 23. Агломерационный обжиг сульфидного медно-никелевого концентрата

Требуется определить выход и состав агломерата, получаемого при спекании сульфидного медно-никелевого концентрата состава: 5,6% Ni; 2,1% Сu; 0,2% Со; 16,1% S; 26,4% Fe; 27,7% SiO₂; 12,4% MgO; 2,7% А1₂О₃; 1,3% СаО и 2,3% прочих. Сульфидный медно-никелевый концентрат сразу после обогащения непригоден для плавки, так как представляет собой мелкий и влажный материал. Чтобы подготовить такой материал к плавке, его агломерируют. Для успешного проведения процесса агломерации к концентрату добавляют флюсы, восстановитель, связующие и оборотную мелочь. Каждая из внесенных добавок имеет определенное назначение в процессе агломерации. Восстановитель служит топливом и способствует снижению степени десульфуризации. Флюсы и связующие добавки необходимы для образования легкоплавких соединений и ошлакования агломерата. Обороты повышают газопроницаемость шихты. Представленный расчет выполнен без включения добавок, в случае их учета порядок расчета не меняется. Первоначально рассчитываем рациональный состав концентрата. Принимаем, что он состоит из пентландита (NiFeS₂), халькопирита (CuFeS₂), пирротина (Fe₇S₈), гематита (Fe₂O₃). Расчет ведем на 100 кг. Молекулярные и атомные массы устанавливаем по таблице 6.

Определяем количество пентландита 5,6•179/59=17,0 кг, в том числе железа 5,6•56/59=5,3 кг, серы 5,6•64/59=6,1 кг.

Определяем количество халькопирита: 2,1•183,5/63,6=6,05 кг, в том числе железа 2,1•56/63,6=1,85 кг, серы 2,1•64/63,6=2,1 кг.

Принимаем, что весь кобальт связан с серой в форме CoS. Количество серы, связанной с CoS: 0,2•32/60=0,1 кг. Всего серы в NiFeS₂, CuFeS₂ и CoS: 6,1+2,1+0,1=8,3 кг. Остальная сера (16,1–8,3=7,8 кг) связана в пирротине.

Определяем количество пирротина: 7,8•648/256=19,75 кг. Железа в пирротине 19,75–7,8=11,95 кг. Всего железа в NiFeS₂, CuFeS₂ и Fe₇S₈ 5,3+1,85+11,95=19,1 кг. Остальное железо (26,4–19,4=7,3 кг) связано с гематитом.

Масса гематита составляет 7,3•160/112=10,5 кг, в том числе кислорода 10,5–7,3=3,2 кг.

Рациональный состав сухого медно-никелевого концентрата приведен в таблице 54. Имея данные по рациональному составу концентрата, составляем расчетный баланс агломерации с добавлением 5% коксовой мелочи без учета воздуха и газов. Принимаем, что степень десульфуризации составляет 40% и потери шихты с неуловленной пылью 2%. Состав коксика: 82% С, 1% летучих, 0,6% S и 16,4% золы. Состав золы от сгорания коксика: 50% SiO₂; 30% А1₂О₃; 11% Fe₂O₃; 5% СаО и 4% прочих.

ТАБЛИЦА 54 Рациональный состав сухого медно-никелевого концентрата, %

Соединения	Fe	S	Другие элементы	Всего
NiFeS2 CuFeS2 Fe7S8 CoS Fe2O3 SiO2 MgO Al2O3 CaO Прочие	5,3 1,86 11,95 – 7,3 – – – – –	6,1 2,1 7,8 0,1 – – – – – –	5,6 Ni 2,1 Cu – 0,2 Co 3,2 O2 – – – – –	17,0 6,05 19,75 0,3 10,5 27,7 12,4 2,7 1,3 2,3
Всего	26,4	16,1	11,1	100

Расчетный баланс процесса агломерации сульфидного медно-никелевого концентрата без учета воздуха и флюсов приведен в таблице 55.

В процессе агломерации в газы переходит 6,45 кг серы, в том числе из пентландита, халькопирита и пирротина по реакциям

6(NiFeS₂) ↔ Ni₃S₂ + 6FeS + S₂

4(CuFeS₂) ↔ 2Cu₂S + 4FeS + S₂

2Fe₇S₈ ↔ 14FeS + S₂.

Следовательно, при разложении пентландита, халькопирита и пирротина выделяется 1/6; 1/4 и 1/8 часть серы соответственно.

Количество серы, выделившейся по приведенным выше реакциям, составит соответственно 6,1/6=1,02 кг; 2,1/4=0,52 кг; 7,8/8=0,98 кг.

Итого выделяется серы 1,02+0,52+0,98=2,52 кг. Принимаем, что остальная сера (6,45–2,52=3,93 кг) выделяется при окислении FeS.

Таблица 55 Материальный баланс агломерации медно-никелевого концентрата без учета воздуха и флюсов, кг

Статьи баланса	Всего	В том числе
		Ni	Co	Fe	Cu	S	SiO2	MgO	Al2O3	CaO	O2	C	летучие	прочие
Загружено: концентрата коксика	100 5,00	5,6 –	0,2 –	26,4 0,06	2,1 –	16,1 0,03	27,7 0,41	12,4 –	2,7 0,25	1,3 0,04	3,2 0,03	– 4,1	– 0,05	2,3 0,03
Всего	105,00	5,6	0,2	26,46	2,1	16,13	28,11	12,4	2,95	1,34	3,23	4,1	0,05	2,33
Получено: агломерета газов потери	94,26 10,60 1,55	5,48 – 0,12	0,20 – –	25,92 – 0,54	2,06 – 0,04	9,68 6,45 –	27,64 – 0,47	12,17 – 0,23	2,88 – 0,07	1,31 – 0,03	3,23 – –	– 4,1 –	– 0,05 –	2,28 – 0,05
Всего	106,41*	5,6	0,20	26,46	2,1	16,13	28,11	12,4	2,95	1,34	3,23	4,1	0,05	2,33

* 1,41 кг кислорода из воздуха

Для уточнения баланса по кислороду делаем расчет рационального состава агломерата. Принимаем, что в агломерате весь никель находится в виде Ni₃S₂, медь – в виде Cu₂S, кобальт – в виде CoS, остальная сера связана с железом в форме FeS. Оставшееся железо на 40% связано в FeO и на 60% в Fe₃O₄. Определяем количество серы в Ni₃S₂: 5,48•64/177=1,98 кг.

Определяем количество серы в Cu₂S: 2,06•32/127=0,52 кг. Количество серы, связанной с FeS, равно 9,68–(1;98+0,52+ 0,1)=7,08 кг, а количество железа в форме FeS равно 7,08•56/32=12,4 кг. Количество железа в форме FeO и Fe₃O₄: 25,92–12,4=13,52 кг, в том числе FeO 13,52•0,4=5,42 кг. Кислорода содержится 5,42•16/56=1,55 кг.

Железа в форме Fe₃O₄ 13,52–5,42=8,1 кг. Кислорода в Fe₃O₄ содержится 8,1•64/168=3,09 кг.

Кислорода в агломерате 1,55+3,09=4,64 кг. Из воздуха в агломерат переходит кислорода 4,64–3,23=1,41 кг,

где 3,23 –кислород гематита (см. таблицу 54).

Рациональный состав агломерата приведен ниже:

кг %

Ni₃S₂ 7,46 7,92

Cu₂S 2,58 2,74

CoS 0,3 0,32

FeS 19,48 20,60

FeO 6,97 7,42

Fe₃O₄ 11,19 11,90

SiO₂ 27,64 29,33

MgO 12,17 12,90

Al₂O₃ 2,88 3,07

CaO 1,31 1,38

Прочие 2,28 2,42

Итого 94,26 100,00

Определим* теперь по таблице 55 состав газов, образующихся при спекании концентрата, кг:

а) горение серы до SO₂ 6,45+6,45=12,9;

б) горение углерода до СО₂ (4,1/12)•32+4,1=15,03;

в) горение летучих.

Как правило, летучие состоят из водорода и метана в отношении 2,4:1 по объему или, учитывая их мольные массы, 2•22,4•2,4:1•22,4•16=3:10 по массе. В нашем случае 0,05 кг летучих состоят из 0,012 водорода и 0,038 метана. На их горение потребуется кислорода на образование воды 0,012•8=0,096. На сжигание метана 0,038•4=0,152. Всего 0,25. При этом получено воды 0,108+0,086=0,194 и СО₂ 0,11 кг. Итого расходуется кислорода на горение 6,45+10,93+0,25=16,63. С ним вносится азота (16,63/23)•77=55,67. С учетом ранее внесенного азота (с 1,41 кислорода) всего имеем азота 55,67+(1,41/23)•77=60,37. Кроме того, в составе газов агломашины будут присутствовать пары воды. Сульфидный медно-никелевый концентрат часто состоит из очень мелких частиц (менее 40 мкм). Поэтому он задерживает до 30% влаги. Рассчитаем массу влаги (X), приходящуюся на 100 кг сухого концентрата, по уравнению 100Х/(100+X)=30. Отсюда X=42,9. Найдем теперь расчетный объем газов, м³: SO₂ 22,4•12,9/64=4,52; СО₂ 22,4•(15,03+0,11)/44=7,75; Н₂О 22,4•(42,9+0,19)/18=18,52; N₂ 22,4•60,37/28=48,3. Общий объем газов по расчету равен 79,09 м³.

Подсос воздуха через неплотности в ходовой части и трещины у бортов тележек машины составляет не менее 60% от расчетного объема, т.е. около 50 м³. Всего газов будет 79,09+50=~130 м³. С учетом подсосов получаем следующий состав газов, % (объемн.): 68,48 N₂; 3,48 SO₂; 5,96 СО₂; 14,25 Н₂О; 8,22 О₂. Давление водяного пара в этих газах равно 760•0,1425=108,3 мм рт. ст. Их точка росы, согласно таблице 20, равна примерно 53⁰С.

* Эта часть до конца параграфа написана И. В. Гудимой.