Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

где GZnSруд – количество сульфида цинка в руде, кг; GZnруд – количество цинка в руде, кг;

µZnS – молярная масса сульфида цинка, кг/кмоль; µZn – атомная масса цинка, кг/кмоль.

Отсюда

GZnSруд = 5,065,497,4 =7,45 кг.

Количество серы в сульфидe цинка рассчитывается по формуле:

где GSZnS – количество серы в сульфиде цинка, кг.

Отсюда

GSZnS =7,45 −5,0 = 2,45кг.

Шлакообразующие оксиды (SiO2, CaO, Al2O3) при расчете фазового состава обычно на элементы не пересчитывают, поскольку они представляют собой химически устойчивые соединения. Тогда количество кремнезема в 100 кг руды будет численно равно его процентному содержанию по химическому составу, т.е. составит 7,0 кг.

В заключение расчета нужно определить количество известняка и СО2 в нем.

CaO в руде находится в составе CaCO3. Количество CaCO3 в руде рассчитывается по формуле

где GCaCOруд 3 – количество карбоната кальция в руде, кг; GCaOруд – количество оксида кальция в руде, кг;

µCaCO3 – молярная масса карбоната кальция, кг/кмоль; µCaO – молярная масса оксида кальция, кг/кмоль.

11

Отсюда

GCaCOруд 3 = 2 56,1100,1 =3,57кг.

Карбонат кальция при нагреве разлагается с выделением CO2. Количество CO2 определяется по формуле

где GCOCaCO2 3 – количество CO2, кг. Отсюда

GCaCO3 =3,57 −2,0 =1,57кг.

CO2

Количество остальных составляющих руды (прочих), не определенных при химическом анализе, находим по разности:

где Gпрруд – количество прочих руды, кг;

Gпрруд(с СО2 ) – количество прочих руды с учетом СО2, кг. Отсюда

Gпрруд = 2,3 −1,57 = 0,73кг.

Результаты расчета рационального состава медной руды представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Рациональный (фазовый) состав медной руды

12

При достоверных исходных данных расчет рационального состава удается сделать с полным связыванием элементов в указанные минералогами соединения. Если же химический или минералогический анализ был сделан неточно, то один из элементов связывается неполностью. Следовательно, расчет рационального состава сырья является в известной мере контрольным и приводит, в конечном счете (после повторных анализов), к уточнению состава сырья и более точным расчетам металлургического процесса.

Пример 2. Расчет рационального состава медного концентрата

Условия для расчета:

1  Химический состав концентрата, %: Cu – 14; Fe – 32,4; Zn – 2; S – 41,0; SiO2 – 6,2; Al2O3 – 1,9; CaO – 0,6; MgO – 0,4; прочие – 1,5 (в

том числе CO2).

2  Минералогический состав: халькопирит (CuFeS2), ковеллин (CuS), халькозин (Cu2S), пирит (FeS2), сфалерит (ZnS), известняк, магнезит, окисиды пустой породы.

3  В форме CuFeS2 присутствует 30 % меди от исходного содержания, остальная медь распределена между CuS и Cu2S.

Расчет

В данном случае медь входит в состав трех минералов, сера – в состав пяти, поэтому расчет немного усложняется. Общей методикой, позволяющей провести расчет в таких случаях, является составление баланса по компонентам с последующим решением системы линейных уравнений.

Расчет также проведем на 100 кг концентрата в соответствии со стехиометрией элементов в минералах, начиная также с халькопирита.

Количество меди в халькопирите рассчитывается по формуле

где GCuCuFeS2 – количество меди в халькопирите, кг;

PCuCuFeS2 – доля меди, находящаяся в виде халькопирита, %. Отсюда

GCuCuFeS2 =14100,0 30 = 4,20кг.

13

Тогда можно определить количество халькопирита по формуле

Отсюда

GCuFeSк•т 2 = 4,263,5183,35 =12,13 кг.

Количество железа и серы в халькопирите рассчитывается по формулам (3), (4):

GCuFeS2 =12,13 55,85 =3,69кг;

Fe 183,35

GSCuFeS2 =12,13 −4,2−3,69 = 4,23 кг.

По разности определяем количество железа в составе пирита, используя формулу (5):

GFeFeS2 =32,4 −3,69 = 28,71 кг.

Количество серы в пирите и масса пирита рассчитываются по формулам (6), (7):

GFeSк•т2 = 28,71+32,89 = 61,60 кг.

Рассчитаем сфалерит по количеству цинка, используя формулу (8):

GZnSк•т = 2,065,497,4 = 2,98кг.

Количество серы в сфалерите определяем по формуле (9):

GSZnS = 2,98 −2,0 =0,98 кг.

14

Так как распределение меди между ковеллином и халькозином неизвестно, необходимо составить уравнения по оставшимся количествам меди и серы.

Для составления системы уравнений необходимо знать, какие массы меди и серы приходятся на эти два минерала. Рассчитаем их по формулам:

где GCuSCu +Cu2S – количество меди в ковеллине и халькозине, кг;

где GCuCuS+Cu2S – количество серы в ковеллине и халькозине, кг; GSк•т – количество серы в концентрате, кг.

Отсюда

GCuCuS+Cu2S =14,0−4,20 =9,80кг;

GSCuS+Cu2S = 41,0−4,23−32,89−0,98= 2,89кг.

Составляем систему из балансовых уравнений по этим компонентам:

где GCuк•т2S – количество халькозина, кг;

GCuSк•т – количество ковеллина, кг;

µCu2S – молярная масса халькозина, кг/кмоль; µCuS – молярная масса ковеллина, кг/кмоль.

15

Отсюда

Решив систему уравнений, найдем значения GCuк•т2S =10,16 и

GCuSк•т = 2,53.

Таким образом, в концентрате содержится 10,16 кг халькозина и 2,53 кг ковеллина.

Количество меди и серы в халькозине рассчитывается по формулам:

GSCu2S =10,16 −8,12 = 2,04 кг.

Медь и серу в ковеллине определяем по формулам:

где GSCuS – количество серы в халькозине кг.

16

Отсюда

GCuCuS =2,53 95,563,5 =1,68 кг;

GSCuS = 2,53 −1,68=0,85 кг.

Количество CaCO3 в концентрате рассчитывается по формуле (10):

GCaCOк•т 3 = 0,656,1100,1 =1,07 кг.

Количество CO2 в CaCO3 определяется по формуле (11):

GCaCO3 =1,07 −0,6 = 0,47 кг.

CO2

Количество магнезита MgCO3 в концентрате рассчитывается по формуле

GMgOMgCO3 – количество МgО в магнезите, кг.

17

Отсюда

GMgCO3 =0,84 −0,4 =0,44 кг.

CO2

Количество прочих за исключением СО2 находим по разности:

Отсюда

Gпрк•т =1,5−0,47−0,44 =0,59 кг.

Результаты расчета рационального состава концентрата представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Рациональный (фазовый) состав медного концентрата

Пример 3. Расчет рационального состава медно-никелевого концентрата.

Условия для расчета:

1 Химический состав концентрата, %: Cu – 2,55; Ni – 3,8; Fе – 25,3; S – 16,6; SiO2 – 36,45; СаО – 0,6; МgO – 5,8; А12O3 – 0,5; прочие – 8,4.

2 Минералогический анализ: пентландит, халькопирит, халькозин, пирротин, магнетит, карбонаты кальция и магния и другие оксиды пустой породы.

Приведенных исходных данных для выполнения расчета рационального состава не достаточно, так как неизвестны: состав пентландита, представляющего изоморфную смесь сульфидов

18

никеля и железа – (Ni, Fe)S – и распределение меди и железа между содержащими их минералами.

Дополнительные данные, обязательно необходимые в данном случае для расчета, могут быть следующие:

1)  состав пентландита отвечает формуле NiFeS2(NiS∙FeS);

2)  2/3 меди находится в халькопирите, а 1/3 в форме халькозина; 3)  железо, не вошедшее в состав пентландита и халькопирита, распределено между пирротином (Fe7S8) и магнетитом в

соотношении 4:1.

Расчет

Вэтом случае расчет проводят в той же последовательности, что

идополнительные сведения по минералогическому анализу. Сначала определяется количество пентландита. Далее рассчитывается количество халькопирита и халькозина, содержащих соответственно 2,55 ∙ 2/3 = 1,7 кг и 2,55 ∙ 1/3 = 0,85 кг меди. Определив количество пентландита, халькопирита и халькозина и содержащихся в них элементов, приступаем к расчету пирротина и магнетита. Для этого из общего содержания железа в концентрате нужно вычесть его суммарное количество в трех указанных никель- и медьсодержащих минералах, распределить остаток железа между пирротином и магнетитом в заданном соотношении. Полностью расчет проводится самостоятельно студентами.

19

2 Расчет количества и состава штейна и шлака

В практической деятельности повсеместно приходится сталкиваться с расчетами количества и состава получаемых продуктов. Необходимость такого рода расчетов обусловлена требованиями технологии (поддержание установленных нормативов технико-экономических показателей), организации и управления технологическим процессом, а также обслуживанием металлургического агрегата, работающего в неразрывной связи с предшествующими и последующими переделами производства.

В пирометаллургии сульфидного медного и никелевого сырья приходится иметь дело со штейнами, файнштейнами, черновыми и анодными металлами и различными шлаками.

Одним из основных переделов технологической схемы переработки сульфидного медного сырья (рисунок 1) является плавка на штейн, так как именно на нем происходит основное пирометаллургическое обогащение целевого материала – штейна, по основным металлам за счет отделения компонентов пустой породы в виде шлака от сульфидной штейновой фазы, в которой концентрируются в основном ценные металлы. К этому переделу предъявляются жесткие требования к комплексности использования минерального сырья, извлечению ценных элементов, снижению затрат энергии и, особенно, расходу углеродистого топлива. Успешное решение этих важнейших задач неразрывно связано с умением грамотно владеть металлургическими расчетами основных продуктов плавки – штейна, шлака и технологических газов.

Расчет количества и состава продуктов плавки является базой, отправной точкой организации процесса, установки технологических параметров и ведения плавки.

Расчет продуктов плавки основывается на глубоком знании теории пирометаллургических процессов, технологии конкретного металлургического процесса, его возможностей и особенностей, устройства и принципа действия металлургического агрегата. На первый взгляд кажется, что расчет сам по себе прост (и это действительно так), но в нем заложены основные зависимости технологических параметров процесса, количества, состава и свойств продуктов и условий работы металлургического агрегата.

При проектировании печей и на промышленных предприятиях наиболее часто возникает необходимость в решении расчетных задач,

20