Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

которые позволяют определить потребности в основных реагентах для осуществления плавки в оптимальных (заданных) режимах.

Рисунок – 1 Принципиальная технологическая схема получения меди из сульфидного сырья; I–IV – варианты переработки исходного сырья на черновую медь

21

Вэтом случае в исходных данных задаются составы подаваемых

впечь материалов, расход основного сырьевого материала (концентрата) и оборотных материалов и полупродуктов (конвертерного шлака, твердых оборотов и др.). Расходы топлива и флюсов не задаются (они рассчитываются в процессе решения задачи). Кроме того, в исходных данных задаются требования по основным параметрам плавки, которые должны быть достигнуты

или обеспечены. Например, требуемое содержание SiO2 и CaO в шлаке, требуемое содержание меди в штейне, обогащение дутья по кислороду, температура плавки. На основании исходных данных и требований к основным параметрам плавки рассчитываются полные составы и количество продуктов плавки, а также необходимые расходы флюсов, топлива, воздуха и технологического кислорода для обеспечения заданных параметров плавки.

2.1Плавка медных концентратов на штейн

Основной целью плавки на штейн является расплавление шихты с получением двух жидких продуктов плавки – штейна и шлака. При этом ставится задача как можно полнее перевести в штейн медь и ряд других ценных компонентов, например благородные металлы, а пустую породу ошлаковать.

Процесс плавки медных сульфидных концентратов на штейн является центральным в пирометаллургической схеме получения меди [3]. Эта стадия является наиболее затратной во всей схеме и от ее показателей во многом зависят показатели всего производства. Кроме того, на этапе получения медного штейна из концентрата образуется основная масса отходов – в газовую фазу переводится основная часть всей серы концентрата, а в шлак «пустая» порода. Это обстоятельство особенно важно, учитывая все возрастающие требования к сокращению вредных выбросов на металлургических заводах (для медных заводов – это прежде всего SO2). Возможно, именно поэтому наиболее заметный прогресс достигнут именно в разработке новых процессов плавки на штейн.

Наиболее распространенным до недавнего времени в медном производстве методом плавки на штейн была плавка в отражательных печах, пригодная только для переработки мелких (порошкообразных) материалов. Близким аналогом отражательной плавки является плавка в электрических (руднотермических) печах. Сохранил свое

22

практическое значение самый старый способ извлечения меди из руд – плавка в шахтных печах.

Перечисленные способы плавки на штейн (традиционные) далеко не удовлетворяют требованиям современности и нуждаются в замене более совершенными методами. Основным направлением развития технологии переработки сульфидного сырья является разработка новых, более совершенных и более экономичных технологических схем, основанных на базе автогенных процессов [4].

Внедрение автогенных процессов плавки сульфидных концентратов на штейн, использующих для поддержания теплового баланса плавки тепло от окисления сульфидов концентрата кислородом дутья, в практику металлургии тяжелых цветных металлов, включая прямое получение меди, позволяет упростить технологию за счет совмещения процессов обжига, плавки на штейн

ичастично или полностью процесса конвертирования в одном технологическом цикле.

На сегодняшний день с применением автогенных технологий (по разным оценкам) производят более 70 % меди и никеля, получаемых из сульфидного сырья. Россия по уровню применения автогенных технологий в переработке сульфидного сырья находится на самых передовых позициях. По ориентировочным оценкам доля меди, получаемой из сульфидного сырья с применением автогенных технологий в России, превышает 80 %.

Кнастоящему времени на разных заводах мира в промышленном

иопытно-промышленном масштабе действует около 10 различных автогенных технологий, каждая из которых обладает своими достоинствами и недостатками [4]. По принципу (условиям) окисления сульфидов автогенные процессы подразделяют на два типа: 1) процессы плавки во взвешенном состоянии и 2) процессы плавки в расплаве.

Внастоящее время к числу наиболее технологически и аппаратурно отработанных автогенных процессов относится плавка во взвешенном состоянии (ПВП) во всех ее разновидностях. Сейчас этот процесс применяются более чем на 30 предприятиях во многих странах мира для переработки медных, никелевых и пирротиновых концентратов. Этот процесс является наиболее известным и широко распространенным автогенным процессом в мире.

Основные достоинства плавок во взвешенном состоянии: использование для технологических нужд теплоты сжигания

23

сульфидов,высокаярегулируемаястепеньдесульфуризацииивысокое извлечение серы в газы, богатые по содержанию SO2. В то же время существуют и недостатки: низкая удельная производительность, возможность переработки только тонкоизмельченных материалов, необходимость глубокой сушки исходной шихты и высокое содержание извлекаемых компонентов в шлаках.

Применение окислительных плавок в расплавах в значительной степени устраняют отмеченные выше недостатки. Именно поэтому принцип окислительного плавления сульфидного сырья в расплавах следует признать наиболее перспективным направлением в развитии автогенных процессов. К настоящему времени уже предложено много различных вариантов технологического и аппаратурного оформления плавок в расплавах, предусматривающих в ряде случаев прямое получение черновой меди. В промышленную практику внедрены такие процессы, как плавка Ванюкова (Россия), «Айзасмелт» (Австралия), «Мицубиси» (Япония) и ряд других.

Сульфидные расплавы играют важную роль в металлургии меди и никеля. Штейном называется сплав сульфидов тяжелых цветных металлов (меди, никеля, свинца, цинка) с сульфидом железа, в котором растворены примеси. Штейны являются промежуточными металлсодержащими продуктами, получение которых характерно для пирометаллургии меди, никеля и частично свинца.

В практике цветной металлургии получают медные, медноникелевые, никелевые и полиметаллические штейны (таблица 3). Они образуются в жидком состоянии и практически не смешиваются с жидкими шлаками, что позволяет отделять их друг от друга путем естественного отстаивания. Для успешного разделения штейнов и шлаков необходимо, чтобы разность их плотностей была не менее 1. Чем она больше, тем быстрее идет отстаивание. Так, если шлак имеет плотность около 3 г/см3, то плотность штейна должна быть более 4 г/см3.

Таблица 3 – Состав заводских штейнов, %

Основными компонентами медных штейнов являются сульфиды меди и железа (Cu2S и FеS), а также небольшое содержание других

24

металлов и примесей. Теоретический состав штейнов может меняться от чистого FеS до чистого Cu2S. В медно-никелевых штейнах преобладают Ni3S2, Сu2S и FеS.

Характерными особенностями медных и медно-никелевых штейнов являются примерное постоянство в них содержания серы и обязательное присутствие кислорода в форме растворенных оксидов железа (FеО, Fе3О4). При выполнении металлургических расчетов содержание серы в таких штейнах принимают равным 25 % (правило Мостовича). Медные и медно-никелевые штейны являются хорошими растворителями (коллекторами) всех благородных и платиновых металлов.

В никелевых штейнах содержание серы переменно. Оно зависит от количества образовавшегося при плавке ферроникеля (сплава металлического железа с никелем). Чем больше будет металлизация штейна, тем ниже содержание в нем серы. Кислорода в никелевых штейнах практически нет.

Штейновые расплавы отличаются очень небольшой вязкостью. При температурах плавки (1200…1300 °С) их вязкость не превышает 0,5 Па с. Плотность расплавленных штейнов возрастает при увеличении содержания в них меди и никеля от 4 до 5,7 г/см3. Температура плавления реальных штейнов находится в пределах

900…1050 оС.

Для расчета количества и состава медных и медно-никелевых штейнов необходимым условием является знание величин:

-- извлечения металлов в штейн; -- степени десульфуризации при плавке или требуемое

содержание металла (или суммы металлов) в штейне.

Следует отметить, что расчеты проводят в соответствии со стехиометрическими соотношениями, т.е. по химическим формулам соединений и уравнениям химических реакций [5].

Пример 1. Расчет состава и количества штейна по степени десульфуризации.

Условия для расчета:

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

расчета рационального состава медного концентрата). 2 Извлечение в штейн, %: Cu – 97; Zn – 40.

3 Степень десульфуризации (D) – 52 %.

25

Расчет

Для расчета состава штейна необходимо определить количество всех элементов, переходящих при плавке в штейн – меди, железа, серы, цинка, кислорода и прочих.

Расчет начинаем с определения количества серы, так как задана степень десульфуризации. Следовательно, в штейн будет переходить 48 % серы от исходного ее количества в концентрате.

Тогда количество серы, перешедшей в штейн, можно рассчитать по формуле:

Согласно правилу Мостовича, содержание серы примерно равно 25 %. Исходя из этого правила определяем количество штейна по формуле

26

Отсюда

Gшт

где CCuшт – содержание меди в штейне, %. Отсюда

Cшт =13,58 100 =17,25%. Сu 78,72

Содержание кислорода в штейне связано с содержанием меди и определяется из следующей зависимости:

где COшт – содержание кислорода в штейне, %.

27

Отсюда

COшт =6,4 −0,08 17,25=5,02%.

Количество кислорода в штейне рассчитывается по формуле

где GOшт – количество кислорода в штейне, кг.

Отсюда

Gшт = 78,72 5,02 =3,95 кг. O 100

Содержание прочих в штейне принимаем равным 1,5 %, тогда масса прочих в штейне определяется по формуле

где Gпршт – количество прочих в штейне, кг;

Cпршт – содержание прочих в штейн, %. Отсюда

Gпршт = 78,721001,5 =1,18кг.

28

Отсюда

Gшт = 78,72 50,21 =39,53кг. Fe 100

Результаты расчета состава и количества штейна сводим в таблицу 4. Таблица 4 – Количество и состав медного штейна

Пример 2. Расчет состава и количества штейна по заданному содержанию меди.

Условия для расчета:

1 Состав концентрата тот же, что и в примере 1.

2 Извлечение меди в штейн εCuшт – 96 %, цинка εштZn – 20 %; 3 Содержание меди в штейне – 35 %.

Расчет

В данном случае расчет начинаем с количества меди, так как известно ее содержание в штейне – CCuшт =35 % . Количество меди, перешедшей в штейн c учетом извлечения, рассчитывается по формуле (27):

GCuшт =14,010096 =13,44кг.

Тогда количество штейна можно найти по формуле

29

Количество серы в штейне (с учетом правила Мостовича) находим по формуле

Отсюда

D = (41,0−9,6) 100 = 76,6%. 41,0

Далее аналогичным образом определяется количество других элементов.

Количество цинка в штейне рассчитывается по формуле (29):

GZnшт = 2,010020 = 0,40кг.

Содержание цинка в штейне находим по формуле (30):

CZnшт = 0,438,4100 =1,04%.

Содержание кислорода определяем по формуле (31):

COшт =6,4 −0,08 35,0 =3,60%.

Количество кислорода в штейне рассчитывается по формуле (32):

GOшт = 38,41003,6 =1,38кг.

Содержание прочих в штейне принимаем равным 1,0 %, тогда масса прочих определяется по формуле (33):

Gпршт = 38,41001,0 = 0,38кг.

30