Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

Содержание железа в штейне рассчитываем по формуле (34):

CFeшт =100 −(25,0+35,0+1,04+3,6+1,0)=34,36%.

Количество железа определяется по формуле (35):

Gшт = 38,4 34,36 =13,19кг. Fe 100

Результаты расчета состава и количества штейна представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Количество и состав медного штейна

2.2 Расчет количества и состава шлака

Шлаки. Шлаки являются вторым обязательным продуктом большинства металлургических плавок. Они образуются за счет ошлакования компонентов пустой породы и флюсов и состоят в основном из оксидов. Кроме шлакообразующих компонентов, реальные заводские шлаки обязательно содержат некоторое количество извлекаемых металлов.

При относительно низком содержании ценных компонентов получающиеся в большинстве рудных плавок (включая плавки на штейн) шлаки являются отвальным продуктом, т.е. отходами металлургического производства. Однако шлаки можно считать отвальными лишь условно. С развитием металлургической техники они могут вновь стать ценным сырьем для получения ряда цветных металлов, а также железа и других ценных составляющих.

В отдельных видах металлургических плавок и особенно в рафинировочных процессах шлаки получаются очень богатыми. Такие шлаки требуют обязательного обеднения. Их часто используют в

31

качестве оборотных материалов одного из основных металлургических процессов или подвергают специальной переработке.

Выход шлаков при плавках руд или концентратов, содержащих медь, медь и никель или никель, обычно большой и составляет 60…120 % от массы рудной фракции шихты.

Роль шлаков в рудных плавках очень велика. Они являются той средой, в которой протекают основные физико-химические взаимодействия и реакции получения металлсодержащего продукта и шлака конечного состава, а также происходит разделение жидких продуктов плавки. От выхода (количества) и свойств получаемых шлаков полностью зависят потери ценных металлов со шлаками, т.е. их конечное извлечение.

Потери ценных металлов. Эти потери со шлаками обусловлены ошлакованием их оксидов и частичным растворением в шлаковом расплаве штейна (электрохимические потери), а также запутыванием мельчайших, взвешенных в шлаках сульфидных или металлических капель (механические потери).

Для каждого металлургического процесса и применяемого для его осуществления плавильного агрегата подбирают оптимальный состав шлаков, который должен удовлетворять строго определенным технологическим и экономическим требованиям [6].

Далеко не всегда плавка исходного рудного сырья обеспечивает получение оптимальных шлаков. В большинстве случаев состав получающихся шлаков приходится корректировать. Корректировку состава шлака в целях приближения его к оптимальному проводят введением в исходную шихту соответствующих флюсов – минеральных добавок. Для получения шлаков оптимального состава в качестве флюсов в металлургии меди и никеля чаще всего используют кварциты и известняки.

Основными компонентами шлаков цветной металлургии являются SiO2, FеО и СаО. Суммарное содержание этих трех основных оксидов обычно составляет от 70 до 90…95 %. Концентрация СаО редко превышает 6…8 %. Следовательно, в большинстве случаев присутствуют железо-силикатные расплавы. В металлургических шлаках в зависимости от состава перерабатываемого сырья и применяемой технологии могут также присутствовать Al2О3, МgО, Fе3О4, ZnО и некоторые другие оксиды.

К числу важнейших физико-химических свойств шлаковых расплавов, влияющих на показатели плавки, относятся плавкость

32

(температура плавления), вязкость, плотность, растворимость в шлаках металлсодержащего продукта и поверхностные свойства.

Плавкость шлаков должна быть минимально допустимой для конкретного металлургического процесса. Чем при более низких температурах плавится шлак, тем выше будет производительность печи и меньше расход тепловой энергии. Недопустимо высокая температура образования жидкого шлака затрудняет или даже делает невозможным протекание и завершение основных химических реакций и ведет к увеличению вязкости шлаковых расплавов. Реальные шлаки металлургии меди и никеля плавятся обычно при

1100…1250 °С.

Вязкость шлаковых расплавов характеризует их жидкотекучесть. От вязкости зависит скорость отстаивания металлсодержащей фазы (штейна или металла) и кинетика металлургических реакций.

Большую роль играют поверхностные свойства шлаковых расплавов и особенно межфазное натяжение на границе раздела шлак–штейн (металл). Низкому межфазному натяжению отвечает повышенная взаимная смачиваемость и растворимость жидких продуктов плавки, что ведет к замедлению процесса их отстаивания и увеличению потерь металлов.

При выборе состава шлака для конкретного металлургического процесса необходимо учитывать влияние основных шлакообразующих компонентов на свойства шлаковых расплавов.

Кремнезем (SiO2) снижает плотность шлака и растворимость в нем штейна, но увеличивает температуру плавления шлака, его вязкость и межфазное натяжение на границе раздела шлак–металлсодержащий продукт.

Влияние FеО обратно действию SiO2. При увеличении содержания вюстита возрастает плотность шлака и растворимость в нем сульфидов и свободных металлов, уменьшаются межфазное натяжение, вязкость и температура плавления шлаков.

СаО уменьшает вязкость и плотность шлаков и растворимость в них штейна. В небольших количествах СаО снижает температуру плавления (плавкость) шлаков. Одновременно добавки СаО способствуют росту межфазного натяжения.

Пример

Условия для расчета:

1  Штейн (состав и количество) из 2-го примера; 2  Извлечение цинка в шлак: εшлZn – 40 %;

33

3  Требуемое содержание в отвальном шлаке SiO2 – 38 %; CaO – 6 %; 4  Отношение FeO:Fe3O4 в шлаке по массе – 9:1;

5  Химический состав флюсов: кварца: SiO2 – 90 %, CaO – 1 %,

прочие – 9 %; известняка: CaO – 52 %, SiO2 – 2,0 %, Al2O3 – 1,0 %, прочие – 45,0 %.

Расчет самоплавкого шлака. На первом этапе определим предварительный состав самоплавкого шлака, который мог бы образоваться (условно) из компонентов исходного концентрата без добавки флюсов.

В шлак перейдут из концентрата следующие компоненты: шлакообразующие оксиды SiO2, CaO, Al2O3, MgO, железо в виде FeO и Fe3O4, цинк в виде ZnO, медь в виде Cu2O (принято для упрощения расчета), а также прочие.

Общее количество железа, переходящее в шлак, определяется по формуле

Рассчитаем количество вюстита FeO и магнетита Fe3O4, для чего составим уравнение, учитывая доли железа в оксидах и заданное соотношение их в шлаке:

где GFeOшл – количество вюстита в шлаке, кг;

µFeO – молярная масса вюстита, кг/кмоль;µFe3O4 – молярная масса магнетита, кг/кмоль.

Отсюда

GFeOшл 55,8571,85 + GFeOшл 19 3231,5555,85 =19,21кг.

Решая данное уравнение получаем, что GFeOшл = 22,39кг , и из следующего выражения находим количество магнетита:

34

где GFeшл3O4 – количество магнетита в шлаке, кг.

где GZnшл – количество цинка в шлаке, кг.

Отсюда

GZnшл = 2,010040,0 = 0,8кг.

Количество оксида цинка в шлаке рассчитывается по формуле

35

где GZnOшл – количество оксида цинка в шлаке, кг;µZnO – молярная масса оксида цинка, кг/кмоль. Отсюда

GZnOшл = 0,865,481,4 =1,0 кг.

Найдем количество кислорода в шлаке, связанного с железом, медью и цинком. Определим его по формуле

где GOшл – количество кислорода в шлаке в составе оксидов железа, меди и цинка, кг.

Отсюда

GOшл = 22,39+2,49+0,63+1,0−19,21−0,56−0,8=5,94 кг.

Это количество кислорода требуется для окисления металлов при плавке и будет учтено далее при расчете дутья и газов.

Оксиды SiO2, CaO, Al2O3, MgO полностью переходят в шлак из концентрата:

GSiOк•т2 = 6,2кг;

GCaOк•т =0,6кг;

GAlк•т2O3 =1,9кг;

GMgOк•т =0,4кг.

Массу прочих в шлаке находим по разности между приходом их на плавку в составе концентрата (см. таблицу 2) и выходом в штейн, по формуле

где Gпршл с – количество прочих в шлаке, кг.

Отсюда

Gпршл =0,59−0,38=0,21кг.

36

Результаты расчета представлены в таблице 6. Таблица 6 – Количество и состав самоплавкого шлака

Из данных, представленных в таблице 6 видно, что самоплавкий шлак очень железистый и не удовлетворяет заданным требованиям. Согласно условиям, необходимо увеличить содержание в шлаке SiO2 до 38 %, а СаО до 6 %.

Расчет отвального шлака. Корректировку состава шлака осуществляем добавкой флюсов – кварца и известняка заданных составов. Так как известняк состоит преимущественно из CaCO3, при плавке разлагающегося с выделением СО2 в шлак будут переходить только твердые компоненты этого флюса. Все соединения, входящие в состав кварца, перейдут в шлак полностью, в том числе незначительное количество СаО.

Содержание CO2, связанного с CaO известняка, рассчитывается следующим образом по формуле

где CCOизв2 – содержание CO2 в известняке, %;

CCaOизв – содержание CaO в известняке, %: µCO2 – молярная масса CO2, кг/кмоль.

37

Отсюда

CCOизв2 =52,0 44,056,1 = 40,78 %.

Уточним содержание прочих в известняке (без CO2) и найдем его по разности:

где Cпризв – содержание прочих в известняке, %;

Cпр+СОизв 2 – содержание прочих в известняке (в том числе CO2), %. Отсюда

Cпризв =45,0 −40,78= 4,22%.

Тогда количество отвального шлака после добавки флюсов будет следующим:

где Gшлотв – количество отвального шлака, кг; Gшлсам – количество самоплавкого шлака, кг; Gкв – количество кварцевого флюса, кг; Gизв – количество известняка, кг.

Отсюда

Расчет необходимого количества флюсов произведем с использованием балансовых уравнений, которые составляются только по тому компоненту, содержание которого должно быть увеличено за счет добавки соответствующего флюса, т.е. по кремнезему SiO2 и оксиду кальция CaO.

38

Уравнение по SiO2

Подставляя численные значения известных величин, получаем уравнение вида:

6,2+ 90,0100 Gкв + 1002,0 Gизв = 38,0100 Gшлотв

или

6,2+0,9 Gкв + 0,02 Gизв =0,38 Gшлотв .

Уравнение по CaO

Подставляя численные значения, получаем уравнение вида:

0,6+1001,0 Gкв + 52,0100 Gизв =1006,0 Gшлотв

или

0,6+0,01 Gкв + 0,52 Gизв =0,06 Gшлотв .

Таким образом, получаем систему из двух уравнений с двумя неизвестными:

39

0,6+0,01 Gкв +0,52 Gизв = 0,06 (35,82+Gкв +0,592 Gизв ).

Решив данную систему уравнений, получим следующие результаты:

-- количество кварца Gкв = 16,17 кг;

-- количество известняка Gизв = 16,17 кг.

После этого рассчитаем окончательный состав шлака, для чего найдем массы компонентов конечного шлака с учетом добавки флюсов.

Количество SiO2 определим, используя левую часть уравнения

(51):

GSiOшл2 = 6,2+0,9 16,17+ 0,02 4,87 = 20,85 кг.

Количество CaO определим, используя левую часть уравнения

где GAlшл2O3 – количество оксида алюминия в шлаке, кг;

CAlизв2O3 – содержание оксида алюминия в известняке, %.

где Gпршл – количество прочих в отвальном шлаке, кг;

Cпркв – содержание прочих в кварце, %.

Отсюда

Gпршл =0,21+1009,0 16,17+ 4,22100 4,87 =1,87 кг.

40