Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

Результаты расчета состава и количества отвального шлака представлены в таблице 7.

Таблица 7– Количество и состав отвального шлака

Для заданных составов медного концентрата, флюсов и принятых условий плавки на штейн компонентный состав шихты представлен в таблице 8.

Таблица 8 – Количество и состав шихты

На основе принятых составов концентрата, флюсов и отвального шлака выполнены ориентировочные расчеты, позволившие проследить основные тенденции изменения параметров процесса плавки при изменении состава штейна [6].

С увеличением содержания меди в штейне при переработке одного и того же концентрата количество выплавляемого штейна уменьшается (таблицы 4, 5). Одновременно будет происходить увеличение выхода шлака при плавке. Такой характер зависимостей подтверждается химизмом процесса. Чем богаче по содержанию меди штейн, тем больше сульфида железа окисляется при плавке и переходит в виде оксида железа в шлак. Количество шлака увеличивается как за счет перехода в шлак оксидов железа, так и за счет добавки флюсов для получения шлака заданного состава.

41

Обогащение штейна по меди обусловлено повышением степени десульфуризации с ~ 45 % (когда происходит практически только расплавление материала) до ~ 90 % при получении белого матта (около 80 % Cu). Термин «десульфуризация» является категорией, под которой понимается комплекс мероприятий по организации и ведению технологического процесса, направленных на удаление (окисление) серы исходного шихтового материала (одновременно с которым окисляется и железо). Повышение степени десульфуризации – это прямой путь к более полному извлечению серы в одной технологической операции. Идеальным можно считать вариант технологического процесса, в котором вся сера исходного материала подвергается окислению, т.е. процесс ведется с получением чернового металла.

Следует иметь в виду, что при повышении содержания меди в штейне извлечение ее в штейн снижается. Это связано как с повышением содержания меди в шлаке, так и с увеличением выхода шлака. В этом случае встают вопросы технико-экономической оптимизации, т.е. выбора технологии, обеспечивающей минимальные потери металлов со шлаками, с одной стороны, и максимальную эффективность, с другой.

Расчет состава конвертерного шлака. При осуществлении плавки на штейн кроме основных компонентов шихты в плавильный агрегат достаточно часто поступает в качестве оборотного материала конвертерный шлак. Компоненты конвертерного шлака распределяются между продуктами плавки, большая часть меди извлекается в штейн, оксидные соединения преимущественно переходят в шлак, поэтому возникает необходимость в его расчете.

Для учета его в материальном балансе необходимо знание химического состава шлака, расхода на плавку и величины извлечения меди и других металлов в штейн.

Условия для расчета:

1  Состав конвертерного шлака, %: Cu – 3,0; Zn – 1,0; Fe – 52,0; SiO2 – 23,0; CaO – 0,5, концентрация магнетита (Fe3O4) в

конвертерном шлаке 25 %.

2  Расход конвертерного шлака – 10 кг на 100 кг концентрата.

3  Извлечение меди в штейн – 80 %; извлечение цинка в штейн –

20 %.

42

Расчет

Пренебрегая содержанием в конвертерном шлаке сульфидов, полагаем, что химические элементы в нем присутствуют только в оксидных соединениях: Cu2O, FeO, Fe3O4, ZnO. По исходным данным можно рассчитать концентрацию этих компонентов (для фазового состава шлака), количество кислорода, содержащегося в оксидах меди, железа и цинка (для уточненного химического состава конвертерного шлака), а также содержание прочих.

Находим массу Cu2O в конвертерном шлаке по заданному содержанию в нем меди по

где GCuконв2O. шл – количество оксида меди в конвертерном шлаке, кг; конв. шл – количество конвертерного шлака, кг;

CCuконв. шл – содержание меди в конвертерном шлаке, %.

Отсюда

GCuконв.2O шл =10,0 1003,0 2143,063,5 =0,338кг.

Количество железа в составе Fe3O4 можно рассчитать по формуле

где GFeFe3O4 – количество железа, связанное с магнетитом, кг; CFeконв3O4. шл – содержание магнетита в конвертерном шлаке, %.

Отсюда

GFeFe3O4 =10,0 25,0100 3231,5555,85 =1,81 кг.

Остальное железо в конвертерном шлаке будет связано с FeO; его количество можно рассчитать по формуле

43

где GFeFeO – количество железа в FeO, кг;

CFeконв. шл – содержание железа в конвертерном шлаке, %.

Отсюда

GFeFeO =10,0 52,0100 −1,81=3,39кг.

где GZnOконв. шл – количество оксида цинка в конвертерном шлаке, кг; CZnконв. шл – содержание цинка в конвертерном шлаке, %.

Отсюда

GZnOконв. шл =10,0 1001,0 65,481,4 = 0,124кг.

Находим массу кислорода шлака, связанного с медью, железом и цинком по формуле

+GZnOконв.шл −(GCuконв.шл +GFeконв.шл +GZnконв.шл ),

где GOконв.шл – количество кислорода в конвертерном шлаке в составе оксидов железа, меди и цинка, кг.

Отсюда

GOконв.шл = 0,338+ 4,36+ 2,5+0,124−(0,3+5,2+0,1)=1,73кг.

44

По разности масс всего конвертерного шлака и рассчитанных компонентов найдем массу прочих по формуле

где Gпрконв. шл – количество прочих в конвертерном шлаке, кг;

Gпрконв.шл =10,0−(0,338+4,36+2,5+0,124+2,3+0,05)=0,27кг.

Результаты расчета представлены в таблицах 9 и 10. Таблица 9 – Количество и состав конвертерного шлака

Таблица 10 – Фазовый (компонентный) состав конвертерного шлака

В соответствие с заданными извлечениями при переработке конвертерного шлака в штейн будут дополнительно переходить следующие количества меди и цинка:

45

где GСuштконв. шл – количество меди, переходящее в штейн, кг;

где GZnштконв. шл – количество цинка, переходящее в штейн, кг. Отсюда

GCuштконв. шл = 0,310080 = 0,24кг;

GZnштконв. шл = 0,110020 = 0,02кг.

Также следует учитывать переход в шлак, получаемый при плавке, таких оксидов, как SiO2, CaO и др. Таким образом, в случае поступления на плавку конвертерного шлака необходимо производить корректировку составов получаемых продуктов или проводить подобный расчет предварительно.

46

3 Расчет дутья и технологических газов

Газы и пыли. Большинство пирометаллургических процессов характеризуется образованием значительных количеств газов и пылей. Как правило, эти два продукта удаляются из печей совместно. Пыли и газы пирометаллургических технологий имеют, как правило, большую материальную ценность, но служат источником загрязнения окружающей среды. Поэтому их улавливание, использование и обезвреживание являются важнейшими проблемами современного металлургического производства [7].

Отходящие металлургические газы можно классифицировать на технологические, образующиеся за счет протекания химических реакций, и топочные, являющиеся продуктами сжигания топлива. Состав и количество отходящих газов, представляющих собой смесь технологических и топочных газов и разбавляющих их подсосов воздуха, полностью определяются типом перерабатываемого сырья и видом применяемого металлургического процесса.

Основными компонентами технологических газов являются сернистый ангидрид (SО2), углекислый газ (СО2), оксид углерода (СО) и пары воды (Н2О). В отдельных металлургических процессах возможно выделение газообразного хлора, хлоридов, мышьяковистых и других химических соединений. При сжигании топлива преимущественно образуются СО2, СО и Н2О, а также содержат азот (N2). Кроме того, в отходящих газах обязательно будут присутствовать азот (N2) и, в некоторых случаях, свободный кислород (О2), поступающие с дутьем и за счет подсосов воздуха, попадающих в печь из атмосферы из-за неполной герметизации аппаратуры.

В большинстве случаев отходящие газы покидают металлургический агрегат нагретыми до 800…1300 °С и более.

Дутье, необходимое для процесса плавки (вводимое для окисления сульфидов или сжигания топлива), может быть воздушным (21 % объемн. О2), обогащенным по кислороду ( 21…90 % объемн. О2) или кислородным (95…98 % объемн. О2). В металлургии меди и никеля в настоящее время преобладают плавки окислительного характера – автогенные процессы с использованием обогащенного кислородом дутья.

Условия для расчета:

1 Содержание кислорода в дутье – 65 % объемн.

2 Содержание кислорода в технологическом кислороде – 96 % объемн.

47

3 Влажность концентрата – 8 %, флюсов – 5 %.

На основании расчетов штейна и шлака, выполненных в предыдущих примерах, рассчитаем потребность в дутье, количество и состав технологических газов при плавке с использованием обогащенного кислородом дутья.

Расчет дутья. Расчет начинается с определения потребности кислорода на плавку на 100 кг концентрата.

Кислород, поступающий в составе дутья (для окисления сульфидов), будет распределяться по всем продуктам плавки:

-- в штейне присутствует в составе оксидов железа; -- шлаке – в составе оксидов железа, меди, цинка; -- технологических газах – в виде оксидов серы.

Вштейне количество кислорода – 1,38 кг (см. таблицу 5). Кислород в шлаке – 5,94 кг (см. таблицу 7).

Втехнологических газах кислород рассчитывается по количеству серы, переходящей в газовую фазу, считая, что вся сера окисляется до сернистого ангидрида SO2, по формуле

где GSSO2 – количество серы в составе SO2, кг. Отсюда

GSSO2 = 41,0−9,6 =31,4кг.

Тогда количество кислорода в форме SO2:

где GOSO2 – количество кислорода в составе SO2, кг;µО – атомная масса кислорода, кг/кмоль.

Отсюда

GSO2 = 31,4 2 16 =31,4кг. O 32

48

Количество кислорода, которое необходимо подать на плавку с дутьем, рассчитывается из выражения

GOдут2 =1,38+5,94+31,4 =38,72кг.

Объем кислорода в дутье рассчитывается по формуле

– объем кислорода в дутье, м3;µО2 – молярная масса кислорода, кг/кмоль. Отсюда

V дут = 38,72 22,4 = 27,11м3.

O2 32

При содержании кислорода в дутье, равном 65 % по объему, общий объем дутья составит

где Vдут – объем дутья, м3. Отсюда

Vдут = 27,11 100 = 41,70м3. 65

Объём и количество азота в дутье рассчитывается по следующим формулам:

где VNдут2 – объем азота в дутье, м3;

49

где Gдут – количество дутья, кг.

Дутье состоит из воздуха и технологического кислорода, смешанных в необходимой пропорции для получения требуемого содержания кислорода. В таблице 11 приведены составы воздуха и технологического кислорода.

Таблица 11 – Составы воздуха и технологического кислорода

Рассчитаем объемы воздуха и технического кислорода, необходимые для получения дутья с содержанием кислорода 65 %. Для этого составим систему уравнений, в которой неизвестными будут объем воздуха и объем технологического кислорода.

где Vвозд – объем воздуха в дутье, м3;

Vтехн. кисл – объем технологического кислорода в дутье, м3,

50