Технологические расчеты в металлургии меди. Учебное пособие

6 Расчет материального баланса отражательной плавки

Несмотря на быстрое развитие и внедрение в медеплавильное производство новых автогенных процессов для плавки на штейн, так называемые традиционные технологии (отражательная, шахтная плавка, электроплавка) продолжают сохранять свое значение и успешно используются на отдельных предприятиях. Например, отражательная плавка применяется в качестве основного процесса на одном из заводов, входящих в холдинг «УГМК»; продолжается эксплуатация отражательной печи на медеплавильном заводе АО «Алмалыкский ГМК»; агрегаты подобного типа применяются также в рафинировочном производстве, для получения сплавов на заводах по обработке цветных металлов и т.д.

Пример расчета и составления материального баланса отражательной плавки медного концентрата

Условия для расчета:

1 Состав концентрата, % масс.1: Cu – 20,0; Fe – 29,0; Zn – 1,6; Pb – 0,6; S – 38,0 SiO2 – 2,0;Al2O3 – 1,5; CaO – 1,8; MgO – 1,0.

2 Производительность печи по концентрату – 80 т/ч.

3 Производительность по конвертерному шлаку – 50 т/ч.

4 Состав конвертерного шлака, %: Cu – 4; Fe – 52; SiO2 – 22; CaO – 0,5; Zn – 1,5; Pb – 0,5; содержание магнетита – 25 %.

5 Извлечение в штейн меди из концентрата – 99,3 %, меди из конвертерного шлака – 85 %, цинка из общей загрузки – 40 %, свинца – 45 %.

6 Извлечение в шлак: цинка – 45 %, свинца – 20 %.

7 Содержание в отвальном шлаке SiO2 – 37 %; CaO – 9 %. 8 В шлаке 8 % железа связано в Fe3O4, а остальное в FeO. 9 Химический состав флюсов:

-- кварца: SiO2 – 90 %, CaO – 1 %, MgO – 4 %,Al2O3 – 2 %; -- известняка: CaO – 51 %, SiO2 – 2 %,Al2O3 – 6,8 %.

10 Расход пылеугля – 15 кг на 100 кг шихты.

11 Состав пылеугля: С – 80 %, SiO2 – 10 %; влажность – 7 %. 12 Содержание кислорода в дутье – 28 % объемн.

13 Коэффициент избытка дутья α = 1,15.

1 Далее при указании содержания компонентов имеются в виду % масс., если не указывается другое.

71

14 Учитывается, что вся сера газов окисляется до SO2.

15 Подсосы воздуха в печь составляют 400 % от объема дутья. 16 Влажность концентрата составляет 6 %, флюсов – 9 %.

Для того чтобы составить материальный баланс плавки, необходимо знать количество и составы получаемых продуктов, а также количество загружаемых и вводимых исходных материалов. На рисунке 2 изображена схема потоков материалов плавки в отражательной печи медного концентрата. Таким образом, основу для материального баланса будут составлять расчеты штейна, шлака и отходящих газов.

Штейн

Рисунок 2 – Схема потоков отражательной плавки

На плавку поступает конвертерный шлак, поэтому необходимо рассчитать его минералогический состав, концентрацию кислорода и прочих и определить его количество, поступающее со 100 кг сухого концентрата (так как расчет ведем на 100 кг концентрата по сухой массе). Предварительно необходимо определить содержание прочих в концентрате (по разности) за исключением количества СО2 в карбонатах кальция и магния (CaCO3, MgCO3).

Содержание прочих (с учетом СО2):

Cпрк−+тCO2 = 100 −

−(CCuк−т +CFeк−т +CZnк−т +CPbк−т +CSк−т +CSiOк−т2 +CAlк−2тO3 +CCaOк−т +CMgOк−т ),

где Cпр+COк−т 2 – содержание прочих в концентрате, %; CCuк−т – содержание меди в концентрате, %;

CFeк−т – содержание железа в концентрате, %;

72

CZnк−т – содержание цинка в концентрате, %;

CPbк−т – содержание свинца в концентрате, %;

CSк−т – содержание серы в концентрате, %;

CSiOк−т2 – содержание SiO2 в концентрате, %;

CAlк−2тO3 – содержаниеAl2O3 в концентрате, %;

CCaOк−т – содержание CaO в концентрате, %;

CMgOк−т – содержание MgO в концентрате, %,

после подстановки численных значений получаем

Cпрк−+тCO2 = 100 −(20+ 29+1,6+0,6+38+ 2+1,5+1,8+1)= 4,5 %.

Содержание СО2 в составе CaCO3:

CCOCaCO2 3 =CCaOк−т µµCO2 ,

CaO

где CCOCaCO2 3 – содержание CO2 в карбонате кальция, %; µCO2 – молярная масса CO2, кг/кмоль;

µCaO – молярная масса CaO, кг/кмоль,

CCOCaCO2 3 = 1,8 5644 =1,41 %.

Содержание СО2 в составе MgCO3:

CCOMgCO2 3 =CMgOк−т µµCO2 ,

MgO

где CCOMgCO2 3 – содержание CO2 в карбонате магния, %; µMgO – молярная масса MgO, кг/кмоль,

73

CCOMgCO2 3 = 1,0 40,344 = 1,09 %.

Всего углекислого газа:

CCOк−т2 = CCOCaCO2 3 +CCOMgCO2 3 ,

где CCOк−т2 – содержание СО2 в концентрате, %,

CCOк−т2 =1,41+1,09 = 2,5 %.

Тогда содержание прочих в концентрате:

C кпр−т =Cпрк−+тCO2 −CCOк−т2 ,

где Cпрк−т – содержание прочихв концентрате, %,

Cпрк−т = 4,5−2,5= 2,0%.

Расчет состава конвертерного шлака

По условиям расчета задана часовая производительность печи по концентрату с влажностью 6 % – 80 т/ч, и конвертерному шлаку –

50т/ч.

Находим массу концентрата с учетом влажности:

C квл−т = Cк−т / (1 – Wк−т / 100), где W – влажность; после подстановки численных значений получаем Cвлк−т = 100 / (1 – 6 / 100) = 106,383 кг.

Тогда масса конвертерного шлака (на 100 кг концентрата) будет составлять

Gк. шл = C квл−т · 50 / 80 = 106,383 · 50 / 80 = 66,49 кг.

Так как конвертерный шлак является одним из источников поступления кислорода на плавку, необходимо рассчитать его содержание в шлаке в составе следующих соединений: Cu2O, FeO, Fe3O4, ZnO и PbO. Для этого определяем минералогический состав шлака или содержание в шлаке этих компонентов.

Содержание Cu2O:

74

где CCuк. 2шлO – содержание оксида меди в конвертерном шлаке, %;

CCuк. шл – содержание меди в конвертерном шлаке, %; µCu2O – молярная масса оксида меди, кг/кмоль; µCu – молярная масса меди, кг/кмоль,

CCuк. 2шлO = 4,0 2143,0863,54 = 4,50 %.

Содержание железа в Fe3O4:

CFeFe3O4 =CFeк.3Oшл4 µ3 µFe ,

Fe3O4

гдеCFeFe3O4 – содержание железа в магнетите конвертерного шлака, %; CFeк.3Oшл4 – содержание магнетита в конвертерном шлаке, %;

µFe – молярная масса железа, кг/кмоль; µFe3O4 – молярная масса магнетита, кг/кмоль,

CFeFe3O4 = 25 3231,5255,84 =18,09 %.

Содержание FeO:

CFeOк. шл =(CFeк. шл −CFeFe3O4 ) µµFeO ,

Fe

где CFeOк. шл – содержание FeO в конвертерном шлаке, %; CFeк. шл – содержание железа в конвертерном шлаке, %; µFeO – молярная масса FeO, кг/кмоль,

CFeOк. шл =(52−18,09) 55,8471,84 = 43,63 %.

Содержание ZnO:

75

CZnOк. шл =CZnк. шл µµZnO ,

Zn

где CZnOк. шл – содержание оксида цинка в конвертерном шлаке, %; CZnк. шл – содержание цинка в конвертерном шлаке, %;

µZnO – молярная масса оксида цинка, кг/кмоль; µZn – молярная масса цинка, кг/кмоль,

ZnOк шл =1,5 65,3881,38 =1,87 %.

Содержание PbO:

CPbOк. шл =CPbк. шл µµPbO ,

Pb

где CPbOк. шл – содержание оксида свинца в конвертерном шлаке, %; CPbк. шл – содержание свинца в конвертерном шлаке, %;

µPbO – молярная масса оксида свинца, кг/кмоль; µPb – молярная масса свинца, кг/кмоль,

CPbOк. шл =0,5 207,2223,2 =0,54 %.

Содержание прочих находим по разности:

Cпрк. шл =100−(CCuк. шл2O +CFeк.3шлO4 +CFeOк. шл +CZnOк. шл +CPbOк. шл +CSiOк. шл2 +CCaOк. шл ),

где Cпрк. шл – содержание прочих в конвертерном шлаке, %;

CSiOк. шл2 – содержание SiO2 в конвертерном шлаке, %; CCaOк. шл – содержание CaO в конвертерном шлаке, %,

Cпрк. шл =100−(4,5+25+43,63+1,87+0,54+22+0,5)=1,97 %.

Результаты расчета представлены в таблице 16.

76

Таблица 16 – Минералогический состав конвертерного шлака

Определим общее содержание кислорода в конвертерном шлаке:

COк. шл =CCuк. 2шлO +CFeOк. шл +CFeк.3Oшл4 +CZnOк. шл +CPbOк. шл −

− (GCuк. шл +GFeк. шл +GZnк. шл +GPbк. шл ),

где COк. шл – содержание кислорода в конвертерном шлаке в составе оксидов, %,

COк. шл = 4,5+43,63+ 25+1,87+0,54−(4+52+1,5+0,5)=17,53%.

Находим массу кислорода:

GOк. шл =COк. шл G100к. шл ,

где GOк. шл – масса кислорода конвертерного шлака, кг,

GOк. шл =17,53 66,49100 =11,66кг.

В пересчете на 66,49 кг состав конвертерного шлака будет следующим (таблица 17).

Таблица 17 – Состав конвертерного шлака

Расчет состава штейна

Степень десульфуризации (DS) при отражательной плавке сырых медных концентратах равна 40…55 % (принимаем ее равной 45 %). Содержание серы по правилу Мостовича в штейне принимаем равным 25 %; содержание прочих – 1 %.

77

где Gшт – масса штейна, кг;

CSшт – содержание серы в штейне, %,

Gшт = 20,90 100 =83,60кг. 25

Содержание меди в штейне:

CCuшт = GСuшт 100,

Gшт

где CCuшт – содержание меди в штейне, %,

Cшт = 22,12 100 = 26,46%. Cu 83,60

Кислород присутствует в штейне в виде растворенных оксидов железа (в форме магнетита и вюстита). Содержание кислорода рассчитываем следующим образом:

COшт = 6,4 – 0,08·CCuшт ,

где COшт – содержание кислорода в штейне, %,

COшт = 6,4 – 0,08 · 26,46 = 4,28 %.

78

извлечение цинка в штейн, %. После подстановки численных значений получаем GZnшт = (1,6 + 1,0) · 40 / 100 = 1,04 кг.

Содержание цинка в штейне:

CZnшт = GZnшт 100,

Gшт

где CZnшт – содержание цинка в штейне, %,

CZnшт =1,0483,60100 =1,24%.

Масса свинца в штейне GPbшт = (GPbк−т + GPbк. ш ) · εPbшт / 100, где εPbшт – извлечение свинца в штейн, %. После подстановки численных

значений получаем GPbшт = (0,6 + 0,33) · 45 / 100 = 0,42 кг.

Содержание свинца в штейне:

CPbшт = GPbшт 100,

Gшт

где CPbшт – содержание цинка в штейне, %.

где Gпршт – масса прочих в штейне, кг; Cпршт – содержание прочих в штейне, %,

79

Gпршт = 83,601001,0 =0,84 кг.

Содержание железа в штейне рассчитываем по разности между общим количеством штейна (в %) и суммой всех остальных компонентов:

CFeшт =100 – (CCuшт + CSшт + CZnшт + CPbшт + C Oшт + Cпршт ),

где CFeшт – содержание железа в штейне, %,

CFeшт = 100 – (26,46 + 25,0 + 1,24 + 0,5 + 4,28 + 1,0) = 41,51 %.

Масса железа, кг,

Расчет состава шлака

На первом этапе определим предварительный состав шлака без добавки флюсов. В шлак перейдут из концентрата и конвертерного шлака следующие компоненты: SiO2, CaO,Al2O3, MgO, железо в виде FeO и Fe3O4, медь в виде Cu2O и Cu2S, цинк в виде ZnO, свинец в виде PbO и прочие.

Вшлак перейдет железо массой

GFeшл = GFeк−т + GFeк. шл – GFeшт = 29,0 + 34,57 – 34,70 = 28,87 кг.

80