экстракция

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования.

Сибирский государственный индустриальный университет

Институт металлургии и материаловедения

Кафедра металлургии чёрных металлов

Экстракция чёрных металлов из природного и техногенного сырья.

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине

“Экстракция чёрных металлов из природного и техногенного сырья”

Специальность 150100 “Металлургия чёрных металлов”

Новокузнецк 2012

Введение.

Современные условия успешного ведения хозяйственной деятельности предъявляют высокие требования к качеству выпускаемой продукции. Обеспечить же высокое или хотя бы приемлемой качество продукции возможно только при использовании предварительно подготовленного сырья. Особенностью металлургического способа получения металлов и сплавов является использования высоких температур, при которых сырые материалы испытывают самые различные превращения: плавление, испарение, термическую диссоциацию, окислительно-восстановительные процессы, образование сложных соединений и др. При этом существенно меняется фазовый и химический состав систем, значит изменяются качественные показатели этих систем.

На практике процессы извлечения и подготовки природного сырья для получения готового продукта многостадийны и на каждом этапе подготовки необходимо следить за составом материалов, то есть выполнять расчёты шихты, учитывая все изменения, происходящие в процессе её подготовки к количественном и качественном отношении.

Задачи и примеры, рассматриваемые в приведённых методических указаниях, сопровождаются краткими пояснениями, необходимыми для понимания сути решаемых задач.

Влажность природного сырья.

Одним из металлургических свойств сырья является влажность. Значение влажности неоднозначно. С одной стороны, выделяют понятие “естественная влажность”, обусловленную влажностью окружающей среды (воздуха), и естественными атмосферными осадками при транспортировке руды на большие расстояния (дождь, снег). Наличие избыточной влаги чаще всего приводит к негативным последствиям. Например, в зимний период влажная руда смерзается. Смерзание может серьёзно осложнить погрузочные и разгрузочные работы из вагонов, штабелей, что может привести к нарушению ритмичности работы цехов, а значит к уменьшению эффективности производства. Повышенная влажность может вызвать разрушение кусков руды при их сушке и нагревании, что приводит к увеличению содержания мелочи, а значит к ухудшению качества руды.

Наличие влаги снижает содержание извлекаемого компонента, уменьшается и стоимость руды. Если содержание влаги отличается от установленных норм, то производят переоценку поставок за каждый лишний процент влаги, или “потерянный” процент извлекаемого компонента.

В связи с этим устанавливаются предельные значения влажности для разных руд. Например, влажность магнетитов допускается до 4%, гематитов и мартитов до 5%, бурых железняков – 6%.

С другой стороны, в состав шихтовых материалов специально добавляют воду в качестве связующего вещества. При различных способах обогащения для более полного извлечения полезного компонента рудный материал предварительно дробят и измельчают. После обогащения получают концентрат с большим содержанием извлекаемого компонента и хвосты, которые не используются. Полученный концентрат в виде мелкого порошка использовать непосредственно в металлургических агрегатах невозможно, так как из-за наличия мелких фракций резко ухудшается газопроницаемость слоя шихты, возрастает улёт мелких фракций восходящим потоком печных газов, увеличивается запыленность окружающей среды. Необходимо увеличивать размер фракций, для чего выполняют процессы укрупнения концентрата - окускование. Окускование осуществляется путём брикетирования, окомкования и агломерации. Во всех этих случаях в концентрат добавляют специальные необходимые вещества, в том числе и воду, как достаточно хорошее связующее вещество. Свежеприготовленные брикеты или окатыши обладают малой прочностью, легко разрушаются, поэтому подвергаются сушке и обжигу. При этом происходит удаление влаги, другие процессы, в результате которых состав шихты изменяется.

Пример 1. При транспортировании руды, состав которой указан в таблице 1, в открытых вагонах по акту приёмки влажность её составляет 5%. Каков химический состав партии руды по прибытии на конечный пункт назначения?

Таблица 1. Химический состав железной руды.

Компонент	Fe2О3	Р2О5	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	S	∑ 100
Содержание, % месс	83,0	0,16	9,60	1,30	5,05	0,85	0,04

Решение. При решении задач, связанных с расчетами химического состава сначала проверяют условие, что бы сумма содержаний всех заданных компонентов была равна 100%. В противном случае производят корректировку заданного состава руды. В данном случае эта сумма составляет 100%.

Сведений о первоначальной влажности нет руда-сухая. После транспортировки влажность стала 5%.

Расчеты удобно вести исходя из общей массы руды 100г. Тогда 1% будет соответствовать 1г. В данном примере общая масса руды состоит 100г-сухой и 105г влажной, т.е. 105% от первоначальной.

Значит, содержание Fe₂O₃ станет , т.е. уменьшится

Аналогично, содержание P₂O₅ составит , и т.д.

Вновь рассчитанное содержание компонентов во влажной руде приведено в таблице 2.

Таблица 2-состав железной руды при влажности 5%

Компонент	Fe2О3	Р2О5	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	S	∑
Содержание, % месс	79,04	0,15	9,11	1,22	4,76	0,81	0,038

Пример 2. При приготовлении окатышей шихтовая смесь была составлена из следующих материалов:

-рудный концентрат-80г.

-тонкоизмельченная руда-15г.

-известняк-10г.

-вода-8г.

-связующее вещество (жидкое стекло)-1,5г.

Полученные окатыши предварительно сушили, а затем прокаливали при т-ре 160^о С. Как измениться содержание железа, если рудный концентрат представлен магнетиком Fe₂O₃, а руда - гематитом Fe₂O₃?

Решение. Определяем общую массу компонентов шихты

m=80+15+10+8+1,5=114,5г.

Определяем процентное отношение каждого компонента

до прокаливания: и процентов соответственно.

Проверим правильность вычислений.

∑%m_масс=69,87+13,10+8,73+6,99+1,31=100%

При нагревании и выдержки при 160^оС происходит удаление гигроскопической влаги (физической). Общая масса шихтовых материалов уменьшится за счет потери влаги, до 114,5-8=106,5г.

Рассмотрим содержание железа до и после сушки. Массу железа в гематите определим из пропорции

1моль Fe₂O₃ содержит 2г атома Fe, т.е.

2×56+3×16=160г 2×56=112г

Рассчитаем процентный состав шихтовой смеси после сушки:

Концентрат m_k,%=

Руда m_р,%=

Известняк m_и,%=

Связующее m_св,%= ; ∑100%

Рассчитаем содержание железа в шихте до и после прокаливания. Массу железа в концентрате (Fe₃O₄) определим из пропорции

1г-моль Fe₃O₄ содержит 3г-атома Fe,

т.е.3×56+4×16=232г Fe₃O₄ содержит 3×56=168гFe,

Тогда 69,87г содержит Хг Fe

Из пропорции Хг Fe==50,6г

Так же рассчитаем содержание железа в соединении Fe₂O₃:

1г-моль Fe₂O₃ содержит 2г-моль Fe

2×56+3×16=160г – 112г Fe

13,10 - Х¹г Fe=

Всего железа в 114,5г смеси до прокаливания составляет:

Хг+Х¹г=50,6+9,13=59,73г Fe или

Аналогично рассчитываем содержание железа после сушки и прокаливания-магнетита

-количество железа после прокаливания: магнетита

1г-моль Fe₃O₄- 3г-атома Fe

232г-168г х’=

75,11-х

-количество железа после прокаливания гематита

1г-моль Fe₂O₃ – 2г-атома Fe

160 - 112 x==9,86г Fe

14,08 – x

Всего железа после прокаливания

Х’г+х=54,39+9,86=64,25г Fe или

Таким образом, относительное содержание железа в шихтовой смеси для получения окатышей увеличилось на

60,32-52,20=8,12%

Расчеты состава шихтовых смесей при нагревании до высоких температур.

При нагревании для обжига и агломерации предварительно окомкованных шихтовых материалов в них происходят различные физико-химические превращения.

При температуре 120-160^о С испаряется физическая влага шихты. При более высоких температурах начинаются процессы дегидратации гидроксидов железа, при которой происходит удаление кристаллизационной влаги(Fe₂O₃×nH₂O), более сильно связанной с оксидом железа, чем влага гигроскопическая. Это наблюдается при температурах 700-800^о С и даже 900^о С. В области таких же температур начинают диссоциировать карбонаты FeCO₃, MnCO₃, CaCO₃ и др. (около 1000^о С). При 1200-1400^о С разлагаются гипс (CaSO₄) и барий (BaSO₄).

Кроме реакций разложения происходят и процессы образования сложных соединений, играющих важную роль при формировании структуры обожженного материала. При температурах около 1000^о С в шихтовой смеси образуется соединение 2FeO×SiO₂, которое называют файялит. Особенностью его является низкая температура плавления -1205^о С. Если в шихте присутствует CaO, то возможно образование ферритов кальция и других легкоплавких соединений. Например, CaO×2Fe₂O₃ плавится при температуре 1230^о С, Ca-оливин (железокальциевый оливин (CaO)_х×(FeO)_2х×SiO₂ имеет температуру плавления 1130^о С).

Топливом во всех этих процессах является углерод в виде кокса, добавляемого в шихту. При его горении развиваются высоки (до 1500^о С) температуры.

C+₂=CO; C+O₂=CO₂; CO₂+C=2CO.

В то же время, углерод и его производное (CO) является восстановителем для многих оксидов

Hапример, оксиды железа восстанавливаются по реакциям

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂,

Fe₃O₄+CO₂=3FeO+CO₂,

Fe₃O₄+C=3FeO+CO.

Кроме этого происходит частичное удаление разных вредных примесей серы, цинка, мышьяка и др.

В результате всех этих процессов состав шихтовых смесей значительно изменяется.

Необходимость обогащения больших количеств руд, обладающих слабыми магнитными свойствами, таких как гематит-мартитовых, бурых железняков, сидеритов заставила искать пути обогащения их наиболее производительным и эффективным магнитным способом. Появился процесс, имеющий целью перевод слабомагнитных руд в магнитные, т.е. восстановление оксида железа Fe₂O₃ в магнитный оксид Fe₃O₄-магнетит. Этот, так называющий магнетизирующий обжиг, осуществляется в восстановительной среде.

Пример. Рассмотрим, как измениться состав руды, приведенный в таблице при её магнетизирующем обжиге. Будем считать, что вся руда Fe₂O₃ перейдет в магнетит Fe₃O₄. Остальные компоненты останутся без изменения.

Таблица 3. Состав исходной руды:

Компонент	Fe2О3	CaO	SiO2	Al2O3	P2O3	MgO	S	∑ 100
Содержание, % месс	81,0	5,55	10,10	1,80	0,16	1,35	0,04

Решение. Реакцию восстановления Fe₂O₃ в Fe₃O₄ можно записать:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂↑.

Образующийся при восстановлении диоксид CO₂ уйдет из реакционной зоны в газовую фазу, а общая масса уменьшиться на массу ушедшего CO₂. Учтем, что каждые три моля Fe₂O₃ дадут 2 моля Fe₃O₄, т.е. можно составить пропорцию

3(2×56+3×16) – 2(3×56+4×16)

3×160г - 2×232г

\

Примем массу руды 100г., тогда содержание Fe₂O₃ в этих 100г. Будет ровно 81г и пропорция будет следующей 480г Fe₂O₃ – 464г Fe₃O₄

81г – Хг

Отсюда Х==78,3г

Количество образовавшийся Fe₃O₄ составило 78,3г, масса руды уменьшилась на 81-78,3=2,7г, т.е. стала равной 100г-2,7г=97,3г

Массы остальных компонентов не изменились, но относительное (процентное) содержание их увеличилось и составило,

например, %Fe₃O₄=;

%CaO= и т.д.

Новый состав после магнетизирующего обжига приведен в таблице.

Таблица 4. Состав руды после обжига:

Компонент	Fe2О3	CaO	SiO2	Al2O3	P2O3	MgO	S	∑ 100%
Содержание, % месс	78,30	5,70	10,38	1,85	0,164	1,39	0,041

Оценим, как изменилось содержание железа до и после обжига.

3г-моля Fe₂O₃ содержит 3×112г=336г Fe

2г-моля Fe₃O₄ содержит 2×168=336г Fe

Содержание железа не изменилось, но за счет более полного извлечения железа в концентрат получим более обогащенный материал после обжига.

Содержание железа не изменилось, но изменился состав соединения, в котором оно находится. Гематит Fe₂O₃ не обладает магнитными свойствами, а магнетит магнитен и его можно отмагнитить от общей массы смеси и получить более богатый железом концентрат.

Примерю В качестве железосодержащих материалов в шихтовую смесь для получения окатышей взяты концентрат 50% и железная руда 30%. Составы их приведены в таблице 5.

Таблица 5. Состав железосодержащих материалов

Компонент	Fe	Fe3O4	CaO	MgO	SiO2	FeO	Al2O3	S	P
Магнитный концентрат	65,5		0,10	0,40	7,30	24,13	0,20	0,07	0,01
Магнитная руда	47,0		6,40	3,00	14,90		4,30	2,07	0,10

Кроме того, в шихту добавили 10% известняка (CaCO₃)-10%, для увеличения пластичности - жидкого стекла 1,5%. Влажность шихтовой смеси по данным химического анализа составила 8,5%.

Определить состав сырой шихтовой смеси, а также состав смеси после её обжига.

Решение. Сначала рассчитаем состав исходной сырой шихтовой смеси. Расчет ведем на 100г общей массы.

50% концентрата (50г) внесут:

Железа 65,5г×0,5=32,75г

Оксид кальция 0,10×0,5=0,05

И магния 0,40×0,5=0,20г и т.д.

30% железной руды внесут:

Железа 47г×0,3=14,10г

Оксид кальция 6,40×0,3=19,20г

Кремнезема 14,90×0,3=4,47г и т.д.

При расчетах шихты следует учитывать следующую особенность. Химическим анализом в лабораториях содержание оксидов железа обычно не определяют, а указывают общее содержание железа, либо общее содержание железа и содержание одного из оксидов, например Fe (или Fe₃O₄, или Fe₂O₃). Фактически в концентратах и в рудах железа находится в виде оксидов, поэтому при расчетах шихтовых смесей данные химического анализа (общее содержание железа) нужно пересчитывать на содержание оксидов железа.

В данном примере содержание железа вносимого концентратом составляет 32,75г. Часть этого железа находится в виде оксида FeO. Определим сколько железа связано с кислородом в виде FeO. Для этого составим пропорцию:

1г-моль FeO содержит 1г-моль Fe, т.е.

72г FeO содержит 56г Fe

24,13×0,5 содержит Хг Fe

Х= Fe

Будем считать, что остальное железо будет находиться в виде магнетита Fe₃O₄. Составляем аналогичную пропорцию и определяем содержание магнетита в 50г концентрата:

1г-моль Fe₃O₄ содержит 3г-моль Fe, т.е.

232г Fe₃O₄ содержит 168г Fe

Х содержит 65,5×0,5-8,38=24,37г Fe

Отсюда Х= Fe₃O₄