Технологические расчеты в металлургии меди
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Авторы:
Быстров Сергей Валентинович, Криволапова Ольга Николаевна, Федоров Александр Николаевич, Тарасов Вадим Петрович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 122
Дополнительно
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
В пособии представлены технологические расчеты процесса плавки сульфидных медных концентратов на штейн, включающие расчеты рационального состава исходного сырья, состава и количества основных продуктов плавки, составление материального баланса. Пособие предназначено для обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия», самостоятельной работы при выполнении домашних заданий, подготовки к практическим занятиям, а также выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва 2022 Минис терс тво науки и высш его о б ра з о ва н и я рФ ФеДераЛЬное госуДарственное автоноМное образоватеЛЬное уЧреЖДение высшего образования «наЦионаЛЬныЙ иссЛеДоватеЛЬскиЙ теХноЛогиЧескиЙ университет «Мисис» институт ЭкотеХноЛогиЙ и инЖиниринга Кафедра цветных металлов и золота Технологические расчеТы в меТаллургии меди учебное пособие Допущено Федеральным учебно-методическим объединением по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 «технологии материалов» в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров, обучающихся по направлению 22.03.02 «Металлургия» № 4581
УДК 669.3 Т38 Р е ц е н з е н т д-р техн. наук, проф. А.Н. Дьяченко (РТУ МИРЭА) А в т о р ы: С.В. Быстров, О.Н. Криволапова, В.П. Тарасов, А.Н. Федоров Т38 Технологические расчеты в металлургии меди : учеб. пособие / С.В. Быстров [и др.]. – Москва : Издательский Дом НИТУ «МИСиС», 2022. – 122 с. ISBN 978-5-907560-03-1 В пособии представлены технологические расчеты процесса плавки сульфидных медных концентратов на штейн, включающие расчеты рационального состава исходного сырья, состава и количества основных продуктов плавки, составление материального баланса. Пособие предназначено для обучающихся в бакалавриате по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия», самостоятельной работы при выполнении домашних заданий, подготовки к практическим занятиям, а также выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ. УДК 669.3 Коллектив авторов, 2022 ISBN 978-5-907560-03-1 НИТУ «МИСиС», 2022
Оглавление Предисловие 4 Общие методические указания 5 1 Расчет рационального состава руд и концентратов 6 2 Расчет количества и состава штейна и шлака 19 3 Расчет дутья и технологических газов 46 4 Расчет горения топлива в металлургическом процессе 57 5 Материальный баланс металлургического процесса 65 6 Расчет материального баланса отражательной плавки 71 7 Тесты по основным технологическим процессам медного производства 99 Библиографический список 121
введение Овладение базовыми принципами металлургических расчетов является одной из основных задач при подготовке студентов металлургических специальностей. Качественное выполнение расчетов металлургических процессов является важной стороной деятельности квалифицированного специалиста в различных сферах металлургии. На результатах таких расчетов базируется выбор оптимальных технологических режимов работы агрегатов, проектирование металлургических предприятий, проведение научных исследований. Для цветной металлургии характерно большое разнообразие сложных процессов и агрегатов, применяющихся при производстве различных металлов. Получение любого металла возможно только в результате осуществления нескольких последовательных операций. Поэтому в системе подготовки специалиста в области металлургии значительное место должно занимать обучение его приемам и методам расчетов процессов на конкретных примерах из производственной практики. Правильно выполненный расчет имеет решающее значение для успешного проведения металлургических процессов и операций. В металлургии наиболее распространены технологические расчеты, позволяющие установить влияние состава исходного сырья на выход и состав конечных продуктов, расход флюсов, состав и количество газов и т.д. В настоящем учебном пособии основное внимание уделено расчетам по процессу плавки на штейн, который является главным звеном в пирометаллургической технологии получения меди, во многом определяющим показатели всего производства в целом. Для решения типовых металлургических задач необходимо использовать стандартные методики расчетов, знать справочные и практические данные и коэффициенты, которые могут потребоваться для проведения расчетов. В пособии приведены базовые методики для расчета основных продуктов плавильного передела медного сульфидного сырья и составления в конечном счете материального баланса.
Общие методические указания Перед выполнением металлургических расчетов нужно прежде всего четко уяснить, какое сырье или материалы подлежат металлургической переработке, знать их химический состав (часто и минералогический), ясно представлять наиболее рациональную технологию их переработки, химизм процессов и какие продукты и полупродукты будут при этом получаться. Также следует обратить внимание на оборотные полупродукты и их наиболее рациональную дальнейшую переработку. Предполагаемую технологию лучше всего изобразить в виде технологической схемы. Обязательным является также предварительный выбор ряда практических коэффициентов и технологических параметров, которые должны приниматься с учетом передового опыта работы предприятий и результатов научных исследований. Как правило, металлургическая задача не может быть решена без расчета полного материального и теплового баланса, рассматриваемого процесса или технологии. В большинстве случаев составление таких балансов является конечной целью проводимых расчетов. Полный материальный баланс представляет собой сводку (обычно в виде таблицы), характеризующую качественные и количественные соотношения между всеми поступившими в переработку материалами (приход) и всеми полученными при этом продуктами (расход). Табличные формы представления рассчитанного материального баланса приводятся ниже после рассмотрения методик расчетов. Обычно металлургические расчеты ведут на 100 кг (100 т) исходного металлсодержащего сырья (руды, концентрата, штейна и т.д.). Для лабораторных целей расчет удобнее вести на 100 г.
1 Расчет рационального состава руд и концентратов Руды и концентраты цветных металлов и применяемые при их переработке флюсы состоят из минералов – природных, химических соединений. Продукты и полупродукты металлургического производства – огарки, штейны и файнштейны, шлаки и др. – также состоят из различных химических соединений. Знание рационального состава исходных материалов позволяет предсказать поведение компонентов при последующей металлургической переработке, определить пути и способы более рациональной технологии и потребности в основных материалах. Так, без знания рационального состава шихты невозможно рассчитать степень десульфуризации при электроплавке, а следовательно, выходы и составы продуктов плавки – штейна и шлака. Это связано с технологическими особенностями руднотермической плавки. Использование углеродсодержащих электродов создает в печи слабовосстановительную атмосферу. Отсутствие свободного кислорода в газовом пространстве печи приводит к тому, что десульфуризация при электроплавке определяется составом шихты, т.е. составом и количеством присутствующих в ней минералов. Десульфуризация в процессе электроплавки (без возврата в процесс конвертерных шлаков) будет складываться из десульфуризации от диссоциации высших сульфидов (медь и никельсодержащих минералов) и десульфуризации за счет взаимодействия высших оксидов железа (Fе2O3 и Fе3O4) с сульфидом железа. Такую десульфуризацию принято называть собственной. Рассчитать ее можно только зная рациональный состав сырья. В значительной степени сказанное справедливо и для расчета степени десульфуризации и при отражательной плавке, так как химизмы плавления в этих двух процессах близки. Однако степень десульфуризации при отражательной плавке одного и того же сырья несколько выше, чем при электроплавке, так как в отражательной печи атмосфера слабо окислительная и часть сульфидов окисляется за счет свободного кислорода газовой фазы. В качестве второго примера необходимости знания рационального состава сырья можно привести следующий. Как известно, присутствие в шлаках магнетита отрицательно влияет на показатели плавки, т.е. на разделение шлака и штейна
и потери металлов со шлаками. В процессе плавки стремятся к предотвращению образования магнетита путем его восстановления. Это связано с организацией самой технологии плавки (ведение процесса при максимально высоких температурах, перемешивание расплава, равномерная подача измельченного кварцевого флюса и т.д.). Но не во всех процессах эта задача решается успешно (например, отражательная плавка, процессы, осуществляемые во взвешенном состоянии). Однако эта органическая особенность самой технологии, способа плавки, связанная с механизмом плавления. В этих условиях весьма важным является учет приходящего с шихтой трехвалентного железа (иногда в достаточно больших количествах), которое усугубляет и без того значительную степень окисленности шлака. Таким образом, помимо генерируемого в процессе плавки магнетита необходимо восстанавливать и природный, приходящий с шихтой. Из этих двух примеров, иллюстрирующих необходимость расчета рационального состава сырья, можно сделать еще один немаловажный вывод. Знание рационального состава исходного сырья позволяет выбрать наиболее рациональный способ его переработки, обеспечивающий высокие показатели процесса плавки. Рассчитанный рациональный состав исходного материала является основой для расчета теплового баланса. Посредством его осуществляется связь химизма технологического процесса с тепловой работой плавильного агрегата, т.е. с температурным ходом процесса. Исходя из рационального состава исходного материала рассчитывается тепло экзотермических и эндотермических реакций. Достаточно точный расчет теплового баланса невозможен без расчета рационального состава сырья. Эндотермические реакции диссоциации высших сульфидов (в зависимости от типа минерала) идут с различным тепловым эффектом, т.е. от соотношения минералов будет зависеть и количество потребляемого тепла, а следовательно, и точность расчета результирующего теплового эффекта и его зависимость от окисления серы и железа исходных материалов. Из данных рационального состава рассчитываются тепловые эффекты реакций диссоциаций карбонатов нерудных составляющих шихты, сульфатов, а также тепло на испарение влаги исходных материалов. Аналогично рассматриваемым примерам выполняются расчеты рационального состава продуктов металлургического производства (огарков, штейнов, шлаков, пылей, кеков и т.п.).
Расчет рационального состава заключается в определении количества всех присутствующих минералов и распределении между ними отдельных элементов или соединений. Для выполнения расчета рационального (или фазового) состава материала необходимо знать: - химический состав перерабатываемого материала; - вид присутствующих минералов (химических соединений); - примерное распределение между ними элементов, входящих в состав нескольких минералов (химических соединений). Кроме того, расчет рационального состава перерабатываемого сырья необходим для проверки точности его химического состава. Пример 1. Расчет рационального состава медной руды. Условия для расчета: 1. Химический состав руды, %: Cu – 4,0; Fe – 36,0; Zn – 5,0; S – 43,7; SiO2– 7,0; CaO – 2,0; прочие – 2,3 (в том числе CO2). 2. В руде присутствуют халькопирит CuFeS2, пирит FeS2, сфалерит ZnS, кварц SiO2и известняк CaCO3, т.е. три сульфидных и два окисленных (пустая порода) минерала. Рассматриваемый пример, простейший, так как два металла (Cu и Zn) присутствуют в самостоятельных сульфидных минералах. Расчет можно начинать с любого минерала кроме пирита, так как железо входит в состав двух минералов, а распределение железа между ними неизвестно. Обычно расчет начинают с того минерала, в котором определенно известно количество присутствующего металла, в частности, с халькопирита. Расчет проведем на 100 кг руды (сухого вещества) в строгом соответствии со стехиометрией элементов в минералах. Расчет Количество меди в руде, соответственно и в халькопирите, рассчитывается по формуле руд руд Cu руд Cu C = 100 G G ⋅ , (1) где руд Cu G – количество меди в руде, кг; руд G – количество руды, кг; руд Cu C – содержание меди в руде, %
Отсюда руд Cu 100 4,0 = 100 G ⋅ = 4,0 кг. Аналогично, определяются массовые количества других компонентов руды, используемые в расчете. Количество халькопирита в руде рассчитывается по формуле , 2 2 руд Cu CuFeS руд CuFeS Cu =G G ⋅µ µ (2) где 2 руд CuFeS G – количество халькопирита в руде, кг; 2 CuFeS µ – молярная масса халькопирита, кг/кмоль; Cu µ – атомная масса меди, кг/кмоль. Отсюда 11,55 63,5 2 руд CuFeS 4 183,35 =G ⋅ = кг. Количество железа в халькопирите рассчитывается по формуле 2 2 2 руд CuFeS Fe CuFeS Fe CuFeS = G G ⋅µ µ , (3) где 2 CuFeS Fe G – количество железа в халькопирите, кг; Fe µ – атомная масса железа, кг/кмоль. Отсюда 3,52 183,35 2 CuFeS Fe 11,55 55,85 = G ⋅ = кг. Количество серы в халькопирите рассчитывается по формуле 2 2 2 CuFeS CuFeS руд руд S CuFeS Cu Fe G G G G = − − , (4) где 2 CuFes S G – количество серы в халькопирите, кг. Отсюда 4,0 3,52 4,03 2 CuFeS S =11,55 G − − = кг.
Так как железо в руде распределено только между халькопиритом и пиритом, количество железа в пирите рассчитывается по разности: 2 2 FeS CuFeS руд Fe Fe Fe G G G = − (5) где 2 FeS Fe G – количество железа в пирите, кг; руд Fe G – количество железа в руде, кг. Отсюда 3,52 32,48 2 FeS Fe =36,0 G − = кг. Количество серы в пирите рассчитывается по формуле , 2 2 FeS FeS Fe S S Fe 2 G G ⋅ µ = µ (6) где 2 FeS S G – количество серы в пирите, кг; S µ – атомная масса серы, кг/кмоль. Отсюда 37,22 55,85 G ⋅ ⋅ = = 2 FeS S 32,48 2 32 кг. Количество пирита рассчитывается по формуле 2 2 2 FeS FeS руд FeS Fe S G G G = + (7) где 2 руд FeS G – количество пирита в руде, кг. Отсюда 2 37,22 69,70 руд FeS =32,48 G + = кг. Количество сульфида цинка определяется по формуле руд руд Zn ZnS ZnS Zn =G G ⋅µ µ , (8)
где руд ZnS G – количество сульфида цинка в руде, кг; руд Zn G – количество цинка в руде, кг; ZnS µ – молярная масса сульфида цинка, кг/кмоль; Zn µ – атомная масса цинка, кг/кмоль. Отсюда 7,45 65,4 руд ZnS 5,0 97,4 = G ⋅ = кг. Количество серы в сульфидe цинка рассчитывается по формуле: G G G = − р ZnS S ZnS Z уд n руд , (9) где ZnS S G – количество серы в сульфиде цинка, кг. Отсюда 5,0 2,45 G = − = ZnS S 7,45 кг. Шлакообразующие оксиды (SiO2, CaO, Al2O3) при расчете фазового состава обычно на элементы не пересчитывают, поскольку они представляют собой химически устойчивые соединения. Тогда количество кремнезема в 100 кг руды будет численно равно его процентному содержанию по химическому составу, т.е. составит 7,0 кг. В заключение расчета нужно определить количество известняка и СО2 в нем. CaO в руде находится в составе CaCO3. Количество CaCO3 в руде рассчитывается по формуле , 3 3 руд CaO CaCO руд CaCO CaO = G G ⋅µ µ (10) где 3 руд CaCO G – количество карбоната кальция в руде, кг; руд CaO G – количество оксида кальция в руде, кг; 3 CaCO µ – молярная масса карбоната кальция, кг/кмоль; CaO µ – молярная масса оксида кальция, кг/кмоль.
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину