Технологические расчеты по пирометаллургии меди

Министерство науки и высшего образования 
Российской Федерации

Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

О. Б. Колмачихина
С. Э. Полыгалов

Технологические расчеТы 
по пиромеТаллургии 
меди

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся
по направлению подготовки
22.03.02 — Металлургия

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2021

УДК 669.331(075.8)
ББК 34.33я73
          К60

Рецензенты:
гендиректор Кыштымского медеэлектролитного завода А. В. Кудрявцев;
каф. хим. технологии Урал. гос. лесотехн. ун-та (протокол № 4 от 
17.11.2020 г.) (завкаф. д-р техн. наук, проф. Ю. Л. Юрьев)

Научный редактор — д-р техн. наук С. В. Мамяченков

 
Колмачихина, О. Б.
К60     Технологические расчеты по пирометаллургии меди : учебно-методическое пособие / О. Б. Колмачихина, С. Э. Полыгалов ; М-во науки 
и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 
197, [1] с., [10] л. отд. ил.

ISBN 978-5-7996-3273-1

В пособии изложены основы теории получения меди из сульфидного сырья; 
приведены методики технологических расчетов шихты, материальных и тепловых 
балансов плавки на штейн, конвертирования медных штейнов и огневого рафинирования черновой меди.
Пособие предназначено для студентов старших курсов бакалавриата, обучающихся по специальности «Металлургия», для выполнения курсовых и выпускных квалификационных работ.

Табл. 135. Рис. 11.
УДК 669.331(075.8)
ББК 34.33я73

ISBN 978-5-7996-3273-1 
© Уральский федеральный

 
     университет, 2021

Введение

М

едеплавильные предприятия в настоящее время сталкиваются с тем, что сырье, поступающее в переработку, становится все беднее, увеличивается содержание вредных компонентов, возрастает доля вовлеченного в переработку техногенного 
сырья. В то же время проходит реконструкция предприятий, и традиционные процессы получения медных штейнов — шахтную и отражательную плавку — заменяют современными автогенными процессами.
Накопленный многолетний опыт ведения пиритной шахтной плавки, отражательной плавки сырой и обожженной шихты, электроплавки остается достоянием истории. Инженеру-металлургу необходимо 
уметь рассчитывать основные операции технологического процесса 
в условиях меняющегося состава сырья, выбирать оптимальные режимы ведения процесса, прогнозировать состав получаемых продуктов. 
Несмотря на изменение условий, основные принципы и закономерности металлургических расчетов остаются неизменными и базируются 
на огромном практическом опыте работы медеплавильных предприятий. Основам расчетов шихты, материального и теплового балансов 
плавки, конвертирования и огневого рафинирования медного сырья 
посвящено данное пособие.

1. расчет шихты

1.1. порядок расчета

В 

качестве исходного сырья для плавки на штейн используется большое количество материалов, имеющих различный состав: медные концентраты разных обогатительных фабрик; 
медный концентрат, полученный при переработке медеплавильных 
и конвертерных шлаков; оборотные пыли; клинкер; лом и отходы; 
руды; флюсы и т. д. Все эти материалы образуют шихту.
Материалы в печь грузят в определенных соотношениях согласно 
предварительному технологическому расчету. Шихтовый замес рассчитывается в 2 этапа:
1-й этап — шихта без флюсов. На данном этапе рассчитывают составы медьсодержащих материалов и общий состав шихты без добавления флюсов. Такой расчет позволяет определить количество 
шлакообразующих минералов и соединений, которые присутствуют 
в медьсодержащем сырье;
2-й этап — после предварительных расчетов штейна, пыли и первичного шлака, рассчитывают то количество флюсов, которое необходимо добавить в исходную шихту для получения шлака заданного 
состава, и получают окончательный состав шихты с флюсами.

1.2. расчет состава шихты без флюсов

Расчет шихты проводим на 100 кг сухой массы. Для расчета необходимы данные по химическому, фазовому и минералогическому составам отдельных компонентов шихты.

1.2. Расчет состава шихты без флюсов

Химический состав компонентов шихты приведен в табл. 1.1. Данные фазового и минералогического состава приводятся по ходу ведения расчета.

Таблица 1.1
Химический состав материалов

Компонент 
шихты

Содержание, %

Cu
Zn
Pb
Fe
S
SiO2 Al2O3 CaO MgO Пр. ВСЕГО

Концентрат 
медный
19,0
1,5
0,5
30,2 38,0
1,0
1,0
1,0
–
7,8
100,0

Концентрат золотосодержащий
4,0
0,2
0,5
25,0 20,0 34,0
1,0
1,0
–
14,3 100,0

Пыль циклонов
15,0 28,0
5,0
15
5.3
9,0
2,0
2,0
–
18,7
100,0

Концентрат 
шлаковый
23,0
2,0
0,5
38,0 18,2
8,1
1,0
1,8
0,5
6,9
100,0

В соответствии с технологическими параметрами, результатами научно-исследовательских работ, практической работой предприятий доля указанных компонентов в составе шихты приведена  
в табл. 1.2.

Таблица 1.2
Доля компонентов в шихте

Вид материала
Компонент шихты
Доля в шихте, %

Первичное сульфидное сырье
Концентрат медный
40,00

Первичное сырье
Концентрат золотосодержащий
25,00

Оборотный материал
Пыль циклонов
10,00

Техногенное сырье
Концентрат шлаковый
25,00

ИТОГО
100,00

Для выполнения расчетов необходимы атомные массы элементов 
и соединений. Массы элементов находим по таблице химических элементов Д. И. Менделеева, массы соединений рассчитываем по массе 
отдельных составляющих (табл. 1.3).

1. Расчет шихты

Таблица 1.3
Массы химических элементов и их соединений

Элемент
М, г/моль
Соединение
М, г/моль
Соединение
М, г/моль
Cu
63,5
CuFeS2
183,3
FeS
87,8
S
32,1
CuS
95,5
ZnO
81,4
Fe
55,8
FeS2
119,8
PbO
223,2
Zn
65,4
ZnS
97,4
Fe3O4
231,4
Pb
207,2
PbS
239,2
2FeO∙SiO2
203,6
O
16
Cu2S
159
FeO
71,8
Si
28.1
SiO2
60
Fe2O3
159,6
Ca
40,1
CaO
56
СО2
44
C
12
Al2O3
101,8
SO2
64

1.3. расчет рационального состава медного концентрата

Расчет рационального состава ведем на 100 кг сухого концентрата. По данным фазового анализа принимаем, что основные металлы 
в сульфидном медном концентрате находятся в виде следующих минералов: CuFeS2, Cu2S, CuS, PbS, FeS2, ZnS. Пустая порода представлена SiO2, Al2O3, CaO, прочими составляющими.
Для расчета рационального состава необходимо составить таблицу, 
в которой будут учтены все химические соединения и элементы, входящие в состав концентрата (табл. 1.4). Заполняемые ячейки обозначены знаком «х». Данные, вносимые в таблицу, суммируем по строкам 
и столбцам. Поскольку расчет ведем на 100 кг, сумма чисел по столбцу 
«Итого» и строке «Всего» должна дать число 100 (ячейка «ХХ»).

Таблица 1.4
Предварительные данные о рациональном составе медного концентрата

Соединения

Элементы
ИТОГО
Cu
Zn
Pb
Fe
S
SiO2 Al2O3 CaO
O
Прочие
CuFeS2
х
–
–
х
х
–
–
–
–
–
х
Cu2S
х
–
–
–
х
–
–
–
–
–
х
CuS
х
–
–
–
х
–
–
–
–
–
х
ZnS
–
х
–
–
х
–
–
–
–
–
х

1.3. Расчет рационального состава медного концентрата

Соединения

Элементы
ИТОГО
Cu
Zn
Pb
Fe
S
SiO2 Al2O3 CaO
O
Прочие
PbS
–
–
х
–
х
–
–
–
–
–
х
FeS2
–
–
–
х
х
–
–
–
–
–
х
SiO2
–
–
–
–
–
х
–
–
–
–
х
Al2O3
–
–
–
–
–
–
х
–
–
–
х
CaCO3
–
–
–
–
–
–
–
х
–
х
х
Прочие
–
–
–
–
–
–
–
–
–
х
х
ВСЕГО
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
ХХ

После того как таблица будет заполнена, столбец «Итого» покажет 
массу отдельных минералов в концентрате. Поскольку расчет ведем 
на 100 кг сухого материала (100 кг — это 100 % исходного концентрата), эти цифры совпадут с содержанием отдельных минералов в концентрате. Данные, полученные в строке «Всего», должны совпадать 
с данными табл. 1.1 — это количество каждого элемента в концентрате. 
При расчете на 100 кг они совпадают с данными химического анализа.
Если расчет ведется не на 100 кг, для получения процентного содержания соединений и элементов требуется добавление дополнительного столбца и строки и дополнительный пересчет полученных 
значений в проценты.
Если расчет выполнен правильно, но полученный результат не совпадает с данными химического анализа, необходимо провести дополнительные анализы (химические, минералогические, фазовые) данного материала.
Данные в табл. 1.4 будем заносить по ходу выполнения расчетов.
Соединения SiO2 и Al2O3 в процессе плавки не разлагаются на составляющие и переходят в шлак в виде оксидов либо образуют силикаты, поэтому при расчете рационального состава эти минералы не делят на элементы, а заносят в соответствующие графы в виде единого соединения. 
Содержание SiO2 и Al2O3 в медном концентрате по 1 % (см. табл. 1.1). 
Поэтому масса каждого соединения в 100 кг концентрата составит 1 кг.
Заносим данные в соответствующие ячейки табл. 1.4.
Оксид кальция СаО входит в состав минерала кальцита СаСО3. 
При плавке происходит реакция разложения кальцита

 
СаСО3 = СаО + СО2

Окончание табл. 1.4

1. Расчет шихты

Содержание СаО в медном концентрате — 1 %, соответственно 
масса СаО в 100 кг концентрата будет 1 кг, тогда масса СО2 составит

 
CaCO
CaO CO
3
1

56

2

44
x

 
x = 1,0∙ 44/56 = 0,79 кг,

где  56 — атомная масса оксида кальция, г/моль (см. табл. 1.3);
44 — атомная масса оксида углерода, г/моль (см. табл. 1.3).
Общая масса кальцита СаСО3 составит

 
1,0 + 0,79 = 1,79 кг.

Количество СО2 учтем в графе «Прочие».
Заносим данные в соответствующие ячейки табл. 1.4.
По результатам фазового анализа принимаем распределение меди 
по минералам медного концентрата, %: CuFeS2 — 58; Cu2S — 32; CuS — 10.

Содержание меди в медном концентрате — 19 %, следовательно, 
масса меди в 100 кг концентрата составит 19 кг.
Рассчитываем массы отдельных элементов в халькопирите CuFeS2

 
Сu : 19,0 ∙ 58/100 = 11,02 кг,

где 19 — масса меди в 100 кг концентрата, кг;
58 — доля меди, приходящаяся на халькопирит, %.
Железо и сера в CuFeS2: в халькопирите на 63,5 г/моль меди приходится 55,8 г/моль железа и 2 ∙ 32,1 = 64,2 г/моль серы

 

63,5

11,02

55,8 32,1 2

2
Cu Fe S

x
y

⋅

тогда на 11,02 кг меди придется железа

 
х = 11,02 ∙ 55,8/63,5 = 9,68 кг,

где 11,02 — масса меди в халькопирите, кг; 
55,8 — атомная масса железа, г/моль (см. табл. 1.3); 
63,5 — атомная масса меди, г/моль (см. табл. 1.3).
Аналогично расчету выше рассчитываем массу серы в CuFeS2

 
у = 11,02 ∙ (2 ∙ 32,1)/63,5 = 11,14 кг,

где 32,1 — атомная масса серы, г/моль (см. табл. 1.3).

1.3. Расчет рационального состава медного концентрата

Масса CuFeS2 составит

 
11,02 + 9,68 + 11,14 = 31,85 кг.

Заносим полученные данные в табл. 1.4.
Аналогично расчету выше рассчитываем массы элементов в халькозине Cu2S:
Сu в Cu2S

 
19 ∙ 32/100 = 6,08 кг,

где 19 — масса меди в 100 кг концентрата, кг;
32 — доля меди, приходящаяся на халькозин, %.

 

63 5 2

6 08

2
,

,

⋅

Cu
S
32,1

x

Масса серы в Cu2S составит

 
6,08 ∙ 32,1/(63,5 ∙ 2) =1,54 кг,

где 32,1 — атомная масса серы, г/моль (см. табл. 1.3);
63,5 — атомная масса меди, г/моль (см. табл. 1.3).
Масса Cu2S

 
6,08 + 1,54 = 7,62 кг.

Рассчитываем массы элементов в ковеллине CuS.
Масса Cu в CuS

 
19 ∙ 10/100 = 1,9 кг

где 19 — масса меди в 100 кг концентрата, кг;
10 — доля меди, приходящаяся на ковеллин, %.
Масса серы в CuS

 
1,9 ∙ 32,1/64,12 = 0,96 кг.

Общая масса CuS

 
1,9 + 0,96 = 2,86 кг.

Заносим полученные данные в табл. 1.4.
Сфалерит ZnS — весь цинк, содержащийся в концентрате, находится в сфалерите. Содержание цинка в концентрате — 1,5 %, масса 
цинка в 100 кг концентрата — 1,5 кг. В сфалерите на 65,4 г/моль цинка приходится 32,1 г/моль серы, тогда на 1,5 кг цинка придется серы

 
1,5 ∙ 32,1/65,4 = 0,74 кг.

1. Расчет шихты

Общая масса ZnS составит

 
1,5 + 0,74 = 2,24 кг.

Галенит PbS — весь свинец, содержащийся в концентрате, находится в галените. Масса свинца в 100 кг концентрата 0,5 кг. В галените на 207,2 г/моль свинца приходится 32,1 г/моль серы, тогда на 0,5 кг 
свинца придется серы
 
0,5 ∙ 32,1/207,2 = 0,08 кг.

Общая масса PbS составит

 
0,5 + 0,08 = 0,58 кг.

Железо в медном концентрате представлено двумя минералами — 
халькопиритом CuFeS2 и пиритом FeS2. Содержание железа в медном концентрате — 30,2 %, масса железа в 100 кг концентрата составит 30,2 кг. Масса железа в халькопирите по расчету составила 9,68 кг. 
На долю пирита осталось железа

 
30,2 – 9,68 = 20,52 кг.

С этим количеством железа будет связано серы

 
20,52 ∙ (2 ∙ 32,1)/55,8 = 23,60 кг.

Масса FeS2 составит

 
20,52 + 23,60 = 44,12 кг.

Все полученные результаты заносим в табл. 1.4 и получаем таблицу рационального состава медного концентрата. Массу прочих компонентов шихты находим как разность между 100 кг и массой всех учтенных компонентов (табл. 1.5).
Таблица 1.5
Рациональный состав медного концентрата, %

Соединения
Элементы
ИТОГО
Cu
Zn
Pb
Fe
S
SiO2 Al2O3 CaO
Прочие
CuFeS2 11,02
–
–
9,68 11,14
–
–
–
–
31,85
Cu2S
6,08
–
–
–
1,54
–
–
–
–
7,62
CuS
1,90
–
–
–
0,96
–
–
–
–
2,86