Плавка сульфидных медных концентрата на штейн в электрической печи

 

3.2.1 Расчёт рационального состава концентрата

Для плавки в электропечи имеется медный концентрат следующего состава, %: Cu – 30,4; Fe – 20,2; S - 33,2; SiO₂ - 5,0; CaO - 4,1; MgO - 3,5; Al₂O₃ - 2,1; прочие - 2,3. Расчёт ведём на 100 кг концентрата.

Принимаем, что в концентрате серу содержащими минералами являются халькопирит (CuFeS₂), ковеллин (CuS) и пирит (FeS₂).

Содержание меди, железа и серы в минералах составляет:

 

CuFeS₂: Cu – 34,62 %; S – 34,95 %; Fe – 30,43 %

 

CuS: Cu – 66,46 %; S – 33,54 %

 

FeS₂: Fe – 46,6 %; S - 53,4 %

 

Обозначим через х кг массу халькопирита, y кг массу ковеллина и z кг массу пирита. С учётом этого составим балансовые уравнения по компонентам Сu, Fe и S:

 

Cu:   

 

0,3462x + 0,6646y = 30,4                 (1)

 

Fe: 

 

                              0,3043x + 0,466z = 20,2                  (2)

 

S:  

 

                        0,3495x + 0,3354y + 0,534z = 33,2       (3)

 

Комбинирование уравнений (2) и (3), исключим из этих уравнений z.

 

 

   0,3043x + 0,466z = 20,2                × 0,534 (2)

  0,3495x + 0,3354y + 0,534z = 33,2 × 0,466 (3)                  

  

Вычитая из уравнения (2) уравнение (3), получим:                         

                                                                                     

 

0,3043∙ 0,534x - 0,466∙0,3495x  -  0,466∙0,3354y = 20,2 ∙0,534 - 33,2 ∙0,466  

 

или

0,0004х + 0,1563у = 4,6844.

 

В результате получим два уравнения с двумя неизвестными, комбинирование которых, даёт:

 

0,3462x + 0,6646y = 30,4        × 0,0004

0,0004х + 0,1563у = 4.6844  × 0,3462

 

После преобразований получим:

 

0,0004∙0,6646у - 0,1563∙0,3462у = 30,4∙0,0004 -4,6844∙0,3462

 

0,0538у = 1,6095

 

у = 29,92

 

Подставляя значение у в уравнение (1), получим:

 

                          0,3462x + 0,6646∙29,92 = 30,4     

 

х = 30,39

 

После подстановки значения х в уравнение (2) получим

 

0,3043∙30,39  + 0,466z = 20,2

 

z = 23,5

 

Таким образом, в 100 кг концентрата содержится 30,39 кг CuFeS₂, 29,92 кг CuS и 23,5 кг FeS₂. В них содержится компонентов:

 

CuFeS₂: Cu – 0,3462∙30,39 = 10,52 кг CuS: Cu – 0,6646∙29,92 = 19,88 кг

          Fe – 0,3043∙30,39 = 9,25 кг             S – 0,3354∙29,92 = 10,04 кг

          S- 0,3495∙30,39 = 10,62 кг

 

FeS₂:  Fe – 0,466∙23,5 = 10,95 кг 

              S – 0,534∙23,5 = 12,55 кг

 

Полученные расчётные данные сводим в таблицу.                      

 

 Таблица 19 - Рациональный состав концентрата, % масс.

 

Минерал Компонент	CuFeS2	CuS	FeS2	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Прочие	Итого
Cu	10,52	19,88							30,4
Fe	9,25		10,95						20,2
S	10,62	10,04	12,55						33,21
SiO2				5,0					5,0
CaO					4,1				4,1
MgO						3,1			3,1
Al2O3							2,1		2,1
Прочие								1,89	1,89
Итого	30,39	29,92	23,5	5,0	4,1	3,1	2,1	1,89	100

 

3.2.2 Расчёт количества и состава штейна без добавки конвертерного шлака.

Расчёт производим на 100 кг медного концентрата.

В процессе плавки медных концентратов в электропечи десульфуризация осуществляется, в основном, за счёт диссоциации высших сульфидов и за счёт взаимодействия сульфидов и оксидов железа. По данным практики извлечение меди в штейн при плавке медных концентратов составляет 95-97%. Принимаем извлечение меди в штейн, равное 96%. Примем содержание прочих в штейне, равное 1,0 %.

Халькопирит в процессе плавки диссоциирует по уравнению

 

4CuFeS₂ = 2Cu₂S + 4FeS + S₂

 

В результате протекания реакции халькопирит теряет 25 % серы или

 

10,62∙0,25 = 2,65 кг

 

 При этом образуется Сu₂S

 

 = 13,16 кг,

 

 а также FeS

 

 = 14,58 кг

 

Ковеллин в процессе плавки распадается по реакции

                                       

                                         4CuS =2Cu₂S + S₂

 

В результате термического разложения ковеллина в газовую фазу переходит 50 % серы или

 

10,04∙0,5 = 5,02 кг

 

При этом образуется Cu₂S

 

 = 24,9 кг                 

 

 

Пирит разлагается по уравнению

 

2FeS₂   = 2FeS + S₂

 

и в газовую фазу переходит 50 % серы, содержащейся в пирите или

 

12,55·0,5 = 6,28 кг.

 

При этом образуется FeS

 

 = 17,27 кг

 

 Количество серы, которое удаляется из концентрата, составит

 

2,65 + 5,03 + 6,28 = 13,96 кг.

 

Тогда десульфуризация за счёт диссоциации высших сульфидов составит

 

= 41,11 %.

 

Остальная сера переходит в штейн. Количество серы, перешедшей в штейн, составит

 

33,2 – 13,96 = 19,24 кг

 

По правилу Мостовича в медном штейне содержится 25 % серы. Тогда количество образовавшегося в печи штейна составит

 

 = 76,96 кг.

 

Принимаем извлечение меди в штейн, равное 96%. Тогда в штейн из концентрата перейдёт меди

 

30,4·0,96 = 29,18 кг.

 

Тогда концентрация меди в штейне составит 

 

                                           = 37,92 %.

 Количество меди, перешедшей в шлак, составит

 

30,4- 29,18 = 1,22 кг

 

В штейне растворяется определённое количество магнетита, который вносит в штейн кислород. Содержание растворённого в штейне кислорода зависит от содержания в нём меди (таблица 20)

 

Таблица 20- Содержание кислорода в штейне, %.

 

% Cu в штейне	5	10	20	30	40	45	50	60
% О2  в штейне	7,14	6,54	5,18	4,21	3,02	2,49	1,9	0,7

 

Содержание кислорода в штейне с содержанием меди 37,92 % находим по таблице 6. Концентрация растворенного в штейне кислорода составляет 3,26 %., что составляет

 

 = 2,51 кг

 

Количество магнетита, которое содержится в 79,96 кг штейна, составит

 

= 9,08 кг кг

 

 

Количество прочих в штейне составит:  

 

 = 0,77 кг

 

Количество железа в штейне рассчитаем по разнице

 

76,96 – 19,24 – 29,18 – 2,51 – 0.77 = 25,26 кг

 

Тогда полученный штейн будет иметь следующий состав.

 

Таблица 21 – Состав медного штейна без добавки конвертерного шлака.

 

Компонент	Сu	Fe	S	O2	Прочие	Всего
Масса,кг	29,18	24,64	19,24	2,51	0,77	76,96
%	37,92	32,82	25,0	3,26	1,0	100

 

 

3.2.3  Расчёт состава шлака при добавлении к концентрату конверторного шлака.

Конвертерный шлак, образующийся в конвертере при конвертировании медного штейна, содержит значительное количество меди и возвращается на плавку в электрическую печь.

Конвертерные шлаки, получающиеся в процессе конвертирования медных штейнов,характеризуются следующими составами

 

Таблица 22– Примерный состав конвертерных шлаков

 

№№ п/п	Компо- нент.	Cu	Fe	О2	SiO2	CaO	Al2O3	MgO	S	Про-чие	Итого
1	%, масс.	1,9	43,0	14,4	21,0	2,8	8,0	2,5	2,0	4,4	100
2	%, масс.	1,7	45,0	15,1	24	1,0	5,6	3,5	1,8	2,3	100
3	%, масс.	1,8	44,0	14,7	23	1,2	8,5	2,0	1,7	3,1	100
4	%, масс.	2,0	46,0	15,4	22,0	0,7	4,5	3,0	2,1	4,3	100

В расчёте принять, что 50% железа, содержащегося в конверторном шлаке, содержится в виде FeO, a 50% в виде Fe₃O₄. Принимаем следующий состав конвертерного шлака.

 

  Таблица 23 - Состав конвертерного шлака

  

Компо- нент	Cu	Fe	О2	SiO2	CaO	Al2O3	MgO	S	Про-чие	Итого
%, масс.	2,0	46,54	15,46	22,0	0,7	4,5	3,0	2,1	4,7	100

 

Принимаем, что 52% железа, содержащегося в конвертерном шлаке, содержится в виде FeO, a 48% в виде Fe₃O₄.

Тогда при переработке 100 кг штейна образуется конвертерного шлака:

 

 = 70,52 кг

 

Из 100 кг перерабатываемого концентрата образуется конверторного шлака

 

= 40,02 кг

 

 Содержание компонентов в загружаемом в печь конверторном шлаке составит:

 Сu- 40,02∙0,02=0,8 кг; Fe -40,02∙0,4654 = 18,63 кг;

 О₂ – 40,02∙0,1546 =6,19 кг; S- 40,02∙0,021= 0,84 кг;

 SiO₂ – 40,02∙0,22 = 8,80 кг; СаО – 40,02∙0,007 = 0,28 кг

Al₂O₃ – 40,02∙0,045 = 1,80 кг; MgO – 0,03∙40.02 = 1,20 кг

 Прочие- 40,02∙0,037 = 1,48 кг

В конверторном шлаке содержится магнетита     

 

 = 12,36 кг

и

 

= 12,46 кг FeO,

 

в котором содержится железа

 

                                        = 9,69 кг

и кислорода

 

 = 2,77 кг

Всё количество  FeO переходит в шлак электроплавки.

Принимаем извлечение меди из конверторного шлака в штейн, равное

 80 %. Тогда в штейн перейдёт

 

42,46· 0,015 · 0,80 = 0,51 кг.

 

При содержании меди в штейне 37,92 % это даст дополнительное количество штейна

 

= 1,34 кг

 

Тогда общее количество штейна в электропечи составит

 

76,96 + 1,34 = 78,3 кг.

 

В штейне содержится Fe- 78,3∙0,3282 = 25,7 кг; Сu – 78,3·0,3792 =  29,69 кг;

серы -78,3·0,25 = 19,58 кг; кислорода – 78,3· 0,0326 = 2,55 кг; прочие -78,3·0,01 = 0,78 кг.

Количество магнетита в конвертерном шлаке составляет 12,36 кг.

Из этого количеств магнетита 9,08 кг перейдут в штейн, а оставшийся магнетит в количестве

 

12,36 - 9,08 = 3,28 кг

 

будет взаимодействовать с сульфидом железа по реакции:

 

 

3Fe₃O₄ + FeS + 5SiO₂ = 5(2FeO∙SiO₂) + SO₂

 

Количество серы, окисляющейся магнетитом, составит

 

 = 0,15 кг

 

За счёт протекания этой реакции выделится SO₂

 

 = 0,30 кг

   

С этим количеством SO₂ в газовую фазу перейдёт кислорода из конверторного шлака

 

                                      = 0,15 кг

 

За счёт протекания этой реакции из штейна перейдёт в шлак железа в виде FeO

 

= 0,26 кг.

 

Количество образовавшегося FeO cоставит

 

 = 0,33 кг

 

Количество кислорода в 0,33 кг FeO составит

 

0,33– 0,26 = 0,07 кг

 

Тогда количество железа в штейне составит

 

25,7 – 0,26 = 25,44 кг,

 

А количество серы в штейне составит

   

19,58 – 0,15 = 19,43 кг.

 

Из 3,28 кг магнетита образуется FeО

 

 = 3,05 кг

 

В 3,05 кг FeO содержится

 

 = 2,37 кг Fe

и

 

 = 0,68 кг

 

Таким образом, в шлак электроплавки дополнительно перейдёт FeO

 

12,46 + 0,33 + 3,05 = 15,84 кг      0,33 +3,05= 3,38 кг FeO

 

в котором содержится

 

 = 12,31 кг Fe   = 2,63 кг

 

и

 = 3,53 кг О₂  = 0,75 кг

Таким образом, шлаке электроплавки будет содержаться

 

9,69 + 2,63 = 12,32 кг Fe и 2,77 + 0,75 = 3,52 кг О₂

               

В шлак медь переходит из штейна и конверторного шлака. Количество меди в шлаке составит:

 

1,22 + (0,8 – 0,52) = 1,51 кг

 

Медь в шлаке находится в виде Cu₂S. Тогда в шлаке будет серы

 

 = 0,38 кг

 

В газовую фазу перейдёт серы:

 

13,96 + 0,15 =14, 11 кг

 

Все другие оксиды конверторного шлака прочие переходят в шлак электроплавки.

Прочие шлака и концентрата распределяются между прочими штейна и шлака электроплавки.

Составим материальный баланс плавки медного концентрата в электропечи без добавки флюсов.

 

Таблица 24- Материальный баланс плавки медных концентратов в электропечи без добавки флюсов

 

Шихта	Всего,кг	Cu	Fe	O2	S	SiO2	A2O3	MgO	CaO	Пр

Загружено