Плавка сульфидных медных концентратов на штейн в печи «айзасмелт»

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒

3.4.1 Расчёт рационального состава концентрата

Состав концентрата, % масс.: Cu – 26,08; Fe-27,95; S – 36,08; SiO₂ – 1,63; CaO – 0,47; MgO – 0,4; Al₂O₃ – 0,4; Pb – 2,65; Zn-3,73; прочие – 0,71. 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 = 26,08                 (1)

Fe: 

                              0,3043x + 0,466z = 27,95                 (2)

S:  

                        0,3495x + 0,3354y + 0,534z = 36,08      (3)

Решая систему уравнений, получим

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

   0,3043x + 0,466z = 27,95                × 0,534 

  0,3495x + 0,3354y + 0,534z = 36,08 × 0,466  

Вычитая, получим:                         

 х = 84,82кг; у = 5,44 кг; z = 17,62 кг.

Таким образом, в 100 кг концентрата содержится 64,82 кг CuFeS₂, 5,44 кг CuS и 17,62 кг FeS₂. В них содержится компонентов:

CuFeS₂: Cu – 0,3462∙64,82 = 22,46 кг CuS: Cu – 0,6646∙5,44 = 3,62 кг

          Fe – 0,3043∙64,82 = 19,74 кг             S – 0,3354∙5,44 = 1,82 кг

          S- 0,3495∙64,82 = 22,62 кг

FeS₂:  Fe – 0,466∙17,62 = 8,21 кг 

           S – 0,534∙17,62 = 9,41 кг

Полученные расчётные данные сводим в таблицу.    

Полученные расчётные данные сводим в таблицу.    

Таблица 45 - Рациональный состав концентрата, % масс.

  3.4.2 Расчёт десульфуризации за счёт процесса разложения высших сульфидов

Десульфуризация в процессе плавки осуществляется как за счёт диссоциации высших сульфидов, так за счёт окисления сульфидов железа кислородом дутья.

 В процессе плавки минерал халькопирит разлагается по уравнению

4CuFeS₂ = 2Cu₂S + 4FeS + S₂                      (4)

При этом в газовую фазу переходит серы

 = 5,66 кг

При этом образуется

 = 28,11 кг Cu₂S

и

 = 31,05 кг FeS.

Ковеллин разлагается по уравнению

       4CuS = 2Cu₂S + S₂                                         (5)

По этой реакции в газовую фазу переходит серы

 = 0,91 кг

При этом образуется

 = 4,53 Cu₂S

В процессе плавки пирит разлагается по реакции

            2FeS₂ = 2FeS + S₂                                 (6)

При этом в газовую фазу переходит серы

 = 4,71кг

 и образуется

 = 12,91 кг FeS

Количество сульфида железа FeS, которое образуется за счёт разложения высших сульфидов, составит

31,05 + 12,91 = 43,96 кг

Количество серы, которое перейдёт в газовую фазу в процессе плавки за счёт диссоциации высших сульфидов, составит:

5,66 + 4,71 + 0,91 = 11,28 кг

Окисление элементарной серы протекает по реакции

S₂ + 2О₂ = 2SО₂

На окисление этой серы затрачивается кислорода

 = 11,26 кг

3.4.3 Расчёт количества и состава штейна и степени десульфуризации

  Принимаем содержание меди в штейне 60%. Извлечение меди в штейн в процессе Айзасмелт составляет порядка 95-98%. Принимаем извлечение меди в штейн 98%. Тогда в штейн перейдёт

26,08∙0,98 = 25,56 кг Cu.

Количество меди, перешедшей в шлак, составит

26,08 – 25,56 = 0,52 кг

Считаем, что медь в шлаке находится в виде Cu₂S. Тогда в шлак вместе с медью перейдёт

 = 0,13 кг S.

Тогда масса штейна составит

 = 42,6 кг

В соответствии с правилом Мостовича, среднее содержание серы в штейне составляет 25%. Тогда масса серы в штейне составит

42,6∙0,25 = 10,56 кг

Вся медь в штейне связана с серой в виде Сu₂S. Количество серы, связанной с медью в штейне, составит

 = 6,45 кг. (6,45)

Масса Cu₂S в штейне составит

 = 32,01 кг (32,01)

По данным заводской практики принимаем, что 50% PbS переходит в штейн, а 50% окисляется и переходит в шлак. Тогда масса свинца, переходящего в штейн, что составляет

                                           2,65∙0,5 = 1,32 кг Pb 

По данным заводской практики принимаем, что 30% ZnS переходит в штейн, а 70% окисляется и переходит в шлак. Масса цинка, переходящего в штейн составит

3,73∙0,3 = 1,12 кг Zn

В штейне растворяется определённое количество магнетита, который вносит в штейн кислород. Содержание растворённого в штейне кислорода зависит от содержания в нём меди (таблица 46)

Таблица 46 - Содержание кислорода в штейне, %.

Как видно из таблицы 2, содержание кислорода в штейне с содержанием 60% Сu, концентрация растворенного в штейне кислорода составляет 0,7%, что составляет

 = 0,3 кг

Количество магнетита, которое содержится в 49,92 кг штейна, составит

= 1,09 кг

Количество железа, которое содержится в штейне в виде магнетита, составит

= 0,79 кг

Принимаем содержание прочих в штейне 1%, что составляет

                                               = 0,43кг

Тогда масса железа в штейне, связанного с FeS, составит

                    42,6 – 25,56 – 1,32 – 1,12 - 10,56 – 1,09 – 0,43 = 2,52 кг(2,52)

Тогда общее количество железа в штейне составит

2,52 + 0,79 = 3,31 кг(3,31)

Полученный штейн будет иметь следующий состав.

Таблица 3 - Состав медного штейна

Количество серы, удаляемое в процессе плавки из концентрата, составит

36,08 – 0,13 – 10,56 = 25,39 кг

Тогда степень десульфуризации в процессе плавки составит

 = 69 %

3.4.4 Расчёт состава шлака

Количество железа, переходящее в шлак составит

27,95 – 3,31 = 24,64 кг.(24,64)

В шлаке железо находится в виде FeO. Тогда количество кислорода в шлаке, связанное с FeO, составит

 = 7,06 кг кг (7,06)

По условию 50% PbS окисляется по реакции

                        PbS + 1,5O₂ = PbO + SO₂                                            (7)

и PbO переходит в шлак. Тогда количество свинца, переходящее в шлак, составит

2,65∙0,5 = 1,33 кг

С ним связано кислорода

 = 0,1 кг

По условию 70% ZnS окисляется по реакции

                                ZnS + 1,5O₂ = ZnO + SO₂,                               (8)

а образующийся ZnO переходит в шлак. Тогда количество Zn, переходящее в шлак, составит

3,73∙0,7 = 2,61 кг

 С ним связано кислорода

 = 0,94 кг

 Тогда количество кислорода в шлаке составит

7,06 + 0,1 + 0,94 = 8,1 кг (8,1)

Считаем, что такие компоненты шлака, как SiO₂, CaO, MgO и Al₂O₃ полностью переходят в шлак без изменений.

Из прочих концентрата переходит в шлак

                                      0,69- 0,43 = 0,26 кг.

На основании выполненных расчётов рассчитаем массу и состав шлака без добавления флюсов. (Таблица 47)

Таблица 47- Состав и количество шлака без добавления флюсов

Согласно технологическому регламенту, отношение основных компонентов в шлаке, поступающим из плавильной печи в электропечь составляет, %, масс.

Fe: SiO₂: CaO = 36,48: 31,87: 3,52

В полученном шлаке это соотношение составляет

Fe: SiO₂: CaO = 61,06: 4,02: 1,12

Из соотношения видно, что в полученном шлаке больше в избытке содержится железо. Рассчитаем по этому компоненту массу шлака, которая составит

                                                  = 67,93 кг (24,64)

Нехватку SiO₂ и CaO компенсируем добавлением в шихту флюсов: кремнезёма и известняка

Состав сухих флюсов приведён в таблице 48.

Таблица 48- Состав флюсов

Количество СаО, которое должно содержаться в шлаке, составит

0,0352∙67,93 = 2,39 кг

Количество СаО, которого необходимо добавить в шлак, составит

2,39 – 0,47 = 1,92 кг

Тогда количество известняка, которое необходимо внести в шихту, составит

                                              = 3,76 кг.

Вместе с известью в шлак перейдёт

SiO₂ – 0,0123∙3,76 = 0,05 кг; Al₂O₃ – 0,0358∙3,76 = 0,13 кг;

MgO – 0,0045∙3,76 = 0,02 кг.

В известняке СаО находится в виде карбоната СаСО₃, который в условиях плавки разлагается по уравнению

                          СаСО₃ = СаО + СО₂                                              (9)

В результате в газовую фазу перейдёт СО₂

 = 1,62 кг

 Считаем, что прочие в количестве

                  3,75– 1,62 – 0,02– 0,13 – 0,05 – 1,92 = 0,01 кг

перейдут в шлак.

Количество SiO₂, которое должно содержаться в шлаке, составит

0,3187∙67,93 = 21,65 кг.

Количество SiO₂, которое необходимо внести в шлак, составит

21,65 – 1,63 = 20,02 кг

Тогда количество кварцевой руды, которое необходимо внести в шихту, составит

 = 23,99 кг.

Вместе с кварцевой рудой в шлак перейдут следующие компоненты в количествах:

Al₂O₃ – 0,0617∙23,94 = 1,48 кг; MgO- 0,0166∙23,94 = 0,40 кг;

FeO– 0,063∙23,94 =1,51 кг (1,17 кг Fe; 0,34 кг О₂)

Принимаем, что прочие в количестве

0,0225∙23,94 = 0,54 кг

перейдут в шлак.

С учётом добавления флюсов к шихте в шлаке будет содержаться

Fe -24,64 + 1,17 = 25,81 кг;(25,81) О – 8,1 + 0,34 = 8,44 кг; (8,44)

SiO₂- 1,63  + 20,02 + 0,05 = 21,70 кг; Al₂O₃ – 0,4 + 0,13 + 1,48 = 2,01 кг;

СаО – 0,47 + 1,92 = 2,39 кг; MgO – 0,3 + 0,02 + 0,40 = 0,72 кг;

прочие – 0,26 + 0,01 + 0,54 = 0,81 кг.

Состав и количество шлака без добавления угля приведён в таблице 6.

Таблица 49 - Состав шлака

3.4.5 Расчёт дутья и состава газовой фазы

Количество серы, переходящее в газ в процессе десульфуризации составляет

25,39 кг

На окисление этой серы расходуется кислорода

 = 25,34 кг

При этом образуется SO₂

25,39 + 25,34 = 50,73 кг

или

 = 17,74 нм³

Всего расходуется кислорода на плавку

0,3 + (8,44) + 25,34 = 34,08 кг   

Объём расходуемого кислорода в нормальных условиях составит

 = (23,86) нм³

Для поддержания нормального теплового режима плавки в шихту добавляется уголь в количестве 2,35 % от массы загружаемых в печь концентрата и флюсов.

Уголь имеет следующйй состав, % (масс.): С- 73,5; Н-9,33;Al₂O₃-3,1; MgO – 0,25; SiO₂ - 8,0; CaO -0,29; прочие -5,3. Влажность угля 13%.

Количество загружаемого в печь угля составляет

 = 3 кг.

С учётом влажности масса загружаемого в печь угля составит

 = 3,45 кг

В угле содержится влаги

3,45 – 3,0 =0,45 кг или  = 0,56 нм³.

Считаем, что сера в угле связана в виде H₂S. Масса серы в угле составит

 = 0,015 кг

Количество H₂S в угле составит

 = 0,016 кг

Масса водорода, связанного с H₂S составит

                                           0,016 -0,015 = 0,01 кг.

Всего водорода в угле содержится

 = 0,28 кг

Считаем, что остальная масса водорода в угле связана в виде CH₄, которая составит

0,28-0,01 = 0,27 кг.

Тогда масса углерода связанная с CH₄ составит

 = 0,81 кг

Масса метана в угле составит

0,27 + 0,91 = 1,18 кг

Общее количество углерода в угле составит

= 2,21 кг  

Количество свободного углерода в угле составит

2,21- 0,81 = 1,4 кг.

Сгорание сероводорода осуществляется по реакции  

                              H₂S + 1,5О₂ = Н₂О + SO₂                                     (10)

На горение расходуется кислорода

 = 0,02 кг или  = 0,01нм³

При этом образуется SO₂

= 0,03 кг (0,015 кг S; 0,015 кг О₂) или = 0,01 нм³ SO₂

и влаги

 = 0,02 кг или  = 0,02 нм³

Горение метана осуществляется по реакции

                             СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О                                   (11)

На горение метана расходуется кислорода

 = 5,4 кг или  = 3,78 нм³

При этом образуется СО₂

 = 3,71 кг или = 1,89 нм³

и Н₂О

= 3,04 кг или = 3,78 нм³.

Углерод угля сгорает по реакции

                                     С + О₂ = СО₂                                       (12)

При этом расходуется кислорода

= 3,73 кг или = 2,61 нм³.

При этом образуется СО₂

= 3,78 кг или  = 1,92 нм³.

Таким образом, при сгорании угля расходуется

6,4 нм³   или  =9,13т кг О₂

 и при этом образуется 0,01 нм³ SO₂, 3,91 нм³ СО₂ и 4,36 нм³ Н₂О.

В угле содержится

Al₂O₃ - 3∙0,031= 0,09 кг; MgO – 0,0025∙3 = 0,01 кг;

SiO₂ – 0,08∙3 = 0,24 кг; СаО- 0,0029∙3= 0,01кг;

прочие – 0,053∙3= 0,15 кг.

Считаем, что эти компоненты переходят в шлак.

Тогда количество и состав шлака, выпускаемого из плавильной печи в электропечь, составит (Таблица 50)

Таблица 50- Состав шлака, выпускаемого из плавильной печи в электропечь

В полученном шлаке имеют место соотношения между компонентами шлака

 SiO₂: Fe = 0,85 и SiO₂: Са = 9,14.

В технологическом регламенте процесса плавки рекомендуется поддержание этих соотношений в пределах

если SiO₂: Fe = 0,8: 0,9, то SiO₂: Са = 7: 15.

Таким образом, полученный шлак отвечает технологическому регламенту плавки.

Общее количество кислорода, расходуемое на плавку, составит

23,86 + 6,4 = 30,26 нм³                                                   

В процессе плавки используется дутьё, обогащённое кислородом до 55%.

Тогда объём дутья на 100 кг концентрата составит

 = 55,04 нм³

Объём азота в дутье составит

55,04 – 30,27 = 24,77нм³

Для дутья используется воздух и технический кислород, содержащий 95% O₂ и 5% N₂.Составим балансовые уравнения

                                      V_т.к.  + V_воз. = 55,04

                                     0,95∙V_т.к.  + 0,21∙V_воз = 30,27

Решая уравнения, получим

V_т.к. = 25,29 нм³ и   V_воз = 29,75 нм³

В воздушном дутье содержится азота

29,25∙0,79 = 23,11 нм³ N₂ или 23,11∙1,2505 = 28,9 кг 

и кислорода

29,25∙0,21 = 6,14 нм³ О₂ или 6,14∙1,429  = 8,7кг 

В техническом кислороде содержится

25,29∙0,05 = 1,26 нм³ N₂ или 1,26∙1,251=1,58 кг

и кислорода

25,29∙0,95 = 24,03 нм³ О₂ или 24,03∙1,429 = 34,3 кг

На плавку поступают материалы с влажностью: концентрат -8%, известняк -2,3%, кварцевая руда -6%.

Тогда в печь поступает влажного концентрата

= 108,7 кг, в том числе влаги 8,7 кг

влажного известняка

= 3,84 кг, в том числе влаги 0,09 кг

и влажной кварцевой руды

= 25,52 кг, в том числе влаги 1,53 кг.

С шихтовыми материалами в печь посупает влаги

8,7 + 1,53 + 0,09 = 11,32 кг,

что составляет

 = 14,09 нм³

С известняком в печь поступает 1,62 кг СО₂, что составляет

 = 0,82 нм³.

Состав отходящих газов из плавильной печи, без учёта подсоса воздуха представлен в таблице 51.

Таблица 51 - Состав отходящих газов

3.4.6 Материальный баланс процесса плавки без учёта выноса пыли

На сновании выполненных расчётов составляем материальный баланс процесса плавки. Материальный баланс процесса плавки представлен в таблице 52. 

Таблица 52- Материальный баланс процесса плавки

Примечание: С^*- находится в газовой фазе в виде СО₂

                    Н* - находится в газовой фазе в виде Н₂О

3.4.7 Материальный баланс плавки с учётом выноса из печи пыли.

Принимаем, вынос в пыли из печи шлакообразующих оксидов составляет количестве 5%. Тогда количество шакообразующих оксидов металлов в пыли составит:

SiO₂– 21,94∙0,05 = 1,1 кг; Al₂O₃ – 2,1∙0,1 = 0,1 кг;

МgO – 0,74∙0,05 = 0,04 кг; СаО – 2,4∙0,05 = 0,1 кг

Принимаем, что из шлака в пыль переходит 7% Pb, 3% Zn, 3% Fe. Тогда в пыль переходит:

1,33∙0,05 = 0,07 кг Pb, с которым   связано кислорода = 0,01 кг;

2,61∙0,03 = 0,08 кг Zn, с которым связано кислорода  = 0,02 кг       

25,81∙ 0,03 = 0,77 кг Fe, с которым связано кислорода = 0,22 кг

Принимаем, что из штейна в пыль переходит 3% Pb, 3% Zn, 3% Fe, 3%Сu.

Тогда в пыль переходит:

1,32∙0,03 = 0,04 кг Pb, с которым связано серы  = 0,01 кг

1,12∙0,03 = 0,03 кг Zn, с которым связано серы  = 0,01 кг

3,31∙0,03 = 0,1 кг Fe, с которым связано серы  = 0,06 кг

24,56∙0,03 = 0,74 кг Cu, с которой связано серы  = 0,19 кг

Количество и состав пыли процесса плавки представлены и таблице 53

Таблица 53 - Количество и состав пыли процесса плавки

Составляем материальный баланс плавки с учётом выноса из печи продуктов плавки в виде пыли (Таблица 544)

Таблица 54 - Материальный баланс процесса плавки

Загружено

Получено