Десульфуризация

Введение

Десульфуризация. При пирометаллургической переработке пасты, то есть оксисульфатной фракции разделки батарей, сера из сульфат-иона переходит либо в газовую фазу в виде SO2, либо в сульфидно-железистый штейн, либо в штейношлаковый расплав, состоящий из сульфидов железа, натрия и свинца. Образование этих новых соединений серы увеличивает затраты на предотвращение загрязнения ими окружающей среды. Сущность десульфуризации состоит в переводе сульфат-иона из сульфата свинца в раствор, а свинца – в менее растворимое соединение, не создающее затруднений при его пирометаллургической переработке. В качестве десульфуризующих реагентов применяют гидроксид натрия и карбонаты щелочных металлов или аммония. Из раствора можно получить товарный сульфат натрия, который используется в производстве моющих средств, стекла, бумаги и пр.

Плавку на штейн применяют для переработки сульфидных медных и никелевых концентратов и руд. Эту плавку можно проводить в нейтральной  ( отражательная плавка) или в окислительной (автогенные плавки) атмосфере.

Отражательна я плавка сохраняет свое ведущее положение в металлургии. В настоящее время доля меди, полученная  с ее использованием, составляет 40-50%. Сущность процесса заключается в том, что нагрев и расплавление шихты происходят за счет тепла от сжигания топлива в газовом пространстве над ванной печи.(рис. 1)


Рис.1 Принцип отражательной плавки
Печь имеет следующие размеры, м: длину- 30-36, ширину- 8-10, высоту- 3,3-3,8.

Основная цель отражательной плавки- расплавление шихты, получение штейна и шлака заданных составов. Шихта состоит из обожженного или необожженного медного концентрата, оборотных материалов и флюсов. 

Шихта плавится за счет тепла газов и образует жидкую ванну печи, в которой завершаются процессы шлако- и штейнообразования.

В  загружаемом в печь огарке присутствуют  Сu2O, Cu2S, FeS, Fe2O3, Fe3O4 и другие компоненты.

Поэтому, если в шихте имеется достаточное количество FeS, большая часть меди сульфидируется.

Закись железа  взаимодействует с кремнеземом SiO2 и оксидом кальция, образуя легкоплавкие первичные шлаки. В этих шлаках растворятся более тугоплавкие оксиды и формируется шлак отражательной плавки. Чем полнее был проведен перед плавкой обжиг, и чем меньше серы осталось в огарке, тем больше железа переходит  в форме оксидов  в шлак.

При плавке обожженных концентратов степень десульфуризации может быть от 5 до 25 %. Чем больше степень  десульфуризации, тем больше железа переходит в шлак. В штейн железа переходит меньше, и штейн получается более богатый медью.

Шлак и штейн из печи выпускают раздельно.

Штейн-сплав сульфидов. Главными составляющими медного штейна являются CuS и FeS, в расплаве которых растворяются Ni3S2, ZnS, PbS, As2S3, Sb2S3, Fe3O4, Au, Ag. Плотность штейна определяется плотностью входящих в его состав сульфидов. В зависимости от состава плотность штейна колеблется от 4,8 до 5,6 г/см3 Как установлено проф. В.Я. Мостовичем, в медных штейнах содержится около 25 % серы.

Содержание меди в штейне зависит  от десульфуризации при плавке. При увеличении десульфуризации штейны получаются более богатыми.

Поступившие в печь оксиды SiO2, Fe3O4, CaO, MgO, Al2O3, FeO и др. сплавляются, взаимно растворяются и образуют сплав оксидов непостоянного состава-шлак. При отражательной плавке потери меди со шлаками основные. Для снижения содержания меди в шлаках необходимо, чтобы они были достаточно жидкотекучими, относительно легкоплавкими, с удельной плотностью от 3,2 до 4,0 г/см3

Свойства шлака зависят от его состава. Главными составляющими компонентами , влияющими на состав шлака, являются Feo, CaO, SiO2 .

Состав шлака стараются подобрать в соответствии с составом перерабатываемой шихты. Если шихта имеет избыток оксидов железа, то и шлак выбирается с меньшим содержанием кремнезема. Для каждой плавки выбирают оптимальный  состав шлака, получение которого обеспечивается введением в шихту флюсов в количестве, определенном расчетом.

Содержание основных компонентов  в шлаках отражательной плавки колеблется в следующих пределах, % : 27-45 SiO2, 20-55 FeO, 2-25 CaO. Содержание меди в шлаке (Cu)шл зависит от содержания меди в штейне [Cu]шт:

(Сu)шл=0,01/0,014[Cu]шт
2 Практическая часть

1.     Берем  навеску обожженного концентрата (огарка) массой 0,5 г и помещаем в фарфоровую лодочку. Записываем состав огарка (Cu-29%, Fe-30%, S-18%, SiO2-2,5%, Ni-1,8%)

2.     В поглотительную  колбу 1 заливаем  100 мл 0,1 Н раствора йода.

3.     В контрольную колбу 2 заливаем 50 мл раствора йодистого калия.

4.     Через нагретую до температуры 1 200-1 250 С трубчатую печь пропускается азот  в течении 5 мин для промывки всей системы от воздуха.

5.     Не прекращая продувки, с левой стороны кварцевой трубы вставляют фарфоровую лодочку с навеской огарка до середины печи, присоединяют поглотительные колбы по схеме: печь-колба 1-колба 2.

6.     Плавка длится 30 мин. Выделившийся в результате плавки газ взаимодействует с йодом в колбе 1 по реакции J2+SO3+2H2O=H2SO4+2HJ

7.     По окончании плавки баллон с газом закрываем.

8.     Половину раствора  из колбы 1 (50мл) выливаем в коническую колбу и титруем 0,1 Н раствором тиосульфата натрия. При титровании определяется остаточное количество йода, которое связывается тиосульфатом по реакции

J2+2Na2S2O3=2NaJ+Na2S4O6

Количество раствора тиосульфата натрия, пошедшее на титрование =5,4 мл

9.     Рассчитаем количество сернистого ангидрида, образовавшегося в процессе плавки, по формуле

SO2=(V1N1-V2N2) 0,0064

Где V1-объем титруемого раствора йода, мл; N1-нормальность раствора йода, Н; V2-объем раствора тиосульфата натрия, израсходованного на титрование, мл; N2-нормальность раствора тиосульфата натрия, Н.

Тогда при плавке 0,5 г огарка, содержащего 18 % серы, выделится

SO2=(50*0,1-5,4*0,1) 0,0064= 0,028544 г

А в пересчете на серу 0,5*0,028544=0,014272 г

10.  Определим степень десульфуризации:

Дs=Sуд/Sог=0,014272/0,5*0,18=0,1586, или Дs=15,86

11.  Рассчитаем количество и состав штейна.

Расчет ведем на 100 г огарка.  Так как Дs=15,86, то оставшиеся 84,14 % серы, т.е. 18*0,8414=15,15 г, переходят в штейн.

Содержание серы в штейне в расчетах принимаем 25%, тогда количество полученного штейна составит 15,1452/0,25=60,5808 г 

Извлечение меди в штейн при плавке можно принять 97% В штейн перейдет меди из концентрата, содержащего29% меди, 29*0,97=28,13 г

Содержание меди в штейне будет 28,13/60,5808=46,43%

В штейне с 46,43% меди содержится 2,322% кислорода (метод интерполяции)

Содержание примесей принимаем 2%

Содержание железа находим по разности:

Fe%=100%-(%Cu+%S+%O2+%прим)=100%-(46,43+25,0+2,322+2)=24,248%

Таким образом, в результате плавки огарка заданного состава (18% S, 29% Cu) десульфуризация равна 15,86 и получается штейн, содержащий 46,43% меди, 25% серы, 30% железа, 2,322% кислорода и 2% примесей.

Расчет десульфуризации и состава штейна

*

Расчет ведем на 100 кг огарка

По данным практики десульфуризация при плавке огарка составляет 15-20%. Примем степень десульфуризации 15%. Тогда должно выделится серы

17.33.0.            15              = 2,6 кг за счет окисления магнетитом конвертерного шлака и огарка.

В штейн перейдет серы

17,33 -2.6 = 14,73 кг

По данным практики извлечение меди в штейн при плаке огарка составляет 93-96%. Для определения состава штейна примем, что извлечение составляет 93%. В штейн перейдет меди из огарка

26.88.0.             93              = 25,0 кг

В заводских штейнах содержание серы колеблется в пределах 23-27%. Примем

содержание меди в штейне 25%. Выход штейна будет равен

14.73 / 0.25 = 58,92 кг              V

Содержание меди в штейне составит

25.0.                100              /' 58,92 = 42,43%

Максимальная растворимость кислорода в штейне 6%. Примем содержание кислорода в штейне 2%.

На основании этих данных получаем следующий предварительный состав штейна Си42,4325,0Fe30,5718,01 S254.730221,18

Для определения кислорода, связанного с магнетитом конвертерного шлака, примем, что все железо штейна переходит в конвертерный шлак состава,%: 2,3 Си, 1,4 S, 25 Si02,35 Fe, 11 02,6 А1203Л9.3 прочие. Количество конвертерного шлака составит 18.01 / 0,35 = 51,46 кг

Определим количество магнетита в конвертерном шлаке по отношению кислорода к железу В FeO

02: Fe= 16/55,85 = 0,286 В Fe304

02: Fe = 64/ 167,55 = 0,382

Из полученных соотношений составляем уравнение 11 0,286х + (35 - х).0,382,

Где х - количество железа, связанного в виде FeO 35 - х количество железа, связанного в виде Fe304 Отсюда х = 24,69 кг

С этим железом связано кислорода 24,69.16/56,85 = 7,07 кг В Fe304 количество железа равно 35-24,69= 10,31 кг Количество кислорода 10,31.64/167,55 = 3,94 кг

Итого в конверторном шлаке содержится магнетита 10,31 + 3,94 = 14,25 кг или 14,25%

С конвертерным шлаком поступит магнетита

18.01.0.                      1425              /0,35 = 7,33 кг Практически он весь переходит в штейн.

По данным практики примем, что извлечение меди из конвертерного шлака в отражательной печи составляет 85%. В штейн из конвертерного шлака перейдет меди

51.46.0.                              23.0.85              = 1,01 кг

На основании расчетов состав штейна при плавке огарка с заливкой конвертерных шлаков будет следующим Cu43,426,01Fe30,0518,01 S24.5814,73021,971,18

Расчет количество флюсов для ведения плавки на заданном составе шлаков

Требуется подсчитать количество известняка, необходимое для плавки огарка, состав которого,%: 5 Si02,50 СаО, 40 С02,5 прочие.

Плавка ведется на отвальный шлак с содержанием 8% СаО. Конвертерный шлак в жидком виде заливают в печь.

Для расчета плавки примем, что все железо штейна переходит в конвертерный шлак, выход которого на 100 кг концентрата равен 51,46 кг. Для расчета состава шлака составляем предварительный баланс плавки (таблица 4).

Таблица 4 - Предварительный баланс плавки

Из баланса выводим предварительный расчетный состав шлака, переводя все железо в FeO

Fe038,9543,36MgC>0,580,66 Si0215,2117,2Cu2,052,32 СаО 0.580,66S0.520,59 AI2039,1710,37прочие21,9824,84

Для уменьшения плотности шлака и снижения содержания меди по условиям расчета в шихту вводим известняк с получением шлаков, содержащих 8% СаО. На практике обычно сумма FeO + СаО + Si02 + А1203 + MgO в заводских шлаках составляет 93-96%.

Для нашего случая примем, что эта сумма равна 95%.

Тогда FeO + Si02 + А1203 + MgO = 87%. Тогда по отношению составляем уравнение

Из которого находим, что х = 10,58 кг

В 10,58 кг известняка содержится 0,53 кг Si02,5,29 кг СаО, 4,23 кг С02Д53 кг прочих. На

основании расчетов получаем состав отвального шлака

FeO38,3541,3MgO0,580,62

Si0215,7416,95Cu0,50,54

СаО 5.876,32S0,130,14

А12039,179,88прочие22,5124,25

С учетом полученных данных составляем материальный баланс плавки огарка с заливкой конвертерного шлака и добавкой известняка (таблица 5).

Таблица 5 - Материальный баланс плавки

Заключение
В курсовой работе обоснована необходимость переработки медного концентрата в отражательной печи с предварительным обжигом. В работе выполнен расчет материального баланса обжига, материального и теплового балансов процесса отражательной плавки, расчет процесса конвертирования штейна, огневого и электролитического рафинирования черновой меди.
Из теплового баланса можно сделать вывод, что к. п. д. печи (тепло штейна и шлака) составляет 42,59%. Основным источником потерь тепла являются отходящие газы. Использование тепла отходящих газов на производство пара и подогрев воздуха позволит повысить коэффициент использования тепла до 60-65%. Сквозное извлечение меди при переработке сырья предложенным способом составляет 74,99%.
 

Список литературы
1.                Худяков И.Ф., Тихонов А.И., Деев В.И., Набойченко С.С. Металлургия меди, никеля и кобальта. Т1. – М.: Металлургия, 1977
2.                Ванюков А.В., Уткин Н.И. Комплексная переработка и никелевого сырья. – М.: Металлургия, 1982
3.                Технологические расчеты в металлургии тяжелых цветных металлов / под ред. Н.В. Гудимы. – М.: Металлургия, 1977
4.                Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А. Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов. – М.: Металлургиздат, 1963

ПЛАН.

1.      Введение

2.      Расчет

3.      Заключение

4.      Список литератур