Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Институт заочно-вечернего обучения Кафедра металлургии цветных металлов Допускаю к защите Руководитель _______________ А.А. Васильев Расчет рационального состава минерального сырья для металлургических предприятий Курсовая работа по дисциплине Металлургические технологии Выполнил студент МЦБ-19-1 __________ Гончарук М.А. Курсовая работа защищена с оценкой ___________________________________ Иркутск 2020 г Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ По курсу «Металлургические технологии» Студенту гр. МЦБ-19-1 Гончарук М.А. Тема работы: «Расчет рационального состава минерального сырья для металлургических предприятий» Исходные данные: 1. Способы переработки сульфидного медного концентрата 2. Качественный состав металлургического сырья: Галенит (PbS); Сфалерит (ZnS); Халькопирит (CuFeS2); Ковеллин (CuS); Борнит (Cu5FeS4); Пирит(FeS2);Арсенопирит(FeAsS);Кварц(SiO2);Кальцит(CaCO3);Доломит(Ca Mg(CO3)2);Магнетит(Fe3O4);Мусковит (KAl2[AlSi3O10][OH]2); Молибденит (MoS2). 3. Химический состав минерального сырья: Al2O3 -0,92%; SiO2 -3,51%; MgO-0,56%; CO2—2,82%; Fe-25,6%; As-0,62%; Pb-1,24%; Cu-28,3%; Mo0,07%; Zn-0,58%; S-28,7%; K2O; Na2O; CaO. 4. Соотношение минералов Борнит: Халькопирит : Ковеллин составляет соответственно 10:80:10. 2 Оглавление Введение ................................................................................................................... 4 1 Теоретическая часть ............................................................................................. 5 1 1 Добыча и переработка меди. ........................................................................ 6 2 Расчетная часть .................................................................................................... 8 2 1 Расчет состава минералов цинка ............................................................... 10 2 2 Расчет состава сульфидов железа .............................................................. 10 2 3 Расчет состава магнетита ........................................................................... 10 2 4 Расчет состава породообразующих минералов ....................................... 11 3 Результаты расчета............................................................................................. 13 Заключение ............................................................................................................ 15 Список использованной температуры ................................................................ 16 3 Введение Для большинства видов сульфидного медьсодержащего сырья применяются пирометаллургические способы переработки после предварительного флотационного обогащения руд. Однако, пирометаллургические схемы переработки концентратов имеют ряд существенных недостатков, так как не обеспечивают достаточной комплексности переработки исходного сырья и ведут к загрязнению окружающей среды в результате выбросов сернистого газа в атмосферу. В последние годы в ряде стран возросло внимание к гидрометаллургическим способам извлечения меди не только из концентратов, но и из забалансового сырья. Извлечение меди по гидрометаллургическим технологиям обычно превышает 93%. Однако, недостаток их состоит в том, что из образующихся кеков трудно извлекать благородные металлы. Применительно к смешанным рудам более перспективны комбинированные процессы переработки медного сырья с предварительной специальной подготовкой, включающей обжиг сульфидного сырья для перевода сульфидной серы в сульфатную и последующие выщелачивание в сернокислых растворах, что приводит к повышению скорости, полноты и селективности выщелачивания меди. Технология позволяет значительно повысить комплексность использования сырья, снизить себестоимость получаемых товарных продуктов и решить экологические проблемы. Такой вариант разработан в МИСиС для получения меди из концентрата месторождения Эрдэнэт. Однако, применительно к сырью Удоканского месторождения эта технология не может быть использована без дополнительных физико-химических исследований процессов взаимодействия компонентов медьсодержащего сырья при его переработке комбинированным методом. 4 1 Теоретическая часть Медные руды - природные минеральные образования, содержащие медь в таких соединениях и концентрациях, при которых их промышленное использование технически возможно и экономически целесообразно. По текстурным особенностям медьсодержащие руды подразделяются на массивные, или сплошные, и вкрапленные. Сплошные руды обычно более богатые, характеризуются высоким содержанием серы, представленной пиритом, в срастании с которым находятся сульфиды меди и цинка. Такими сплошными рудами являются медные и медно-цинковые руды Урала, относящиеся к труднообогатимым рудам. Вкрапленные руды являются более бедными по содержанию цветных металлов, которое в рядовых рудах не превышает 1–2 %, а в бедных – 0,4–1,0 %. В зависимости от содержания меди в перерабатываемой руде медные руды условно подразделяются на богатые (более 2 % Cu), средние (0,8–2,0 % Cu), бедные (0,5–0,8 % Cu) и забалансовые (менее 0,3 % Cu). Медные окисленные и смешанные руды находятся в верхних горизонтах сульфидных месторождений. Эти руды имеют сложный минеральный состав не только вмещающих, но и рудных пород. В них, как правило, одновременно присутствуют карбонаты (малахит и азурит), оксиды (куприт и тенорит), силикаты (хризоколла) и сульфаты (брошантит и халькантит) меди. Окисленные руды характеризуются хрупкостью, землистостью, колломорфной структурой медных минералов. Все это способствует образованию вторичных шламов, которые оказывают отрицательное действие на флотацию. Между ионами кристаллической решетки окисленных медных минералов существует в основном ионная связь, что значительно затрудняет гидрофобизацию поверхности и флотируемость минералов. В зависимости от минерального состава окисленные медные руды можно классифицировать на легкообогатимые (основные медные минералы малахит и азурит), среднеобогатимые (содержащие оксиды и карбонаты) и труднообогатимые (основные медные минералы – хризоколла и куприт). Основными методами переработки смешанных и окисленных руд являются: флотация сульфгидрильными собирателями после сульфидизации поверхности окисленных медных минералов; флотация медных минералов карбоновыми кислотами; комбинированные обогатительно-металлургические процессы; чисто гидрометаллургические процессы. Метод переработки смешанных и окисленных медных руд, основанный на предварительной сульфидизации поверхности окисленных минералов меди, пригоден лишь для легко- и среднеобогатимых руд. Слабо сульфидизируются руды, содержащие только окисленные минералы. Совсем не поддаются сульфидизации хризоколла и другие минералы меди, входящие в состав труднообогатимых руд. Для сульфидизации поверхности окисленных минералов наиболее широко применяется сернистый натрий, иногда сульфид бария или сероводород. 5 1 1 Добыча и переработка меди 90 % первичной меди получают пирометаллургическим способом, 10 % — гидрометаллургическим. Гидрометаллургический способ — это получение меди путём её выщелачивания слабым раствором серной кислоты и последующего выделения металлической меди из раствора. Пирометаллургический способ состоит из нескольких этапов: обогащения, обжига, плавки на штейн, продувки в конвертере, рафинирования. Медные руды и концентраты с большим содержанием серы подвергаются окислительному обжигу. В процессе нагрева концентрата или руды до 700—800 °C в присутствии кислорода воздуха, сульфиды окисляются и содержание серы снижается почти вдвое от первоначального. Обжигают только бедные (с содержанием меди от 8 до 25 %) концентраты, а богатые (от 25 до 35 % меди) плавят без обжига. После обжига руда и медный концентрат подвергаются плавке на штейн, представляющий собой сплав, содержащий сульфиды меди и железа. Штейн содержит от 30 до 50 % меди, 20—40 % железа, 22—25 % серы, кроме того, штейн содержит примеси никеля, цинка, свинца, золота, серебра. Чаще всего плавка производится в пламенных отражательных печах. Температура в зоне плавки 1450 °C. С целью окисления сульфидов и железа, полученный медный штейн подвергают продувке сжатым воздухом в горизонтальных конвертерах с боковым дутьём. Образующиеся окислы переводят в шлак. Температура в конвертере составляет 1200—1300 °C. Интересно, что тепло в конвертере выделяется за счёт протекания химических реакций, без подачи топлива. Таким образом, в конвертере получают черновую медь, содержащую 98,4— 99,4 % меди, 0,01—0,04 % железа, 0,02—0,1 % серы и небольшое количество никеля, олова, сурьмы, серебра, золота. Эту медь сливают в ковш и разливают в стальные изложницы или на разливочной машине. Далее, для удаления вредных примесей, черновую медь рафинируют (проводят огневое, а затем электролитическое рафинирование). Сущность огневого рафинирования черновой меди заключается в окислении примесей, удалении их с газами и переводе в шлак. После огневого рафинирования получают медь чистотой 99,0—99,7 %. Её разливают в изложницы и получают чушки для дальнейшей выплавки сплавов (бронзы и латуни) или слитки для электролитического рафинирования. Электролитическое рафинирование проводят для получения чистой меди (99,95 %). Электролиз проводят в ваннах, где анод — из меди огневого рафинирования, а катод — из тонких листов чистой меди. Электролитом служит водный раствор. При пропускании постоянного тока анод растворяется, медь переходит в раствор, и, очищенная от примесей, осаждается на катодах. Примеси оседают на дно ванны в виде шлака, который идёт на переработку с целью извлечения ценных металлов. Катоды выгружают через 5—12 дней, когда их масса достигнет от 60 до 90 кг. Их тщательно промывают, а затем переплавляют в электропечах. 6 Способ переработки сульфидных медных концентратов включает расплавление шихты в печи взвешенной плавки с использованием теплоты экзотермических реакций, разделение расплава на штейн и шлак, последующее конвертирование целевого продукта на черновую медь и шлак, и дальнейшее трехступенчатое обеднение шлаков в дуговых электропечах с использованием углеродистого восстановителя. Дефицит тепла в процессе взвешенной плавки медного концентрата устраняется путем подачи в печь взвешенной плавки и сжигания в ней потока парогазовых продуктов термического разложения низкосортного твердого топлива (например: бурого угля, торфа или горячих сланцев), которое в виде потока пылевзвеси в газеносителе проходит через печь взвешенной плавки, рекуперативно нагревается до 500-800 oС, в результате чего твердое топливо разлагается на парогазовые продукты (газ, влага, смоляные пары и полукокс), после чего парогазовые продукты отделяют от полукокса и направляют на сжигание в печь взвешенной плавки, а полукокс используют как восстановитель в дуговых электропечах для обеднения шлака, снижаются энергозатраты, обеспечивается возможность применения низкокачественных топлив. 7 2 Расчетная часть Исходные данные для расчета: химический состав медного концентрата представлен в таблице 2.1. В состав сульфидного медного концентрата входят следующие минералы: - Галенит (PbS) - сфалерит (ZnS) - халькопирит (CuFeS2) - ковеллин (CuS) - борнит (Cu5FeS4) - пирит (FeS2) - арсенопирит (FeAsS) - кварц (SiO2) - мусковит (KAl2[AlSi3O10][OH]2) - кальцит (CaCO3) - доломит (CaMg(CO3)2) - магнетит (Fe3O4) Таблица 2.1 -Химический состав сульфидного медного концентрата Al2O3 SiO2 0,92 3,51 MgO 0,56 CO2 2,82 Fe 25,6 As 0,62 Pb 1,24 Cu 28,3 Mo 0,07 Zn 0,58 S 28,7 Соотношение медных минералов Борнит: Халькопирит : Ковеллин составляет 10:80:10 соответственно. Расчет состава медных минералов. Определим распределение меди по соответствующим минералам. Найдем содержание меди в каждом из медных минералов. Используя таблицу Д.И. Менделеева, определяем молярную массу борнита: M (Cu5FeS4) =63,55×5 + 55,85 + 4×32,07 = 501,88 г/моль. Находим содержание меди в борните, используя пропорцию: 501,88 г/моль - 100 % 63,55 г/моль - Х % X = (63,55×100) ÷501,88 = 63,31 % Аналогичным образом находим содержание меди в халькопирите и ковеллине. Находим содержание меди в смеси медных минералов: 63,31 × 10 + 34,63 × 80 + 66,46 × 10 = 40,68 100 Определяем распределение меди между медными минералами: Cu в борните: 63,31×10 40,68×100 Cu в халькопирите: × 100% = 15,56% 34,63×80 40,68×100 8 × 100% = 68,12% Cu в ковеллине: 66,46×10 40,67×100 × 100% = 16,34% Результаты расчета распределения меди по минералам заносим в таблицу 2.2 Таблица 2.2 - Результаты расчета распределения меди по минералам Наименование минерала Соотношение медных минералов в концентрате, % Cu5FeS4 10 CuFeS2 80 CuS 10 Итого смесь медных 100 минералов Содержание меди в минерале, % Распределение меди между медными минералами, % 15,57 68,12 16,34 100 63,31 34,63 66,46 40,67 Определяем содержание меди, приходящееся на каждый минерал концентрата: Cu в концентрате в форме Cu5FeS4 : Cu в концентрате в форме CuFeS2 : 28,3×15,56 100 28,3×68,12 100 = 4,41%; = 19,28%; Cu в концентрате в форме CuS : 28,3-4,41-19,28 = 4,61%; Рассчитываем содержание Fe и S в концентрате, приходящееся на борнит: 55,85×4,40 Fe: = 0,77%; 63,55×5 S: 4,40×32,07×4 63,55×5 = 1,77%; Содержание борнита в концентрате: 4,40+0,77+1,77= 6,94%; Содержание Fe и S в концентрате, приходящееся на халькопирит: 19,27×55,85 Fe: = 16,93%; 63,55 S: 19,27×2×32,07 63,55 = 19, 44%; Содержание халькопирита в концентрате: 16,93+19,44+19,27= 55,64%; Содержание S в концентрате, приходящееся на ковеллин, составляет: 4,63 × 32,07 = 2,33%; 63,55 Содержание ковеллина в концентрате: 4,63+2,33= 6,96%. 9 2 1 Расчет состава минералов цинка Цинк в медном концентрате присутствует в виде одного минерала сфалерита. Содержание цинка в концентрате согласно исходным данным составляет 0,58 %, тогда количество S в концентрате, приходящееся на сфалерит, равно: 0,58 × 32,07 = 0,28%; 65,39 Содержание сфалерита в концентрате: 0,58+0,28= 0,86%. 2 2 Расчет состава сульфидов железа Сульфиды железа в концентрате представлены двумя минералами – пиритом и арсенопиритом. Расчет состава сульфидов железа следует начать с арсенопирита, т.к. данный минерал содержит мышьяк – элемент, который не встречается в других минералах концентрата. Содержание мышьяка в концентрате согласно данным составляет 0,62 %, тогда количество Fe и S в концентрате, приходящееся на арсенопирит, равно: 0,62×55,85 Fe: S: 74,92 0,62×32,07 74,92 = 0,46 %; = 0,27%; Содержание арсенопирита в концентрате: 0,62+0,46+0,27 = 1,35%. Рассчитаем S в PbS, зная содержание Pb: 32,07×1,24 S: = 0,19 207,19 Сера в концентрате присутствует в семи минералах: галените, халькопирите, борните, ковеллине, сфалерите, арсенопирите и пирите. Общее содержание серы в концентрате составляет 28,7 %. Содержание серы, приходящееся на пирит, определим по разнице общего содержания серы в концентрате и содержаний серы в уже рассчитанных минералах: 28,7 – 1,77 – 19,44 – 2,33 – 0,28 – 0,27 – 0,19 – 0,047 = 4,373 %. Тогда содержание Fe в концентрате, приходящееся на пирит (FeS2), составляет: 4,373 × 55,85 = 3,80%. 32,07 × 2 Содержание пирита в концентрате: 4,373 + 3,80 = 8,173 %. 2 3 Расчет состава магнетита Железо в концентрате присутствует в виде пяти минералов: халькопирит, борнит, арсенопирит, пирит, магнетит. Общее содержание железа в концентрате по данным составляет 25,6 %. Содержание железа, приходящееся на магнетит, определим по разнице общего содержания железа в концентрате и содержаний железа в уже рассчитанных минералах: 10 25,6 – 16,93 – 0,77 – 0,46 – 3,80 = 3,64 %. Рассчитаем содержание кислорода в концентрате, приходящееся на магнетит: 3,64 × 4 × 16 = 1,39 %. 55,85 × 3 Содержание магнетита в концентрате: 3,64 + 1,39 = 5,03 %. 2 4 Расчет состава породообразующих минералов В концентрате присутствуют пять породообразующих минералов, из них два минерала относятся к группе карбонатов – доломит и кальцит, еще два минерала – к группе алюмосиликатов (мусковит), последний из породообразующих минералов – оксид кремния (кварц). Рассчитаем состав минералов группы карбонатов. Расчет состава данных минералов следует начать с доломита, т.к. это единственный минерал в концентрате, который содержит в своем составе магний. Зная содержание в концентрате оксида магния и используя таблицу химических элементов Д.И. Менделеева, рассчитаем содержание магния в концентрате: Зная содержание в концентрате оксида магния используя таблицу химических элементов Д.И. Менделеева, рассчитаем содержание магния в концентрате: С(Mg) С(MgO) M(Mg) 0,56 24,31 0,34 %. M(MgO) 24,31 16,00 Тогда содержание Са, С и О в концентрате, приходящееся на доломит (CaMg(CO3)2), равно: 0,34×40,08 Ca: = 0,56%. 24,31 0,34×2×12,01 C: O: 24,31 0,34×6×16 24,31 = 0,34%. = 1,34%. Содержание доломита в концентрате: 0,34 + 0,56 + 0,34 + 1,34 = 2,58 %. Зная содержание в концентрате оксида кальция и используя таблицу химических элементов Д.И. Менделеева, рассчитаем содержание кальция в концентрате: С(С) С(СО2) М(С) 2,82 12,01 0,77 %. М(СО2) 12,01 32,00 Тогда содержание кальция в кальците равно 0,77 – 0,34 = 0,43 %. Отсюда следует что: 0,43×40,08 Ca: = 1,43%. O: 12,01 0,43×3×16 12,01 = 0,83%. Содержание кальцита в концентрате: 11 0,10 + 0,03 + 0,11 = 0,24%. Расчет состава алюмосиликатов следует начать с мусковита, т.к. это единственный минерал в концентрате, который содержит в своем составе алюминий. Зная содержание в концентрате оксида алюминия и используя таблицу химических элементов Д.И. Менделеева, рассчитаем содержание алюминия в концентрате: С(Al) С(Al2O3) 2 М(Al) 0,92 26,98 2 0,49%. М(Al2O3) 2 26,98 16,00 3 Тогда содержание K, Si, О и Н в концентрате, приходящееся на мусковит (KAl2[AlSi3O10][OH]2), равно: 0,49×39,09 K: = 0,24 %. 26,98×3 0,49×3×28,09 Si: O: H: 26,98×3 0,49×12×16 26,98×3 0,49×1,01×2 26,98×3 = 0,51 %. = 1,16 %. = 0,012 %. Зная содержание в концентрате кремнезема и используя таблицу химических элементов Д.И. Менделеева, рассчитаем содержание кремния в концентрате: С(Si) С(SiO 2 ) М(Si) 3,51 28,09 1,64 %. М(SiO 2 ) 28,09 2 16,00 Кремний в концентрате содержится в двух минералах – мусковите и кварце. Содержание кремния в мусковите составляет 1,64 % соответственно, тогда содержание кремния в кварце равно: 1,64 – 0,51 = 1,13 %. Содержание кислорода в концентрате, приходящееся на кварц (SiO2), равно: 1,13×2×16 O= = 1,29 %. 28,09 Содержание кварца в концентрате: 1,53 + 0,27 = 1,80 %. 12 3 Результаты расчета Таблица 3 1 – Результаты расчета рационального состава сульфидного медного концентрата Наименование элемента Al Наименование минерала Si K Mg Ca C Fe As Cu Zn S O H Pb Mo Про чие Итог о Галенит (PbS) - - - - - - - - - - 0,19 - - 1,24 - - 1,43 Сфалерит (ZnS) - - - - - - - - - 0,58 0,28 - - - - - 0,86 Халькопирит (CuFeS2) - - - - - - 16,9 3 - 19,2 8 - 19,4 4 - - - - - 55,6 5 Ковеллин (CuS) - - - - - - - - 4,61 - 2,33 - - - - - 6,94 Борнит (Cu5FeS4) - - - - - - 0,77 - 4,41 - 1,77 - - - - - 6,95 Пирит (FeS2) - - - - - - 3,80 - - - 4,37 3 - - - - - 8,17 3 Арсенопирит (FeAsS) - - - - - - 0,46 0,62 - - 0,27 - - - - - 1,35 Кварц (SiO2) - 1,13 - - - - - - - - - 1,29 - - - - 2,42 Мусковит (KAl2[AlSi3O10][OH]2) 0,49 0,51 0,24 - - - - - - - - 1,16 0,01 2 - - - 2,41 2 Кальцит (CaCO3) - - - - 1,43 0,43 - - - - - 1,72 - - - - 3,58 Доломит (CaMg(CO3)2) - - - 0,34 0,56 0,34 - - - - - 1,34 - - - - 2,58 Магнетит (Fe3O4) - - - - - - 3,64 - - - - 1,39 - - - - 5,03 13 Продолжение таблицы 3.1 Название минерала Наименование элемента As Cu Zn S Al Si K Mg Ca C Fe Молибденит (Mos2) - - - - - - - - - - Прочие - - - - - - - - - Итого 0,49 1,64 0,24 0,34 1,99 0,77 25,6 0,62 28,3 14 O H Pb Mo - - - 0,07 - 0,04 7 - - - - - 0,58 28,7 6,9 0,01 2 1,24 0,07 Про чие 2,50 8 2,50 8 Итог о 0,11 7 2,50 8 100 Заключение Данные исследования позволят выбрать оптимальные параметры переработки руды и минимизировать риски, связанные с недостижением проектных показателей. Кроме того, требуется детальное изыскание климатической характеристики района строительства. Результаты данного изыскания должны быть обязательно учтены при разработке технологического регламента и последующем проектировании и строительстве предприятия. 15 Список использованной температуры 1. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия: учебник для вузов по направлению «Металлургия». Изд. 6-е, перераб. и доп . М.: Академкнига, 2005, –765с. 2. Теория металлургических процессов: учебник для вузов / Г.Г. Минеев, Т.С. Минеева, И.А. Жучков [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010, -367с. 3. Шевелева Л. Д., Пирмагомедов Д. А. // Известия вузов. Цветная металлургия. 1999, -268с. 4. Производство цветных металлов, Уткин Н.И., 2004, - 435с. 16 17
