Расчеты по металлургии тяжелых цветных металлов

Лоскутов Ф.М., Цейдлер А.А.

Металлургиздат, 1963 г.

ПРИНЦИПЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ

Цель расчетов в металлургии цветных металлов — дать ответ на ряд вопросов, возникающих при практическом осуществлении металлургических процессов. Основные вопросы  этой области:

расчет необходимого количества флюсов, топлива и воздуха;

расчет состава и количества получаемых полупродуктов конечных продуктов (шлака, металла) и газов.

Металлургические расчеты производятся в основном по правилам стехиометрии  аналогично подсчету количества получаемых продуктов по химическим реакциям в неорганической химии.

Имеется много методов ведения металлургических расчетов. Каждую металлургическую задачу можно решать разными методами и все будут верны, если они логически правильно построены. Однако результаты расчетов могут быть признаны правильными только, в том случае, если они совпадают с данными практики. Дело в том, что в каждом металлургическом процессе протекает несколько реакций, очень часто не доходящих до конца, и для расчета задаются рядом условных допущений. Например, при пиритной и полупиритной плавке медных, руд и в первой стадии продувки медного штейна в конвертере основной реакцией является окисление и ошлакование сернистого железа:

2FeS + 3O₂+SiO₂ = (FeO)₂*SiО₂+2SО₂ +24608.0 кал.

При продувке медного штейна FeS — жидкость, поэтому реакция доходит почти до конца, так что практически можно .считать, что весь FeS перешел в (FeO)₂-SiО₂. При плавке руды в шахтной печи FeS — твердое вещество и окисляется не полностью; часть его переходит в штейн. Количество воздуха, потребного для окисления FeS, можно считать только по количеству FeS, вступившему в реакцию. Чтобы определить это количество, приходится задаваться некоторыми условиями, разными для разных методов расчета, например десульфуризацией (процентом удаления серы), составом полученного штейна и т. п. Кроме того, часто количество SiO2 считают не по реакции, а задаваясь определенным составом шлака.

Практические коэффициенты, используемые при расчетах.

Необходимо целый ряд допущений и коэффициентов согласовывать с практическими данными металлургических заводов. Это заставляет каждого инженера, занимающегося металлургическими расчетами, следить за литературой по металлургии и записывать интересующие его данные непосредственно по личным наблюдениям, по сообщениям заводского технического персонала и из технических отчетов завода. Составляя какой-либо металлургический расчет, в особенности в дипломных проектах, а также в проектах важных объектов (например, нового завода) наших проектировочных институтов, принято для обоснования выбранного расчета давать таблицу основных показателей, получаемых на разных заводах. Например, выбирая состав шлака, принято давать таблицу составов шлака аналогичных заводов с критическим разбором причин отклонений от средней величины но разным заводам и обоснованием выбираемых цифр.

Точно так же, получая в результате расчета какие-либо продукты или полупродукты (например, штейн, черновой свинец, газы), следует доказать, что их состав соответствует получаемым на практике, для чего приводятся таблицы соответствующих составов из литературы и практики, причем случаи резких отклонений по какому-либо компоненту следует объяснить.

В настоящей книге приводится ряд таблиц составов продуктов и полупродуктов разных металлургических процессов. Пользуясь ими, нужно помнить, что металлургия, как и всякая наука, совершенствуется и развивается; достигнутые сегодня практические коэффициенты и составы полупродуктов могут завтра оказаться устаревшими. Поэтому приведенные таблицы нельзя рассматривать как раз и навсегда пригодные для металлургических расчетов. Таблицы нужно непрерывно пополнять новыми данными, иллюстрирующими достижения в металлургии цветных металлов, и при расчетах обязательно учитывать эти нововведения и улучшения.

СХЕМА ПЕРЕДЕЛА СЫРЬЯ.

Приступая к выполнению любого металлургического расчета, нужно прежде всего установить,, какие материалы перерабатываются, какие процессы должны протекать и какие полупродукты и продукты будут получены в результате операций. Для этого нужно начертить схему передела сырья, выбранную на основе изучения курса металлургии соответствующего металла. Иначе говоря, нужно по порядку записать проводимые операции (обжиг, агломерация, плавка и т. п.), показать, какие материалы и полупродукты вводят в каждую операцию, какие продукты получают и какой состав желательно получить, если такое условие поставлено в данной задаче'. Затем выбирают метод расчета, выявляют, как указано выше, практические коэффициенты, выписывают необходимые для расчета реакции данного процесса и производят расчет.

Схемы передела сырья, реакции и прочие данные подробно разбираются в курсах металлургии цветных металлов.

МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ.

Произведя какой-либо металлургический расчет, его следует проверить. В заводской обстановке, а также при ориентировочных расчетах, такой проверкой иногда пренебрегают, но при  составлении проектов новых заводов и цехов (а тем более в дипломных проектах) следует в тексте расчета обязательно приводить проверку его правильности. Лучшим методом проверки является составление материального баланса процесса, т. е. подсчет суммы весов всех поступающих в данный процесс материалов (приход — загружается) и всех получаемых продуктов и полупродуктов (расход — выпускается). Если баланс не сходится, значит, где-то имеется ошибка.

Для большей точности, а также для облегчения нахождения ошибки материальные балансы очень часто составляют не только по материалам (руда, флюс и т. д.), но и по основным компонентам (медь, свинец, железо, сера, кремнезем и т. п.). Форма балансов дается ниже (в примерах).

Тепловые балансы составляются подсчетом всего прихода тепла в данном процессе (горение топлива, экзотермические реакции, вносится воздухом и т. п.) и всего расхода тепла (уносится продуктами, эндотермические реакции и т. п.). Эти расчеты всегда ориентировочные, ибо приходится делать ряд упрощающих допущений. Например, теплота экзотермических реакций зависит от температуры. Этим обстоятельством обычно пренебрегают, чтобы не усложнять расчеты.

Цель составления теплового баланса — проверка расхода топлива и более глубокий анализ процесса для выявления основных источников расхода тепла и анализа возможностей экономии топлива.

ОБЩИЙ ХОД РАСЧЕТА.

Обычно для производства металлургического расчета задаются 100 кг или 100 т исходного сырья или, в зависимости от задачи и метода расчета, 100 кг или 100 т конечного продукта.

Рекомендуется при расчете всей схемы от начала до конца принимать для каждой операции не 100 кг или 100 г, а количество продуктов, полученных от предыдущей операции. В этом случае при расчете нескольких операций схемы передела получится несколько материальных балансов (по числу операций), сразу же связанных между собой. Начиная расчет со 100 кг или 100 т сырья, можно сразу же выявить количество всех полупродуктов и конечного металла, получаемых на 100 единиц исходного сырья. Если расчет ведется «обратным ходом», т. е. от 100 кг или 100 т металла, то все показатели (в том числе и расход сырья) получаются на 100 единиц конечного металла.

В зависимости от задания или целей расчета полученные материальные балансы по переделам пересчитывают на искомое количество в соответствии с поставленной задачей. Так, например, если задано получить 50 000 т свинца в год, а предварительным балансом установлено, что из 100 т сырья получается 50 г свинца, то все балансы (все приходные и все расходные статьи) нужно умножить на переводной коэффициент, равный заданному количеству, деленному на полученное по расчету (для данного примера 50 000 : 50 = 1000). Таким умножением получают годовые балансы по всем стадиям передела.

В настоящей работе все примеры даются на 100 кг, кроме особо оговоренных случаев; это удобнее для подсчета объема газов. При переходе на заводские балансы (годовые, месячные и суточные), необходимые для расчета грузопотоков и оборудования, составления калькуляций и т. п., можно сразу же получить балансы на 100 т, заменив лишь обозначения килограммов тоннами. Следует только помнить, что количества газов, подсчитанные в кубических метрах, нужно умножить на 1000.

Для расчетов рекомендуем пользоваться логарифмической линейкой [2]. Точность вычислений на логарифмической линейке (первые три цифры) обычно вполне достаточна для металлургических расчетов.

РАЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ РУД И КОНЦЕНТРАТОВ

Руды и концентраты цветных металлов состоят из минералов, содержащих металлы (свинец, цинк, медь, никель, олово, кадмий, железо), и минералов пустой породы, иногда представ имеющих ценность для других отраслей промышленности.

Окисленные минералы пустой породы, состоящие из SiO2. СаО, A1₂O₃, MgO, ВаО в различных, иногда весьма сложных, сочетаниях, обычно в условиях плавки в металлургических печах едут себя так, как если бы они были загружены в лечь в виде ©мрей свободных компонентов. Поэтому такие минералы считают загруженными в виде смеси свободных окислов (SiO2, СaO, Al2O3, MgO, BaO), что значительно упрощает расчет. Это замечание не относится к таким минералам, которые в процессе нагрева до расплавления претерпевают значительные изменения; так, например, СаСО_э, MgCO3, ВаСОз выделяют CO3, aA1203-2SiO2-2H2Oи CaSO₄-2H₂0 выделяют Н₂O и т. п.

Чтобы правильно произвести металлургический расчет, нельзя ограничиваться знанием химического состава исходного сырья и флюсов. Нужно еще знать его минералогический состав и ясно представлять поведение всех минералов в процессе металлургической переработки сырья. Минералогический состав сырья определяется минералогическим анализом (рассмотрением под микроскопом полированных шлифов образцов руды и брикетов из концентрата, посредством паяльной трубки, анализом отдельных кристаллов чистых минералов методами аналитической химии и т. п.).