практические работы


Комитет образования и науки Волгоградской области
Государственное бюджетное профессиональное
образовательное учреждение
«Волгоградский колледж управления и новых технологий»
32385026479500
Практические работы
«Металлургия цветных металлов»
Студент группы ЦМз-17/11
Болдырева П.С.

Вариант: 2
Волгоград-2017
Практическая работа №1.
Изучение физических и химических свойств цветных металлов
Температура плавления меди – 1084,5 °С.
Температура плавления никеля – 1455 °С.
Температура плавления свинца – 327,4 °С;
Температура плавления цинка – 419,5 °С.
Температура кипения меди – 2540 °С;
Температура кипения никеля – 2900 °С.
Плотность меди при температуре 20 °С – 8940 кг/м3;
Плотность свинца при температуре 20 °С – 11340 кг/м3.
Плотность свинца при температуре плавления – 10680 кг/м3;
Плотность никеля при температуре плавления – 7900 кг/м3.
Удельное электросопротивление меди при18 0С – 1.78 Ом*м;
Удельное электросопротивление свинца при18 0С – 20.8 Ом*м.
Основными потребителями меди и ее соединений являются:
1) электротехника и электроника (провода, кабели, обмотки электродвигателей,
токоподводящие шины, детали радиоэлектронных приборов, фольга для печатных схем и др.);
2) машиностроение (теплообменники, опреснительные установки и др.);
3) транспорт (детали и узлы железнодорожных вагонов, автомобилей, самолетов, морских и речных судов, тракторов и т.д.);
4) строительные материалы (кровельные листы, детали декоративных архитектурных украшений);
5) химическая промышленность (производство солей, красок, катализаторов);
6). изделия и приборы бытового назначения (детали часов, посуда, скобяные изделия, детали холодильников, стиральных машин и бытовых электроприборов, декоративные изделия и украшения и др.);
7) сельское хозяйство (ядохимикаты — медный купорос).
Соотношение между количествами потребляемой меди отдельными областями техники зависит от уровня социально-экономического развития отдельных стран. В промышленно развитых странах до 4 5 . . . 55 % общего производства меди расходуется на нужды электротехники и электроники. Наиболее крупными производителями меди являются США, Япония, Чили, Замбия, Бельгия, ФРГ и Канада. Основными потребителями меди до сего времени остаются промышленно развитые страны. Однако в последние годы все в большей степени проявляется тенденция увеличения доли потребляемой меди в развивающихся странах.
С серой медь образует два сульфида: сернистую (CuS) и полусернистую (Cu2S) медь.
Сернистая медь при температурах выше 400- 450 0С разлагается на полусернистую медь и элементарную серу:
4CuS → 2Cu2S + S2.
При температурах красного каления медь окисляется, образуя CuO.
При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО2, медь окисляется и покрывается зеленой пленкой основного карбоната (CuC03-Cu(0H)2), являющегося ядовитым веществом.
Практическая работа №2.
Выбор сырьевых материалов на основе их свойств , их расчет.
Цветные металлы условно делят на пять групп:
1) Основные тяжелые металлы: медь, никель, свинец, цинк и олово. Эти металлы являются наиболее важными среди цветных металлов по своему значению и объему производства.
2) Малые тяжелые металлы: висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт. Они являются природными спутниками основных тяжелых металлов. Обычно их получают попутно, но производят в значительно меньших количествах.
3) Легкие металлы: алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций, стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую плотность (удельную массу) по сравнению с другими металлами.
4) Благородные металлы: золото, серебро, платина и платиноиды (палладий, родий, рутений, осмий и иридий). Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействию окружающей среды и агрессивных сред.
5) Редкие металлы подразделяются на следующие подгруппы:
а) тугоплавкие металлы; вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий и ванадий;
б) легкие редкие металлы: литий, бериллий, рубидий и цезий;
в) рассеянные металлы: галлий, индий, таллий, германий, гафний, рений, селен и теллур;
г) редкоземельные металлы; скандий, иттрий, лантан и лантаноиды;
д) радиоактивные металлы: радий, уран, торий, актиний и трансурановые элеме
По виду присутствующих металлсодержащих минералов руды цветных металлов делят на следующие основные группы:
1) сульфидные, содержащие металлы в форме соединений с серой – сульфидов. К таким рудам в основном относятся медные, медно-цинковые, медно-молибденовые, медно-никелевые и свинцово-цинковые (полиметаллические) руды;
2) окисленные, в которых металлы содержатся в форме различных кислород­содержащих соединений: оксидов, карбонатов, гидроксидов и т.д. Примером таких руд служат алюминиевые, окисленные никелевые, оловянные, некоторые разновидности медных руд;
3) самородные, содержащие металлы в свободном (металлическом) состоянии. В самородном состоянии в природе встречаются золото, серебро, медь, платина, висмут и ртуть;
4) сделанные, в которых металлы могут одновременно присутствовать в сульфидной и окисленной формах, а иногда и в самородном состоянии (медные руды);
5) хлоридные, содержащие металлы в форме солей хлористоводородной кислоты. Из таких руд, в частности, извлекают магний, а также ряд других легких и редких металлов.
Наиболее распространенный металл в земной коре – алюминий, 8,05%.
К вторичному сырью относят отходы металлообрабатывающей промышленности, бракованные и отслужившие свой срок металлические детали и изделия, различный металлический лом, бытовой утиль и т.д.
Наиболее материалоемкими подотраслями цветной металлургии являются твердо­сплавная (~ 80 % от общих затрат), медная (~ 70 %) и свинцово-цинковая (~ 64 %).
Наиболее энергоемкая подотрасль цветной металлургии — алюминиевая (~ 40 %).
Общие требования к качеству металлургических шихт сводятся к следующему:
1) постоянство химического состава;
2) однородность по химическому, минералогическому и гранулометрическому составам;
3) оптимальная крупность компонентов шихты;
4) оптимальная влажность.
Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения концентраты и вторичное сырье.
Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов, содержащих медь в количестве, %:
Халькопирит CuFeS3 – 34,5
Ковеллин CuS – 66,4
Халькозин Cu2S – 79,8
Борнит Cu5FeS4 – 63,3
Малахит СиСО3· Си(ОН)2 – 57,4
Азурит CuC03-2Cu(0H)a3 – 55,1
Куприт CuO – 88,8
Хризоколла CuSi03-2H20 – 36,2
Самородная медь Си, Au, Ag, Fe, Bi и др. – до 100 %.
В цветной металлургии степень (доля) удаления серы в технологических процессах называется степенью десульфуризации.
Химический состав руды:
вариант Cu, % Fe, % Zn, % S, % SiO2, % CaO, % Прочие
2 3,6 34 4,1 47,8 6 2,5 2
В руде присутствуют минералы: халькопирит (CuFeS2), пирит (FeS2), сфалерит (ZnS), кварц (SiO2) и известняк (CaCO3).
Расчет фазового состава, как и другие металлургические расчеты, удобно вести на 100 единиц массы исходного материала (100 г, 100 кг, или 100 т). Следует отметить, что все расчеты проводят обычно по законам стехиометрии, т.е. по химическим формулам и уравнениям химических реакций.
В данном случае расчет можно начинать с любого материала, кроме пирита, так как железо содержится в двух материалах, а его распределение между ними пока неизвестно. Начнем расчет с определения количеств халькопирита и содержащихся в нем элементов. Количество халькопирита и содержащихся в нем элементов.
Количество халькопирита определяем по атомным и молекулярным массам компонентов, входящих в состав данного минерала: 63,6Cu входит в 183,4 CuFeS2, тогда 3,6 кг Cu в руде входят в x кг CuFeS2:
x=(183,4∙3,6)/63,6=10,38 кг.
В 10,38 кг халькопирита содержится железа и серы:
(55,8∙10,38)/183,4=3,16 кг;
(64∙10,38)/183,4=3,62 кг.
Определяем количество железа, связанного в пирите:
34–3,16=30,84 кг.
Количество серы в пирите:
(30,84∙64)/55,8=35,37 кг.
Количество пирита:
30,84+35,37=66,21 кг.
Количество серы в сфалерите определяем по разности между исходным содержанием в руде и ее суммарным содержанием в халькопирите и пирите:
47,8–(35,37+3,62)=8,81 кг.
Для проверки правильности заданных исходных данных определяем потребное количество серы, теоретически необходимое для связывания присутствующего в руде цинка в сфалерите:
(32∙4,1)/65,4=2,01 кг.
Теоретическое содержание серы отличается от рассчитанного на 6,8 кг, что составляет 6,8 % от 100 кг исходной руды. Отклонение можно объяснить ошибками исходного химического анализа. Шлакообразующие оксиды при расчете фазового состава обычно на элементы не разлагают. Тогда количество кремнезема в 100 кг руды будет численно равно его процентному содержанию по химическому анализу, т.е. составит 6 кг.
В заключение расчета нужно определить количество известняка и оксида углерода (CO2) в нем.
Количество CO2 в CaCO3 равно:
(44,2)∙2,5/56=1,97 кг.
а количество CaCO3:
2+1,97=3,97 кг.
Количество остальных составляющих руды (прочих), не определяемых при химическом анализе, находим по разности
2–1,97=0,03 кг.
Результаты представлены в таблице.
Фазовый состав медной руды
Компонент Минералы Всего
CuFeS2 FeS2 ZnS пустая порода Cu 3,6 – – – 3,6
Fe 3,16 30.84 – – 34
Zn – – 4,3 – 4,3
S 3,62 35,37 8,81 – 47,8
SiO2 – – – 6 6
CaO – – – 2,5 2,5
CO2 – – – 1,97 1,97
Прочие – – – – 0,03
Итого: 10,38 66,21 13,11 10,47 100

Практическая работа №3.
Технологические схемы металлургических процессов Схема процесса производства меди.Принципиальная технологическая схема выплавки штейна способом Аусмелт
0-6350
Практическая работа №4.
Расчет материальных потоков металлургических процессах
1.Расчет расхода воздуха и количества дымовых газов при горении природного газа.
Расчет ведем согласно законам стехиометрии.
Расчет ведем на 100 м3 природного газа следующего состава, % (объемн.): 82,5 CH4, 17,1 C2H4 и 0,4 N2.
При расчете пользуемся законом Авогадро, согласно которому в равных объемах всех газов содержится равное число молекул, что позволяет сразу подсчитать объем потребного кислорода:
CH4+2O2→CO2+2H2O;C2H4+3O2→2CO2+2H2O.
Потребуется кислорода, м3:
Для сгорания CH4……….……………..82,5∙2=165
Для сгорания C2H4…………….………….....17,1∙3=51,3
Всего……………………………………………..…..216,3
С кислородом поступит азота. В воздухе содержится 79% азота и 21% кислорода.
Тогда содержание азота получаем.
216,3:21∙79=813,7 м3.
Теоретическая потребность в воздухе
216,3+813,7=1030 м3.
Теоретически в продукты сгорания переходит:
м3 % (объемн.)
CO2…………….….82,5+17,1∙2=116,7 10,32
H2O……………...82,5∙2+17,1∙2=199,2 17,62
N2 ………………………...813,8+0,4=814,2 72,03
Всего…………………………………..1130 100,0
Дли расчета фактического расхода воздуха и выхода продуктов сгорания необходимо учесть избыток воздуха, при котором ведется сжигание топлива, и его подсос за счет неполной герметизации аппаратуры.

2. Расчет состава и количества медного штейна.
Предположим, что плавке подвергается 100 кг медного концентрата состава, %: Си 18; Zn 1,2; Fe 34,1; S 39,8; Si02 4,4; СаО 1; прочие 1,5. Требуется рассчитать состав и количество получающегося штейна при плавке в нейтральной атмосфере (вариант 1) и в окислительных условиях (вариант 2).
Вариант 1. Плавка в нейтральной атмосфере. Для расчета принимаем: десульфуризация при плавке равна 55 %, извлечение меди в штейн 96 %, цинка 40 %, содержание в штейне прочих 1 %.
При десульфуризации 55 % в штейн перейдет 45 % серы, содержащейся в концентрате, т.е. 39,8 • 0,45 = 17,91 кг.
Тогда из 100 кг концентрата при среднем содержании серы в медных штейнах, равном 25 % (правило Мостовича), получится
штейна 17,91:0,25 = 71,64 кг.
В штейн перейдет:
меди 18 • 0,96 = 17,28 кг (содержание в штейне 24,12 %);
цинка 1,2 • 0,4 = 0,48 кг;
кислорода 71,64 • 0,055 = 3,94 кг (штейн, содержащий ~ 24,1 % меди, содержит - 5,5 % кислорода);
прочих 71,64 *0,01 = 0,72 кг;
железа (по разности) 71,64 - (17,28 + 17,91 + 0,48 + 3,94 + 0,72) = 31,31 кг
Результаты расчета с целью сравнения сведем в табл. 1 после выполнения расчетов по 2-му варианту плавки.
Вариант 2. Плавка в окислительных условиях. Для расчета принимаем; получающийся штейн должен содержать 40% меди, извлечение меди в штейн 95%, цинка 60 %, содержание в штейне прочих 1 %, кислорода 3 % (при содержании меди в штейне, равном 40 %).
Количество меди, перешедшей в штейн составит: 18 • 0,95 = 17,1 кг.
Общее количество штейна с учетом 40 %-ного содержания меди будет:
(17,1 • 100)/40 = 42,75 кг.
В этом количестве штейна по правилу Мостовича будет содержаться серы:
42,75 • 0,25 = 10,69кг.
Степень десульфуризации в этом случае составит:
[(39,8 — 10,69) / 39,8] • 100 = 73,14 %.
В штейн перейдет:
цинка 1,2 • 0,6 = 0,72 кг,
кислорода 42,75 • 0,03 = 1,28 кг,
прочих 42,75 • 0,01 = 0,43 кг,
железа 42,75 - (17,1 + 10,69 + 0,72 + 1,28 + 0,43)= 12,53 кг
При сопоставлении результатов расчетов двух вариантов плавки концентрата одного и того же состава в нейтральной атмосфере и в окислительных условиях, приведенных в табл. 1, можно видеть, что во втором случае увеличение содержания меди в штейне в 1,9 раза (40 24,1) за счет увеличения десульфуризации до 72,2 % ведет к уменьшению во столько же раз его выхода.
Из этого следует, что для получения более богатых штейнов из одного и того же концентрата, необходимо любым способом повышать степень десульфуризации.
Таблица.1 Расчетный состав и количество штейна при плавке медного концентрата в нейтральной (вариант I) и окислительной (вариант II) атмосферах
Компоненты Количество штейна
Вариант 1(кг/%) Вариант 2(кг/%)
Сu 17,28 24,12 17,1 40
Zn 0,48 0,67 0,72 1,68
Fe 31,31 43,7 12,53 29,3
S 17,91 25 10,69 25
O2 3,94 5,5 1,28 2,99
Прочие 0,72 1 0,43 1
Всего 71,64 100 42,75 100

3. Расчет выхода и состава огарка.
Примем, что обжигу подвергается 100 кг концентрата состава, %: Cu – 18; Zn – 1,2; Fe – 34,1; S – 39,8; SiO2 – 4,4; CaO – 1; прочие–1,5.
Исходные данные для расчета: степень десульфуризации 80 % окисляется 1/3 цинка; в огарке остается 2/3 прочих; потерями меди при обжиге пренебрегаем. Тогда количество серы, остающейся в огарке, составит:
39,8∙(100 - 80)/100 = 7,96 кг.
Количество серы в оставшемся сульфиде цинка
(1,4∙2/3∙32)/65,4 = 0,46 кг.
Количество потребленного кислорода для окисления цинка в ZnO
(1,4∙1/3∙16)/65,4 = 0,11 кг.
Количество серы, связанной с медью в Cu2S:
16∙32/(2∙63,55) = 4 кг.
Количество неокислившейся серы, связанной с железом:
8,14 - (0,46 + 4) = 3,68 кг,
тогда количество оставшегося в сульфидной форме железа составит
3,68 ∙ 55,85/32 = 6,42 кг,
а железа, перешедшего в оксидную форму:
34,8 - 6,42 = 28,38 кг.
Для окисления железа до Fе2О3 потребуется кислорода:
28,38 ∙ (3∙16)/(2∙55,85) = 12,19 кг.
Всего для окисления железа и цинка потребуется 12,19 + 0,11 = 12,3 кг кислорода. Тогда в огарке будет содержаться, кг: 16 Cu; 1,4 Zn; 34,8 Fe; 8,14 S; 12,19 O2; 4,6 SiO2 ; 1 CaO ; 1,0—прочие.
Общая масса огарка будет равна 79,63 кг, т. е. выход огарка от массы исходного концентрата составит 79,63 %. Состав огарка будет следующим, %: 20,1 Cu; 1,77 Zn; 43,7 Fe; 10,2 S; 15,3 O2; 5,8 SiO2, 1,26 CaO, 1,87 – прочие.
Как видно из расчета, степень обогащения огарка медью по сравнению с исходным концентратом невелика и составляет всего 20,1:16 =1,25.
78168525019000
Практическая работа №5.
Расчет материального баланса металлургического процесса
Расчет материального баланса плавки на штейн.
Проведем расчет состава и количества отвального шлака и расхода флюсов на плавку.
Расчет проведем для концентрата и штейна, рассмотренных в примере практической работы №4.
Для расчета примем следующие условия:
Отвальный шлак должен содержать 38 % SiO2 и 7 % CaO.
В качестве флюсов используем: кварц (100 % SiO2), известняк (CaCO3), содержащий 57 % CaO (ост. - CO2).
Безвозвратные потери для упрощения расчета не учитываем.
С учетом перешедших в штейн и газы компонентов концентрата в шлак перейдет (см работу№4 по варианту2 ):
Cu………………………………………………...18-17,1=0,9 кг
Zn …………………………………………….. 1,2-0,72=0,48 кг
Fe …………… …………………………... 34,1-12,53=21,57 кг
SiO2……………………………………………………….. 4,4 кг
CaO…………………………………………………………..1 кг
Прочие……………………………………….. 1,5-0,43=1,07кг
Всего……………………………………………………..29,42кг
Такой шлак, полученный без добавки флюсов, называется самоплавким. Иногда самоплавкий шлак удовлетворяет требованиям данного вида плавки, и флюсы в этом случае в шихту не добавляют.
Проверим, удовлетворяет ли получающийся самоплавкий шлак заданным условиям. Для этого определим процентное содержание, по крайней мере, двух заданных компонентов. В самоплавком шлаке будет содержаться: (4,4:29,42)×100=14,955 % SiO2 и (1:29,42) ×100=3,40 % CaO.
Эти цифры говорят о том, что шлак не будет удовлетворять заданным условиям. Для получения шлака, содержащего 38 % SiO2 и 7 % CaO, необходимо ввести в шихту флюсы — кварц и известняк.
Расчет флюсов произведем методом балансовых уравнений. Обозначим потребное количество кварца через x, а известняка через y.
Тогда масса конечного шлака может быть выражена уравнением (29,42+x+0,57y) кг, где 29,42— масса самоплавкого шлака.
В том количестве шлака будет содержаться: (29,42+x+0,57y)∙0,38 кг SiO2 и (29,42+x+0,57y)∙0,07 кг CaO.
Эти количества двух основных шлакообразующих компонентов в шлаке нужно приравнять к их количествам в исходной шихте. Они соответственно составят: (4,4+х) кг SiO2 и (1+0,57y) кг СаО.
Составим балансовое уравнение:
по SiO2 (29,42+x+0,57y)∙0,38=4,4+х
1589405-648970002715260-10096500
количество SiO2 в шлаке SiO2в шихте
по СаО (29,42+x+0,57y)∙0,07 = 1+0,57y.
2959735-211455001589405-66738500
СаО в шлаке СаО в шихте
Решив эти два уравнения с двумя неизвестными, получим: x=12,195 кг и у=3,608 кг.
С известняком поступил СаО:
3,608∙0,57 = 2,056кг СаО.
Проверим правильность выполненного расчета, определив состав отвального шлака
кг %
Cu…………………… 0,9 2,06
Zn………………. 0,48 1,09
Fe…………………. 21,57 49,39
SiO2…………………. 16,595* 38
CaO…………………. 3,056** 6,99
Прочие…………… 1,07 2,45
Всего……………… 43,67 100,0
*4,4+12,195=16,595 **1+2,056=3,056.
Приведенные выше данные о содержании в конечном шлаке SiO2 и СаО говорят о правильности выполненного расчета.
Определим потребность в кислороде для окисления железа, цинка и серы.
76454022415500Потребность в кислороде, кг:
для окисления Fe в FeO.......... (21,57/57)∙16=6,05
для окисления Zn в ZnO.......... (0,48/65,4)∙16=0,12
для окисления S в SO2............. (31,7/32)∙32=31,7
Всего......................................... 38,51кг
40,7-9=31,7 40,7кг- содержание серы в концентрате (работа №4), 9 кг- содержание в штейне (работа №4)
С этим количеством кислорода с воздухом поступит азота: (38,51/21)∙79= 144,87 кг.
Общее количество воздуха с учетом коэффициента избытка α=1,1 будет равно: (38,51 + 144,87)∙1,1 =201,72кг.
В этом количестве воздуха будет содержаться 39,61 кг кислорода и 149 кг азота.
В технологические газы перейдут SO2, N2, избыточный кислород и СО2, выделившийся при разложении известняка. Общее количество образовавшихся газов и их состав приведены в табл. 1
Таблица 1. Количество и состав технологических газов
Компонент кг м3 %(объемн.)
SO2 36,3+36,3=72,6 72,6:64∙22,4=25,4 15,7
N2 166,8 166,8:28∙22,4=133,4 82,4
O2 44,4*1,1)-(44,4+0,85)=3,5 3,5:32∙22,4=2,5 1,5
CO2 2,75-1,54=1,2 1,2:44∙22,4=0,6 0,4
Всего: 244,1 161,9 100
По результатам расчетов, практической работы №4 составим предварительный материальный баланс плавки (табл. 2), в котором не учтены топливо и топочные газы, образующиеся при его сжигании.
Таблица 2. Предварительный материальный баланс плавки, кг
Материалы и продукты плавки Всего Cu Zn Fe S SiO2 CaO CO2 O2 N2 Прочие
Поступило: концентрата 100 16 1,4 34,8 40,7 4,6 1 - - - 1,5
кварца 12,313 - - - - 12,313 - - - - -
известняка 5,765 - - - - - 3,23 2,535 - - -
воздуха 183,38 - - - - - - - 38,51 144,87 -
Всего 301,458 16 1,4 34,8 40,7 16,913 4,23 2,535 38,51 144,87 1,5
Получено: штейна 38 15,2 0,84 11,44 9 - - - 1,14 - 0,38
шлака 46,983 0,8 0,56 23,36 - 16,913 4,23 - - 1,12
газов 213,5 - - - 31,7 - - 2,535 34,395 144,87 -
Всего 298,483 16 1,4 34,8 40,7 16,913 4,23 2,535 35,535 144,87 1,5
Расхождения в поступившем сырье полученных продуктов составляет 2,975 кг это 0,99% допускается расхождение 2.
78486019812000

Приложенные файлы

  • docx 26721879
    Размер файла: 124 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий