 |
Комплексное использование сырья
|
|
|
|
Глава I
ОСНОВЫ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ
ОЦЕНКА СЫРЬЯ
РУДЫ
Без обогащения в СССР перерабатывают окисленные никелевые и частично медно-никелевые сульфидные руды, а также богатые медные пиритные руды. За рубежом развита гидрометаллургическая переработка окисленных медных руд. В Советском Союзе применение этого процесса в ближайшее время в больших масштабах не предусматривается. Окисленные руды предполагается перерабатывать комбинированными процессами, которые находятся в стадии разработки. Поэтому далее этот вопрос не рассматривается. Непосредственная плавка необогащенной руды связана с большими расходами электроэнергии или топлива. К тому же в качестве топлива при плавке руд применяют дорогой и дефицитный кокс. Отсюда следует, что плавку руды можно применять только в особых случаях, например для попутного извлечения серы во время медно-серной плавки. Для предварительной оценки качества руды во всех случаях необходимо знать ее полный химический состав. Сумма всех определенных элементов должна быть близка к 100%. Поскольку состав руды изменяется с глубиной залегания и по простиранию, пробы руды должны быть усреднены в соответствии с ходом горных работ.
Окисленные никелевые руды отличаются низким содержанием никеля и высоким содержанием гигроскопической (до 40%) и кристаллизационной (10–12%) воды. Руды, содержащие более 1,5% Ni, можно оценить как богатые, а содержащие его 0,7–0,8% – как еще промышленные. Как правило, в окисленных никелевых рудах, кроме никеля, содержится кобальт. Отношение содержаний никель: кобальт колеблется в пределах 10–20:1. При повышенном содержании кобальта следует выбирать процесс, обеспечивающий высокое извлечение этого ценного спутника. Основная масса руды состоит из окислов железа (10–70% Fe2O3), кремния (10–80% SiO2), алюминия (4–10% А12О3), магния (1–30% MgO). Содержание прочих элементов (кальция, марганца, титана) обычно незначительно. Серы содержится 0,01–0,02%. Вредной примесью является медь (0,01–0,03%), так как ГОСТ на никель ограничивает ее содержание в товарном металле.
|
|
|
Из основных составляющих руду окислов ценными при содержании выше 40–50% являются окислы железа. Прочие окислы имеют ценность только в перспективе. В настоящее время их значение состоит лишь в том, что они существенно влияют на выбор технологии. Так, при высоком содержании MgO и А12О3 не удается применить гидрометаллургические способы переработки. Сернокислотное выщелачивание отпадает вследствие высокого расхода кислоты, а карбонатно-аммиачное – вследствие низкого извлечения никеля. Отечественные руды по этим причинам не перспективны для переработки хорошо известными гидрометаллургическими способами.
Оценка окисленных никелевых руд (цены примерные*) дана в таблице 1. Предложенный здесь способ оценки руды не бесспорен. Иногда вводят поправки на извлечение металлов, в других случаях производят оценку по ценам на промежуточные продукты (железо в концентрате, кобальт в окиси).
*Глушков Н.Т. – «Цветные металлы», 1967, №10, с 13-18 с ил.
Таблица 1 Ценностная структура окисленных никелевых руд
| Элементы концентрата | Содержание в руде | Цена, руб/т | Ценность | ||
| % | кг/т | руб/т | % | ||
| Железо | 35,0 | 51,9 | |||
| Никель | 1,0 | 37,0 | |||
| Кобальт | 0,1 | 11,1 |
Учитывая, что добыча окисленной руды обходится примерно в 1 руб/т**, можно сказать, что мы извлекли из недр относительно большую ценность. Второй вывод, который следует из ценностной структуры данной руды: при ее переработке надо выбирать технологию, обеспечивающую хотя бы частичное извлечение железа, так как его доля в общей ценности руды высокая.
|
|
|
**Основы металлургии. Т. 1. Ч. 1. М., «Металлургия», 1962. 850 с. с ил.
В заключение рассмотрим влияние на оценку руды содержания SiO2 и MgO. Высокое содержание в руде SiO2 указывает на необходимость расходовать значительные количества известняка на его офлюсование, т.е. плавка будет дорогой. Вести ее, возможно, придется в электропечах. Добавка флюсов необходима и при высоком содержании тугоплавкой MgO, так как редко работают на шлаках, содержащих более 20% MgO. Поэтому плавка магнезиальной руды тоже будет дорогой. Для переработки этих трудных руд разрабатывают новые способы: хлоридовозгонку и сегрегацию.
Сульфидные медно-никелевые руды значительно сложнее по составу, чем окисленные. Ценными спутниками никеля в них являются медь, кобальт, железо, сера, селен, теллур и металлы платиновой группы. Комплексный состав руд повышает их суммарную ценность. Поэтому можно использовать руды, содержащие всего 0,3–0,6% Ni. Обычно такие руды обогащают. Непосредственно в металлургическую переработку поступают руды с 1–2% Ni или более богатые. Высокосернистые руды имеют высокую теплоту сгорания (около 1000 ккал/кг) и могут плавиться автогенно. При оценке сульфидных руд в денежном выражении по приведенной выше методике (золото, серебро и платиноиды оцениваются по международным ценам) ценность 1 т сырья составляет 150–250 руб. Вопрос о непосредственной переработке руд или их обогащении с последующей переработкой концентрата решается на основе экономического расчета. При этом главными факторами в сравнении будут потери металлов во время обогащения и разность энергетических затрат на переработку руды и концентрата. Если из руды удается получить богатый (6–12%) никелевый концентрат при извлечении порядка 85% Ni, то вследствие резкого уменьшения энергетических затрат целесообразно обогащать руду с получением никелевого, медного и пирротинового концентратов.
Если во время обогащения происходят большие потери (извлечение порядка 70%), а концентрат содержит только 4–5% Ni, то более эффективной может оказаться плавка руды без обогащения.
Во время экономической оценки сульфидных руд следует по мере возможности предусматривать извлечение серы с выдачей серной кислоты или элементарной серы. При этом цены на серу следует брать в соответствии с выдаваемой продукцией. Извлечение железа из пирротиновых концентратов следует предусматривать, учитывая местные условия.
|
|
|
Медно-пиритные (колчеданные) руды сложное комплексное сырье. Обычно в них содержатся медь, цинк, сера, селен, теллур, золото, серебро, кадмий. Извлечение железа из этих руд пока не организовано (хотя способы его извлечения разработаны) и поэтому оно не оценивается.
Медно-пиритные руды – богатое сырье (табл. 2), Они содержат 2–4 % Сu; 35–45% S. Содержание цинка в них колеблется от 1 до 5% (соотношение с медью примерно 1:1). По данным X.К. Аветисяна, содержание золота в них составляет около 2 г/т, а серебра 20–30 г/т.
Таблица 2 Ценностная структура медно-пиритной руды
| Элементы концентрата | Содержание в руде | Цена, руб/т | Ценность | ||
| % | кг/т | руб/т | % | ||
| Медь | 2,5 | 26,0 | |||
| Цинк | 2,5 | 15,6 | |||
| Сера | 40,0 | 41,7 | |||
| Золото | 2×10-4 | 0,002 | 5,0 | 10,4 | |
| Серебро | 30×10-4 | 0,030 | 0,2 | 6,3 |
Из представленной ценностной структуры ясно видна необходимость извлечения из медно-пиритных руд серы. Существенную долю в их ценности занимает цинк.
Наиболее современный способ переработки таких руд коллективно-селективное обогащение с промежуточным извлечением крупного золота. В результате такого обогащения получают три концентрата: медный, цинковый и пиритный. Из них на специализированных заводах с большой полнотой извлекают медь, цинк, кадмий, серу, золото, серебро, селен и теллур.
Если обогащение не удается осуществить без значительных потерь, то возможна непосредственная переработка руды, особенно содержащей более 2% Сu, не более 0,5–1,0% Zn и примерно 0,05% As методом медно-серной плавки. В этом случае обеспечивается высокое извлечение меди, серы, золота и серебра (селена и теллура). Цинк и кадмий в значительной мере теряются. Показатели медно-серной плавки могут быть улучшены обогащением дутья кислородом. Все же непосредственная переработка медных руд малоперспективна из-за истощения запасов богатых руд.
|
|
|
КОНЦЕНТРАТЫ
Концентраты цветных металлов являются, как правило, дорогим сырьем. Поэтому потери концентрата при перевозках и хранении недопустимы. Перевозить концентраты следует в контейнерах или плотных мешках, хранить на закрытых складах. Нельзя допускать пыления при перегрузках и во время шихтовки. Образовавшуюся пыль надо улавливать. Содержание основных компонентов в концентратах регламентировано техническими условиями.
Медные концентраты. В отечественной практике большое значение имеют три типа концентратов: халькопирит-пиритный, халькопиритный и халькозин-борнитовый. Состав этих концентратов по основным элементам приведен ниже, %:
| Cu | Fe | S | Пустая порода | |
| Халькопирит-пиритный | 16–22 | 32–34 | 35-40 | 4–10 |
| Халькопиритный | 26–30 | 30–34 | 32-34 | 2–6 |
| Халькозин-борнитовый | 36–40* | 5–8 | 10-14 | 35–42 |
* В некоторых случаях 48-55%.
Характерная примесь в концентратах I типа 4–10% Zn (пo мере совершенствования процесса селективной флотации содержание цинка снижается), второго типа 1–2% Ni (большую часть концентрата этого типа получают из медно-никелевых руд) и третьего типа – по 1,5–2% Рb и Zn (иногда 0,2%). Концентраты I типа содержат золото и серебро, II типа – серебро и платиноиды, а концентраты III типа почти не содержат золота. Серебра в них содержится 150–300 г/т. Примерная ценность концентратов составляет соответственно 300, 350 и 400 руб/т, причем ценностная доля меди составляет 60, 80 и 90% соответственно, серы 11–12 и 3%, золота и серебра 15–20 и около 5%. В сравнении с рудой ценностная структура концентрата значительно изменилась. Уменьшилась доля серы и возросла доля меди (60–90%). Однако задачи, стоящие перед металлургами, не изменились: следует извлекать медь, цинк, серу (по соображениям охраны природы), а также драгоценные и редкие металлы (из пылей). При переработке концентратов I типа можно для ошлакования железа грузить большие количества золотосодержащего кварца. Это тоже элемент их оценки.
Следующим важным элементом оценки качества медных концентратов, в особенности для случая современных и перспективных автогенных процессов плавки, например плавки в жидкой ванне, является их теплота сгорания. Оценочный расчет теплоты сгорания следует делать при условии получения штейна заданного состава. Чем богаче штейн, тем больше тепла выделяется от горения сульфида железа и серы. В настоящее время плавку во взвешенном состоянии ведут на штейн, содержащий 50–60% Сu. В перспективе возможна плавка на черновую медь. Для ориентировочной оценки приводим следующие данные о теплоте сгорания концентратов при плавке на штейн (60% Сu) в расчете на 1 кг концентрата: медно-пиритный 850, халькопиритный 600, борнитовый 50 ккал.
|
|
|
Расход тепла при воздушном дутье на нагрев всех продуктов плавки до 13000С составляет около 1000 ккал/кг, при кислородном дутье – около 650 ккал/кг, так как уменьшается количество газов. Отсюда следует, что ни один из типичных концентратов не обеспечивает автогенности плавки на воздушном дутье. Необходим подогрев дутья до 400–10000С. При кислородном дутье, концентраты I типа плавятся с избытком тепла. Для их автогенной плавки теоретически достаточно обогащения дутья кислородом до 32–40%. Минимальное содержание кислорода, при котором достигается автогенность, называют точкой автогенности.
Для халькопиритных концентратов тепловой баланс на кислородном дутье сводится удовлетворительно. Борнитовые концентраты по расчету можно плавить только на черновую медь. Однако при этом следует рассматривать для сравнения и вариант электроплавки. Извлечение цинка из медных концентратов наиболее эффективно можно организовать, применяя кивцэт-процесс, электротермию и в отдельных случаях фьюмингование шлаков. Кивцэт-процессом можно перерабатывать коллективный медно-цинковый концентрат.
Никелевые концентраты. В результате развития комбинированных схем обогащения из медно-никелевых сульфидных руд получают, как правило, три концентрата: медный, никелевый и пирротиновый, но иногда удается получить только два или даже один коллективный концентрат. Состав пирротинового концентрата достаточно постоянен, медный концентрат охарактеризован ранее. Состав никелевого концентрата, получаемого из руд разных месторождений, заметно изменяется по содержанию меди и пустой породы. Никелевые концентраты резко отличаются по содержанию драгоценных и платиновых металлов. Иногда их ценностью можно пренебречь. В других случаях они составляют значительную долю общей ценности концентрата. Состав никелевых концентратов приведен ниже, %:
| Ni | Cu | S | Fe | Порода | |
| Сернистый | 6–10 | 1–5 | 26–30 | 36–42 | 15–20 |
| Малосернистый | 4–6 | 2–3 | 14–16 | 24–28 | 46–54 |
| Пирротиновый | 0,7–2 | 0,3–2 | 28–30 | 50–56 | 10–14 |
| Автоклавный* | 8–10 | 8–10 | 32–36 | 34–36 | 8–10 |
*Продукт гидрометаллургической переработки пирротинов.
Постоянный спутник никеля в концентратах всех типов – кобальт. Отношение никель-кобальт колеблется в пределах 25–35, в крайних случаях – в пределах 20–50. Пустая порода состоит из SiO2, A12O3, MgO и СаО. Для отечественных концентратов, полученных из вкрапленных руд, характерно повышенное содержание MgO (10–16%), что придает им тугоплавкость.
Во время технологической оценки концентратов серьезное внимание надо обращать на содержание MgO, так как от этого зависит выбор способа плавки.
Пирротиновые концентраты из-за высокого содержания в них серы и железа (их доля в общей ценности концентрата 60–70%) следует перерабатывать гидрометаллургическим способом с высоким извлечением обоих этих элементов, а также никеля и кобальта.
Ценность никелевых концентратов высокая и составляет около 400 руб/т. По теплоте сгорания никелевые сернистые концентраты, учитывая, что их плавят на штейны, содержащие 15–20% Ni, примерно эквивалентны медным халькопирит–пиритным концентратам (850–900 ккал/кг). Малосернистые концентраты имеют теплоту сгорания около 450 ккал/кг. Их автогенная плавка затруднительна.
Цинковые концентраты. Отечественные заводы получают цинк из сульфидного сырья гидрометаллургическим способом. Богатое окисленное сырье (руды, возгоны, получаемые при переработке отвалов старых цинксодержащих шлаков, раймовки, кеки и др.) имеет вспомогательное значение. Однако возгоны отличаются высоким содержанием цинка (60–70%), свинца (10–15%), кадмия (0,5–2%) и редких металлов и являются поэтому высокоценным сырьем. Типичный цинковый концентрат содержит 46–56% Zn, 0,2–0,25% Cd, 30–34% S, 6–12% Fe и по 1–2% Сu и Рb. Серебра содержится в нем 150–200, золота 1–2 г/т; количество пустой породы невелико. Из редких металлов цинковые концентраты содержат индий и германий. При этом для отечественных концентратов большее значение имеет индий. При оценке качества цинковых концентратов следует учитывать содержание в них вредных примесей: мышьяка, фтора, хлора, кобальта, никеля и сурьмы. Удорожает переработку концентратов присутствие в них железа (более 4–6%) и меди (более 1,5%). Ценность концентратов значительно возрастает при наличии в них индия (цена около 0,2 руб/г) и германия (цена около 1 руб/г). Примерная ценностная структура цинковых концентратов дана в таблице 3.
Таблица 3 Ценностная структура цинковых концентратов
| Элементы концентрата | Содержание в руде | Цена, руб/т | Ценность | ||
| % | кг/т | руб/т | % | ||
| Цинк | 65,7 | ||||
| Кадмий | 0,25 | 2,5 | 8,1 | ||
| Сера | 7,6 | ||||
| Медь | 1,5 | 3,6 | |||
| Свинец | 1,5 | 2,4 | |||
| Редкие металлы | – | – | – | 3,1 | |
| Благородные металлы | – | – | – | 9,5 |
Из всех рассмотренных нами до сих пор видов сырья цинковые концентраты оказались наиболее ценными.
Их ценностная структура весьма интересна. Примерно 35% приходится на кадмии, серу и другие элементы. Это указывает на необходимость комплексного использования цинковых концентратов с высоким извлечением всех спутников. Учитывая присутствие в концентрате ртути, селена, теллура, таллия, из него можно извлечь 11–15 элементов. Теплота сгорания цинковых концентратов составляет около 1100 ккал/кг из-за практически полного окисления сульфидов. Обжиг в кипящем слое даже при воздушном дутье происходит с избытком (20–25%) тепла.
Свинцовые концентраты. Содержание свинца в них составляет 35–75%, серы 15–25% (табл. 4). Кроме того, в них имеются: цинк, медь, кадмий, сурьма, олово, мышьяк, висмут, золото и серебро. По данным проф. Ф.М. Лоскутова, золота в свинцовых концентратах содержится 5–10, серебра 350–900 г/т. Отмечается и присутствие таллия, индия, селена. Для отечественных концентратов Можно принять следующее усредненное содержание основных составляющих: 50–54% Рb; 6–10% Zn, 16–20% S, 8% Fe, 3% Сu, 2% примесей, 10% пустой породы. Отдельные концентраты содержат до 70% Рb и соответственно меньше спутников, например 2–4% Zn и 1,5–2% Сu. Это концентраты высших марок. Из примесей мышьяк следует пока отнести к числу вредных.
Таблица 4 Ценностная структура свинцовых концентратов
| Элементы концентрата | Содержание в руде | Цена, руб/т | Ценность | ||
| % | кг/т | руб/т | % | ||
| Свинец | |||||
| Цинк | 7,6 | ||||
| Медь | 4,3 | ||||
| Сера | 2,4 | ||||
| Благородные металлы | – | – | – | 20,0 | |
| Сурьма | 1,0 | 1,4 | |||
| Олово | 1,0* | 14,3 |
* В отечественных концентратах содержание олова ниже
Из приведенных данных видно, что свинцовые концентраты очень ценное сырье. Поэтому должно быть организовано самое тщательное хранение запасов концентрата на складах и контейнерные перевозки на всех видах транспорта. Пыль из концентрата и заводских оборотов надо улавливать.
Свинцовый концентрат – комплексное сырье. Его переработка должна сопровождаться извлечением спутников, на долю которых в нашем примере приходится около 50% общей ценности концентрата. Особенностью свинцовых концентратов является высокое содержание в них серебра. Доля серы в общей ценности концентрата невелика, но ее следует извлекать с целью охраны окружающей среды. К тому же это, по опыту отечественных заводов, экономически эффективно. Теплота сгорания свинцовых концентратов составляет 550–600 ккал/кг, что с избытком обеспечивает их автогенное спекание на агломашинах с дутьем или плавку в аппарате КИВЦЭТ-ЦС на кислородном дутье. В последнем случае попутно получают богатый сернистый газ.
КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЫРЬЯ
Руды тяжелых цветных металлов обычно содержат несколько тяжелых цветных металлов, редкие и благородные металлы, а также серу. Поэтому до металлургической переработки их обогащают с целью получения богатых селективных концентратов.
Однако и селективные концентраты содержат некоторое количество других ценных металлов. Поэтому при металлургической переработке концентратов стремятся, кроме основного металла, извлечь из него и другие ценные компоненты.
Извлечение любого компонента из сырья определяется процентным отношением массы металла в полученной продукции к количеству его в сырье. Технический уровень производства характеризуется не только числом извлекаемых компонентов, но и степенью извлечения каждого из них. Часть суммарной стоимости ценных компонентов переработанного сырья, переведенная в товарную продукцию, называется коэффициентом комплексного использования сырья, его выражают в процентах. При подсчете стоимости ценных компонентов и стоимости товарной продукции цены в обоих случаях принимают одни и те же. Обычно это цены готовой продукции.
Ниже приведен пример расчета коэффициента комплексного использования сырья.
Цену на металлы берут по прейскурантам, в частности по прейскуранту № 02–01 «Оптовые цены на цветные металлы, сплавы и порошки», или пользуются международными ценами.
Требуется подсчитать коэффициент комплексного использования сырья при переработке 100 тыс. т медного концентрата, содержащего 30% Сu; 1,4% Рb; 27% S, а также 100 г/т Bi; 200 г/т Cd; 50 г/т Se; 15 г/т Те; 15 г/т Re.
Извлечение ценных компонентов составляет, %: меди в катоды 97,5, свинца в пыль 70, висмута в пыль 60, кадмия в пыль 70, селена в шлам 63, теллура в шлам 72, рения в перренат аммония 55, серы в серную кислоту 60.
Коэффициент комплексного использования сырья определяем из соотношений стоимостей компонентов в сырье и в товарной продукции (таблица 5):
К = 28024 / 31670,4 / 100 = 88,48%.
Таблица 5. Расчет коэффициента комплексного использования сырья
при переработке 100 тыс. т медного концентрата
| Компоненты | Масса, т | Цена, руб/т | Стоимость компонентов в сырье, тыс. руб. | Извлечение в товарную продукцию | Стоимость компонентов в товарной продукции тыс. руб. | |
| % | т | |||||
| Медь | 97,5 | |||||
| Свинец | ||||||
| Кадмий | 20,0 | 14,0 | ||||
| Теллур | 1,5 | 37,4 | 1,08 | |||
| Сера | ||||||
| Висмут | 10,0 | 5,0 | ||||
| Селен | 5,0 | 3,05 | ||||
| Рений | 1,5 | 0,78 |
* Сера в серной кислоте стоит примерно 110 руб/т
МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СЫРЬЯ
|
|
|
