DISCIPLINA : Ingineria proceselor de obţinere a metalelor neferoaseLucrarea de laborator Nr.1

DETERMINAREA COMPOZITIILOR FAZICE ALE CONCENTRATELOR METALELOR NEFEROASE GRELE

1.Noţiuni generale privind calculele metalurgice

In practica si proiectarea metalurgică sunt necesare o serie de date tehnologice curente cum sunt: ponderea diferiţilor componenţi ai sarjei (necesarul de fondanţi ,de aer tehnologic , etc.), cantităţile şi compoziţiile subproduselor si produselor intermediare si finite , necesarul de combustibili , etc.

In ingineria tehnologică, datorită marii complexităţi şi fluctuaţiilor în compoziţia chimică a materiilor prime, deşi cercetatorul şi proiectantul au stabilit iniţial principalele date tehnologice, acestea trebuie recalculate si reactulizate pentru fiecare schimbare majoră ce intervine în tehnologie. Calculele metalurgice au tocmai acest scop de a stabili principalele date tehnologice pornind de la anumite considerente teoretice şi practice şi se bazează pe legile conservării masei şi energiei.

Consideraţiile teoretice, bazate pe calcule termodinamice si coeficienţi de repartiţie interfazică , stabilesc principalele transformări fizico-chimice la care poate participa un anumit compus în cadrul diferitelor procese tehnologice. Considerentele practice se bazeaza pe rezultatele practice obţinute pe aceiaşi instalaţie sau pe alte instalaţii cu o funcţionare asemănătoare.

In acest mod se stabilesc compoziţiile diferitelor produse finale şi intermediare , randamentele de extracţie pentru anumite elemente, gradele de desulfurare, coeficienţii de repartiţie interfazică , etc.

Este de subliniat că o problema metalurgică poate fi rezolvată prin mai multe căi , prezentând din acest punct de vedere o mare elasticitate. Veridicitatea algoritmului urmat este dată de compararea datelor obţinute cu cele practice , de logica presupunerilor făcute şi de corectitudinea calculelor.

Calculele metalurgice , indiferent de metoda de rezolvare adoptată , necesită urmatoarele etape principale:

a).Determinarea compozitiei fazice (raţionale) a materiilor prime.

Materiile prime utilizate în metalurgia neferoasă , minereurile si concentratele , reprezinta un amestec complex de minerale utile si sterile. De regulă acestea sunt insoţite de buletine de analiză chimică în care se mentionează conţinuturile principalelor elemente si ,mai rar , al unor minerale.

Pentru stabilirea unei tehnologii de prelucrare a diferitelor materii prime , precum şi pentru a putea stabili modul de comportare a unor elemente sau compuşi în timpul procesării , este necesar să cunoaştem nu numai compoziţia chimică a materiilor prime ci şi compoziţia lor mineralogică. Analiza mineralogică fiind mult mai costisitoare se realizeaza mult mai rar.Din acest motiv, de cele mai multe ori, este necesar să calculăm compoziţia mineralogică pornind de la anumite informaţii mineralogice privind natura diferitelor minereuri si concentrate.

1

Compoziţia mineralogică stabilită prin calcul se numeşte compozitie rationala sau compozitie fazica.

b)Adoptarea schemei generale a fluxului tehnologic.

Pe baza compoziţiei chimice si fazice a materiilor prime se stabileşte tehnologia posibilă de prelucrare a acestora.Tehnologia posibilă se stabileste fie experimental , când este cazul unui tip nou de materie primă , fie pe baza datelor din literatura de specialitate.

Dupa alegerea tehnologiei se stabileşte un flux (o ordine) a principalelor faze tehnologice , cu specificarea materialelor necesare si a produselor rezultate din prelucrarea acestora.

c).Bilanturile de materiale si energie.

Pe baza bilanţului de materiale se urmareşte determinarea cantitaţilor si compoziţiilor produselor rezultate din fazele tehnologice pornind de la cantitatea si compoziţia materiilor iniţiale sau verificarea calculelor efectuate. In general, calculele se întocmesc pentru 100 Kg. de materie primă.Când cantitaţile şi compoziţiile principalelor produse şi subproduse se determină pe baza modului de comportare a diferiţilor compuşi şi a repartiţiei interfazice a acestora , bilanţul de materiale se foloseşte pentru verificarea calculelor efectuate. In acest scop bilanţul de materiale pentru fiecare fază tehnologică se realizeaza atât global ,pentru toate elementele , cât si individual pe elemente.De asemenea , se realizeaza bilanţul total pe întrg fluxul tehnologic.

Bilantul termic urmareşte în general stabilirea necesarului de combustibil în vederea atingerii unor anumite temperaturi în agregatele metalurgice. Bilanturile termice se întocmesc prin calcularea întregii cantităţi de căldură care intra în procesul dat (arderea combustibilului , reacţiile exoterme , aportul de caldura al produselor ce alcătuiesc amestecul de sarjă , etc.) precum şi a întregii cantitaţi de căldură care se consuma (transformarile de faza , reacţiile endoterme , conţinutul de căldură al produselor rezultate , etc.).

Datorita simplificarilor inerente care intervin , bilanturile termice au numai un caracter informativ, pentru scoaterea in evidenţă a principalelor surse de consum de căldură şi eventual a căilor de reducere a consumului de combustibil.

2. Compoziţia fazică a concentratelor sulfuroase utilizate în metalurgia cuprului Materiile prime utilizate în pirometalurgia cuprului sunt concentratele cuproase iar ca materiale auxiliare se utilizează cuarţ ca fondant (pentru completarea necesarului de SiO2) în vederea obţinerii unor zguri de compoziţie dată , aer tehnologic , pentru asigurarea reacţiilor de oxidare şi de ardere a combustibililor , combustibili (gaz metan sau păcură ) , pentru obţinerea temperaturii necesare procesului. In afara acestor materiale, în tehnologiile pirometalurgice (în diferitele faze ale tehnologiei) se utilizează o serie de subproduse rezultate din propria tehnologie (prafuri volatile de la topirea pentru mată , convertizare , rafinare termica ) , zguri bogate (de la convertizare si rafinare termică ) , resturi anodice (de la rafinarea electrolitică) sau subproduse si deşeuri rezultate din alte tehnologii .

2.1 Compoziţia fazică a concentratelor In concentratele de natură sulfuroasă cuprul se poate afla sub formă de calcopirita (CuFeS2), bornit (Cu5FeS4), covelină (CuS), calcozină (Cu2S) şi alte minerale complexe . In majoritatea cazurilor calcopirita este mineralul principal, celelalte minerale cu conţinut de cupru fiind în concentraţii nesemnificative.Din aceasta cauza, la stabilirea teoretică a compoziţiei fazice a concentratelor cuproase de natură sulfuroasă , se

2

consideră întreaga cantitate de cupru ca fiind sub formă de calcopirita. In cazul că este necesar să fie luat în considerare şi un alt mineral cu conţinut de cupru (de exemplu covelina sau calcozina) trebuie să se specifice (în baza unor studii mineralogice) distribuţia cuprului între mineralele respective. Cel mai frecvent algoritm de calcul teoretic a compoziţiei fazice are la baza următoarea distribuţie a elementelor sau compuşilor nominalizaţi în compoziţia chimică:

Cu<=>CuFeS2

Fe<=>FeS2 , Fe7S8 , CuFeS2

Pb<=>PbS Zn<=>ZnS As<=>As2S3

Sb<=>Sb2S3

Bi<=>Bi2S3

S<=>CuFeS2 , FeS2 , Fe7S8 , PbS , ZnS , As2S3 , Sb2S3 , Bi2S3

CaO<=>CaCO3

MgO<=>MgCO3

SiO2<=>SiO2

Al2O3<=>Al2O3

Calculele se întocmesc pentru 100 Kg concentrat în stare perfect uscată.Pentru determinarea compozitiei rationale teoretice , se fac calcule stoichiometrice bazate pe distributia presupusa, conform următorului algoritm:a).Cantitatea de calcopirita din concentrat: [CuFeS2]c=[Cu]c*MCuFeS2/MCu

-Cantitatea de fier din calcopirită : [Fe]CuFeS2=[CuFeS2]c*MFe/MCuFeS2

-Cantitatea de sulf din calcopirită: [S]CuFeS2=[CuFeS2]c-[Fe]CuFeS2-[Cu]c

b).Cantitatea de galenă din concentrat:

[PbS]c=[Pb]c*MPbS/MPb

-Cantitatea de sulf din galenă : [S]PbS=[PbS]c-[Pb]c

c).Cantitatea de blendă din concentrat :

[ZnS]c=[Zn]c*MZnS/MZn

-Cantitatea de sulf din blendă : [S]ZnS=[ZnS]c-[Zn]c

d).Cantitatea de As2S3 din concentrat:

[As2S3]c=[As]c*MAs2S3/2*MAs

-Cantitatea de sulf din As2S3: [S]As2S3=[As2S3]c-[As]c

e).Cantitatea de stibină din concentrat:

[Sb2S3]c=[Sb]c*MSb2S3/2*MSb

-Cantitatea de sulf din stibină :[S]Sb2S3=[Sb2S3]c-[Sb]c

3

OBS.In calculele metalurgice se folosesc , de regula , urmatoarele notaţii:M-masa moleculara a compusului sau elementului specificat prin indice (pentru calcule simpli-ficate masa moleculară se rotunjeste la valoare întreagă iar pentru calcule mai precise se recoma-nda a se lua valorile cu cel puţin 2 zecimale).In exemplele prezentate masele atomice au fost luate în calcul cu 2 zecimale.[ ]-desemneaza cantitatea din elementul sau compusul înscris între paranteze.-indicii parantezelor arată în ce produs sau compus se află elementul sau compusul din paranteza.

f. Cantitaţile de pirită şi pirotină:

Cantitatea de fier aflat sub forma de calcopirită a fost determinată anterior .Restul de fier din concentrat se va afla sub forma de pirită şi pirotină. De asemenea , a fost calculat anterior sulful aflat sub forma a diverse sulfuri. Restul de sulf se va considera sub forma de pirită şi pirotină.Pentru simplificare facem urmăatoarele notaţii:-cantitatea totală de fier aflat sub formă de pirită şi pirotină =a=[Fe]c-[Fe]CuFeS2 ;-cantitatea totală de sulf aflat sub formă de pirită şi pirotină =b=[S]c-[S]sulful total din celelalte

sulfuri ; x-cantitatea de fier din pirită ; y-cantitatea de sulf din pirită.Conform notaţiilor , rezultă :-Cantitatea de pirită din concentrat : [FeS2]c=x+y-Cantitatea de pirotină din concentrat :[Fe7S8]c=(a-x)+(b-y)Pentru aflarea lui x si y se calculeaza stoichiometric cantitatile de pirita si pirotina in functie de cele 2 necunoscute rezultand un sistem liniar , dupa cum urmeaza:

[FeS2]c=x*MFeS2/MFe=y*MFeS2/2*MS , respectiv: 2*x*MS=y*MFe (1)[Fe7S8]c=(a-x)*MFe7S8/7*MFe=(b-y)*MFe7S8/8*Ms , respectiv : 8*(a-x)*MS=7*(b-y)*MFe (2)

Prin rezolvarea sistemului format din ecuaţiile (1) şi (2) rezultă valorile x si y pe baza cărora se calculeaza cantitaţile de pirită şi pirotină.

g)Cantitatea de CaCO3 din concentrat:

[CaCO3]c=[CaO]c*MCaCO3/MCaO

-Cantitatea de CO2 din CaCO3: [CO2]CaCO3=[CaCO3]c-[CaO]c

h).Cantitatea de MgCO3 din concentrat:

[MgCO3]c=[MgO]c*MMgCO3/MMgO

-Cantitatea de CO2 din MgCO3:[CO2]MgCO3=[MgCO3]c-[MgO]c

i).CO2 total din concentrat:

[CO2]TOTAL=[CO2]CaCO3+[CO2]MgCO3

j).Alte elemente sau compuşi:Prin “altele” desemnăm elementele sau compuşii ce nu au fost nominalizaţi în compoziţia chimică. ”Altele” din compoziţia raţionala diferă de “altele” din compoziţia chimică prin cantitatea de CO2.

[Altele]comp.rationala=[Altele]comp.chimica-[CO2]TOTAL

4

OBS.Algoritmul de calcul prezentat necesita să se îndeplineasca conditiile:x>0 ; y>0 ; a>x ; b>y .Dacă una din aceste condiţii nu se îndeplineşte trebuie reformulată problema în sensul luării în considerare şi a altor compuşi ai cuprului (ca de exemplu CuS sau CuS2)

Cantităţile de SiO2 si Al2O3 din compoziţia raţionala sunt egale cu cele din compoziţia chimică.

3. AplicaţiiFiecare student va efectua un program de calcul a compoziţiei fazice a unui concentrat

sulfuros pe baza algoritmului prezentat şi va exemplifica utilizarea programului realizat la stabilirea compoziţiei fazice a unui concentrat de compoziţie chimică dată.

5

OBS. Rezultatele obţinute se centralizează sub forma unui tabel în scopul ve-rificarii exactităţii calculelor şi a identificării mai uşoare a valorilor diferitelor mărimi ce urmează a fi utilizate mai departe în proiectare.