Расчеты в металлургии свинца, цинка и кадмия

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 662 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра металлургии цветных и благородных металлов t 

Расчеты в металлургии 
свинца, цинка и кадмия 

Учебное пособие 

Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
заслуженного деятеля науки и техники РФ В.П. Быстрова 

Допущено учебно-методическим объединением по 

образованию в области металлургии в качестве учебного 

пособия для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по направлению Металлургия, специальность 

«Металлургия цветных металлов» 

Москва Издательство «УЧЕБА» 2006 

УДК 669.5+73 
Р24 

Рецензент 
д-р техн. наук, проф. И.В. Николаев 

Авторы: Ю.П. Романтеев, А.А. Комков, А.Н. Федоров, С.В. Быстров, Р.П. Хабиев 

Расчеты в металлургии свинца, цинка и кадмия: Учеб. 
Р24 пособие / Ю.П. Романтеев, А.А. Комков, А.Н. Федоров и др.; Под 
ред. В.П. Быстрова. – М.: МИСиС, 2006. – 231 с. 

В пособии изложены расчеты материального и теплового балансов металлургических процессов, а также оборудования стандартных и новых пирометаллургического и гидрометаллургического способов производства свинца, 
цинка и кадмия. Представлены металлургические расчеты технологии извлечения сопутствующего цинку кадмия из наиболее распространенного его сырья – медно-кадмиевых кеков гидрометаллургическим способом с извлечением кадмия из растворов цементационным или электролитическим приемами. 

Предназначено для студентов четвертого и пятого курсов, обучающихся по 
специальности 150102 (1102) «Металлургия цветных металлов», и инженеровметаллургов. Пособие может быть использовано также студентами других факультетов. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины 
«Металлургия тяжелых цветных металлов». 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие 
5 

1. Расчеты в металлургии свинца 
6 

1.1. Восстановительная плавка в шахтных печах 
6 

1.1.1. Расчет процесса агломерирующего обжига 
свинцовых концентратов и полупродуктов 
7 

1.1.2. Расчет процесса шахтной плавки свинцового 
агломерата 
26 

1.1.3. Расчет материального и теплового балансов процесса 
фьюмингования цинксодержащего шлака 
59 

1.2. Расчет материального и теплового балансов плавки 
свинцового сульфидного сырья в процессе Ванюкова 
75 

1.2.1. Конструктивные особенности печи Ванюкова 
76 

1.2.2. Исходные данные для расчета 
77 

1.2.3. Расчет потоков свинца и цинка в процессе Ванюкова 
80 

1.2.4. Расчет материальных потоков окислительной стадии 
87 

1.2.5. Расчет материальных потоков восстановительной 
стадии 
106 

1.2.6. Технологические показатели процесса Ванюкова 
123 

2. Расчеты в металлургии цинка 
124 

2.1. Сырье цинкового производства 
124 

2.2. Технология переработки цинковых концентратов 
124 

2.3. Расчет процесса обжига цинкового концентрата в печах 
кипящего слоя 
125 

2.3.1. Расчет рационального состава цинкового 
концентрата 
125 

2.3.2. Расчет рационального состава обожженного 
цинкового концентрата (смеси огарка и пыли) 
127 

2.3.3. Расчет рационального состава огарка и пыли 
131 

2.3.4. Расчет расхода воздуха 
138 

2.3.5. Расчет количества и состава обжиговых газов на 
выходе из печи 
140 

2.3.6. Расчет теплового баланса печи КС 
140 

2.3.7. Принцип расчета печей КС 
148 

2.3.8. Расчет газоходной системы 
152 

2.3.9. Расчет дымовой трубы и дымососов 
160 

2.4. Расчет процесса выщелачивания цинкового огарка 
162 

2.4.1. Расчет состава и выхода остатков от выщелачивания 
163 

3 

2.4.2. Определение выхода цинка в чушковый металл 
165 

2.4.3. Определение суточного количества потерь и 
материалов 
166 

2.4.4. Расчет медно-кадмиевой очистки растворов 
169 

2.4.5. Расход воды на процесс 
170 

2.5. Расчет процесса электролиза растворов сульфата цинка 
171 

2.5.1. Расчет состава и выхода катодного цинка 
171 

2.5.2. Расчет необходимого количества ванн и катодов 
171 

3. Расчеты в металлургии кадмия 
181 

3.1. Металлургический расчет переработки меднокадмиевых кеков с применением ЦРС 
181 

3.1.1. Технологическая схема получения кадмия из меднокадмиевых кеков, принятая в расчетах 
181 

3.1.2. Металлургический расчет 
183 

3.1.3. Расчет оборудования передела 
199 

3.1.4. Теплотехнический расчет дистиллятора 
204 

3.2. Металлургический расчет переработки меднокадмиевых кеков с электролитическим выделением кадмия 
208 

3.2.1. Технологическая схема получения кадмия из меднокадмиевых кеков 
208 

3.2.2. Металлургический расчет переработки меднокадмиевых кеков 
209 

3.2.3. Расчет оборудования цеха 
227 

Библиографический список 
230 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Решающее значение при ведении технологического процесса получения металла или его соединения имеет правильно выполненный 
металлургический расчет. В каждом переделе необходимо знать количество перерабатываемого сырья, выдаваемого продукта или оборота. 

Расчеты материального и теплового балансов процессов получения цветных металлов из сырья, а также выбор и расчет основного и 
вспомогательного оборудования являются неотъемлемой частью навыков, необходимых инженеру-металлургу в практической деятельности. Методики подобных расчетов приведены в различных учебных пособиях, выпущенных в свет довольно давно. С момента их 
появления в практику металлургии свинца, цинка и кадмия внедрены 
принципиально новые технологии. К ним относятся автогенные 
плавки сульфидного свинцового сырья на черновой свинец. Методика балансовых расчетов таких процессов в специальной литературе 
отсутствует. 

При выполнении расчета необходимо учитывать, что каждая операция имеет свою особенность, имеются определенные потери, часть 
которых научно обоснована, а часть определяется практикой работы. 
Кроме технологических расчетов нужно уметь составлять тепловые 
расчеты, с помощью которых разрабатываются меры, обеспечивающие нормальную работу аппарата. На основе металлургического 
расчета определяется тип установок, их размеры, количество и условия работы. Металлургические расчеты требуют отличного знания 
металлургии и должны сопровождаться составлением материальных 
и тепловых балансов по переделам. Полезна сверка своих расчетов с 
практикой работы заводов и литературными данными. Всякие резкие 
отклонения должны быть тщательно обоснованы. 

В данной работе приведены расчеты материального и теплового 
балансов, а также выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования стандартных способов производства свинца (пирометаллургического) и цинка (гидрометаллургического) как наиболее распространенных. Приведен расчет автогенного способа производства 
свинца в печах Ванюкова. Что касается других способов, то они выполняются аналогично при наличии основных технологических показателей передела. 

5 

1. РАСЧЕТЫ В МЕТАЛЛУРГИИ СВИНЦА 

1.1. Восстановительная плавка в шахтных печах 

Восстановительная плавка – метод получения свинца из предварительно обожженного и спеченного концентрата, выплавляемого в шахтной печи. 

Сульфидный свинцовый концентрат смешивается с флюсами и подвергается окислительному обжигу: 

РbS + 1,5О2 = РbO + SO2. 

При этом окисляются сульфиды и других металлов, а обжигаемая 
смесь спекается, превращаясь в агломерат. Окускованный материал 
необходим для того, чтобы обеспечить возможность осуществления 
плавки в шахтной печи. 

Плавку агломерата в шахтной печи проводят при восстановительной 
атмосфере, т.е. при наличии в печных газах достаточного количества 
оксида углерода – СО, энергично восстанавливающего свинец из окисленной формы: 

РbО + СО = Рb + СО2. 

При рациональной переработке полупродуктов шахтной плавки и 
рафинировочных процессов удается комплексно извлечь из сырья свинец, золото, серебро, медь, цинк, висмут, мышьяк, сурьму, олово и другие металлы. 

Восстановительная плавка в мировой практике является основным 
методом получения свинца из бедных и богатых концентратов и в ближайшем будущем сохранит свое преимущество. К восстановительной 
плавке относится также плавка свинцово-цинкового агломерата в шахтной печи с жидкостной конденсацией цинка (процесс английской фирмы IS). 

Основные обозначения, используемые в расчетах: 
Мk – молекулярная или атомная масса вещества или элемента k; 
G 
– масса исходного материала, продукта, вещества или элемента в них, кг; 

С 
– содержание вещества или элемента в исходном материале, 
продукте, % по массе; 

V 
– объем газообразного исходного материала, продукта, вещества или элемента в них, м3 (при нормальных условиях); 

W 
– влажность исходного материала, % по массе. 

6 

Примеры: 

MPb 

MPbS 

Gк-т 

PbS 

GSPbS 

Gвл 
к-т 

Gс.шл 
ZnO 

Сшт 

Zn 

V SO2 

– атомная масса свинца; 
– молекулярная масса PbS; 

– масса (количество) PbS в концентрате, кг; 

– масса (количество) серы в PbS, кг; 

– масса влажного концентрата, кг; 

– масса ZnO в самоплавком шлаке, кг; 

– содержание цинка в штейне, %; 

– объем SO2 в газах, м3. 

Другие встречающиеся обозначения поясняются в тексте. 

1.1.1. Расчет процесса агломерирующего 

обжига свинцовых концентратов 

и полупродуктов 

Для выполнения расчета процесса агломерирующего обжига необходимо знание рационального состава свинцового концентрата и 
полупродуктов (сырья). 

1.1.1.1. Расчет рационального состава сырья 

Переработке подвергаются свинцовый концентрат и свинцовый 
кек, который поступает на завод с гидрометаллургического производства. Составы материалов на сухой вес приведены в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Состав исходного сырья, % 

Компоненты 

Pb 
Zn 
Cu 
S 
Fe 
SiO2 
CaO 
MgO 
Al2O3 
Прочие 

Итого 

Материал 

Концентрат 

58,50 
3,15 
1,60 
17,20 
6,18 
4,50 
1,50 
1,50 
1,00 
4,87 

100,00 

Кек 
29,63 
10,50 
1,35 
14,55 
4,25 
4,30 
5,20 
0,50 
0,50 
29,22 
100,00 

газ 

7 

Влажность концентрата (Wк-т) составляет 6 %, влажность кека 
(Wкек) – 15 % . 

Выполним расчет рационального состава 100 кг сухого концентрата. 
Для расчета принимаем, что металлы в концентрате находятся в 
форме следующих минералов: свинец в форме галенита (PbS), 
цинк в форме сфалерита (ZnS), медь в форме халькопирита (CuFeS2), 
железо в форме пирита (FeS2) и гематита (Fe2O3). Пустая порода 
представлена известняком (СаСО3), кремнеземом в свободном виде (SiO2) и карбонатом магния (MgCO3). 

Найдем массу галенита: 

к-т 
GP
к
b
-т MPbS 
58,5 239,2 
GPbS = 
= 
=67,53 кг. 

MPb 
207,2 

Количество серы в галените: 

PbS 
GP
к
b
-т
S MS 
67,53 32 
GS = 
= 
=9,03 кг. 

MPbS 
239,2 

Найдем массу сфалерита: 

к-т 
GZ
к n
т MZnS 
3,15 97,4 
GZnS = 
= 
=4,69 кг. 

MZn 
65,4 

Количество серы в сфалерите: 

ZnS 
GZ
к n
т
S MS 
4,69 32 
GS = 
= 
=1,54 кг. 

MZnS 
97,4 

Найдем массу халькопирита: 

к-т 
GC
к u
т MCuFeS2 
1,6 183,35 
GCuFeS2 = 
= 
=4,62 кг. 
MCu 
63,5 

Количество железа в халькопирите: 

CuFeS2 
GC
к u
т
FeS2 MFe 
4,62 55,85 

GFe 
= 
= 
=1,41 кг. 

MCuFeS2 
183,35 

Количество серы в халькопирите: 

CuFeS2 
GC
к u
т
FeS2 2 MS 
4,62 2 32 

GS 
= 
= 
=1,61 кг. 

MCuFeS2 
183,35 

8 

Вся оставшаяся сера связана с железом в пирите: 

GS
FeS 2 = 17,2 - 9,03 -1,54 -1,61 = 5,02 кг. 

Масса пирита составит: 

G 
= G S
eS2 MFeS2 = 5,02 119,85 = 9 4 кг . 

2 
2 M S 
2 32 

Количество железа в пирите: 

G Fe 2 = G F
 к
 e
- т
 S2 M Fe = 9,4 55,85 =4,38 кг 

FeS2 
, 

Все оставшееся железо присутствует в виде гематита: 

GFee2O3 = GF
 к
 e-; - GF
C
e
uFeS2 - GF
F
e
eS2 =6,18-1,41-4,38 = 0,39 кг. 

Найдем количество гематита: 

= G F
F
 e
e2O3 M Fe2O3 = 0,39 159,7 = 56 кг . 

Fe2O3 
2 MFe 
2 55,85 

Количество кислорода в гематите: 

GO
F e 2 O 3 = GFкe-тO - GF
F
 e
e 2 O 3 = 0,56 - 0,39 = 0,17 

e2O3 
кг. 

Найдем массу известняка: 

G C к-т 
G C a O M CaCO3 
1,5 100,1 

агO = 
= 
= 2,68 кг, 
3 
MCaO 
56 1 

GС
 C
O
aC
2
O3=GC
 к a
 т
 CO3-GCC
a
a
O
CO3 = 2 , 6 8 - 1 , 5 = 1 , 1 8 кг. 

Найдем массу карбоната магния: 

к - т 
GMк-тgO MMgCO3 
1,5 
84,3 

GMgCO3 = 
= 
=3,14 
кг, 

MMgO 
40,3 

GСMOg2CO3 = GMк-gтCO3 - GMMggOCO3 = 3,14 
-1,5 
=1,64 
кг. 

На основании расчетов составим табл. 1.2. 

9 

Выполним расчет рационального состава свинцового кека на 
100 кг. 

Для расчета принимаем, что свинец, медь, кальций и магний присутствуют в кеке в виде сульфатных соединений, а цинк и железо – в 
сульфатной и оксидной формах в зависимости от химического состава кека. 

Найдем массу PbSO4: 

к е к 
GP
к
b
ек MPbSO 
29,63 303,2 

Gкек 
= 
Pb 
PbSO4 = 
=43,36 кг. 

Pb 

PbSO4 
M 
207,2 

Количество серы в PbSO4: 

PbSO4 
GP
к
b
ек
SO4 MS 
43,36 32 

GS 
= 
= 
=4,58 кг. 

MPbSO4 
303,2 

Количество кислорода в PbSO4: 

PbSO4 
GP
к
b
ек
SO4 4 MO 
43,36 4 16 

GO 
= 
= 
=9,15 кг. 

MPbSO4 
303,2 

Найдем массу CuSO4: 

кек 
GC
ке
u
к MCuSO4 
1,35 
159,5 

G 
= 
= 
=3,39 кг. 
CuSO4 
MCu 
63,5 

Количество серы в CuSO4: 

CuSO4 
GC
ке
u
к
SO4 MS 
3,39 
32 

GS 
= 
= 
=0,68 кг. 

MCuSO4 
159,5 

Количество кислорода в CuSO4: 

CuSO4 
GC
ке
u
к
SO4 4 MO 
3,39 4 16 

GO 
= 
= 
=1,36 кг. 

MCuSO4 
159,5 

Найдем количество CaSO4: 

кек 
GC
ке
a
к
O MCaSO4 
5,2 136,1 

G 
= 
= 
=12,62 кг. 

CaSO4 
MCaO 
56,1 

11 

Количество серы в CaSO4: 

CaSO4 
GC
ке
a
к
SO4 MS 
12,62 32 

GS 
= 
= 
=2,97 кг. 

MCaSO4 
136,1 

Количество кислорода в CaSO4: 

CaSO4 
GC
ке
a
к
SO4 4 MO 
12,62 3 16 

GO 
= 
= 
=4,45 кг. 

MCaSO4 
136,1 

Найдем количество MgSO4: 

кек 
GM
ке
g
к
O MMgSO4 
0,5 120,3 

GMgSO4 = 
= 
=1,49 кг. 
MMgO 
40,3 

Количество серы в MgSO4: 

G S MgSO4 ^ GMgSO4 -M S ^ 1,49-32 ^ 0,4 кг . 

MgSO4 
1 2 0 , 3 

Количество кислорода в MgSO4: 

G O MgSO4 ^ GMgSO4-3-MO ^ 1,49-316 ^0,59 кг . 

MgSO4 
1 2 0 , 3 

Далее возможны два варианта расчета в зависимости от химического состава кека. 

Вариант 
1. Принимаем, что остаток серы находится в форме 
ZnSO4, оставшийся цинк - в форме ZnO. Все железо - в форме FeO. 

Тогда количество серы в ZnSO4: 

G SZnSO4 ^ G S к е к _ G S
PbSO4 _ G SCuSO4 _ G SCaSO4 _ G SMgSO4= 
1 4 , 5 5 
- 
4 , 5 8 

- 0,68 - 2,97 - 0,4 = 5,92 кг. 
Найдем массу ZnSO4: 

кек 
GS
ZnSO4 MZnSO4 
5,92 161,4 

G 
= 
= 
=29,86 кг. 
MS 
32 

Количество цинка в ZnSO4: 

ZnSO4 
GZ
ке
n
к
SO4 MZn 
29,86 65,4 
GZn 
= 
= 
=12,1 кг. 

MZnSO4 
161,4 

12