Тигельная плавка для руд I класса

Лекция 8. Тигельная плавка для руд I класса

План

1. Плавка кварцевых руд.
2. Плавка основных руд.
3. Плавка глинистых руд.
4. Пример табличного расчета шихты по известному химическому составу руды.

         Для пробирного анализа руды оцениваются в зависимости от состава и количества содержащихся в них окислов, образующих шлак (категория), и от величины их окислительной или восстановительной способности (класс).

         К 1 классу относятся кислые и основные руды. В кислых рудах преобладающими компонентами являются кварц и силикаты. В основных рудах преобладают оксиды металлов, большей частью в виде карбонатов (иногда сульфатов).

         Поскольку тигельное плавление по своей физико-химической сущности – это растворительно-восстановительное плавление, расчеты состава шихты проводятся по двум направлениям:

1. Определение типа требуемых флюсов и их необходимого количества для получения шлака определенной кислотности;

2. Расчет процесса восстановления коллектора благородных металлов при определении расхода выбранного восстановителя

Плавка кварцевых руд

            Кварцевые руды принадлежат к числу наиболее простых руд, встречающихся в пробирной практике. В рудах этого класса количество SiO₂ редко превышает 80-90 %, остальное составляют CaO, MgO, Al₂O₃, Fe₂O₃  в большем или меньшем количестве. Для ошлаковывания этих оснований добавляют буру в качестве кислого флюса.

Рекомендуемые материалы

         Кварцевые руды обычно содержат небольшое количество сульфидов. Основные реакции шлакообразования для этого типа руд сводятся к следующим уравнениям:

nРbО + mSiO₂ = nРbО·mSiO₂,

nNa₂CO₃ + mSiO₂ = nNа₂О·mSiO₂ + СO₂ .

            Бисиликаты дают достаточно легкоплавкие и жидкие шлаки и к тому же они требуют меньше флюсов, чем более основные шлаки.

            При плавке кварцевой руды шихта обычно состоит из следующих компонентов: навесок руды, соды, глета, буры (небольшого количества ее для обеспечения необходимых условий плавки) и восстановителя. При относительно низком содержании кремнезема иногда в шихту добавляют стекло.

         Для руд с невысоким содержанием сульфидов количество восстановителя определяют по предварительной пробе.

Определение количества восстановителя по предварительной пробе

         Сначала определяют восстановительную способность восстановителя, для чего 1-3 г восстановителя плавят по следующей шихте: соды – 5 г; стекла – 8 г; глета – 60 г; вин. камень – 4 г; буры – 1 г.

         Затем определяют характер руды предварительной плавкой 10 г ее по шихте, примерно того же состава, как шихта окончательной пробы.

         Например, шихты предварительной пробы:

 № 1 для кварцевых руд:               № 2 для основных руд:

руды ……………..10 г;               руды ………………..10 г;

соды……………...10 г;               соды………………..10 г;

глета………………50 г;             глета………………..50 г;

буры……………….2 г;              буры…………………5 г;

вин. камень………..2 г.              вин. камень………….2 г;

                                                      кремнезем……………8 г.      

         Предположим, что вес полученного веркблея при плавке по шихте № 1 будет 12 г, восстановительная способность винного камня пусть определена  5, т. е. 1 г винного камня способен восстановить из глета 5 г свинца. Если бы руда была вполне нейтральной, то, взяв в шихту 2 г винного камня, мы должны были получить 5 · 2 = 10 г свинца, а получено 12, следо-вательно 10 г руды восстановили 12 - 10 = 2 г свинца, и восста-новительная способность руды будет 2 : 10 = 0,2 г свинца. Если для окончательной пробы взять навеску 50 г, то руда восстановит 0,2 · 50 = 10 г свинца, для получения веркблея в 28 г нужно вос-становить еще 28 - 10 = 18 г свинца, для этого потребуется 18 : 5 = 3,6 г винного камня.

Плавка основных руд

         При плавке основных руд необходимо добавлять кислые флюсы (кремнезем и буру), чтобы получить легкоплавкий шлак. Количество буры, вводимое в шихту, возрастает с увеличением содержания оснований.

         Ввиду того, что силикаты железа, марганца, кальция и магния требуют высокой температуры для расплавления, их ошлаковывают с помощью соды и глета. Сода и глет в смеси с кремнеземом и бурой образуют легкоплавкий шлак, в котором растворяются силикаты трудноплавких окислов.

         Степень кислотности шлака изменяется от би- до сесквисиликата. При плавке на моносиликат имеется опасность неполного разложения руды. Для плавки основных руд соду берут в количестве, равном массе навески. Такое же количество берут и глета.

Для облегчения расчетов в таблице 1 приведены эквивалентные соотношения количеств SiO₂, приходящихся на 1 г оксидов металлов, карбонатов и сульфидов при различном типе и кислотности шлаков.

Таблица 1

Составы шихт для плавления материалов I класса

            Общее количество SiO₂, необходимое для ошлакования компонентов руды и добавляемых флюсов по выбранному типу шлака, устанавливают с помощью таблицы эквивалентов (см. табл. 2).

            Затем из известного количества SiO₂ вычитают сум-марное количество кремнезема, необходимое для ошлакования всех основных компонентов руды. Избыточное количество SiО₂ ошлаковывается основным флюсом (содой или поташом).

Таблица 2

Эквивалентное соотношение количеств SiO₂, приходящих на 1 часть компонентов руды при различном типе и кислотности (К) шлака

При недостатке SiO₂ в навеске дефицитное его количество восполняется введением кислого флюса (буры или стекла). При этом количество вводимой буры не должно превышать 15-20 г при навеске 50 г и 25-35 г при навеске 100 г. Если же требуется кислого флюса больше указанных норм загрузки буры, остальное недостающее количество SiO₂ заменяется тонко измельченным стеклом. При расчете добавок кислых флюсов для шлаков с различной кислотностью рекомендуется пользоваться эквивалентами замены различных видов этих флюсов друг на друга, приведенные в таблице  3.

Таблица 3

Коэффициенты эквивалентного пересчета кислых флюсов

Плавка глинистых руд

         Из всех оксидов оксид алюминия представляет наибольшие трудности для шлакования. Окись алюминия делает шлаки вязкими и тугоплавкими. Температура плавления А1₂О₃ выше 2000°С. Поэтому все возможные силикаты алюминия представляют собой вязкие смеси.

         Введение в плавку оксида кальция несколько снижает минимальную температуру таких шлаков. Так, в системе СаО – Al₂O₃ смесь, содержащая около 50 % СаО, имеет температуру плавления порядка 1395ºС. Известь способствует шлакованию глинозема

         Лучшими флюсами для ошлакования глинозема является бура и оксид бора, но они дают вязкие шлаки. Поэтому при плавке глинистых руд в состав шихты вводят известь в количестве около 40 % от массы каолина (глины) и избыток буры (до 50 % и более от навески).

         Весьма эффективно понижают температуру плавления глиноземистых шлаков соли плавиковой кислоты. При значительном содержании в руде А1₂О₃ прибавляют 5-10 г плавикового шпата СаF₂, криолита Nа₃АlF₆, 3NаF·АlF или какой-либо другой соли плавиковой кислоты.

Пример расчета состава шихты для плавления кварцевых руд

         Рассмотрим на конкретном примере расчет состава шихты для плавления указанного материала.

         Предположим, необходимо проанализировать золото-содержащую руду следующего состава (%): SiO₂ – 82,0; CaO – 6,8; FeO – 3,6; MgO – 1,0; FeS₂ – 1,6; потери при прокаливании  5,0. В материале содержится всего 1,6 % пирита, обладающего восстановительной способностью по отношению к глету. В основном (на 82 %) материал представлен кварцем. Можно считать, что данный материал относится к первому классу.

         В процессе плавления пирит окислится и в присутствии восстановителя перейдет в FeO. Поэтому необходимо скорректировать количество оксида железа (II), переходящего в шлак. Количество FeO, получаемого при окислении пирита, составляет на 100 г исходного материала:

FeS₂  →  FeO

120 - 72

1,6  -  х

 (г) FeO

Общее количество FeO, переходящее в шлак: 3,6 + 0,96 = 4,56 г.

  При расчете шихт плавления прежде всего принимаются некоторые исходные данные, в частности, величина навески материала для плавки, кислотность шлака, количество вводимой буры (если она необходима), количество глета и выход получаемого металлического свинца (веркблея). Необходимая навеска материала на плавление принимается, исходя из ожидаемого содержания золота, на основе данных таблиц 2 и 3 или оценивается самостоятельно. Например, ожидаемое содержание металла в пробе находится на уровне 5 г/т (5 мг/кг). Точность пробирных весов составляет 0,01 мг. Для большей надежности увеличим массу получаемой при анализе конечной золотой корточки на порядок (0,1 мг). Тогда минимально требуемая навеска материала составляет 0,1/5 = 20 г. Принимаем массу навески на одно плавление в 50 г.

         Ранее отмечалось, что при пробирном анализе материал лучше плавить на основной шлак, который является более легким и низкотемпературным и характеризуется меньшей вязкостью и повышенной жидкотекучестью. Однако в данном случае такое плавление по экономическим соображениям неприемлемо. В анализируемой пробе содержится 82 % кремнезема. Для получения субсиликатного шлака (К = 0,5) необходимо в плавку на 50 г материала ввести основного флюса (соды) в количестве:

SiO₂ + 4Na₂CO₃ = 4Na₂O·SiO₂ + 4CO₂

SiО₂ → 4Nа₂СО₃

60 – 4 ·106

0,5· 82  -  х

(г) Nа₂СО₃,

то  есть почти 300 г соды на одну плавку. Поэтому приходится плавить на кислый шлак.

            Принимаем для плавки бисиликатный шлак (К=2). Понятно, что в этом случае получаемые шлаки будут вязкими и тугоплавкими. Чтобы разжижить шлаки (снизить их температуру плавления) необходимо в шихту ввести буру, которую для этих целей на навеску в 50 г дают в количестве 10 - 20 г. Примем загрузку буры Nа₂О·2В₂О₃ = 15 г. Количество глета PbО как поставщика коллектора обычно принимается в пределах 40-60 г. Примем расход глета в 60 г, а ожидаемый выход металлического свинца в 28 г. Итак, для расчета процесса шлакообразования имеются следующие исходные данные: навеска материала – 50 г (в ней содержится SiO₂ – 41 г, FeO – 2,28 г, MgO – 0,5 г, СаО – 3,4 г); кислотность получаемого шлака К=2; расход глета – 60 г; загрузка буры – 15 г; выход свинцового сплава – 28 г.

         Рассчитываем расход SiO₂ на связь со всеми оксидами металлов навески материала и избытком глета для получения бисиликатного шлака:

1. Расход SiO₂ на связь с оксидом кальция:

CaO → SiО₂

56 - 60

3,4 - х

(г) SiО₂.

2. Расход SiO₂ на связь с оксидом железа:

FeO → SiO₂

72 - 60

2,28 – y

(г) SiО₂.

3. Расход SiО₂ на связь с оксидом магния:

MgO → SiО₂

40 - 60

0,5 – z

(г)  SiО₂.

4. Расход SiО₂ на связь с избытком оксида свинца. Прежде всего, необходимо найти то количество глета, которое представляет собой избыток по отношению к заданному выходу свинцового сплава. Для получения 28 г металлического свинца требуется глета:

Рb → РbО

207 - 223

28 – g

 (г) PbО

         В шихту было задано 60 г оксида свинца. Следовательно, избыток глета оставляет 60 - 30,2 = 29,8 г PbО. Это количество глета и должно быть связано с оксидом кремния в бисиликат:

PbО → SiО₂
223 - 60

29,8 - u
 (г)

         Общее количество кремнезема, которое свяжется с оксидами металлов, составит:

= x + y + z + u = 3,64 + 1,90 + 0,75 + 8,00 = 14,3 г.

В материале, поступающем на плавление, содержится 41 г SiO₂ . Избыток кремнезема составляет 41 - 14,3 = 26,7 г. Это количество SiO₂ необходимо связать в бисиликат с помощью основного флюса – соды :

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂O· SiO₂ + СО₂

Na₂CO₃ – SiO₂

106 - 60

n - 26,7

(г) Na₂CO₃.

            Дополнительно в шихту введен кислый флюс – бура Nа₂О·2В₂О₃ в количестве 15 г. Его также необходимо связать в борат аналогичной кислотности с помощью соды. Реакция выглядит следующим образом:

Nа₂О·2В₂О₃ + 2 Na₂CО₃= 3 Nа₂О·2В₂О₃ + 2 СО₂,

Nа₂О·2В₂О₃ → 2 Na₂CО₃
202 - 2·106

15 - b
(г) Na₂CО₃.

Общий расход соды на плавку составит :

 г Na₂CО₃

         Рассчитываем процесс восстановления металлического свинца из глета. Предварительно установленная восста-новительная способность применяемого древесного угля составила ВС_угля = 21 г Рb, а бумажного пакета – ВС_пакета = 4 г Рb. Дополнительно необходимо учесть, что в исходной навеске материала (50 г) содержится 0,8 г пирита FeS₂, восстановительная способность которого составляет 11,05 г Рb. Следовательно, 0,8 г пирита восстановят 11,05 - 0,8 = 8,84 г свинца. Поскольку плавку проводим в бумажном пакете, необходимо еще учесть его действие. Тогда без угля в процессе плавления уже восстановится 8,84 + 4 = 12,84 г Рb. Для получения 28 г свинца требуется довосстановить 28 - 12,84 = 15,16 г свинца. Это недостающее количество Рb получаем за счет вводимого в шихту древесного угля, необходимый расход которого составляет:

Ещё посмотрите лекцию "16 Построение циклов исходя из инвариантов" по этой теме.

 г С.

         Окончательный состав шихты для плавки:

навеска материала - 50 г; глет - 60 г; уголь - 0,72 г; сода - 63 г; бура - 15 г; пакет; покрышка NaCl.

Контрольные вопросы:

1. В чем  заключается особенность плавления кварцевых руд?
2. В чем заключается особенность плавления основных руд?

3. В чем заключается особенность плавления глинистых руд?