Получение свинца методом восстановительной плавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии

Курсовой работа

По дисциплине: «Металлургия тяжелых цветных металлов»

Получение свинца методом восстановительной плавки

Выполнил:

Булгаков И.К.

Проверил:

Руднева В.В.

Новокузнецк 2019 г



Содержание

Введение

1. Физико-химические основы получения свинца методом восстановительной плавки

2. Технология получения свинца методом восстановительной плавки

3. Расчет шихты агломерационного обжига свинцовых концентратов

Выводы

Список использованной литературы



Введение

Свинец - мягкий пластичный синевато-серый металл. Плотность твердого свинца 11336 кг/м3, поэтому его относят к тяжелым цветным металлам. Основным сырьем для производства свинца являются сульфидные полиметаллические руды, чаще всего свинцово-цинковые и медно-свинцово-цинковые.

Свинец широко применяется в производстве свинцовых аккумуляторов, для изготовления аппаратуры, устойчивой в агрессивных средах и газах. Из свинца изготавливают оболочки электрических кабелей и различные сплавы. Широкое применение нашёл свинец при изготовлении средств защиты от ионизирующих излучений.

Основным методом переработки свинцовых концентратов с целью получения свинца является восстановительная плавка, которая включает в себя две основных стадии: агломерационный обжиг свинцовых концентратов и шахтная восстановительная плавка агломерата.

Целью данной работы является изучение технологии получения свинца методом восстановительной плавки.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи:

1. Изучение физико-химических основ получения свинца методом восстановительной плавки.

2. Расчет шихты агломерационного обжига свинцовых концентратов



1. Физико-химические основы получения свинца методом восстановительной плавки

Главными целями металлургической переработки свинцового концентрата являются следующие: отделение примесей от основных металлов и их спутников; разделение основных металлов друг от друга с получением их в металлическом состоянии; очистка полученного чернового свинца от сопутствующих элементов (рафинирование). Осуществление этих целей происходит пирометаллургическими и гидрометаллургическими способами. Промышленное получение свинца основано на пирометаллургических способах его получения [1-3].

Восстановительная плавка позволяет разделить два основных металла свинцового сырья - свинец и цинк. Принципиальная схема свинцовой восстановительной плавки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Принципиальная схема свинцовой восстановительной плавки

Назначение агломерирующего обжига - подготовить свинцовый концентрат к шахтной плавке на черновой свинец. Подготовка свинцовых сульфидных концентратов к плавке преследует следующие цели:

ь Удаление из концентрата серы путем окисления сульфидного сырья кислородом воздуха. Оптимальная степень десульфуризации зависит от химического состава свинцовых концентратов.

ь В процессе подготовки достигается окускование мелкого материала и получение пористого, газопроницаемого агломерата. Свинцовые концентраты, поступающие на завод с обогатительных фабрик, представляют собой мелкодисперсный материал, который не подлежит загрузке в шахтную печь.

ь При подготовке концентрата к шахтной плаке происходит перевод ценных летучих компонентов в газовую фазу с последующим извлечением их из обжиговых газов.

Не полное удаление серы из шихты, поступающей в плавку, приводит к потерям свинца с сульфидной фазой и снижению извлечения его в черновой металл. Удаление серы проводится путем нагревания концентрата в окислительной атмосфере (при избытке кислорода) до температуры 1000 - 1100 ?С. Между сульфидами металлов и кислородом воздуха протекают химические реакции, которые приводят к окислению сульфидов:

MeS + 2O2 - MeSO4

MeS + 1,5O2 - MeO + SO2

MeS + O2 - Me + SO2

Свинец в агломерате представлен в основном силикатами, ферритами и оксидом (глетом), восстановлеваемые при температуре свыше 1000 ?С до металлического свинца углеродом (коксом) и его производными (оксидом углерода, метаном, природным газом).

В агломерате больщая часть металлов находится в виде оксидов. Восстановление оксидов металлов твердым углеродом (коксом) может происходить в результате протекания реакции:



MeO + C - Me + CO

Для этой реакции необходим контакт между реагирующими веществами. В шахтную плавку поступают только крупнокусковые составляющие шихты, которые загружают в печь последовательно друг за другом, образуя самостоятельные слои по высоте печи. Поверхность контакта между твердым углеродом и оксидами металлов в верхних горизонтах печи незначительна, поэтому роль твердого углерода как восстановителя здесь мала.

Основной восстановитель свинцовой шахтной плавки - оксид углерода. Восстановление оксидов металлов оксидом углерода происходит в результате реакции:

MeO + CO - Me + CO2

Углерод кокса окисляется до СО2 кислородом воздуха в фокусе печи около фурм. В плоскости фурм содержание кислорода в газовой фазе снижается по мере удаления от носа фурм. На рисунке 2 представлен состав газов в плоскости фурменной зоны шахтной печи свинцовой востано-вительной плавки.

Рисунок 2 - Состав газов в плоскости фурменной зоны шахтной печи свинцовой восстановительной плавки.



Образовавшийся СО2 тут же реагирует с избытком раскаленного кокса, в результате чего образуется СО. Поэтому на расстоянии свыше 0,35 м от носа фурм концентрация СО2 стабилизируется на уровне 10 - 15 %, а концентрация СО2 по мере удаления от носа фурм возрастает и достигает 50 % на расстоянии 0,6 м.

Для образования возможно большего количества СО необходим в фокусе печи достаточно высокий слой кокса. При непрерывном дутье высота слоя кокса в фокусе печи определяется его расходом. Следовательно, повышение расхода кокса обеспечивает более восстановительную газовую атмосферу шахтной печи. Напротив, увеличение расхода воздуха на дутье или содержания в нем кислорода снижает восстановительную способность газовой атмосферы шахтной печи.

Увеличение высоты слоя шихты в печи (высота сыпи) способствует повышению восстановительной способности газовой фазы, поскольку при этом возрастает продолжительность ее контакта с коксом при равном его расходе.

Механизм восстановления оксидов металлов СО и Н2 может выглядеть следующим образом. Сначала происходят подвод и адсорбция газообразного восстановителя (СО, Н2) на поверхности оксида металла:

МеОт + СОг - МеОт·СОадс

Далее происходит отрыв кислорода от оксида металла и переход его к адсорбированным молекулам восстановителя с образованием новой металлической фазы:

МеОт·СОадс - Ме · (СО2)адс

Десорбцией продукта реакции (СО2, Н2О) с реакционной поверхности и удалением его в газовую фазу завершается процесс восстановления оксида металла.

Ме · (СО2)адс- Ме + (СО2)г

Скорость первой стадии процесса зависит от величины поверхности оксида металла, парциального давления СО в газовой фазе и скорости газового потока, омывающего куски агломерата.

Увеличение размера кусков агломерата улучшает газопроницаемость шихты, но при этом уменьшаетя реакционная поверхность агломерата. Повышение пористости агломерата увеличивает реакционную поверхность и газопроницаемость кусков агломерата.

Скорость второй стадии главным образом зависит от температуры процесса и типа восстанавливаемого оксида, а скорость третьей стадии - от парциального давления СО2 в газовой фазе и скорости омывающего газового потока.

Таким образом, скорость процесса восстановления оксида металла в целом зависит от совокупности многих факторов. Влияние различных факторов сказывается на разных этапах восстановления оксида металла. В начальный период восстановление сдерживается трудностью формирования новой металлической фазы. По мере увеличения числа центров кристаллизации и роста зародышей кристаллов металла скорость восстановления возрастает. Вследствие бурного восстановления оксида количество его быстро уменьшается, реакционная поверхность резко сокращается и скорость восстановления снижается.

2. Технология получения свинца методом восстановительной плавки

Самый подходящий для выплавки свинца металлургический агрегат - шахтная печь, поскольку в ней легче создать и управлять восстановительной атмосферой. В качестве металлургического топлива при свинцово-шахтной плавке используют кокс, загружаемый в печь послойно с агломератом

Процесс переработки свинцовых концентратов, где в качестве плавильного аппарата применяют шахтную печь, осуществляют по технологической схеме, представленной на рисунке 3.

Рисунок 3 - Технологическая схема переработки свинцовых концентра-тов методом шахтной восстановительной плавки

Агломерирующий обжиг происходит в слое шихты толщиной 200 - 300 мм, через который проходит воздух. Горение шихты протекает в слое шихты по потоку воздуха. Необходимо, чтобы содержание серы, поступающей на обжиг, было не меньше 6 - 8%. Для обеспечения наилучших условий агломерирующего обжига в шихту вводят флюсы. В качестве флюсов вводят известняк, кварц, железную руду, оборотные шлаки и агломерат.

Получаемый при обжиге свинцовый агломерат должен обладать следующими качествами: высокой прочностью; хорошей пористостью; однородным химическим и гранулометрическим составам; содержание серы в агломерате должно составлять 1,5 - 2,5 %, а содержание свинца 45 -55%; соответствовать расчетному химическому составу шихты для последующей шахтной плавки агломерата; температурный интервал размягчения должен составлять 950 - 1000 ?С.

Окислительный обжиг со спеканием шихты проводят на агломерационных машинах. Основой агломерационной машины является движущаяся непрерывная лента, составленная из многих соединенных друг с другом тележек (паллет) с воздухопроницаемым днищем. Для агломе-рирующего обжига свинцовых концентратов используют агломерирующие машины двух типов: с прососом воздуха через слой шихты сверху вниз и продувом шихты воздухом снизу вверх.

На рисунке 4 представлена ленточная агломерационная машина.

Рисунок 4 - Агломерационная машина с прососом воздуха АКМ-50

Шихта агломерирующего обжига поступает в бункер над машиной. Из этого бункера питатель подает шихту в смеситель, в котором она окончательно перемешивается и увлажняется. На многих заводах непосредственно перед загрузкой шихты на паллеты засыпают так называемую постель - слой оборотного агломерата толщиной 20 - 40мм. Это делается для того, чтобы уменьшить опасность приваривания агломерата вытапливаемым свинцом к колосникам паллет. Сверху загружается влажная шихта на движущуюся цепь паллет маятниковым питателем, способствующим распределению шихты по всей ширине ленты машины. Паллеты, загруженные шихтой, проходят под уравнителем, представляющим собой железную плиту, которая перемещается в вертикальном направлении и служит для регулирования толщины слоя шихты на паллетах.

После уравнивания слоя шихта на паллетах поступает под печь для зажигания и воспламеняется. В этот момент паллеты находятся над камерами разрежения, из которых эксгаустером отсасываются газы. Паллеты с обжигаемой шихтой медленно перемещаются вдоль камер разрежения. Благодаря вакууму в камерах воздух просасывается через раскаленную шихту и окисляет сульфиды металлов.

В тонком слое шихты сульфиды металлов, окруженные избытком воздуха, быстро сгорают. Экзотермические реакции обжига выделяют значительное количество тепла, в результате чего обожженная шихта спекается. Форсированный процесс окисления сульфидов металлов и спекания образующихся оксидов металлов идет 20 - 25 мин. Скорость движения паллет зависит от эффективной длины машины. При работе на машине скорость движения паллет регулируется в зависимости от химического состава шихты и ее крупности, а также от принятого режима обжига.

Агломерационные машины с дутьем воздуха через слой шихты устроены и работают следующим образом. В камеры под паллетами со слоем шихты вентилятором нагнетается воздух. Вся рабочая ветвь агломашины снабжена укрытием для сбора обжиговых газов и создания хороших санитарных условий труда в цехе. Пространство под укрытием условно разделено на две зоны: богатого (в зоне интенсивного обжига) и бедного (в хвостовой части) газа.

В области зоны богатого газа расположено 9 дутьевых камер, в которые воздух подают отдельным вентилятором под давлением 3 - 4 кПа, в области бедного газа - 6 дутьевых камер с отдельным вентилятором. Газы из-под укрытия отсасываются раздельно двумя вентиляторами, обеспечивающими разрежение под укрытием около 20кПа.

На рисунке 5 представлены агломерационные машины с дутьем.



Рисунок 5 - Агломерационная машина с дутьем АКМНД-3-75

У дутьевых агломашин отличается узел поджигания шихты. Дутьевые агломашины снабжены тремя питающими бункерами: для постели, зажигательного слоя и основной шихты. Высота слоя постели равна 15-20мм, зажигательного слоя 20-25 мм и основного слоя 200-250мм. Постель приготовляют из оборотного агломерата крупностью 8-15мм. Зажигательный слой представляет собой мелкую фракцию, которую отделяют на грохоте перед загрузкой шихты на агломерационную ленту. Зажигательный горн с газовыми или мазутными горелками расположен между питателями зажигательного слоя и основной шихты.

Зажженный слой, перемещаясь вместе с лентой, уходит под слой основной шихты. Под горном расположена единственная вакуумная камера, разрежение в которой составляет 1-1,5кПа.

Удельная производительность агломашин с дутьем составляет 13-18т/(м2·сут).

Восстановительную плавку проводят в шахтных печах. Шахтная печь представляет собой аппарат с вертикальным рабочим пространством, в которое сверху загружают подготовленную шихту и кокс, а снизу через фурмы подают воздух. В шахте происходит нагрев и расплавление шихты, сопровождаемое химическими реакциями, в итоге чего получают черновой металл и шлак, а иногда штейн и шпейза.

Шахтная печь свинцовой плавки включает в себя следующие основные части: внутренний горн с сифонами, шахта с фурмами, колошник с загрузочным устройством, отстойника.

Внутренний горн расположен на бетонном фундаменте. Стены горна толщиной 600-800 мм выложены из огнеупорного кирпича. Кладка горна заключена в плотный стальной сварной кожух, стянутый металлическими тягами. По длине и ширине горн соответствует размерам печи в области фурм. Горн заполнен расплавом. В нижней его части собирается свинец, а в верхней - шлак. Свинец из горна выпускают непрерывно через сифон. Шлак выпускается из внутреннего горна периодически через специальное отверстие (шпур), расположенное в торце печи немного ниже фурм, или непрерывно через сифон. свинец плавка шлак флюс

На рисунке 6 представлена схема шахтной печи свинцовой плавки.

Рисунок 6 - Схема шахтной печи свинцовой плавки

Шахта печи выполнена из стальных водоохлаждаемых кессонов. Кессоны изготавливают сварными из котельного железа с толщиной внутренней стенки 10-14 мм и наружной 6-8 мм, расстояние между стенками равно 100-150 мм. Воздух в печь попадает через специальные устройства - фурмы, охлаждаемые водой. Фурменные отверстия в кессоне расположены на высоте 300-400 мм от нижнего его края. Диаметр отверстий равен 100-125 мм. Число фурм в печи достигает 30-40. Воздух подводят к фурмам через кольцевой коллектор, соединенный с фурмами гибкими рукавами. Расход воздуха (дутья) колеблется в пределах 25-50 м3/мин на 1 м2 площади сечения печи в области фурм. Давление воздуха, вдуваемого в печь, составляет 13-26 кПа, в зависимости от крупности и пористости перерабатываемого материала.

Колошник необходим для загрузки шихты и отвода газов из печи. Он представляет собой металлический водоохлаждаемый корпус, заполненный огнеупорным кирпичом. Иногда колошник кессонируют. Загрузку материала в печь производят через окна в колошнике, расположенные вдоль длинных сторон печи (по 3-4 с каждой стороны).

В шахтную печь загружают крупнокусковой материал (20-100 мм). Загрузка проходит послойно: слой агломерата, слой кокса, слой агломерата, слой кокса и т.д. Отходящие из печи газы имеют температуру 200-400 °С и содержат значительное количество пыли (8-17 г/м3). После пылеочистки (в циклонах и рукавных фильтрах) их выбрасывают в атмосферу.

Плавку в шахтных печах ведут по двум режимам - с высокой сыпью (4 - 6м) и с низкой сыпью (2,5-3 м). Под высотой сыпи понимают высоту загруженной в печь шихты от уровня фурм до верха [5].

3. Расчет шихты агломерационного обжига свинцовых концентратов

Расчет шихты состоит в определении количественных отношений материалов, поступающих на агломерационный обжиг. При агломерационном обжиге свинцовых концентратов получают офлюсованный (самоплавкий) агломерат, т.е. при расчете шихты предусматривается добавка флюсов в таком количестве, которое позволяет при последующей плавке получать шлак заданного состава, поэтому расчет шихты для агломерации является и расчетом шихты для плавки.

Расчет ведём на 100 кг свинцового концентрата

Состав исходного свинцового концентрата представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав исходного свинцового концентрата

Компонент	Pb	SiO2	Fe	CaO	Zn	Cu	S	Al2O3	Прочие
Содержание, %	50,1	14,5	7,5	2,5	3	1,25	15,2	0,5	5,45

Расчет состава и количества самоплавкого шлака

Принимаем, что все пыли агломерации и шахтной плавки являются оборотными, т.е. при плавке агломерата в шлак перейдут Zn, Fe, SiO2, CaO, Al2O3 и прочие. Zn и Fe в шлаке растворены в виде ZnO и FeO.

Количество ZnO в шлаке:

,

Количество FeO в шлаке:

,

Состав и количество самоплавкого шлака представлен в таблице 2.

Свинцовые заводы работают на различных по составу шлаках, но обычно, чем больше содержание в шлаке ZnО, а также Al2O3, тем меньше должно быть CaO и SiO2, а больше FeO. Исходя из установленных требований к составу шлака общее содержание ZnO и Al2O3 не должно превышать 20-24 %. Общее содержание CaO и ZnO должно быть близко к 28-30 %, а содержание SiO2 и ZnO не более 40 %.

Таблица 2 - Состав и количество самоплавкого шлака

Компонент	Количество, кг	Содержание, %
SiO2	14,5	40
FeO	9,6	26,4
ZnO	3,7	10,2
CaO	2,5	6,9
Al2O3	0,5	1,4
Прочие	5,45	15,1
Всего	36,3	100

Выбор и расчет количества флюсов

Из данных таблицы 3 следует, что самоплавкий шлак не соответствует установленным требованиям. Следовательно, для корректировки состав шлака в шихту агломерации необходимо добавить флюсы. В качестве флюсов используются железная руда и известняк, т.к. самоплавкий шлак является кислым (SiO2 = 40%).

Состав флюсов, %:

Железная руда: Fe - 55, SiO2 - 15;

Известняк: CaO - 54,2, SiO2 - 0,4.

Fe в железной руде находится в виде Fe2O3.

Количество Fe2O3 в железной руде:

,

CaO в известняке находится в виде CaCO3.

Количество CaCO3 в известняке:

,

Вещественный состав железной руды представлен в таблице 3.



Таблица 3 - Вещественный состав железной руды

Компонент	Содержание, %
Fe2O3	78,6
SiO2	15
Прочие	6,4
Всего	100

Вещественный состав известняка представлен в таблице 4.

Таблица 4 - Вещественный состав известняка

Компонент	Содержание, %
CaCO3	96,8
SiO2	0,4
Прочие	2,8
Всего	100

Принимаем, что из флюсов полностью переходят в конечный шлак CaО, SiO2, FeO и прочие, а CO2 и O2 переходят в газовую фразу.

Количество FeO, переходящий в шлак из железной руды:

,

Для расчета количества флюсов зададим следующее соотношение между основными компонентами шлаковой фазы:

, ,

Обозначим необходимое количество известняка и железной руды соответственно х и у.



,

x = 14,7 кг,

y = 12,5 кг.

Количество SiO2 в конечном шлаке:

14,5 + 14,7 0,004 + 12,5 0,15 = 16,4 кг.

Количество CaO в конечном шлаке:

2,5 + 14,7 0,542 = 10,5 кг.

Количество FeO в конечном шлаке:

9,6 + 12,5 0,707 = 18,4 кг.

Количество прочих в конечном шлаке:

5,45 + 12,5 0,064 + 14,7 0,028 = 6,7 кг.

Состав и количество конечного шлака представлен в таблице 5.

Таблица 5 - Состав и количество конечного шлака

Компонент	Количество, кг	Содержание, %
SiO2	16,4	29,4
CaO	10,5	18,9
FeO	18,4	33
Al2O3	0,5	0,9
ZnO	3,2	5,7
Прочие	6,7	12,1
Всего	55,7	100

Расчет состава и количества рудной шихты

Состав и количество рудной шихты представлен в таблице 6.

Содержание серы в рудной шихте составляет 11,9 %, соответственно необходимо для корректировки шихты ввести оборотный агломерат с целью снижения содержания серы.

Таблица 6 - Состав и количество рудной шихты

Расчет количества оборотного агломерата

Обжиг проводим одноступенчатый с возвратом. Содержание серы в окончательной шихте обжиге примем равной 7 %. Разбавляем серу в шихте необходимым количеством оборотного агломерата. Принимаем, что степень обжига в оборотном агломерате составляет 1,5% [4].

Расчет ведем на 100 кг окончательной шихты обжига.

Принимаем x - масса оборотного агломерата, тогда масса рудной шихты (100 - x) кг.

0,119(100 - х) + 0,015х = 7

0,104х = 4,9

х = 47,1 кг.

На каждый 52,9 кг рудной шихты необходимо вводить 47,1 кг оборотного агломерата, т.е. 89 % от количества рудной шихты.

Степень десульфуризации составляет:

Дs = 100%

Принимаем выход агломерата 90 % от массы рудной шихты и 100 % от массы оборотного агломерата.

Sагл = (52,9 0,9 + 47,1) 0,015 = 1,4 кг.

Дs =

Расчет состава и количества окончательной шихты обжига

Количество концентрата в окончательной шихте обжига

,

Количество железной руды в окончательной шихте обжига

,

Количество известняка в окончательной шихте обжига

,

Количество и состав окончательной шихты обжига представлен в таблице 7.



Таблица 7 - Количество и состав окончательной шихты обжига

Компонент	Количество, кг	Содержание, %
Рудная шихта, в т.ч.	52,9	52,9
концентрат	41,6	41,6
железная руда	5,2	5,2
известняк	6,1	6,1
Оборотный агломерат	47,1	47,1
Окончательная шихта	100	100

Принимаем, что влажность шихты составляет 7 % [4], т.е. в окончательной шихте будет содержаться влаги 7 кг.



Выводы

1. Основным методом переработки свинцовых концентратов с целью получения свинца является восстановительная плавка, которая включает в себя основные стадии: агломерационный обжиг свинцовых концентратов и шахтная восстановительная плавка агломерата, рафинирование чернового свинца.

2. Основные задачи агломерирующего обжига:

- наиболее полное удаление серы с переводом соединений свинца в легковосстановимую оксидную форму;

- окускование исходного материала с тем, чтобы сделать его пригодным для последующей переработки в шахтной печи;

3. Целями восстановительной плавки свинцового агломерата являются:

- получение максимального количества свинца в виде чернового металла, в котором концентрируются золото и серебро и растворяются другие ценные металлы (медь, висмут, сурьма, мышьяк, олово, теллур);

- ошлакование пустой породы и перевод в шлак возможно больше цинка, присутствующего в агломерате.

4. Выполнен расчет шихты агломерационного обжига свинцовых концентратов. Степень десульфуризации при обжиге составила 80 %.



Список использованной литературы

1. Гудима, Н.В. Краткий справочник по металлургии цветных металлов / Н.В. Гудима, Я.П. Штейн - М.: Металлургия, 1975. - 534 с.

2. Зайцев, В.Я. Металлургия свинца и цинка / В.Я. Зайцев, В.Е. Маргулис - М.: Металлургия, 1985. - 263 с.

3. Руднева, В.В. Металлургия свинца: практикум / Сиб. гос индустр. ун-т; сост.: В.В. Руднева. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2015. - 29 с.

Размещено на Allbest.ru

...