рационального состава шликеров и шихты для плавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

«Министерство образования и науки Кыргызской Республики»

«Кыргызский Государственный Технический Университет имени И. Раззакова»

«Кыргызский Государственный Университет Геологии, Горного дела и освоения природных ресурсов имени У. Асаналиева»

Курсовая работа

по дисциплине: «Комплексная переработка сырья тяжелых цветных металлов»

Тема: «Расчет рационального состава шликеров и шихты для плавки»

кафедра: «Металлургия и металлургические процессы»

Проверила преподаватель: М.C. Молмакова

Выполнил студент группы М-1-19: Нурлан уулу Илимбек



Содержание

Ведение

Теоритическая основа

Агломерирующий обжиг свинцовых концентратов

Принцип работы агломерационных машин

Описание хода работы шахтной восстановительной плавки

Принцип работы и описание конструкции шахтной печи

Продукты шахтной восстановительной плавки

Переработка шлаков свинцовой плавки

Пирометаллургическое рафинирование чернового свинца

Переработка медных шликеров

Расчет рационального состава шликеров и шихты для плавки

Заключение

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

В цветной металлургии применяют восстановительную, сульфидирующую и окислительную шахтную плавку. При восстановительной свинцовой шахтной плавкой получают черновой свинец, шлак, пыль и газы. При повышенном содержании в агломерате меди и серы образуется также медный штейн. Отходящие газы проходят через электрофильтр или рукавный фильтр, в котором улавливается пыль с повышенным содержанием окислов цинка и свинца. Сульфидирующую шахтную плавку окисленных никелевых руд с добавкой пирита или гипса ведут в слабовосстановительной атмосфере с получением штейна. Окислительная шахтная плавка медных сульфидных руд имеет целью не только получение медного штейна и удаление пустой породы со шлаком, но и окисление части серы сульфидов и удаление её в виде сернистого ангидрида; различают пиритную плавку и полупиритную плавку. Комбинированной окислительно-восстановительной плавкой является медно-серная шахтная плавка с получением элементарной серы.

Свинец - один из немногих металлов, который нашел практическое применение уже в глубокой древности. Широкое применение свинца было обусловлено тем, что он легкоплавкий и пластичный, поэтому его можно было обрабатывать самыми примитивными методами. Были распространены свинцовые сосуды, трубы, кровельные листы, орнаментальные литые изделия. Свинец получали попутно из серебряных руд, выплавляли в горнах.

В настоящее время свинец является важным промышленным металлом. Его свойства: высокая атомная масса и плотность, коррозионная стойкость, пластичность - обуславливают его применение в различных отраслях. Большая часть свинца используется автомобильной промышленностью - для изготовления аккумуляторов. В химической и металлургической промышленности из него изготовляют футеровки агрегатов, работающих в контакте с агрессивными средами. На основе свинца производятся славы: припои, типографские сплавы, баббиты. Кроме этого, свинец используется для изготовления оболочек кабелей, для защиты от жесткого электромагнитного излучения; для приготовления красителей, антидетонационных добавок в топливо и т.д. По выпуску и потреблению свинец занимает четвертое место, после алюминия, меди и цинка.



«Начало всего»

Основным сырьем для производства свинца являются сульфидные полиметаллические руды. Наибольшее распространение имеют свинцово-цинковые и медно-свинцово-цинковые руды. Помимо свинца, в таких рудах обычно содержатся цинк (Zn), медь (Cu), кадмий (Cd), висмут (Vs), золото (Au), серебро (Ar), мышьяк, сурьма, таллий, селен, теллур, германий и индий. В природе встречаются также смешанные и окисленные руды, которые имеют в настоящее время ограниченное промышленное значение.

Важнейшим свинцовым минералом является галенит PbS. В смешанных и окисленных рудах встречаются церуссит РЬС03 и англезит PbS04. Основные сопутствующие металлы в свинцово содержащих рудах присутствуют в форме сфалерита ZnS, халькопирита CuFeSj, гринокита CdS, арсенопирита FeAsS2, пирита FeS2 и пирротина FeS2. Пустая порода представлена различными силикатами и карбонатами.

Свинцовые руды, содержащие менее 8-9 % РЬ, для непосредственной металлургической переработки непригодны. По этой причине практически все добываемые руды подвергаются обогащению методом селективной флотации. При обогащении свинцово-содержащих руд преследуют две цели:

Ш отделить большую часть пустой породы и одновременно разделить основные ценные компоненты по самостоятельным концентратам. Максимально при обогащении полиметаллических руд получают шесть продуктов - свинцовый, цинковый, медный, пиритный и баритовый концентраты и отвальные хвосты.

Ш Селекция металлов по одноименным концентратам, перерабатываемым на соответствующих заводах, обеспечивает упрощение и удешевление технологии их переработки и повышенное извлечение всех ценных компонентов.

На свинцовых предприятиях в качестве сырьевых материалов используют также пыли сернокислотных установок, медеплавильных и цинковых заводов и заводов вторичной металлургии. Для переработки сульфидных свинцовых концентратов применимы в принципе как пирометаллургическая, так и гидрометаллургическая технология. Однако гидрометаллургические способы извлечения свинца вследствии технологического несовершенства, не конкурентоспособны с пирометаллургией и нашли применение в промышленности.

Возможны три метода выплавки свинца из сульфидных концентратов:

I. реакционной,

II. осадительной

III. восстановительной плавкой.

Реакционная плавка известна с древних времен. Классический вариант этого способа получения свинца - горновая плавка пригодна для переработки только очень богатых свинцовых концентратов, содержащих 75 - 78 % РЬ. В основе реакционной плавки свинца лежит принцип частичного окислительного обжига концентрата по реакциям:

2PbS + 3O2 = 2РЬО + 2SO2, PbS+ 2O2 = PbSO4

последующим взаимодействием продуктов обжига с остатком сульфида свинца:

PbS+2PbO=3Pb+SO2 и Pb+PbSO4=2Pb+2SO2

По принципу реакционной плавки в настоящее время получают свинец методом электроплавки и коэффициентным процессом.

Осадительная плавка основана на реакции вытеснения свинца из его сульфида металлическим железом. Хотя осадительная плавка не применяется в настоящее время в промышленности, реакция, лежащая в ее основе, частично реализуется в практике шахтной восстановительной плавки. По указанным причинам современная металлургия свинца практически полностью базируется на использовании технологических схем, включающих восстановительную плавку. Прямое восстановление сульфидов традиционными углеродистыми восстановителями - задача очень сложная и технологически в промышленных условиях не осуществимая. В то же время оксид свинца (глет) очень легко восстанавливается уже при 160-180 ` С даже в слабо восстановительной атмосфере. Чтобы получить металлический свинец методом восстановительной плавки из сульфидных концентратов, их нужно предварительно подвергнуть окислительному обжигу с одновременным спеканием, так как плавку на черновой свинец ведут в шахтных печах. Обожженный агломерат плавят с коксом; свинец при этом восстанавливается по реакции

· РЬО + СО = РЬ + С02.

Примеси с большим сродством к кислороду при плавке образуют шлак, а с малым - восстанавливаются до металлов и растворяются в свинце. Загрязненный свинец, содержащий обычно не менее десяти примесей, называется черновым. После выпуска из печи черновой свинец в жидком виде направляют на рафинирование.

Рафинирование черного свинца производится преимущественно пирометаллургическим способом, хотя на некоторых заводах для этого используют электролиз.

«Агломерирующий обжиг свинцовых концентратов»

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

v удаление из концентрата серы путем окисления сульфидного сырья кислородом воздуха. При переработке свинцового сырья, содержащего много цинка, обжиг ведут с максимальной десульфуризацией

v окускование мелкого материала и получение пористого, газопроницаемого, прочного агломерата, пригодного для плавки в шахтной печи;

v перевод ценных летучих компонентов концентрата в газовую фазу с последующим извлечением их из обжиговых газов (S, As, Sb, Cd и редкие металлы).

Спекание и обжиг свинцовых концентратов удобно производить на агломерационных машинах, отличительной особенностью которых является интенсивное просасывание (или продувка) воздуха в процессе обжига через слой шихты. Такое аппаратурное оформление обжига позволяет легко совместить в одном металлургическом агрегате и окислительный обжиг свинцового концентрата, и спекание обожженного материала.

«Описание хода работы агломерирующего обжига»

Шихта аглообжига состоит из сульфидных свинцовых концентратов, флюсов и других материалов (полупродукты, оборотные материалы и пр.). Шихту готовят так, чтобы получить агломерат, удовлетворяющий требованиям его плавки в шахтной печи.

Цель процесса агломерирующего обжига - окислить присутствующие в шихте сульфиды и получить окускованный материал, пригодный для плавки в шахтных печах. обжиг свинцовый концентрат шахтная печь

Поскольку флотационные свинцовые концентраты представляют собой мелкий материал, то флюсы и другие материалы, имеющие крупные куски, также дробят и измельчают до крупности 1 -6 мм, а оборотный агломерат дробят до крупности менее 6-8 мм. Чтобы обеспечить нагрев компонентов и поддержание оптимальной температуры в зоне обжига без добавки топлива, содержание серы в шихте на аглообжиг должно составлять 6-8 %. Более высокое содержание серы нежелательно. Во-первых, это приведет к большому тепловыделению в зоне обжига слоя шихты, в результате чего температура превысит оптимальную и произойдет преждевременное оплавление компонентов шихты, что затруднит их дальнейшее окисление. Во-вторых, при степени десульфуризации (степени выгорания серы) при агломерирующем обжиге не превышающем 85 %, остаточное содержание серы в готовом агломерате составит более 2 % и потребуется повторная агломерация.

Готовая к обжигу шихта должна содержать, %: 6-8 S, 45-50 РЬ, 10-20 СаО, 25-35 FeO, 20-25 SiO₂. Перед обжигом шихту увлажняют. Это повышает пористость и газопроницаемость шихты, так как испарившаяся вода оставляет поры и каналы, по которым легче и равномернее проникает просасываемый воздух. Кроме того, испаряясь, вода отводит часть избыточного тепла и является терморегулятором шихты. При высоких температурах в зоне обжига и спекания окисление сульфида свинца проходит главным образом по реакции с образованием РЬО:

PbS + О₂=РЬО + SO₂,

который далее может взаимодействовать с кремнеземом с образованием силикатов свинца (/wPbO nSiO₂), которые могут переходить в жидкое состояние уже при температурах 700-800 °C. Глет может взаимодействовать также и с другими оксидами шихты. Например, с Fe₂O₃ возможно образование ферритов (xPbOyFe₂O₃). В небольших количествах может образоваться и сульфат свинца (PbSO₄). Таким образом, в агломерате свинец может быть в виде свободного металла и в виде различных соединений: РЬО, mPbO nSiO₂, xPbOvFe₂O₃, PbSO₄, PbS и др. В виде подобных соединений будут находиться в агломерате и другие металлы.

Степень спекания шихты зависит от температуры в зоне обжига и количества жидкой фазы, образующейся в ней. Температура в зоне обжига и количество выделяющегося тепла зависят от содержания сульфидов в шихте и интенсивности протекания окислительных процессов. Если количество сульфидов в шихте слишком большое и скорость окислительных процессов также весьма велика, то спекание шихты может произойти еще задолго до полного окисления сульфидов металлов, вследствие чего полученный агломерат будет содержать много серы. Следовательно, необходимо регулировать количество сульфидов (или топлива) в спекаемой шихте, а также и условия их горения. Смесь свинцовых концентратов и флюсов обычно содержит 11-13 % и больше серы.

Практика показала, что из такой шихты невозможно сразу получить агломерат с содержанием серы менее 4 %, что является недостаточным по условиям плавки продукта обжига в шахтной печи. Существует два варианта решения этой проблемы: провести обжиг в две стадии или снизить содержание серы в шихте добавлением в нее материалов с низким содержанием серы. В двухступенчатой технологии шихту сначала обжигают на агломашине быстро для предварительного удаления части серы. Агломерат получается низкого качества, но обычно с таким содержанием серы (5-7 %), которого достаточно, чтобы провести второй обжиг и получить при этом агломерат хорошего качества. Продукт первого обжига перед подачей на второй обжиг дробят и увлажняют.

При одноступенчатом обжиге для снижения содержания серы в первичной шихте до 6-7 % добавляют к ней необходимое количество оборотного агломерата, полученного в этом же процессе. Оборотный агломерат предварительно дробят. В современной практике преимущественно повсеместно используют одноступенчатую технологию для аглообжига сульфидных свинцовых концентратов.

Для того чтобы агломерат получился не слишком легкоплавкий, содержание свинца в шихте обычно поддерживают не более 45-50 %.

Получаемый при обжиге агломерат должен обладать следующими качествами:

Ш - высокой прочностью;

Ш - хорошей пористостью (суммарный объем пор 65-75 %);

Ш - однородностью по химическому и гранулометрическому составу;

Ш - содержанием серы - 1,5-2,5 %, свинца - 45-55 %;

Ш - температурным интервалом размягчения 950-1000 °C.

Обжиговые газы, которые получаются в головной части агломашины, могут содержать до 10-11 % SO₂, тогда как газы, получаемые в разгрузочном конце машины, - не более 0,5-1 % SO₂. Чтобы использовать газы аглообжига для производства серной кислоты, на практике отбирают часть наиболее богатых газов, что позволяет извлекать от всех газов аглообжига 60-75 % серы в виде серной кислоты. Существует также практика рециркуляции бедных газов путем подачи их в головную часть агломашины. В этом случае степень извлечения серы из газов может достигать 85-90 %.

«Принцип работы агломерационных машин»

В свинцовом производстве используют агломерационные спекательные машины двух типов: с прососом воздуха через слой шихты сверху вниз и продувом шихты воздухом снизу вверх.

Обжиг и спекание шихты происходят на спекательных тележках (паллетах) (рис. 2). Паллета представляет собой стальной или чугунный короб с днищем из чугунных колосников. Каждая паллета опирается на четыре ходовых ролика, которые в верхней части катятся по горизонтальному рельсовому пути, в нижней - по направляющим, наклоненным под углом 3-5° к горизонту. Подъем и перемещение паллет производится с помощью приводных звездочек. Нижние края паллет плотно прижаты к бортам стальных вакуумных камер, соединенных с эксгаустером. Разрежение в камерах - 1,5-8,0 кПа.

v 1 - паллета; 2 - камера отсасывания; 3 - загрузочное устройство для постели; 4 - загрузочное устройство для шихты; 5 - зажигательные форсунки ;6 - вращающееся колесо

Рис.2. Агломерационная машина (в разрезе)

Шихта агломерации поступает в бункер над аглолентой, с помощью маятникового питателя ее загружают на движущиеся паллеты (рис. 2). Зажигание шихты осуществляется под горном при прососе воздуха. Окончание спекания совпадает с прохождением паллетой последних вакуум-камер, над которыми просасываемый воздух охлаждает спек. На закругленной направляющей разгрузочного участка тележка переворачивается, ударяется о предыдущую и от общего массива агломерата отрывается кусок, равный длине паллеты. Выпавший спек попадает на колосниковый грохот, затем поступает в дробилку и вновь на грохот. Верхний продукт грохота крупностью +20-100 мм является готовым агломератом и идет в плавку. Нижний продукт грохота измельчают и вводят в шихту как оборотный агломерат. При использовании агломерационных машин с просасыванием воздуха могут заплавляться колосники и забиваться камеры всасывания жидким свинцом, что снижает производительность машин. В практике работы свинцовых заводов в настоящее время используются агломерационные машины как с просасыванием воздуха, так и с дутьем снизу. Работа машин с дутьем более эффективна, и их применяют сейчас на большинстве заводов.

Существенным недостатком агломерационных машин с просасыванием воздуха является также сильное разбавление обжиговых газов за счет вредных подсосов и прососов воздуха, которые достигают 100-120 % от потребного количества воздуха. Наиболее богатые газы выделяются в начальной стадии обжига, а в конце процесса концентрация сернистого ангидрида резко падает. Для получения более богатых газов на машинах с просасыванием практикуют возврат бедных газов последних камер всасывания в первые (рис. 3.4).

v Воздух

v Обжиговые газы

Рис.2. Схема распределения зон в слое шихты на агломашине, работающей с просасыванием воздуха через слой шихты:

1 - охлажденный агломерат; 2 - зона охлаждения горячего агломерата и нагрева воздуха; 3 - зона реакции; 4 - зона подогрева шихты до воспламенения; 5 - зона подсушивания шихты; 6 - холодная влажная шихта; 7 - зажигательный горн

Рис.3 Схема рециркуляции обжиговых газов:

· 1 - зажигательный горн; 2 - вакуумные камеры богатого газа; 3 - колпаки над паллетами; 4 - вакуумные камеры оборотного газа; 5 - вакуумные камеры бедного газа; 6 - эксгаустер; 7 - пылеулавитель

Кроме того, недостатками агломерации с прососом воздуха являются получение рыхлого, недостаточно прочного агломерата и приваривание спека к колосникам паллет. Эти недостатки в значительной степени устраняются при использовании агломерационных машин с подачей дутья снизу вверх. В агломерационных машинах с дутьем (рис. 3, 4) воздух вначале просасывается сверху через первичный слой шихты, а затем нагнетается в дутьевые камеры вентилятором под паллеты с полным слоем шихты (300-350 мм). Вся рабочая часть агломерационной машины сверху снабжена укрытием для сбора обжиговых газов. Пространство под укрытием условно можно разделить на две зоны: богатого и бедного газа. Газы из этих зон отсасываются раздельно. Богатые газы направляют в сернокислотное производство, а бедные с 2-2,5 % SO2 целесообразно направлять в зону интенсивного обжига, т. е. в голову процесса агломерации.

Рис.4 Схема работы дутьевой агломерационной машины:

· 1 - питатель постели; 2 - слой постели; 3 - питатель зажигательного слоя; 4 - зажигательный слой; 5 - зажигательный горн; 6 - питатель основной шихты; 7 - слой сырой шихты; 8 - слой обожженной шихты; 9 - укрытие верхней части ленты (копаки); 10 - отводящий патрубок обжиговых газов; 11 - дутьевые камеры; 12 - вакуумная камера

Дутьевые машины снабжены тремя питателями для создания слоя постели из оборотного агломерата (15-20 мм), слоя первичной (зажигательной) шихты (20-25 мм) и основного слоя. Под зажигательным горном, установленным между питателями постели и питателями первичного слоя, расположена единственная камера разрежения. Агломерационные машины с дутьем обеспечивают более высокую удельную производительность, получение более богатых газов, возможность обжигать более богатую свинцом шихту без опасения заливки свинцом колосников.



Рис.5. Агломерационная машина с нижнем дутьем АКМНД-3-75 с рабочей площадью 75 м²:

«Приготовление шихты восстановительной плавки»

Подготовительные операции перед восстановительной плавкой на черновой свинец включают:

v приготовление компонентов шихты;

v составление и смешение шихты;

v окислительный обжиг со спеканием.

«Описание хода работы шахтной восстановительной плавки»

Восстановительная плавка - это наиболее распространенный процесс получения свинца. Она характеризуется универсальностью и высокими технико-экономическими показателями.

Цели восстановительной плавки свинцового агломерата:

Ш получить максимальное количество свинца в виде чернового металла, содержащего золото, серебро, медь, висмут, сурьму, мышьяк, олово, теллур;

Ш ошлаковать пустую породу и перевести в шлак максимальное количество цинка.

В настоящее время на большинстве свинцовых заводов восстановительную плавку проводят в шахтных печах, так как в ней легко создать и регулировать восстановительную атмосферу. Исходными материалами для плавки являются офлюсованный свинцовый агломерат, кокс и воздух. Агломерат содержит свинец (35-65%), сопутствующие металлы (медь, цинк, золото, серебро, висмут и т.д.) и все необходимые компоненты для образования шлака. Свинец содержится как в металлическом виде, так и в виде соединений:

v PbO, PbO·Fe2O3, PbO·SiO2, PbSO4.

Также в шихту может добавляться аккумуляторный лом, очищенный от органических материалов. Загрузка агломерата и кокса в печь осуществляется послойно. В нижней части печи (горне) скапливаются жидкие продукты плавки: черновой свинец, штейн, шлак. Выше слоя шлака расположен столб шихты, нижняя часть которого (0,5-1,0 м) состоит из раскаленного кокса (фокус печи). Для горения кокса через фурмы в печь подают сжатый воздух. В результате интенсивного горения кокса температура в фокусе печи достигает 1500 °С. Раскаленные печные газы, проходя через столб шихты, нагревают ее и участвуют в реакциях восстановления окисленных соединений свинца и других металлов. На выходе из печи (в колошнике) газы имеют температуру 200-400 °С. Столб шихты (4-6 м) по мере выгорания кокса и выплавления продуктов плавки медленно опускается вниз (около 1 м/ч) и его пополняют очередными загрузками агломерата и кокса. Жидкие продукты плавки стекают вниз и собираются во внутреннем горне, где вследствие разности плотностей расслаиваются и выпускаются из печи по мере накопления.



Рис. 6 схема шахтной печи свинцовой плавки; 1 - горн; 2-фурмы; 3 - шахта печи; 4 - загрузочные люки; 5 - колошник; - газоход;7 - агломерат; 8 - кокс; 9 - фокус печи; 10 - шлак; 11- сифон для выпуска свинца; 12 - свинец

«Принцип работы и описание конструкции шахтной печи»

Шахтная печь представляет собой агрегат с вертикальным рабочим пространством, в которое сверху загружают специально подготовленную шихту и кокс, а снизу через фурмы вдувают воздух. В шахте происходит нагрев и расплавление шихты, сопровождаемое химическими реакциями, в результате чего получают черновой металл и шлак, а иногда штейн и шпейза.

Шахтная печь свинцовой плавки состоит из следующих основных частей:

Ш внутреннего горна с сифонами,

Ш шахты с фурмами,

Ш колошника с загрузочным устройством,

Ш отстойника.

Рис. 7 Визуальная схема шахтной печи свинцовой плавки; 1 - горн; 2 - сифон для выпуска чернового свинца; 3 - фурму; 4 - коллекторы системы водяного охлаждения; 5 - шахта печи; - колошник; 7 - загрузочный шибер; 8 - шатер колошника; 9 - коллектор для подвода дутья; 10 - сифон для выпуска шлака

Площадь сечения печи в области фурм 2-5 м2. Внутренний горн расположен на массивном 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 постоянно 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), которое расположено в торце печи немного ниже фурм, или непрерывно через сифон.

Шахта печи выполнена из стальных водоохлаждаемых кессонов.

Кессоны делают сварными из котельного железа с толщиной внутренней стенки 10-14 мм и наружной 6 -8 мм, расстояние между стенками равно 100 -150 мм. В нижнюю часть кессона под напором подается холодная вода, в верхней части кессона вода отводится с температурой 60 -70 0С. Обычно шахта печи состоит из двух рядов кессонов. Кессоны длинных стенок шахты устанавливают обычно под углом 5 -7 град к вертикали. Это приводит к расширению верхней части шахты, что способствует снижению скорости отходящих газов и сокращению выноса пыли из печи. Кессоны торцевых стенок всегда устанавливают вертикально. При работе печи на внутренней стороне кессонов образуется корка из застывших продуктов плавки (гарнисаж), предохраняющая кессоны от разрушения.

Воздух в печь подают 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, который соединен с фурмами гибкими рукавами. Расход воздуха (дутья) колеблется в пределах 25 -50 м3/мин на 1 м 2 площади сечения печи в области фурм. Давление воздуха, вдуваемого в печь, составляет 13-26 кПа, в зависимости от крупности и пористости перерабатываемого материала.

Колошник служит для загрузки шихты и отвода газов из печи. Он представляет собой металлический водоохлаждаемый каркас, 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 идет 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/м 3). После пылеочистки (в циклонах и рукавных фильтрах) их выбрасывают в атмосферу

«Продукты шахтной восстановительной плавки»

Продуктами шахтной восстановительной плавки являются черновой свинец, шлак, штейн, шпейза и пыль. Жидкие продукты плавки скапливаются в горне печи. Вследствие различия в объемных массах и малой взаимной растворимости в горне шахтной печи образуется три четко разграниченных слоя:

u нижний слой - черновой свинец,

u средний - штейн

u и верхний - шлак.

Черновой свинец, получаемый при плавке свинцовых концентратов, всегда содержит примеси: медь, сурьму, мышьяк, олово, висмут, благородные металлы и другие элементы. В черновом свинце может содержаться, %: 92-98 Pb; 1-5 Cu; 0,5-2 As; 0,5-2 Sb; 0,1-0,2 Bi; 0,01-0,05 Te; 1 000-1 500 г/т Ag; 50-100 г/т Au. Общее содержание примесей достигает от 2 до 10 %.

Шлак представляет собой многокомпонентный расплав, формирующийся из оксидов пустой породы и специально вводимых флюсов. Шлак служит для отделения компонентов пустой породы от чернового свинца и других ценных продуктов плавки (штейна и шпейзы). Шлаки свинцовой плавки должны иметь температуру плавления 1100-1150 °С, вязкость при 1200 °С - около 0,5 Па·с, плотность - не более 3,5-3,8 г/см 3 . Шлаки с такими свойствами содержат, %: 20-30 SiO2 ; 30-40 FeO; 10-18 CaO. Важной особенностью шлаков свинцовой плавки является наличие в них окиси цинка - 5-25 %. Сумма компонентов SiO2, FeO, СaO и ZnO в шлаке может достигать 90 % и даже более. Со шлаками шахтной плавки теряется 2 -3 % свинца. На 60 -75 % свинец в шлаке присутствует в металлическом состоянии, на 8 -10 % - в виде сульфида и на 15 -20 % - в виде окисленных соединений (силикатов, ферритов).

Штейн свинцового производства включает сульфиды железа, свинца, меди и цинка. Во всех медно-свинцовых штейнах присутствуют растворенные металлы: свинец, медь, железо, серебро, золото. В зависимости от характера сырья и принятой технологии получают медно-свинцовые штейны различного состава, %: 7-40 Cu, 16-45 Fe, 20-25 S, 8-17 Pb. Штейн - нежелательный продукт плавки, так как для переработки его с целью извлечения меди, свинца и благородных металлов необходимы сложные дополнительные переделы, сопряженные с затратами топлива, материалов и с потерями металлов. Плавка с получением штейна особенно нежелательна, если в свинцовых концентратах содержится много цинка. При плавке сульфид цинка распределяется между штейном и шлаком, затрудняя разделение этих продуктов. Плавку с образованием штейна ведут в том случае, если в агломерате содержание меди более 2-3 %.

При заметном содержании в шихте мышьяка в условиях восстановительной атмосферы образуется шпейза - расплав арсенидов металлов. Шпейза более тугоплавкая и тяжелая, чем штейн (плотность 5,6 - 6,0 г/см3, температура плавления 1370-1420К). Она размещается в горне печи между свинцом и штейном. Отделение и переработка шпейз сопряжена с большими трудностями. Состав шпейз колеблется в пределах, %: 2-15 Pb; 2-34 Cu; 20-50 Fe; 18-30 As; 1-6 Sb; 0,001-0,01 Au; 0,015-0,2 Ag.

Пыли свинцового производства - ценное полиметаллическое сырье. В процессе шахтной восстановительной плавки в пыли переходит до 70 % Tl, 55 % Se, 40-50 % Te, около 2 5 % In, а также значительная часть кадмия, германия и других ценных компонентов сырья. Средний состав пылей шахтной печи, %: 45-55 свинца; 10-20 цинка; 2-3 кадмия; 0,3-3 мышьяка; 0,03-0,5 селена; 0,04-0,2 теллура; 0,005-0,02 таллия; 0,002-0,02 индия; 0,005-0,01 германия; 3-7 серы.

«Переработка шлаков свинцовой плавки»

В шлаки шахтной плавки переходит до 90 % Zn, до 20 % Сu,до 3 % РЬ, небольшие количества индия, германия, олова, благородных и других металлов. Переработка свинцовых шлаков в настоящее время является обязательной стадией замкнутой технологической схемы свинцового производства и позволяет довести общее извлечение свинца до 97 - 98 %. Для переработки шлаков восстановительной плавки свинца с целью извлечения из них большей части ценных компонентов применяют фьюмингование, вельцевание и электротермию.

Фьюмингованием(шлаковозгонкой) называется процесс восстановительной обработки жидких шлаков продувкой смесью воздуха с восстановителем (природным газом или угольной пылью) при и температуре 1200-1300 °С

В условиях необходимой для отгонки цинка сильно восстановительной атмосферы, свинец, индий и кадмий быстро возгоняются в начале процесса фьюмингования. Для отгонки цинка требуется 2,5-3 ч. За это время его содержание в шлаке снижается до 2 %. Дальнейшая отгонка цинка экономически невыгодна, так как резко снижается скорость процесса и увеличивается расход восстановителя.

Шлаковозгоночная (фьюминговая) печь представляет собой прямоугольную печь шахтного типа, выполненную полностью из водоохлаждаемых кессонов. Ширина печи ~ 2,4;длина 1,2-9,6стальных кессонов для удержания шлакового гарнисажа приварены в шахматном порядке штыри. На каждой длинной стороне печи установлено от 11 до 36 фурм. В атмосфере печи окисляются также пары кадмия и свинца и летучего сульфида свинца. В результате возгоны (тонкодисперсная пыль) практически полностью состоят из оксидов.

Фьюмингованием из шлаков извлекают до 90- 94% Zn и по 95-98 %свинца, индия и кадмия. Возгоны (пыль) фьюминговых печей содержат 15 -20% оксида свинца, 70-75 % оксида цинка,кадмий, индий и германий. Содержащиеся в шлаке медь и благородные металлы могут быть извлечены путем обработки жидких шлаков после фьюмингования сульфидами в присутствии восстановителя с целью образования штейна. В штейн извлекаются медь, золото и серебро. Фьюмингование - процесс периодический. Он включает четыре стадии: заливку, разогрев, восстановительную обработку и выпуск шлака. Пропускная способность печи за один прием колеблется от 35 до 90 т и зависит от размеров печи.

Вельцевание шлаков - процесс восстановительной обработки твердых гранулированных шлаков без их расплавления при 1100-1200 °С. Он проводится в трубчатых вращающихся печах. Восстановителем служат кокс и топочные (печные) газы, содержащие СО. Химические процессы, протекающие при вельцевании, аналогичны таковым при фьюмингования. Вельц-процесс осуществляется непрерывно. Хорошо перемешанную шихту из шлака крупностью 3-5 мм и кокса с размером частиц до 15 мм загружают в верхнюю головку печи. При перемещении в печи в течение 2-3ч компоненты шихты взаимодействуют и летучие компоненты возгоняются в виде оксидов. Остатки переработанной шихты (клинкер) разгружают в нижней головке печи. Выход возгонов (вельц-оксидов) составляет 20-25%. Возгоны содержат, %: Zn 60-65; Pb 11-15; Cd 0,5-1,0. В клинкере остаются медь, золото, серебро и избыточный углерод. Процесс характеризуется высоким извлечением в возгоны цинка, свинца и кадмия. Вельцевание наиболее эффективно при переработке шлаков свинцовой плавки из отвалов старых и действующих заводов.

«Пирометаллургическое рафинирование чернового свинца»

Черновой свинец содержит 2 -10 % примесей. В числе примесей могут быть медь, сурьма, мышьяк, висмут, золото, серебро и др. Некоторые примеси в свинце исключают возможность его использования по назначению, а другие, например серебро, золото и висмут, представляют самостоятельную большую ценность. По этим причинам черновой свинец обязательно рафинируют. Рафинирование чернового свинца можно проводить пирометаллургическим и электролитическим способами. Электролиз экономически оправдан только при небольшом содержании в свинце примесей и поэтому применяется редко.

Пирометаллургическое рафинирование чернового свинца предусматривает последовательное выделение примесей с учетом химических свойств примесей или их соединений. На каждой стадии рафинирования образуются съемы (промежуточные продукты), в которые переходят примеси и часть свинца. Съемы подвергают дополнительной переработке.

Технология рафинирования чернового свинца включает следующие стадии:

v обезмеживание (очистку от меди);

v обестеллуривание; удаление мышьяка, сурьмы и олова;

v обессеребрение (извлечение серебра и золота);

v обесцинкование;

v обезвисмучивание;

v качественное (окончательное) рафинирование от кальция,магния, сурьмы и иногда цинка..

Обезмеживание - головная, наиболее трудоемкая рафинировочная операция, обязательная как для пирометаллургического, так и для электроолитического способа. Очистку чернового свинца от меди проводят в два приема, отличающихся по своей физико-химической основе. Сначала удаляют большую часть меди грубым обезмеживанием, а затем проводят тонкое обезмеживание.

Грубое обезмеживание основано на явлении снижения растворимости меди в свинце с 4-5 при 700 -750 "С до сотых долей процента при температуре около 330 'С. При охлаждении свинца выпадают кристаллы меди, которые как более легкие всплывают (ликвируют) на поверхность расплава. При удалении медных съемов (шликеров) механически захватывается большое количество свинца. Чтобы уменьшить переход свинца в шликеры, грубое обезмеживание осуществляют в два приема. Сначала свинец охлаждают до 550 - 600 *С и снимают ''сухие” шликеры (10 -30 % Сuи 50 -70 % РЬ), которые направляют на отдельную или совместную с другими промышленными продуктами переработку. При дальнейшем охлаждении до 335-340 °С образуются ''жирные” шликеры (3-5 % Си и 80- 90 % РЬ). Их перерабатывают на первой стадии обезмеживания для вытапливания свинца и перевода меди в сухие шликеры. В результате грубогообезмеживания содержание меди снижается до 0,1-0,2 %.

Тонкое обезмеживание основано на большем сродстве меди к сере по сравнению со свинцом. При вмешивании серы или богатого свинцового сульфидного концентрата в расплавленный свинец при 335-345 `С образуется нерастворимый в нем сульфид меди Cu2S, который всплывает на поверхность и образует сульфидные съемы. Сульфидированием медь удаляют до остаточного содержания 0,005-0,0005 %. Для периодического рафинирования применяют стальные рафинировочные котлы, вмещающие 150, 260 или 370 т свинца. Котел устанавливается внутри огнеупорной кладки и обогревается электронагревателями или с помощью устройств для сжигания топлива. Для перемешивания свинца или вмешивания в него реагентов используют съемные мешалки. Перекачку свинца из котла в котел осуществляют с помощью переносных, погружаемых в расплав стальных центробежных насосов. Для снятия шликеров служат дырчатые ложки (шумовки). Шликеры для извлечения из них меди и свинца перерабатывают плавкой в небольших электрических или пламенных печах с содой и железным скрапом.

Непрерывное грубое обезмеживание основано на ликвации меди из нижних, более холодных слоев глубокой свинцовой ванны в верхние, где происходит ее сульфидирование и перевод в штейн. В качестве сульфидизатора используют богатый свинцовый концентрат. Для непрерывного обезмеживания используют отражательные или электрические печи специальной конструкции. Сульфидирование меди сернистым свинцом проводят в присутствии соды и восстановителя. Образующийся при этом легкоплавкий штейн содержит ~ 15 % РЬ и 50 % Си. Сода и сульфат натрия необходимы для ошлакования пустой породы концентрата. Черновой свинец из печей непрерывного действия с содержанием 0,3-0,6 % Си выпускают через сифон в котел-миксер. В миксере он охлаждается до 340 -345 'С и дополнительно обезмеживается до 0,1 % Си. Далее свинец поступает на тонкое обезмеживание.

Обестеллуривание введено как самостоятельная операция с целью перевода теллура в промежуточный продукт, удобный для его извлечения. Оно основано на способности теллура образовывать нерастворимый в свинце теллурид натрия Na2Te

Очистку от теллура ведут при 400 -450 “С путем вмешивания в течение 10-15мин в расплавленный свинец свинцовонатриевого сплава и едкого натра, который является хорошим растворителем Na3Te. По окончании перемешивания массу выдерживают ~ 10 мин с целью отстаивания и затем с поверхности снимают плав, содержащий 15-30% Те и до 1 % Se. После вытапливания свинца получают обогащенный теллуром плав, который перерабатывают гидрометаллургическим методом. Очистка от мышьяка, сурьмы и олова основана а большем сродстве этих примесей к кислороду по сравнению со свинцом.

В промышленном применяют два метода окислительного рафинирования свинца-продувкой свинцовой ванны воздухом в отражательных печах и окислением селитрой в присутствии едкого натра (щелочное рафинирование). Окислением в данных реакциях является кислород, который образуется при разложении селитры выще 308'С по реакции 2NaNO2=Na2O+N2+2,5O2. Образующийся при щелочном рафинировании плюмбит натрия Na2PbO2 так же участвует в окислении примесей и способствует этому процессу. Арсенаты, антимонаты и станнаты натрия нерастворимы в свинце и образуют с едким натром щелочной плав.

Щелочное рафинирование проводят в обычных рафинировочных котлах с использованием специального аппарата. Аппарат снабжен насосом для перекачки свинца из котла в реактор на слой шелочного плава. Для создания наибольшей реакционной поверхности струю металла разбивают на мелкие капли. Пройдя через слой солевого расплава, свинец поступает в котел через открытый клапан, откуда вновь подается в реактор. По мере насыщения щелочного плава образующимися солями он густеет, что снижает эффективность рафинирования и усиливает захват капель свинца. После насыщения плава примесями до 20-24 % его заменяют на новый. Для этого нижний клапан закрывают и продолжают перекачивать в реактор тяжелый свинец, который выдавливает плав в ковш. После заполнения реактора свежей порцией реагентов циркуляцию свинца продолжают. Насыщенный примесями плав подвергают гидрометаллургической переработке с целью извлечения из него ценных компонентов и регенерации щелочи. В черном свинце после щелочного рафинирования остается до 0,02 % сурьмы и не более чем по 0,01 % мышьяка и олова.

Обессеребрение на всех заводах проводится путем обработки свинца цинком, который ограниченно растворим в свинце и не взаимодействует с ним. Благородные металлы (золото и серебро), содержащиеся в черновом свинце в количестве до 3 кг/т, наоборот, взаимодействуют с цинком с образованием тугоплавких интерметаллических соединений AuZn3 и AgZn3, почти нерастворимых в свинце. Как более легкие, эти соединения всплывают на поверхность, образуя цинковую (серебристую) пену. Богатая пена первых сьемов содержит до 10 % Au + Ag, до 25 % Zn, остальное - свинец. Для удаления цинка ее подвергают дистилляции (возгонке) с получением в остатке сплава свинца с серебром и золотом. Последние съемы стадии обессеребрения дают бедную пену, обогащенную металлическим цинком. Ее используют в качестве оборотного цинксодержащего реагента в начале обессеребрения следующей партии свинца.

Весь цикл обессеребрения проводят в одном котле в течение 18 -20 ч. В конце операции свинец содержит 3-10 г/т серебра, следы золота и до 0,7 % Zn. Сплав свинца с благородными металлами окисляют в небольших отражательных печах путем обдувания поверхности сплава воздухом. При этом свинец окисляется до глета РЬО и стекает в приемник, а в печи остается серебряно-золотой сплав, называемый сплавом Доре. Сплав отправляют на аффинажные заводы для разделения золота и серебра.

Процесс обессеребрения чернового свинца осуществим и в непрерывном варианте. Его проводят в вертикальных котлах высотой 5-7 м. Котел вначале заполняют обессеребренным свинцом, поверх которого расположен слой расплавленного цинка (до 1 м). Черновой свинец подают в верхнюю часть котла, где он при 600-650 "С насыщается цинком и медленно опускается вниз, в зону более низких температур (~ 330 'С), откуда непрерывно выводится через сифон.

При движении расплава вниз из него непрерывно выделяются и ликвируют в цинковый слой интерметаллические соединения серебра и золота с цинком. По мере насыщения цииксеребряный сплав частично или полностью вытесняют повышением уровня свинца. Непрерывное обессеребрение (как и обезмеживание) более производительно, повышает извлечение свинца и благородных металлов, улучшает качество товарной пены, практически полностью устраняет затраты ручного труда, но осуществимо лишь на крупных предприятиях с большим потоком свинца.

Обесцинкование свинца, содержащего после выделения благородных металлов 0,6-0,7% Zn, можно проводить окислительным, хлорным, щелочным или вакуумным способами. При хлорном рафинировании расплавленный свинец обрабатывают газообразным хлором с целью перевода цинка в летучий хлорид ZnClj. Недостатки хлорного способа - токсичность хлора и хлоридов, интенсивная коррозия аппаратуры, сложность получения товарного хлористого цинка и небольшой спрос на него ограничивают промышленное применение метода. Щелочное рафинирование свинца от цинка аналогично очистке его от мышьяка, сурьмы и олова.

Вакуумное рафинирование в связи с возможностью быстрой регенерации металлического цинка для стадии обессеребрения и хороших условий труда в настоящее время применяют на большинстве свинцовых заводов. Процесс основан на значительном различии в летучести свинца и цинка. При 600 "С давление паров цинка над сплавом ~ в 1000 раз выше, чем у свинца. Вакуумное обесцинкование проводят при 600-620 'С и остаточном давлении 4-7 Па. Вакуумирование свинца осуществляют в специальных аппаратах, устанавливаемых на обычных рафинировочных котлах. Применяемые аппараты (рис. 104) представляют собой открытую с одного торца камеру, заключенную между внутренней трубой и наружным цилиндром. Второй верхний торец аппарата выполнен в виде водоохлаждаемого кессона, служащего для конденсации отогнанного цинка. Перед началом операции рафинировочный котел заполняют свинцом и сначала нагревают расплав. После установки аппарата для вакуумирования из него откачивают воздух. Для создания большей активной поверхности жидкого свинца он подается в вакуумное пространство насосом и разбрызгивается. Цинк при этом испаряется и в виде друзы (гроздевидной массы) осаждается на холодных стенках конденсатора. По окончании операции аппарат снимают и из него удаляют осадок цинка. Конденсат содержит 80-90 % Znи 10-20 % РЬ. В свинце остается 0,05-0,005 % Zn.

В черновом свинце содержится до 0,4-0,5 % Bi, резко ухудшающего коррозионную стойкость свинца и имеющего большую самостоятельную ценность. Для очистки свинца от висмута и его извлечения наибольшее распространение получил способ обезвисмучивания с помощью кальция и магния. При вмешивании этих металлов в свинец они образуют с висмутом малорастворимые в свинце интерметаллические соединения Bi2Ca3, Bi2Mg3и BiCaMg2. Висмутовые съемы (дроссы) снимают в течение всей операции обезвисмучивания. Богатые дроссы, содержащие 3-5 % Bi являются сырьем для получения висмута, а более бедные направляют в оборот в голову процесса обезвисмучивания (до 0,005%).

Качественное рафинирование - последняя операция очистки свинца - проводится с целью удаления остатков примесей-реагентов, используемых в предыдущих стадиях: Са, Mg, Sb и Zn. Чаще всего для осуществления этого процесса применяют щелочное рафинирование с получением сыпучих (твердых) плавов. Щелочное рафинирование ведут при небольшом расходе щелочи, загружаемой вместе с селитрой на поверхность свинцовой ванны при работающей мешалке. Растворенные в свинце примеси окисляются селитрой и частично кислородом воздуха с образованием CaO, MgO, Na3Sb04и Na2Z n02. Эти соединения вместе с оксидами свинца (РЬО иРЬ304) образуют сыпучие съемы, содержащие 45-55 % РЬ. Эти плавы направляют в голову технологической схемы получения чернового свинца - на агломерацию или в шахтные печи.

«Очищенный от всех примесей мягкий свинец разливают на карусельных или ленточных разливочных машинах в слитки(чушки) массой 30-40 кг.»

«Переработка медных шликеров»

Шликеры с небогатыми медными штейнами подвергают самостоятельной концентрационной плавке в небольших шахтных печах. Чтобы иметь возможность плавить в шахтной печи шликеры (мелкий материал), в шихту добавляют значительное количество крупнокусковых оборотных шлаков и агломерата. Ho в результате этого шихта плавки разубоживается по содержанию меди, что приводит к получению небогатых штейнов (20--25% Cu). Таким образом, концентрация меди в выплавляемом штейне получается незначительная.

Целью плавки является выделение из шликеров большей части свинца в виде медистого чернового свинца и получение штейна, богатого медью (40--50%).

Иногда попутно со штейном получают и шпейзу как самостоятельный продукт плавки. Так как процесс сопровождается полным расплавлением шликеров и все продукты плавки получаются в жидком виде, то в печи поддерживают высокую температуру -- около 1200--1400° С. При такой температуре давление паров свинца высокое, поэтому велико и его улетучивание вместе с топочными газами. Чтобы устранить это нежелательное явление, в шихту прибавляют некоторое количество флюсов и получают при плавке шлак. При этом черновой свинец перекрывается в ванне слоями штейна и шлака, а поэтому меньше перегревается, следовательно, сокращается унос свинцовых паров (из-за более низкой температуры свинца и менее благоприятных условий для его испарения).
Плавку проводят в отражательной печи, приведенной на (рис. 8.)
Шихту загружают через специальное отверстие в своде, продукты плавки выпускают через шпуровые отверстия. Печь отапливают пылевидным, жидким или газообразным топливом. Температура отходящих газов около 1100--1200° С, вследствие чего унос свинцовых паров значителен. Газы предварительно очищают от пыли в пылеуловителях и лишь потом выпускают в атмосферу.



Рис 8 Отражательная печь для плавки шликеров

Переработка шликеров в отражательной печи позволяет с большой полнотой извлекать свинец и получать из шликеров богатый медью штейн (40--50%).

Можно извлекать медь из свинцового концентрата даже в том случае, если концентрат беден медью (0,5--1,0%). Метод отражательной плавки шликеров имеет существенные недостатки:

v большой расход топлива (до 8--10%), так как процесс протекает при высокой температуре;

v по той же причине большой унос свинца (до 5%) с пылью;

v свинец получается с высоким содержанием меди (до 2,5%), а шлаки -- с высоким содержанием свинца и меди;

v как результат высокого содержания меди в продуктах плавки, значительная циркуляция меди;

v штейн получают с содержанием 40--45% Cu и 20--15% Pb; низкое отношение Cu : Pb = 2 : 1.

Плавка шликеров с содой и железным скрапом в отражательной печи. Этот способ является комбинацией нескольких методов: плавки с флюсами и железным скрапом и «содового процесса». Роль железного скрапа сводится к изменению состава штейна и шпейзы в результате следующих основных реакций:

Cu3As + 2Fe ? Fe3As + ЗСu;

PbS + Fe ? FeS + Pb;

PbS + 2Сu ? Cu3S + Pb,

а сода служит для создания легкоплавкого шлака.

При плавке шликеров, не содержащих окисленного свинца, целесообразно применять глет, который окисляет мышьяк по реакции

2As + 3РbО = Аs2О3 + 3Рb,

что снижает выход шпейзы. При плавке шликеров, содержащих много мышьяка, количество глета в шихте должно достигать 5--10%.
При плавке без соды извлечение свинца не превышает 70-- 75% из-за образования богатых по свинцу тугоплавких шлаков, содержащих значительное количество кремнекислоты. Кроме того, возрастает выход штейна. Оптимальное количество соды составляет 8--10% от веса шликеров.
В шихту задают 1--1,5%, восстановителя, обычно коксовой мелочи. Температуру в печи поддерживают в пределах 1000--1270° С. Шихтовку производят с таким расчетом, чтобы в шихту задавалось 2% железного скрапа от веса шликеров. Остальное его количество грузят в расплавленный штейн непосредственно после выпуска шлака.
Способ «сода -- железный скрап» позволяет получить шпейзу и штейн с высоким содержанием меди и низким -- свинца. В штейне содержится до 40% Cu и 7--11% Pb, а в шпейзе -- до 54--56% Cu и 7--9% Pb. Получаемый при плавке шлак содержит до 2% Pb и значительно больше меди. Общее извлечение свинца достигает 97%, причем в черновой свинец его переходит 92--94%. Так как температура процесса невысокая, то потери свинца с пылью и газами невелики (они составляют 3%).

...