Особенности шахтной плавки свинцовых концентратов и конструкции печи

Министерство образования Российской Федерации Уральский Федеральный Университет им. Первого президента России Б. Н. Ельцина Кафедра теплофизики и информатики в металлургии

Реферат

по металлургии цветных металлов

ТЕМА: ОСОБЕННОСТИ ШАХТНОЙ ПЛАВКИ СВИНЦОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ И КОНСТРУКЦИИ ПЕЧИ

Екатеринбург

Свинец — один из немногих металлов, который нашел практическое применение уже в глубокой древности. Уже в 5−7 тысячелетиях до нашей эры из свинца делали монеты и медальоны; в Древнем Риме из свинца был построен первый водопровод. 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. В Средние века алхимики широко использовали свинец в опытах по получению золота. 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.

Для производства свинца из первичного сырья в основном используется пирометаллургическая технология. Существуют следующие процессы: реакционная плавка, осадительная плавка, восстановительная шахтная плавка.

В данном реферате будет рассмотрена шахтная восстановительная плавка, химизм процессов, лежащих в ее основе, а также конструктивные особенности печи.

1. Общая характеристика шахтной восстановительной плавки

Восстановительная плавка — это наиболее распространенный процесс получения свинца. Она характеризуется универсальностью и высокими технико-экономическими показателями. Цели восстановительной плавки свинцового агломерата:

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

— 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.

Рис. 1

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: 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 °C. 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.

2. Химизм процесса шахтной восстановительной плавки

Кокс, загружаемый в печь, играет роль топлива и роль восстановителя. Сжигание кокса является основным процессом в шахтной плавке, влияющим на состав газовой фазы и удельную производительность печи. В области фурм кокс сгорает по реакциям

С + О2 = СО2 + 391,86 кДж (1)

С + 0,5О2 = СО + 110,08 кДж (2)

Горячие газы, поднимаясь вверх, нагревают шихту, СО 2 взаимодействуют с раскаленным коксом по реакции Будуара:

СО2 + С = 2СО — Q (3)

Образующийся по реакции (3) оксид углерода (СО) является основным восстановителем в шахтной печи. Восстановление оксидов металлов оксидом углерода происходит в результате протекания реакции:

МеО + СО? Ме + СО2 (4)

Реакция обратима. В зависимости от условий, в которых протекает реакция, может происходить либо восстановление оксида металла оксидом углерода, либо окисление металла диоксидом углерода СО 2. Направление протекания реакции в условиях плавки зависит от состава газовой фазы в печи. Для восстановления различных оксидов металлов необходимы различные концентрации оксида углерода и температуры. При восстановительной плавке желательно максимально восстановить свинец, но не восстанавливать цинк до металла, так как он возгоняется, в верхней части печи окисляется и образует тугоплавкие настыли. Нежелательно восстанавливать до металла и железо, т .к. оно с углеродом кокса может образовать тугоплавкий чугун и настыли в нижней части печи. Для селективного восстановления свинца, без восстановления цинка и железа в печи создается определенная восстановительная атмосфера (не более 60% СО). В этих условиях происходит восстановление оксидных соединений свинца по реакциям

PbO + CO = Pb + CO 2 (5)

PbO· Fe2O3 + 2СО = Pb + 2FeO + CO2 (6)

PbO· SiO2 + 2СО = 2Pb + SiO2 + 2 CO2 (7)

Сульфат свинца интенсивно восстанавливается оксидом углерода до сульфида при 550 °C по реакции

PbSO4 + 4CO = PbS + 4CO2 (8)

Сульфид свинца в условиях восстановительной шахтной плавки практически не восстанавливается и переходит в штейн. Прямое извлечение свинца в черновой металл при шахтной восстановительной плавке составляет 90−93%. При плавке свинцового агломерата вместе со свинцом восстанавливаются окисленные соединения меди, мышьяка, сурьмы, висмута и других цветных металлов. Эти элементы растворяются в расплавленном свинце, образуя черновой металл:

Cu2O + CO = 2Cu + CO2 (9)

Cu2O· Fe2O3 + 2CO = 2Cu + 2FeO + 2CO2 (10)

Cu2O· SiO2 + CO = 2Cu + SiO2 + 2CO2 (11)

As2O5 + 5CO = 2As + 5CO2 (12)

Sb2 O5 + 5CO = 2Sb + 5CO2 (13)

Bi2O3 + 3CO = 2Bi + 3CO2 (14)

Если в агломерате оставлено много серы, то оксид меди реагирует с сульфидами других металлов по реакциям

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (15)

Cu2O + PbS = Cu2S + PbO (16)

Металлическая медь также взаимодействует с сульфидами других металлов:

2Cu + FeS = Cu2S + Fe (17)

и при плавке образуется сплав сульфидов меди, железа, свинца — штейн. Медь при плавке с получением штейна на 70−80% переходит в штейн, при безштейновой плавке на 85% переходит в свинец. При температуре 1100 °C начинается процесс образования жидкого шлака, оканчивающийся полным расплавлением шихты. В шлак переходят оксиды кальция, кремния, алюминия, магния. При восстановительной свинцовой плавке высшие оксиды железа восстанавливаются до FeO, который в присутствии кремнезема легко образует силикаты (2 FeO· SiO2):

2Fe 2O 3 + СО = 2Fe 3O 4 + СО 2 (18)

Fe3O4 + СО = 3FeO + СО 2 (19)

2FeO + SiO2 = 2FeO· SiO2 (20)

Силикаты железа составляют основу шлакового расплава свинцовой шахтной плавки. Окисленные соединения цинка трудновосстановимы. Для их восстановления требуется сильно восстановительная атмосфера и высокая температура. Поэтому большая часть цинка в виде оксида и силиката переходит в шлак, растворяясь в нем. Цинк концентрируется в шлаке со степенью извлечения до 90%. Благородные металлы на 98 -99% извлекаются в черновой свинец. В случае получения в процессе плавки шпейзы, часть благородных металлов теряется с ней, особенно это касается золота

3. 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: нижний слой — черновой свинец, средний — штейн 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 °C — 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.

4. Конструктивные особенности 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: внутреннего горна с сифонами, шахты с фурмами, колошника с загрузочным устройством, отстойника. 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.

Рис. 2

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.

Применение печей сложного профиля с двумя рядами фурм позволит увеличить время пребывания шихты в атмосфере восстановительных газов, в результате этого полнее происходят химические процессы, и, как следствие, снижается расход кокса на 6 — 10% и увеличивается извлечение свинца на 0,5−0,7%; кроме того, в таких печах воздух и газы распределяются более равномерно, сокращается скорость их движения, уменьшается пылевынос, сокращается расход кокса и увеличивается проплав печи, который составляет 70 -100 т/м2 сут по сечению нижних фурм. Впервые печь такого типа была построена в 1935 г. на заводе «Порт — Пири» (Австралия). В 50-х гг. печи сложного профиля начали эксплуатировать в Западной Европе на заводах: «Нуайель — Годо» (Франция), «Хобокен» (Бельгия), «Ла-Пертусола» (Италия), «Лауриум» (Греция). В 1966;1969 гг. аналогичные печи были построены в США на заводах «Геркулениум», «Бьюик», «Гловер» и «Ист-Халена», а также на Чимкентском свинцовом заводе. Ширина такой печи в области нижнего ряда фурм составляет 1,6 м, а в области верхнего ряда — 3 м. Расстояние между верхним и нижним рядами фурм составляет около 1 м. Давление дутья в нижнем ряду составляет 9,8−19,6 кПа, в верхнем ряду — 2,5−2,9 кПа. Такое расположение фурм способствует равномерному прохождению газов через слой шихты по всему сечению печи. Колошник печей переменного сечения открытый, и газы отсасываются через газозаборное устройство, опущенное в шихту.

В целях снижения расхода кокса ведутся исследования по замене его природным газом. Природный газ обладает рядом преимуществ по сравнению с твердым и жидким топливом. Газ просто и легко транспортируется к потребителю. Его легче смешивать с окислителем, что дает возможность сжигать газ с меньшим избытком воздуха и поэтому эффективнее и экономичнее.

Хорошие результаты были достигнуты при частичной замене кокса природным газом, с одновременным подогревом дутья. Исследования показали, что при подогреве дутья природным газом до 650 °C печь устойчиво работала с удельным расходом кокса на 25% меньше, чем с холодным дутьем, при этом производительность печи была на 6 -10% выше. Температура колошниковых газов снизилась на 160 °C. Однако содержание свинца в шлаке в этом случае повысилось. Опытные плавки с нагретым дутьем и при снижении расхода кокса не более чем на 20% от обычного расхода позволили получить шлаки при плавке с меньшим содержанием свинца, чем при плавке на холодном дутье.

В результате длительных испытаний при плавке свинцового агломерата в шахтных печах с дутьем, нагретым природным газом, были установлены следующие оптимальные условия плавки: температура дутья — 620−700 °С, удельный расход кокса — 11,5%, расход природного газа на нагрев воздуха — 300 м 3 /ч, суммарный расход условного топлива — 13,8%, удельная производительность — 47 т/ м2 сут, содержание свинца в шлаке — 1,5%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

шлак шахтный печь кокс В данном реферате были рассмотрены особенности шахтной восстановительной плавки свинцовых концентратов. В результате можно сделать вывод, что шахтная плавка обладает следующими особенностями: универсальность процесса (можно перерабатывать и богатое и бедное сырье), сравнительно высокое прямое извлечение свинца в металл (около 93%), высокая комплексность использования сырья, высокая производительность оборудования непрерывного действия. Недостатком процесса являются сравнительно большой расход дорогостоящего дефицитного кокса и высокая запыленность газов, требующая сложную систему пылеулавливания; а также большое число продуктов плавки, требующих специальной переработки.

Шахтная плавка сохраняет свое значение в современной металлургии свинца, однако в перспективе целесообразная постепенная замена ее на более экономичные автогенные процессы.

1. Набойченко С. С. Процессы и аппараты цветной металлургии: Учебник для вузов [Текст] / С. С. Набойченко, Н. Г. Агеев, А. П. Дорошкевич, В. П. Жуков, Е. И. Елисеев, С. В. Карелов, А. Б. Лебедь. — Екатеринбург: УГТУ, 1997. — 648 с.

2. Марченко Н. В. Металлургия тяжелых цветных металлов [Электронный ресурс]: электрон. учеб. пособие / Н. В. Марченко, Е. П. Вершинина, Э. М. Гильдебрандт. Режим доступа: http://library.krasu.ru›ft/ft/_umkd/1821/u_manual.pdf

3. Уткин Н. И. Металлургия цветных металлов. Учебник для вузов [Текст]. М., Металлургия, 1985. — 440 с.