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
ВВЕДЕНИЕ
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 °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.
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 верх- ней 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) ·Fe2O3 + 2СО = Pb +
2FeO + CO2 (6) ·SiO2 + 2СО = 2Pb + SiO2 + 2 CO2 (7)
Сульфат свинца интенсивно восстанавливается
оксидом углерода до сульфида при 550°С по реакции
+ 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:
O + CO = 2Cu + CO2 (9) O·Fe2O3 + 2CO = 2Cu +
2FeO + 2CO2 (10) O·SiO2 + CO = 2Cu + SiO2 + 2CO2 (11) O5 + 5CO = 2As + 5CO2
(12) O5 + 5CO = 2Sb + 5CO2 (13) O3 + 3CO = 2Bi + 3CO2 (14)
Если в агломерате оставлено много серы, то оксид
меди реагирует с сульфидами других металлов по реакциям
O + FeS = Cu2S + FeO (15) O + PbS = Cu2S + PbO
(16)
Металлическая медь также взаимодействует с
сульфидами других металлов:
Cu + 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°С 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):
Fe 2O 3 + СО = 2Fe 3O 4 + СО 2 (18) O4 + СО =
3FeO + СО 2 (19)
FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (20)
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 °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.
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°С 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 °С. 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.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
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
. Уткин
Н.И. Металлургия цветных металлов. Учебник для вузов [Текст]. М., Металлургия,
1985. - 440 с.