Расчет процесса шахтной восстановительной плавки свинцового агломерата

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образовния

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

 

Ачинский Филиал СФУ

институт

Металлургия цветных металлов

кафедра

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

 

Расчет процесса шахтной восстановительной плавки свинцового агломерата

тема работы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Руководитель    ___________                доцент, КТН                   Марченко Н.В.

                                            ^{подпись,дата                          должность, ученая степень                    инициалы, фамилия}

Студент              МЦ-09                _________________        Гилязитдинова Ю.В.

                            ^{номер группы        номер зачетной книжки, подпись, дата                  инициалы, фамилия}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ачинск, 2012

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Шахтная восстановительная  плавка………………………………………….4

1.1. Химизм процесса шахтной  восстановительной плавки………….……….5

1.2. Характеристика продуктов  плавки………………………………………...6

2. Характеристика шахтной  печи……………………………………………….7

3. Расчет процесса шахтной  восстановительной плавки 

     свинцового  агломерата

3.1. Расчет рационального  состава свинцового агломерата……………….....9

3.2. Расчет количества получаемой при плавке пыли……………………….12

3.3.  Расчет количества и состава получаемого при плавке шлака…………12

3.4. Расчет количества чернового свинца……………………………….........14

3.5 Расчет горения кокса и количества отходящих газов…………………...15

3.6. Расчет состава и количества отходящих газов…………………………..16

Заключение………………………………………………………………….......22

Список используемой литературы…………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Свинец можно получить двумя путями: пирометаллургическим и гидрометаллургическим. При пирометаллургическом способе переработки концентратов весь материал, содержащий свинец, подвергают плавке. При гидрометаллургическом  способе пользуются растворением свинцовых  соединений в различных растворителях  с последующим выделением свинца из раствора цементацией или электролизом.

Основные гидрометаллургические  способы получения свинца:

- разложение концентратов  в водных растворах хлорного  железа;

- нитратно-ферритное вскрытие;

- автоклавное выщелачивание.

К достоинствам этого способа  переработки свинецсодержащих материалов относят:

– избирательное извлечение металлов из забалансового (труднообогатимого, с невысоким содержанием свинца, полиметаллического) сырья;

– комплексную переработку  сырья с высокой степенью извлечения элементов в качественные продукты – как основу безотходной, экологической  выдержанной технологии;

– компактное производство, проще механизируемое и автоматизированное, менее трудоемкое и опасное для  здоровья трудящихся.

Гидрометаллургические способы  практически не применяются в  настоящее время, объясняется это  существенными недостатками процесса:

– необходимость подготовки концентрата к выщелачиванию  посредством сульфатизирующего или хлорирующего обжига – операция дорогая и

сложная;

– при выщелачивании получается большое количество растворов вследствие ограниченной растворимости свинцовых  соединений в испытанных растворителях;

– при осаждении из хлоридных  растворов как цементацией, так и электролизом свинец получается в виде губки, которую требуется брикетировать для получения удовлетворительного выхода свинца в чушковой металл при

переплавке;

– получаемый по гидрометаллургической  схеме свинец нуждается в рафинировании.

В настоящее время исследуются  гидрометаллургические способы  получения свинца по иным технологическим  схемам с применением других растворителей. Но оптимального варианта гидрометаллургического способа получения свинца пока не найдено.

 

 

 

 

 

 

1. Шахтная восстановительная  плавка

 

Шахтную плавку в цветной  металлургии используют для переработки  кусковых материалов (20–100 мм) в производстве меди, никеля, свинца, олова и некоторых  других металлов.

Наиболее характерные  виды шахтной плавки:

• в металлургии меди: пиритная, полупиритная, медно-серная;

• в металлургии никеля – восстановительно-сульфидирующая;

• в металлургии свинца, олова, сурьмы – восстановительная;

• в металлургии титана, магния – хлорирующая.

Шахтные печи работают по принципу противотока: шихта и топливо  загружаются сверху и опускаются вниз, а раскаленные газы пронизывают  шихту снизу вверх. Передача тепла  от газа к материалу осуществляется за счет конвекции. Коэффициент использования  тепла в шахтной печи достигает 70–80 %.

Образующиеся в ходе плавки жидкие продукты стекают вниз, проходят фокус печи и собираются во внутреннем горне печи, где отстаиваются и  расслаиваются по плотности и  их выпускают из печи по мере накопления.

Характер плавки определяется расходом кокса: до 10–12 % – преобладают  окислительные процессы, свыше –  восстановительные.

Сжигание топлива является основным процессом шахтной плавки, влияющим на состав газовой фазы и  удельную производительность печи. В  области фурм кокс сгорает по реакциям:

С + O₂ ↔ СO₂ + 391,86 кДж (1)

С + 0,5O₂ ↔ СO + 110,08 кДж (2)

Горячие газы поднимаясь вверх  нагревают шихту, СО₂ взаимодействует с раскаленным коксом по реакции Будуара (реакции газификации твердого углерода), создавая необходимую при плавке восстановительную атмосферу:

С + СО₂ ↔ 2СО – 172,4 кДж (3)

В шахте печи соотношение  СО : СО₂ зависит от условий сжигания кокса и распределения газового потока.

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

Исходными материалами для  плавки являются свинцовый агломерат, кокс и воздух. Агломерат содержит свинец, сопутствующие металлы (медь, цинк, золото, серебро, висмут и т. д.) и все необходимые компоненты для образования шлака.

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.

 

 

1.1.Химизм процесса  шахтной восстановительной плавки

 

Основным восстановителем  при плавке свинцового агломерата является оксид углерода. 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 СО₂.

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, так как  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 следующим реакциям:

PbO + CO = Pb + CO₂ (5)

PbO•Fe₂O₃ + 2СО = Pb + 2FeO + CO₂ (6)

PbO•SiO₂ + СО= Pb + SiO₂ + 2CO₂ (7)

Сульфат свинца интенсивно восстанавливается оксидом углерода до сульфида при 550 0С по реакции

PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂ (8)

Сульфид свинца в условиях восстановительной шахтной плавки практически не восстанавливается  и переходит в штейн.

При плавке свинцового агломерата вместе со свинцом восстанавливаются  окисленные соединения меди, мышьяка, сурьмы и висмута по реакциям:

Cu₂O + CO = 2Cu + CO₂ (9)

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

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

As₂O₅ + 5CO = 2As + 5CO₂ (12)

Sb₂O₅ + 5CO = 2Sb +5CO₂ (13)

Bi₂O₃ + 3CO = 2Bi + 3CO₂ (14)

Эти элементы растворяются в расплавленном свинце, образуя  черновой металл.

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)

При плавке образуется сплав  сульфидов меди, железа, свинца –  штейн.

При температуре 1100 0С 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 (2FeO•SiO₂):

2Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СО₂ (18)

Fe₃O₄ + СО =3FeO + СО₂ (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.

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.

 

1.2.Характеристика  продуктов плавки

 

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 0С, вязкость при 1200 0С – около 0,5 Па•с, плотность – не более 3,5-3,8 г/см3. 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.

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 %.

Шпейза – более тугоплавкая и тяжелая, чем штейн. Она размещается в горне печи между свинцом и штейном. Она образуется редко, только тогда, когда мышьяк и сурьма недостаточно полно удалены при обжиге. Шпейза –источник потерь ценных металлов, так как переработка ее связана с большими трудностями.

Пыли свинцового производства – ценное полиметаллическое сырье. Помимо свинца и цинка, они содержат кадмий, индий, селен, теллур, германий и другие элементы. 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.

Прямое извлечение свинца в черновой металл при шахтной  восстановительной плавке составляет 90–93 %, а общее извлечение с учетом переработки шлаков, пылей и других промежуточных продуктов достигает 97–98%. Медь при плавке с получением штейна на 70–80 % переходит в штейн, при безштейновой плавке на 85 % переходит в свинец. Цинк концентрируется в шлаке со степенью извлечения до 90 %. Благородные металлы на 98–99% извлекаются в черновой свинец.