Расчет процесса шахтной восстановительной плавки свинцового агломерата

 

2. Характеристика  шахтной печи

 

Отличительной особенностью шахтных печей является наличие  шахты, в которую сверху загружают  специально подготовленную шихту, 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 и штейн.

Шахтная печь свинцовой плавки (рис. 1) состоит из следующих основных частей: внутреннего горна с сифонами, шахты с фурмами, колошника с  загрузочным устройством, отстойника. 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.

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.

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 м2 площади сечения печи в области фурм. Давление воздуха, вдуваемого в печь, составляет 13–26 кПа.

Колошник служит для загрузки шихты и отвода газов из печи. Он представляет собой металлический  водоохлаждаемый каркас, заполненный огнеупорным кирпичом. Иногда колошник кессонируют. В шахтную печь загружают крупнокусковой материал. Загрузка идет послойно: слой агломерата, слой кокса, слой агломерата, слой кокса и т. д.

Отходящие из печи газы имеют  температуру 250–400 0С и содержат значительное количество пыли. После пылеочистки их выбрасывают в атмосферу.

 

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

 

Показатели шахтной плавки для различных режимов следующие:

Высота сыпи, м                                                          4–6                                2,5–3

Удельная производительность печи, т/(м²•сут)    45–70                            60–100

Расход кокса, % от массы  шихты                           10–13                            7,5–10

Расход воздуха на 1т  шихты, м3                              900                                1440

Содержание свинца в шлаке, %                               До 1                              2–3,5

Температура колошниковых газов, оС                 100–250                       До 600

Выход пыли, % от массы шихты                             0,5–2                               3–5

В современной металлургии  свинца более широкое распространение  получила плавка с высокой сыпью. При этом выше прямое извлечение свинца, меньше унос пыли и потери с ней  свинца, повышается срок службы печей  от одного двух лет, лучше обеспечиваются санитарно-гигиенические условия  в

цехе. К недостаткам плавки с высокой сыпью следует отнести пониженную удельную производительность печи и повышенный расход кокса.

 

 

3. Расчет процесса  шахтной восстановительной плавки  свинцового агломерата

 

3.1. Расчет рационального  состава свинцового агломерата

 

     Свинцовый агломерат – основной продукт окислительно-агломерирующего обжига свинцовых агломератов. Металлы в нем на (60 – 50)% представлены силикатами, на (10 – 15)% - ферритами, на (8 – 10)% оксидами и на (10 – 15)% сульфидами и сульфатами. Знание рационального состава этого продукта позволяет выбрать основные параметры восстановительной плавки, сделать металлургические подсчеты и предсказать основные показатели процесса плавки.

     В  задании расчета рационального состава свинцового агломерата выбран следующий его химический состав, %: 48,0 Pb; 5,0 Zn; 1,2 Cu; 13,2 Fe; 9,5 SiO₂; 3,0 СаО; 2,5 Al₂O₃; S – из вещественного состава, прочие.

     Минералогический анализ агломерата показал, что Zn в агломерате на 5 %  присутствует в виде сфалерита ZnS, на 95% в виде ZnO; Pb на 15% в виде PbO, на 60% в виде PbO•SiO₂, на 15% в виде PbO•Fe₂O₃, на 5% в виде PbS и на 5% в виде PbSO₄. Cu в агломерате присутствует в виде Cu₂S; оставшееся Fe в виде FeS и Fe₂O₃ в соотношении 1:18.

      Расчет ведем на 100 кг агломерата.

     Так, как Zn в агломерате на 5 %  присутствует в виде сфалерита ZnS, на 95% в виде ZnO, то в ZnS 5*0,05=0,25% Zn; в ZnO 5*0,95=4,75% Zn.

     Серы в ZnS =

      Кислорода в ZnO =

     Так как Pb в агломерате присутствует на 15% в виде PbO, на 60% в виде PbO•SiO₂, на 15% в виде PbO•Fe₂O₃, на 5% в виде PbS и на 5% в виде PbSO₄. Тогда в PbO 0,15*48=7,2% Pb; в PbO•SiO₂ 0,6*48=28,8% Pb; в PbO•Fe₂O₃ 0,15*48=7,2% Pb; в PbS 0,05*48=2,4% Pb; в PbSO₄ 0,05*48=2,4% Pb.

     Кислорода в PbO =

     Кислорода в PbO∙SiO₂ =   и SiO₂ в PbO∙SiO₂ =

     Кислорода в PbO∙Fe₂O₃ =   и Fe в PbO∙Fe₂O₃ = 

     Серы в PbS =

     Серы в PbSO₄ =   и кислорода в PbSO₄ = 

     Cu в агломерате присутствует в виде Cu₂S, тогда серы в Cu₂S =

     Оставшееся Fe в виде FeS и Fe₂O₃ в соотношении 1:18.

     Fe = 13,2 – 3,9 = 9,3

     Тогда Fe в FeS   ; Fe в Fe₂O₃ 9,3 - 0,58 = 8,72%

     Серы в FeS 

     Кислорода в Fe₂O₃ 

 

Таблица 1 – Рациональный состав свинцового агломерата

Соединения	Содержание компонентов, кг
	Pb	Zn	Fe	Cu	SiO2	CaO	Al2O3	S	O	Прочие	Итого
ZnS		0,25						0,12			0,37
ZnO		4,75							1,16		5,91
PbO	7,2								0,55		7,75
PbO∙SiO2	28,8				8,3				2,22		39,32
PbO∙Fe2O3	7,2		3,9						2,22		13,32
PbS	2,4							0,4			2,8
PbSO4	2,4							0,4	0,74		3,54
Cu2S				1,2				0,3			1,5
FeS			0,58					0,16			0,74
Fe2O3			8,72						3,75		12,47
SiO2					1,2						1,2
CaO						3					3
Al2O3							2,5				2,5
Прочие										5,58	5,58
Итого	48	5	13,2	1,2	9,5	3	2,5	1,38	10,64	5,58	100

 

 

3.2. Расчет количества  получаемой при плавке пыли

 

     Из данных практики принимаем, что в пыль переходит 1,3 % свинца, цинка в пыль по условиям задания переходит 5 %. Обычно сумма этих металлов в пыли составляет 70–75 %. Для расчета принимаем 70 %.

     Тогда количество указанных металлов в пыли составит, кг:

     цинка – 5∙0,05 = 0,25;

     свинца – 48∙0,013 = 0,624.

     Выход пыли будет равен (0,25 + 0,624)/0,7 = 1,248 кг.

     Металлы в пыли присутствуют в виде оксидов. Определяем количество кислорода в пыли.

     С цинком связано кислорода: 0,25∙16/65,4 = 0,06 кг, масса оксида цинка составляет: 0,25 + 0,06 = 0,31 кг.

     Количество кислорода, связанного со свинцом: 0,624∙16/207,2 = 0,05 кг, масса оксида свинца равна 0,624 + 0,05 = 0,67 кг.

     Количество прочих компонентов в пыли составляет:

     1,248 – 0,31 – 0,67 = 0,268 кг.

     Всего в пыли содержится кислорода: 0,06 + 0,05 = 0,11 кг.

 

3.3. Расчет количества и состава получаемого при плавке шлака

 

     Шлаки свинцовых плавок содержат оксиды железа, кремния, кальция и

цинка. Их содержание в шлаках находится в пределах, %: 20–30 SiO2; 30–40 FeO; 10–18 CaO и не более 25 % ZnO. Данные компоненты переходят в шлак из свинцового агломерата и золы кокса.

     Определяем количество кремнезема в шлаке:

(M_SiO2)_шл = (M_SiO2)_агл + (M_SiO2)_з.к = (M_SiO2)_агл+ m_к∙С_з.к∙ (С_SiO2)_з.к,

где (M_SiO2)_шл – масса кремнезема в шлаке, кг; (M_SiO2)_агл – масса кремнезема в агломерате, кг; (M_SiO2)_з.к – масса кремнезема в золе кокса, кг; m_к – масса кокса, кг; С_з.к – концентрация золы в коксе, доли ед.; (С_SiO2)_з.к – концентрация кремнезема в золе кокса, доли ед.

(M_SiO2)_шл = 9,5 + 10∙0,1∙0,48 = 9,98 кг.

     Рассчитываем массу оксида железа (II) в шлаке:

     (M_FeO)_шл = ((M_Fe)_агл – (M_Fe)_шт)∙М_FeO/A_Fe+ m_к∙С_з.к∙ (С_FeO)_з.к,

где (M_Fe)_шт – масса железа в штейне, кг; А_Fe – атомная масса железа, г; M_FeO –

молекулярная масса оксида железа, г; (C_FeO)_з.к – концентрация оксида железа

(II) в золе кокса, доли  ед.

(M_FeO)_шл = (13,2 – 0)∙71,8/55,8 + 10∙0,1∙0,12 = 17,1 кг.

     В этом количестве оксида железа присутствует, кг:

железа 17,1∙55,8/71,8 = 13,28;

кислорода 17,1 – 13,28 = 3,82

     Аналогично рассчитываем содержание оксидов кальция и алюминия в

шлаке:

(M_СаО)_шл = 3 + 10∙0,1∙0,03 = 3,03 кг;

(M_Al2O3)_шл = 2,5 + 10∙0,1∙0,37 = 2,87 кг.

     Рассчитываем количество оксида и сульфида в шлаке. Сначала определяем количество цинка, переходящего из агломерата в шлак:

(M_Zn)_шл = (M_Zn)_агл•(ε_Zn)_шл = 5∙0,9 = 4,5 кг,

где (ε_Zn)_шл – извлечение цинка из агломерата в шлак, доли ед.

     Сульфида цинка в шлаке содержится:

(M_ZnS)_шл = (M_ZnS)_агл – (M_ZnS)_шт = 0,37 – 0 = 0,37 кг.

 

     В этом количестве сульфида цинка содержится, кг:

цинка – 0,37∙65,4/97,4 = 0,248,

серы – 0,37 – 0,248 = 0,122.

     Остальной цинк присутствует в шлаке в виде оксида. Цинка в оксиде:

4,5 – 0,248 = 4,252 кг. С этим количеством цинка связано кислорода:

     4,252•16/65,4 = 1,04 кг. Всего оксида цинка в шлаке: 4,252 + 1,04 = 5,292 кг.

     Сумма оксидов SiO₂, FeO, CaO, ZnO в шлаке может достигать 90 %. Для расчетов принимаем сумму этих оксидов в шлаке 88 %. Тогда масса шлака будет равна: (9,98 + 17,1 + 3,03 + 5,292) / 0,88 = 40,23 кг.

     В этом количестве шлака содержится свинца: 40,23∙0,018 = 0,724 кг. Из

этого количества свинца – 20 % находится в шлаке в виде оксида, остальной

свинец присутствует в  металлическом состоянии.

     Свинца в виде оксида в шлаке: 0,724∙0,2 = 0,145 кг, с этим количеством

свинца связано кислорода: 0,145∙16/207,2 = 0,011 кг. Тогда оксида свинца в

шлаке 0,145 + 0,011 = 0,156 кг. Свинца в металлическом состоянии в шлаке:

0,724 – 0,145 = 0,579 кг.

     Меди в шлаке содержится: 40,23∙0,006 = 0,241 кг. Медь в шлаке присутствует в виде сульфида. Тогда сульфида меди присутствует в шлаке:

0,241∙159/127 = 0,301 кг. В этом количестве сульфида меди, содержится серы: 0,288 – 0,241 = 0,047 кг.

     Количество прочих в шлаке определяем по разности между массой

шлака и массой предыдущих компонентов:

 

 

40,23 – 9,98 – 17,1 – 3,03 – 2,87 – 5,292 – 0,37 – 0,156 – 0,579 – 0,301 =

= 0,552 кг.

 

Таблица 3 – Количество и  состав шлака

Компоненты	Содержание элементов, кг
	SiO2	CaO	Fe	Pb	Zn	Cu	Al2O3	O	S	Прочие	Всего	%
SiO2	9,98										9,98	24,8
FeO			13,28					3,82			17,1	42,5
CaO		3,03									3,03	7,53
Al2O3							2,87				2,87	7,132
ZnO					4,252			1,04			5,292	13,15
ZnS					0,248				0,145		0,393	0,98
PbO				0,145				0,011			0,156	0,39
Pb				0,579							0,579	1,439
Cu2S						0,241			0,047		0,288	0,715
Прочие										0,552	0,552	1,37
Итого	9,98	3,03	13,28	0,724	4,5	0,241	2,87	4,871	0,192	0,552	40,24	100