Реакционные процессы плавки свинца

Министерство  образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет  имени первого президента РФ Б. Н. Ельцина.

Кафедра «Металлургия цветных тяжелых металлов»

 

 

 

Реферат

Тема: «Реакционные процессы плавки свинца»

 

 

 

 

 

 

      Выполнил: Махмудзода М.

      студент  Группы Мт390301

                                                                 Проверил: Спитченко В. С.

 

 

 

 

 

 

                                                                   Екатеринбург-2011

 

 

  

 Шахтная плавка свинцового  агломерата

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.

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 обслойно 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 продук-

тов плавки медленно опускается вниз (около 1 м/ч) и его пополняют очеред-

ными загрузками агломерата и кокса.

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 (2.44)

С + 0,5О2 = СО + 110,08 кДж (2.45)

Горячие газы, поднимаясь вверх, нагревают шихту, СО2 взаимодействуют с раскаленным коксом по реакции Будуара:

СО2 + С = 2СО – Q (2.46)

Образующийся по реакции (2.46) оксид углерода (СО) является основным восстановителем в шахтной печи. Восстановление оксидов металлов

оксидом углерода происходит в результате протекания реакции:

МеО + СО ⇄ Ме + СО2 (2.47)

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, 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 + CO2 (2.48)

PbO·Fe2O3 + 2СО = Pb + 2FeO + CO2 (2.49)

PbO·SiO2 + СО = Pb + SiO2 + 2CO2 (2.50)

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

PbSO4 + 4CO = PbS + 4CO2 (2.51)

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 (2.52)

Cu2O·Fe2O3 + 2CO = 2Cu + 2FeO + 2CO2 (2.53)

Cu2O·SiO2 + CO = 2Cu + SiO2 + 2CO2 (2.54)

As2O5 + 5CO = 2As + 5CO2 (2.55)

Sb2O5 + 5CO = 2Sb + 5CO2 (2.56)

Bi2O3 + 3CO = 2Bi + 3CO2 (2.57)

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

Cu2O + FeS = Cu2S + FeO (2.58)

Cu2O + PbS = Cu2S + PbO

 

 

Металлическая медь также взаимодействует с  сульфидами других металлов:

2Cu + FeS = Cu2S + Fe (2.60)

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 1 100 °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 (2FeO·SiO2):

2Fe2O3 + СО = 2Fe3O4 + СО2 (2.61)

Fe3O4 + СО = 3FeO + СО2 (2.62)

2FeO + SiO2 = 2FeO·SiO2 (2.63)

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.

 

2.3.2. 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 1 100–1 150 °С, вязкость при 1 200 °С – 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.

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 %.

Шпейза – более тугоплавкая и тяжелая, чем штейн. Она размещается в горне печи между свинцом и штейном. Отделение и переработка шпейз сопряжена с большими трудностями. Она образуется редко, если мышьяк и сурьма

недостаточно полно удалены при обжиге. 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 25 % 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.