Шахтная плавка свинцового агломерата

 

Введение 3

1 ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВИНЦА 5

2 СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВИНЦА 8

3 ШАХТНАЯ ПЛАВКА СВИНЦОВОГО АГЛОМЕРАТА 11

3. 1 ХИМИЗМ ПРОЦЕССА ШАХНОЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ 13

3.2 ПРОДУКТЫ ШАХТНОЙ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ 16

3.3 ПРАКТИКА ШАХТНОЙ СВИНЦОВОЙ ПЛАВКИ 17

4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ 24

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Области потребления свинца определяются особенностями этого металла по его физико-химическим и механическим свойствам.

Главный потребитель свинца аккумуляторная промышленность. Для этой цели тратится 30–45 % производимого свинца. Значительное количество свинца 15–20 % идет на нужды электротехнической промышленности для изготовления кабелей и покрытий к ним. Важная область применения свинца – производство тетраэтилсвинца (6–22 %), который добавляют в бензин для улучшения его качества. Хорошие антикоррозионные свойства свинца позволяют использовать его в химической и металлургической промышленности.

В виде сплавов с другими металлами  потребляются от 5 до 15 % свинца. Широкое распространение получили сплавы свинца с оловом, кальцием, цинком, содержащие в различных пропорциях сурьму, медь, мышьяк, кадмий, бронзы, баббиты, латуни, припои. Эти сплавы применяют в машиностроении и электротехнике. Свинец входит в состав типографского сплава.

Развитие атомной энергетики поставило  вопрос о защите от гамма - излучения. Свинец лучше других материалов способен поглощать гамма - лучи и поэтому как защитное средство очень широко используется в этой области.

Из оксидов свинца наиболее широко используется сурик Pb3O4 – в лакокрасочной промышленности. Из новых перспективных областей применения этого металла следует отметить электронику и энергетику, где намечается в широких масштабах использовать ферриты и другие соединения на основе свинца. Разрабатываются методы использования органических соединений свинца в качестве антифрикционных добавок в минеральные смазочные масла.

Вообще, конец прошлого века оказался знаковым для свинцовой промышленности России. После потрясений 1990-х годов, вызванных развалом Советского Союза, основные производители свинца (Усть-Каменогорский свинцово-цинковый комбинат, Чимкентский свинцовый завод, объединение "Укрцинк") оказались за пределами России.

В ближайшие несколько лет в  Хакасии может появиться первый в России современный завод по производству первичного свинца. В качестве площадки для размещения предприятия рассматривается город Сорск.

В настоящее время в России практически  нет заводов по переработке первичного свинца. Хотя в Красноярском крае находится одно из крупнейших в мире месторождений этого металла – Горевское. Оно содержит 42 % российских запасов свинца. Завод, строительство которого планируется в Хакасии, будет заниматься переработкой свинцового концентрата этого месторождения.

Производство металлического свинца рядом крупнейших производителей в 2003 году составляет: в «ГМК Дальполиметалл» (из руды) около 12 тыс.т (рост более 30%) и в холдинге УГМК (из лома) около 10,2 тыс.т (рост на 24%).

Так, выпуск продукции в 2007 г. предприятием Цветметсервис составил 5,13 тыс. т., в 2008 г. - 6,2 тыс. т., по итогам 2009 г. Цветметсервис произвел 10,5 тыс. т. различных видов свинцовых сплавов».

Тем не менее, производство необработанного  свинца в России за первые два месяца 2010 года показало тенденцию к росту. Согласно данным Федеральной службы государственной статистики, в январе-феврале  выпуск свинца увеличился в два раза по отношению к аналогичному периоду 2009 г. При этом в феврале 2010 г. производство свинца выросло на 64,8% к февралю 2009 г., а к январю 2010 г. - на 12,3%.

Количество балансовых запасов  свинца в России достигает почти 20 млн т; страна занимает по этому параметру второе место в мире после Австралии.

Около 70% запасов свинца сосредоточено  в трех крупнейших месторождениях: Горевском в Красноярском крае, заключающем почти 44% разведанных запасов РФ, Озерном и Холоднинском в Республике Бурятия.

Итак, основная часть ресурсов прогнозируется на территории Красноярского, Алтайского и Приморского краёв и о.Новая Земля (Архангельская область).

 

 

 

 

1 ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВИНЦА

 

Свинец – элемент четвертой группы периодической таблицы Д.И. Менделеева, металл серовато-белого цвета, атомный номер 82, атомная масса 207,19, валентность 2 или 4. Температура плавления свинца 327,4 °С, температура кипения 1 745 °С.

Плотность твёрдого свинца 11,336 г/см3. С повышением температуры после перехода металла в жидкое состояние его плотность линейно снижается в интервале от 328–750 °С с 10,68 до 10,19 г/см3.

Механические  свойства невысокие: твёрдость по Бринеллю всего 28–42 МПа, металл – мягок, пластичен, легко прокатывается в тончайшую фольгу.

Удельная теплоёмкость свинца при 18° равна 0,12 кДж/кг·К, а жидкого металла – 0,142 кДж/кг·К. Металлургам большей частью приходится иметь дело с жидким металлом. При переходе в жидкое состояние теплота плавления свинца составляет 5,1 кДж/моль, теплота испарения свинца (при температуре кипения) 175–177 кДж/моль.

В жидком состоянии  свинец жидкотекуч, вязкость его в интервале температур 340–550 °С изменяется от 1,89 до 1,23 мПа·с. Поверхность натяжения в интервале 328–1 000 °С изменяется от 4,44 до 3,97 кН/м.

Свинец образует сплавы и твёрдые растворы с целым  рядом металлов: оловом, цинком, кадмием, медью, висмутом, сурьмой, кальцием, ртутью, золотом, серебром и другими. Особенностью этого металла является то, что он практически не растворяет железо. Это позволяет вести металлургические операции даже при высоких температурах в аппаратуре, изготовленной из стали и чугуна.

Свинец, по сравнению  с другими металлами, имеет наиболее высокий массовый коэффициент поглощения рентгеновских лучей.

В химическом отношении  свинец достаточно инертен. Во влажном воздухе он медленно окисляется с образованием плотной плёнки из РbО или основных углекислых и сернокислых солей, предохраняющей его от дальнейшего окисления. В свинце почти не растворяются такие газы, как О2, SO2, Н2, N2, СО и СО2.

Нормальный электродный потенциал свинца в водных растворах φо= –0,126 В, как правило, меньше, чем перенапряжение водорода на свинце.

При комнатной температуре свинец практически не реагирует с разбавленными растворами серной и соляной кислот, но хорошо растворяется в азотной. Устойчивость свинца в серной и соляной кислотах объясняется образованием на его поверхности труднорастворимых в воде сульфатов и хлоридов свинца.

Свинец устойчив по отношению к  водному раствору аммиака, хлору, щелочам и органическим маслам.

При повышении температуры свинец с кислородом воздуха образует ряд химических соединений: Рb2О, РbО, Рb2О3 и Pb3О4. Последнее соединение широко используется для изготовления красок. Все кислородные соединения свинца (кроме РbО) нестойкие и распадаются на РbО и О2.

Из всех оксидов свинца наибольшее значение для металлургии имеет глет (PbO).

Он образуется по реакции:

Pb + 0,5O2 = PbO + 210,0 кДж.                                                                  (1.1)

Плотность глета составляет 9,35 г/см3. Температура плавления 886 °С, температура кипения 1 472 °С. Глет растворяется в соляной, азотной, плавиковой кислотах и в растворах щелочи.

При нагревании выше 200 °С глет восстанавливается водородом и оксидом углерода СО до металлического свинца. Это свойство глета положено в основу восстановительной свинцовой плавки.

При высоких температурах глет легко взаимодействует с оксидами других элементов с образованием силикатов (xPbO·ySiO2), ферритов (xPbO·yFe2O3), плюмбитов (xМеО·yPbO, где Ме – Ca, Mg и другие). Это свойство глета используется при агломерирующем обжиге свинцовых концентратов.

В плавильных агрегатах глет активно  взаимодействует с кладкой печей, разрушая ее.

Из расплава сложных соединений свинца (силикатов, ферритов, плюмбитов) свинец можно восстановить до металлического состояния оксидом углерода и коксом. Особенно интенсивно этот процесс протекает при температуре выше 900 °С:

PbO·SiO2 + CO = Pb + SiO2 + CO2                                                              (1.2)

Глет – сильный окислитель и  легко окисляет в расплаве Fe, Cu, Zn, Bi, As, Sb, S и другие элементы. Это свойство глета используется при очистке ( рафинировании ) свинца от примесей.

Сульфид свинца PbS встречается в природе в виде минерала галенита.

Плотность его составляет 7,23–7,59 г/см3. Температура плавления равна 1 114 °С, кипения – 1 281°С.

При нагревании на воздухе окисляется с образованием PbO и PbSO4.

Окисление начинается при температуре  более 100 °С и интенсивно протекает при 400–500 °С.

При нагревании смеси сульфида свинца и глета может протекать реакция

PbS + 2PbO = 3Pb + SO2 – 219,8 кДж.                                                       (1.3)

Это свойство сульфида положено в  основу реакционной плавки свинцовых  концентратов.

С металлами, обладающими большим  сродством к сере (Mn, Cu, Fe, Sn, Zn) галенит взаимодействует, сульфидируя их:

PbS + Ме = Pb + МеS                                                                                    (1.4)

На этом свойстве сульфида свинца основан процесс осадительной плавки, осуществляемой при температуре выше 1 000 °С.

Высокая летучесть свинца и его  соединений уже при сравнительно низких температурах приводит к потерям его в металлургическом производстве и обуславливает необходимость организации на свинцовых заводах совершенной системы пылеулавливания, заставляет принимать дополнительные меры по технике безопасности при организации свинцового производства или при работе с этим металлом в других отраслях промышленности.

 

2 СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СВИНЦА

 

Основным сырьевым источником металлов является земная кора, где их содержание характеризуется следующими величинами, % по массе: 7,45 Аl; 4,42 Fe; 2,4 Na; 2,35 K; 2,35 Mg; 0,6 Ti; 0,1 Mn; 0,02 Zn; 0,02 Ni; 0,01 Cu; 8·10-3 Sn; 2·10-3 Co; 1,6·10-3 Pb; 5·10-4 Cd; 5·10-4 As; 5·10-4 Sb; 5·10-5 Ag; 5·10-7 Au.

Из приведенных данных видно, что  запасы  свинца в земной коре значительны. Основным сырьем для производства свинца являются полиметаллические руды, содержащие, кроме свинца, ряд металлов-спутников. В настоящее время промышленное значение имеют в основном сульфидные полиметаллические руды, месторождения которых залегают в карбонатных и силикатных породах.

В полиметаллических свинецсодержащих рудах содержание отдельных компонентов характеризуется следующими цифрами, %: 0,3–4 Pb; 0,5–12,8 Zn; 0,2–2,9 Cu; 8–25 Fe; 0,002–0,01 Ni; 0,004–0,05 Cd; 0,002–0,01 Co; 0,001–0,015 Bi; 0,004–0,05 Sb; 7–30 S; 0,005–0,01 As; 0,0001–0,001 Jn; 0,0003–0,001 Jr; 0,001–0,005 Se; 0,0001–0,002 Tl; 0,0001–0,002 Te; 0,2–0,3 г/т Au; 5–100 г/т Ag.

 Основными минералами в сульфидных  рудах являются: галенит (PbS), сфалерит и реже вюртцит (ZnS), марматит (nZnS·mFeS), халькопирит (CuFeS2), халькозин (Cu2S), пирит (FeS2), пирротины (FenSn+1), арсенопирит (FeAsS), аргентит (AgS).

В окисленных рудах свинец содержится в основном в виде церуссита (PbCO3) и англезита (PbSO4), цинк в виде цинкита (ZnO), смитсонита (ZnCO3), виллемита (2ZnO·SiO2) и каламина (2ZnO·SiO2·H2O) и других.

Хотелось бы отметить, что металлы-спутники свинца находятся в полиметаллических рудах в разных формах. Общие геологические запасы полиметаллических руд в недрах земли подразделяются на балансовые и забалансовые. К балансовым относятсятакие руды, которые по мощности и условиям залегания месторождения удовлетворяют современным горно-техническим требованиям, а по содержанию металлов соответствуют промышленным требованиям. К забалансовым запасам относятся запасы руд прежде всего с низким содержанием в них ценных металлов, а также незначительных размеров и малой мощности рудного тела, тяжелых условий разработки месторождений.

Количество балансовых запасов  в значительной мере зависит от кондиций, т.е. совокупности требований, которым  должна удовлетворять промышленная руда и прежде всего от промышленного минимума содержания металлов в руде.

Под промышленным минимумом подразумевается  самое низкое содержание металлов в  руде, которое позволяет рентабельно  использовать ее для извлечения металлов. Промышленный минимум является категорией, которая меняется с прогрессом техники и с расширением комплексности использования сырья. Определение промышленного минимума проводится из расчета стоимости всех ценных компонентов, получаемых из тонны руды при современных технике и технологии, и учета затрат на добычу, обогащение и металлургический передел. При этом стоимость извлекаемых ценных компонентов должна быть несколько выше суммы затрат на их получение.

Промышленный минимум, как правило, корректируется с учетом геологических особенностей месторождений руд, содержания в них редких и рассеянных элементов, обогатимости руд, особенностей металлургической переработки.

Понижение промышленного минимума для основного металла в руде позволяет перевести значительное количество забалансовых руд в число балансовых, т.е. значительно расширить запасы сырья. В начале прошлого века промышленными считались свинецсодержащие руды с содержанием свинца 3–5 %, сейчас перерабатываются руды с содержанием свинца 0,3-0,7 %.В будущем следует ожидать дальнейшего снижения промышленного содержания металлов в сырье. Однако, Глобальный кризис, связанный с истощением сырьевых ресурсов, в том числе для цветной металлургии, можно предотвратить путем разработки и использования высокоразвитой техники для разведки и добычи полезных ископаемых не только из поверхностных слоев земной коры, но и из более глубоких, за счет использования мирового океана, путем разработки новых технологических процессов и оборудования для переработки полезных ископаемых и, что особенно важно, путем перевода промышленного производства на так называемые «замкнутые», «безотвальные» технологические схемы.