Шахтная плавка свинцового агломерата

 

 

3.3 ПРАКТИКА ШАХТНОЙ СВИНЦОВОЙ ПЛАВКИ

 

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 (рис. 1.2) 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. 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.

Рис. 1.2. Шахтная печь свинцовой плавки: 1 – горн; 2 – сифон для выпуска

чернового свинца; 3 – фурму; 4 – коллекторы системы  водяного охлаждения;

5 – шахта  печи; 6 – колошник; 7 – загрузочный  шибер; 8 – шатер колошника;

9 – коллектор  для подвода дутья; 10 – сифон  для выпуска шлака

 

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, в зависимости от крупности и пористости перерабатываемого материала.

Колошник с лужит д ля з агрузки ш ихты 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/м3). После пылеочистки (в циклонах и рукавных фильтрах) 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, °С, 100–250 до 600;
• Выход пыли, % от массы шихты, 0,5–2, 3–5.

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, обеспечиваются лучше санитарно-гигиенические условия в цехе. К недостаткам плавки с высокой сыпью следует отнести пониженную удельную производительность печи и повышенный расход кокса.

Для усовершенствований процесса свинцовой  плавки в шахтных печах было предложено использование в качестве дутья воздуха, обогащенного кислородом до 27–30 % и подогретого до 400–450 °С.

В настоящее время это широко применяется в отечественной  и мировой практике и позволяет на 15–20 % повысить удельную производительность шахтных печей, снизить расход кокса (на 10–15 %) и флюсов (на 40–60 %) и, как следствие, сократить выход шлака (на 30–40 %), а значит, и потери с ним свинца. Применение печей сложного профиля с двумя рядами фурм (рис. 1.3) 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/м2сут 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 п ечи в области н ижнего 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.

Исследования по замене кокса природным  газом показали, что при полной замене кокса природным газом трудно обеспечить необходимую восстановительную атмосферу в печи. При безкоксовой плавке не происходит регенерации оксида углерода, как основного восстановителя, по реакции Будуара (1.7).

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, п ри э том п роизводительность 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 м3/ч, суммарный расход условного топлива – 13,8 %, удельная производительность – 47 т/ м2сут, содержание свинца в шлаке – 1,5 %.

Показатели плавки с холодным дутьем характеризуются следующими цифрами: удельный расход кокса 15–16 %, производительность печи – 32–40 т/м2сут, содержание свинца в шлаке 1,5–2,0 %.

При оптимальных условиях плавки с  нагретым дутьем расход кокса снизился на 20 %, экономия суммарного расхода  топлива (кокса и природного газа) составила 5,4 % и, в результате, экономия на стоимости топлива – 14,5 %.

 

Рис. 1.3. Шахтная печь переменного сечения: 1 – горн; 2 – сифон для

выпуска свинца; 3 – нижний ряд фурм; 4 – верхний  ряд фурм; 5 – кол-

лекторы дутья; 6 – шахта; 7 – колошник; 8 – газозаборное устройство;

9 – уровнемер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ПРАКТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

 

Необходимо рассчитать материальный баланс процесса шахтной восстановительной плавки свинцового агломерата следующего состава, %: 30 Рb; 3 Сu; 5,5 Zn; 12 Fe; S – из вещественного состава; 8 SiO₂; 6,5 СаО; 3 А1₂О₃; прочие. Минералогический состав агломерата: ZnS – 8%; ZnO – 92%; свинец в виде PbO – 16%; PbO.SiO₂ – 58%; PbO.Fe₂O₃ – 17%; PbS – 5%; PbSO₄ – 4%;  медь в виде Cu₂S, оставшееся железо в виде Fe₂O₃ и Fe₃O₄ в соотношении 1:2.

Рациональный состав агломерата приведен в таблице 1.1.

 

Таблица 1.1 Рациональный состав свинцового агломерата

 

Компоненты	Содержание компонентов, кг
	Pb	Zn	Cu	Fe	Ss	Sso4	O	SiO2	CaO	Al2O3	Прочие	Всего
PbO	4,8						0,37					5,17
PbO*SiO2	17,4						1,34	5,04				23,78
PbO*Fe2O3	5,1			2,75			1,57					9,42
PbSO4	1,2					0,56						1,76
PbS	1,5				0,23							1,73
ZnO		5,06					1,24					6,3
ZnS		0,44			0,22							0,66
Cu2S			3		0,75							3,75
Fe3O4				6,166			2,35					8,516
Fe2O3				3,083			1,33					4,413
CaO									6,5			6,5
SiO2								2,96				2,96
A2O3										3		3
Прочие											22,04	22,04
Итого	30	5,5	3	12	1,2	0,56	8,2	8	6,5	3	22,04	100

 

Медь при плавке извлекают в  штейн на 80 %, штейн содержит  20 % S, остальные компоненты определяют по расчету.

Расход кокса на плавку составляет 12 % от массы агломерата. В коксе содержится 10 % золы. В состав золы кокса входят, %: 50  SiО₂; 12  FeO; 35 Al₂O₃; 3 СаО.

Цинк при плавке из агломерата на 85 % переходит в шлак, на 15 % – в пыль. Остальной цинк распределяется между штейном и черновым свинцом.

Извлечение цинка из агломерата в шлак при плавке составляет 85%, в пыль – 6%. Остальной цинк распределяется между штейном и черновым свинцом.

Извлечение свинца в пыль равно 1,5%. В шлаке содержится 1,3% свинца и 0,6% меди. В шлаке свинец предствлен оксидом свинца на 20%, металлом на 80%. Медь в шлаке находится в виде Cu2S.

Степень десульфуризации при плавке составляет 24%.

 

Расчет  количества и состава получаемого  при плавке штейна

По известной степени десульфуризации (24 %) определяем суммарное количество серы в штейне и шлаке, кг:

 

(МS)ш = (МS)агл · (1 – DS) = 1,76· (1 – 0,24) = 1,34 кг,

где (МS)ш – масса серы в штейне и шлаке; (МS)агл – масса серы в агломерате;

DS – степень  десульфуризации, доли ед.

 

Распределение серы между штейном  и шлаком соответствует отношению 4:1, тогда массы серы в штейне составляет 1,34·4/5 = 1,072 кг, в шлаке – 1,34·1/5 = 0,268 кг.

Выход штейна определяем по содержанию серы в нем: 1,072/0,2 = 5,36 кг. Из агломерата в штейн перейдет меди: 3,0·0,8 = 2,4 кг.

Медь в штейне присутствует в виде халькозина Cu2S. Рассчитываем количество халькозина в штейне: 2,4·159/127 = 3,005 кг. С медью в сульфиде связано серы: 3,005–2,4 = 0,605 кг.

При образовании штейна в процессе восстановительной плавки свинцового агломерата сульфид цинка переходит  и в штейн и в шлак. Принимаем  следующее распределение  сульфида цинка по продуктам плавки: 30 % – в штейн, 70 % – в шлак.

Рассчитываем количество ZnS в штейне: 0,66·0,3 = 0,198 кг. В этом количестве сульфида цинка содержится:

цинка: 0,198·65,4/97,4 = 0,13 кг;

серы: 0,198 – 0,13 = 0,068 кг.

 

Концентрация цинка в штейне составляет: 0,13·100/5,36 = 2,4 %.

Содержание прочих компонентов  в штейне принимаем равным  3% от массы штейна. Тогда их количество равно: 5,36·0,03 = 0,161 кг.

При содержании цинка в штейне от 3,6 до 8,2 % массовое отношение железа (mFe) к свинцу (mPb) в штейне составляет обычно 0,77÷0,95. В расчетах принимаем отношение mFe: mPb = 0,8.

Определяем суммарную массу  свинца и железа в штейне, кг:

5,36 – 1,072 – 2,4 – 0,13 – 0,161 = 1,597 кг.