Шахтная плавка свинцового агломерата

Зная эту массу и соотношение mFe: mPb = 0,8, составляем уравнение баланса по свинцу и железу:

0,8·х + х = 1,597,

где х – масса свинца в штейне, кг.

Решая это уравнение, находим, что  х = 0,887 кг, тогда масса железа в штейне составляет 0,8·0,887 =0, 71 кг.

Находим количество серы связанной  в штейне с железом в FeS:

1,072 – 0,605 – 0,068 = 0,399 кг.

С этим количеством серы связанно железа: 0,399·55,8/32 = 0,696 кг. Остальное железо в количестве 1,71 – 1,696 = 0,014 кг находится в металлическом состоянии. Свинец в штейне находится также в виде металла.

 

Таблица 1.2 Количество и состав штейна

 

Компоненты	Содержание компонентов, кг
	Cu	Zn	Fe	Pb	S	Прочие	Всего
Cu2S	2,4				0,605		3,005
ZnS		0,13			0,068		0,198
FeS			0,696		0,399		1,095
Fe			0,014				0,014
Pb				0,887			0,887
Прочие						0,161	0,161
Итого	2,4	0,13	0,71	0,887	1,072	0,161	5,36
%	44,77	2,43	13,25	16,55	20	3	100

 

Расчет  количества получаемой при плавке пыли

Из данных практики принимаем, что  в пыль переходит 1,3 % свинца, цинка  в пыль по условиям задания переходит  6 %. Обычно сумма этих металлов в пыли составляет 70–75 %. Для расчета принимаем 72,5 %.

Тогда количество указанных металлов в пыли составит, кг:

цинка – 5,5·0,065 = 0,357;

свинца – 30·0,013 = 0,39.

Выход пыли будет равен (0,357 + 0,39)/0,725 = 1,030 кг.

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

С цинком связано кислорода: 0,357·0,16/65,4 = 0,087 кг, масса оксида цинка составляет: 0,357 + 0,087 = 0,444 кг.

Количество кислорода, связанного со свинцом: 0,39·16/207,2 = 0,030 кг, масса оксида свинца равна 0,39 + 0,030 = 0,42 кг.

Количество прочих компонентов  в пыли составляет:

1,030 – 0,444 – 0,42 = 0,166 кг.

Всего в пыли содержится кислорода: 0,087 + 0,030 = 0,117 кг.

 

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;10–8 CaO и не более 25 % ZnO. Данные компоненты переходят в шлак из свинцового агломерата и золы кокса.

Определяем количество кремнезема в шлаке:

(MSiO2)шл = (MSiO2)агл + (MSiO2)з.к = (MSiO2)агл+ mк·Сз.к· (СSiO2)з.к

где (MSiO2)шл – масса кремнезема в шлаке, кг;

(MSiO2)агл – масса кремнезема в агломерате, кг;

(MSiO2)з.к – масса кремнезема в золе кокса, кг;

mк – масса кокса, кг;

Сз.к – концентрация золы в коксе, доли ед.;

(СSiO2)з.к – концентрация кремнезема в золе кокса, доли ед.

 

(MSiO2)шл =  8 + 12·0,1·0,50 = 8,6 кг.

Рассчитываем массу  оксида железа (II) в шлаке:

(MFeO)шл = ((MFe)агл – (MFe)шт)·МFeO/AFe + mк·Сз.к· (СFeO)з.к

где (MFe)шт – масса железа в штейне, кг;

АFe – атомная масса железа, г;

MFeO –молекулярная масса оксида железа, г;

(CFeO)з.к – концентрация оксида железа (II) в золе кокса, доли ед.

 

(MFeO)шл = (12 – 0,71)·71,8/55,8 + 12·0,1·0,12·143,6/159,7 = 14,659 кг.

В этом количестве оксида железа присутствует, кг:

железа 14,659·55,8/71,8 = 11,4;

кислорода 14,659 – 11,4 = 3,259.

Аналогично рассчитываем содержание оксидов кальция и алюминия в  шлаке:

(MСаО)шл = 6,5 + 12·0,1·0,03 = 6,536 кг;

(MAl2O3)шл = 3 + 12·0,1·0,35 = 3,42 кг.

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

(MZn)шл = (MZn)агл·(εZn)шл = 5,5·0,85 = 4,67 кг,

где  (εZn)шл – извлечение цинка из агломерата в шлак, доли ед.

Сульфида цинка в шлаке содержится:

(MZnS)шл = (MZnS)агл – (MZnS)шт = 0,268 ·97,4/32 = 0,816 кг.

В этом количестве сульфида цинка  содержится, кг:

цинка – 0,268·65,4/32 = 0,548,

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

4,67  – 0,268 = 4,122 кг.

Сумма масс сульфида и оксида цинка: 0,816 + 4,122 = 4,938 кг.

Сумма оксидов  SiO2,  FeO, CaO, ZnO в шлаке может достигать 96,5 %.

Тогда масса шлака будет равна: (8,6 + 14,659 + 6,536 + 3,42+4,938) / 0,965 = 39,54 кг.

В этом количестве шлака содержится свинца: 39,54·0,013 = 0,514 кг.

Свинца в виде оксида в шлаке: 0,514·0,2 = 0,103 кг, с этим количеством свинца связано кислорода: 0,164·16/207,2 = 0,013 кг. Тогда оксида свинца в шлаке 0,103 · 223,2/207,2 = 0,111 кг. В нем кислорода: 0,111 – 0,103=0,008 кг. Свинца в металлическом состоянии в шлаке:0,514 · 0,8 = 0,411 кг.

Меди в шлаке  содержится: 39,54·0,006 = 0,24 кг. Медь в шлаке присутствует в виде сульфида. Тогда сульфида меди присутствует в шлаке:

0,24·159/127 = 0,3 кг.

В этом количестве сульфида меди, содержится серы: 0,3 – 0,24 = 0,06 кг.

Количество прочих в шлаке определяем по разности между массой шлака и  массой предыдущих компонентов:

39,54 – 8,6 – 14,659 – 6,536 – 3,42 – 4,938 – 0,111 – 0,411 – 0,3 =0,565кг.

Уточняем количество сульфида и  оксида в шлаке.

С цинком будет связано S: 0,268- 0,06=0,208 кг.

Количество сульфида цинка: 0,208·97,38:32=0,633кг. В нем цинка: 0,633 – 0,208=0,425 кг.

Количество цинка в оксиде цинка: 4,67 – 0,425 = 4,245 кг.

Масса оксида цинка: 4,245·81,38:65,38=5,284 кг. В нем кислорода: 5,284 – 4,245 = 1,039 кг.

Количество О в оксиде железа: 14,659·16:71,8=3,266 кг.

 

Таблица 3 Количество и состав шлака

Компоненты	Содержание компонентов, кг
	SiO2	CaO	Fe	Pb	Zn	O	S	Cu	Al2O3	Прочие	Всего	%
SiO2	8,6										8,6	21,22
FeO			11,4								14,666	36,19
CaO		6,536									6,536	16,13
ZnO					4,122	1,039					5,161	12,74
ZnS					0,548		0,208				0,756	1,87
PbO				0,103		0,08					0,111	0,27
Pb				0,411							0,411	1,014
Cu2S							0,06	0,24			0,3	0,74
Al2O3									3,42		3,42	8,44
Прочие										0,565	0,565	1,39
Итого	8,6	6,536	11,4	0,514	4,67	4,313	0,268	0,24	3,42	0,565	40,526	100

 

Расчет  количества чернового свинца

В черновой свинец при плавке переходит  некоторое количество меди, цинка, мышьяка, сурьмы, олова, висмута, теллура и  благородных металлов.

Количество  металлов примесей в черновом свинце может достигать 2–8 %.

Так как в составе свинцового агломерата не задано содержание многих примесных компонентов, поэтому в составе чернового свинца они условно обозначены как «прочие».

Определяем  количество свинца в черновом металле, кг:

(MPb)чер = (MPb)агл – (MPb)шт – (MPb)пыль – (MPb)шл = 30 – 0,887 – 0,39 – 0,514 =28,21.

В черновой металл перейдет меди, кг:

(MСu)чер = (MCu)агл – (MCu)шт – (MCu)шл = 3 – 2,4 – 0,24 = 0,36,

Цинка:

(MZn)чер = (MZn)агл – (MZn)шт – (MZn)пыль – (MZn)шл  = 5,5 – 0,13 – 0,357 – 4,67 =0,343;

Прочих:

(Mпр)чер = (Mпр)агл – (Mпр)шт – (Mпр)пыль – (Mпр)шл = 22,04 – 0,161 – 0,166 – 0,565 = 21,15.

Масса чернового свинца составит:

28,21 + 0,36 + 0,343 + 21,15 = 50,063 кг.

 

Таблица 4 Распределение свинца по продуктам плавки

 

Продукты плавки	Количество
	кг	%
Черновой свинец	28,21	94,03
Штейн	0,887	2,957
Пыль	0,39	3
Шлак	0,514	1,713
Итого	30	100

 

 

 

 

Расчет  горения кокса и количества отходящих  газов

Кокс в процессе плавки выполняет роль топлива и восстановителя. При взаимодействии углерода кокса с кислородом образуется оксид и диоксид углерода. Оксид углерода (СО) является основным восстановителем в процессе плавки свинцового агломерата. В задании предусмотрен 12 %-ый расход кокса.

 

Таблица 5 Химический состав кокса

 

Компоненты	C	H	S	O	N	Зола	Всего
Содержание, %	86,5	0,4	0,5	1,4	1,2	10	100
Кол-во, кг	10,38	0,048	0,06	0,168	0,144	1,2	12

 

Определяем теоретическое количество воздуха, необходимое для горения  кокса.

Принимаем в расчетах следующее  распределение углерода: 40 % углерода кокса взаимодействует с кислородом по реакции (1.5), а 60 % углерода по реакции (1.6).

По реакции (1.5) сгорает углерода: 10,38·0,4 = 4,152 кг. Для этого необходимо затратить кислорода: 4,152·32/12 = 11,072 кг. В результате  образуется диоксида углерода СО2: 4,152 + 11,072 = 15,224 кг.

По реакции (1.6) окисляется углерода 10,38·0,6 = 6,228 кг. Для этого потребуется кислорода 6,228·16/12 = 8,304 кг, и получится оксида углерода СО:

6,228 + 8,304 = 14,532 кг.

Для сжигания водорода кокса  по реакции  Н2 + 0,5О2 = Н2О потребуется кислорода 0,048·16/2 = 0,384 кг, и образуется паров воды (Н2О) в количестве: 0,048 + 0,384 = 0,432 кг.

Для сжигания серы кокса по реакции  S + O2 = SO2 потребуется кислорода: 0,06·32/32 = 0,06 кг. При этом образуется диоксида серы SO2 в количестве: 0,06 + 0,06 = 0,12 кг.

Учитывая, что в коксе содержится 0,168 кг активного кислорода, теоретический расход кислорода на сжигания 12 кг кокса составит:

11,072 + 8,304 + 0,384 + 0,06 – 0,168 = 19,652 кг.

Тогда воздуха для сжигания кокса  потребуется (содержание кислорода  в воздухе 23 % мас.): 19,652/0,23 = 85,443 кг. На практике используют 5%-й избыток воздушного дутья, получаем практический расход воздуха, равный 85,443·1,05 = 89,716 кг.

В этом количестве воздуха содержится , кг:

кислорода – 89,716·0,23 = 20,635 кг;

азота – 89,716·0,77 = 69,081 кг.

Определяем количество кислорода  переходящее в газовую фазу, кг:

20,635 – 19,652 = 0,983 кг.

Из кокса в газовую фазу перейдет азота 0,144 кг. Общее количество азота в отходящих газах составит: 69,081 + 0,144 = 69,225 кг.

 

Расчет  состава и количество отходящих  газов

Состав отходящей газовой фазы формируется не только за счет сжигания кокса, но и за счет восстановительных  процессов, протекающих с компонентами агломерата и за счет десульфуризации.

Десульфуризация свинцового агломерата в условиях восстановительной плавки может обеспечиваться за счет протекания реакций PbS + PbO = 3Pb + SO2 (1.3)

PbS + PbSO4 = 2Pb + 2SO2  (3.5)

ZnSO4=ZnO+SO3  (3.6)

 

На протекание этих реакций не требуется  затрат кислорода.

Масса серы, удаляемая в газовую  фазу из агломерата за чет реакций  выше:

Ms=1,76-1,071-0,268-0,06=0,36кг.

Рассчитываем количество серы, удаляемой  в газовую фазу из агломерата за счет реакций (выше). Принимаем в расчетах следующий вклад реакций в удаление серы в газовую фазу: 50 % – за счет реакции (1.3), 40 % – за счет реакции (3.5) и 10% - за счет (3.6).