Вельцевание свинцовых шлаков в трубчатой вращающейся печи

На противоположном  (верхнем) конце печи загружают шихту и отсасывают из печи газы вместе с возгонами. Степень заполнения объема печи шихтой обычно составляет 15-20%, продолжительность прохождения шихты через печь при L = 40 м составляет 2-3 часа, а при L = 90 м – 4-5 часов. Максимальная температура реакционной массы 1100-1350°С. За счет вращения печи шихта перемещается к разгрузочному концу печи навстречу потоку газов. В слое шихты атмосфера восстановительная, а в газовой фазе на поверхности шихты атмосфера окислительная. В верхнем конце печи сначала происходит удаление влаги из шихты, и постепенно она нагревается.

При достижении температуры 900-1000°С и более оксид свинца и другие соеди-нения свинца восстанавливаются с образованием парообразного свинца и СО. Над поверхностью шихты парообразный свинец окисляется до PbO, а СО сгорает с образованием СО₂. То же самое происходит с соединениями цинка и кадмия. Образовавшиеся очень мелкие частицы оксидов цинка, свинца и кадмия уносятся газовым потоком из печи в виде возгонов. Газы уходят из печи с температурой 600-800°С. Их охлаждают, а возгоны улав-ливают. Тонкую очистку газов обычно осуществляют в рукавных фильтрах (иногда используют электрофильтры). Максимальная температура в рукавных фильтрах не выше 110°С (шерстяная фильтроткань) и не выше 250°С (стеклоткань).

Приблизительный тепловой баланс вельц-печи длиной 41 м складывается из следующих  статей. Приход тепла, %: горение коксика – 75, горение мазута (газа) в горелке – 4, экзотермические реакции – 21. Расход тепла, %: отходящие газы – 40-45, клинкер – 10-15, эндотермические реакции и нагрев шихты – 12-15, сушка шихты – 10-12, потери через стенки печи – 10-15.

Для нормальной работы вельц-печи необходимо в шихте  создавать восстановительную газовую среду, а в газовом потоке над шихтой – окислительную. Кислород в дутье расходуется на газификацию восстановителя, на сжигание коксика как топлива и на окисление возгонов. При полном использовании газообразного кислорода, попадающего в шихту, в газовом потоке не должно быть СО, а содержание СО₂ и О₂ в потоке связано с объемной и линейной скоростями подаваемого в печь воздуха, а также с температурой газового потока шихты в печи.

Так как возгоны содержат компоненты с разной способностью к окислению (Zn_пар окисляется значительно легче, чем PbS, Cd_пар, CdS), то для полноты окисления возгонов, что повышает их качество, приходится повышать концентрацию О₂ в отходящих газах путем подачи подсосом «вторичного» воздуха на выходе газов из печи. Для интесификации горения коксика и возгонов, а также для повышения концентрации О₂ в отходящих газах может быть использовано обогащение «первичного» воздуха кислородом. Промышленные испытания показали, что повышение концентрации кислорода в воздухе, проходящем через печь, до 25,7% повышает производительность печи на 20%, повышает максимальную температуру шихты на 100-150°С, улучшает качество возгонов, отпадает необходимость в подтопке печи горелкой.

Продуктами вельцевания материалов являются вельц-оксиды – промежуточный продукт; грубая пыль – оборотный продукт (возвращается на вельцевание); клинкер, который при достаточном содержании меди является промпродуктом (перерабатывается в медном производстве), а в противном случае является отвальным продуктом и хранится в отвалах предприятия (содержит благородные металлы, свинец и цинк).

Извлечение в вельц-возгоны из кека составляет, %: цинка 92-96; свинца 90-94; кадмия 94-96. Вельц-возгоны содержат, %: Zn 55-70; Pb 5-15; Cd 0,6-1,1. Они могут быть успешно переработаны гидрометаллургическим методом.

Вторым продуктом вельц-процесса, разгружаемым в нижнем конце печи, является клинкер. Он обычно содержит менее 1 % цинка, 15-22 % углерода, практически всю медь, благородные металлы, железо и пустую породу, содержавшиеся в исходной шихте.

 

5. РАСЧЕТ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

Необходимо произвести расчет процесса и вращающейся трубчатой печи для вельцевания свинцовых шлаков производительностью 16 т/ч по шлаку.

Состав свинцовых шлаков, %: Pb – 36,0; Zn – 6,5; Cu – 1,0; Fe – 12,0; S – 15,0; SiO₂ – 10,0; CaO – 5,5; Al₂O₃ – 3,0; прочие – 11,0.

Состав мазута, % (по массе): С^Р – 85,3; Н^Р – 10,2; О^Р + N^P – 0,7; S^P – 0,5; A^P – 0,3; w^P – 3,0; Q_H^P – 9310 ккал/кг, L_теор – 10,0 м³/кг; V_г – 10,9 м³/кг.

5.1. РАСЧЕТ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА ШЛАКОВ

В данном концентрате свинец и цинк находятся в виде галенита PbS и сфалерита ZnS, медь в виде халькопипирита CuFeS₂, железо в виде халькопирита, пирита FeS₂ и гематита Fe₂O₃, окись кальция в виде известняка CaCO₃.

Результаты расчета минералогического  состава шлака сведены в табл. 1.

Таблица 1

Минералогический состав свинцового концентрата, кг (%)

Минерал	Всего	Pb	Zn	Cu	Fe	S	O	CaO	CO2	SiO2	Al2O3	Прочие
PbS ZnS CuFeS2 FeS2 Fe2O3 CaCO3 SiO2 Al2O3 Прочие	41,5 9,7 2,88 9,95 9,25 9,82 10,0 3,0 3,9	36 - - - - - - - -	- 6,5 - - - - - - -	- - 1,0 - - - - - -	- - 0,88 4,65 6,47 - - - -	5,5 3,2 1,0 5,3 - - - - -	- - - - 2,78 - - - -	- - - - - 5,5 - - -	- - - - - 4,32 - - -	- - - - - - 10,0 - -	- - - - - - - 3,0 -	- - - - - - - - 3,9
Итого	100	36	6,0	1,0	12,0	15	2,78	5,5	4,32	10,0	3,0	3,9

 

Пример расчета:

m(S) = m(PbS) – m(Pb) = 41,5 – 36 = 5,5 (кг)

5.2. РАСЧЕТ СОСТАВА ШИХТЫ

5.2.1. РАСЧЕТ ШТЕЙНА И ШЛАКА, ВЫБОР ФЛЮСОВ

Количество штейна определяется по количеству серы в концентрате с  учетом степени десульфаризации  при плавке 40%.

Количество серы в концентрате: 15 ∙ 0,1 = 1,5 (кг).

Количество серы в штейне: 1,5 ∙ 0,6 = 0,9 (кг).

Содержание серы в заводских  медносвинцовых штейнах в среднем  составляет 20%. При этом условии количество штейна: .

При более богатом медью концентрате, чем в данном примере, медь стремятся, в основном, перевести в штейн на 70 – 80%. В этом случае расчет количества штейна ведут иначе, принимая либо содержание меди в штейн, либо выход штейна от концентрата.

Количество меди в штейне 1,0 ∙ 0,15 = 0,15 (кг) и содержание меди в штейне .

На основании данных практики и  состава данного концентрата  при выбранной схеме переработки принимаем следующий состав штейна, %: Cu – 3,33; Pb – 20,0; Zn – 8,0; S – 20,0; Fe – 40,0; прочие – 100.

Количество железа в штейне: 4,5 ∙ 0,4 = 1,8 (кг).

Остальное железо: 12 – 1,8 = 10,2 (кг) в  виде закиси железа перейдет в шлак. Кроме того, в шлак из концентрата  перейдут: окись кальция, кремнезем, глинозем, 90% цинка (5,85 кг) в виде окиси  и прочие.

При выборе и расчете шлака должны учитываться физико-химические  данные: взаимодействие компонентов, удельный вес, температура плавления, вязкость и др., а также экономические факторы: применение минимального количества дешевых флюсов, минимальные потери ценных компонентов со шлаком и др.

Расчет шлака начинается с определения  его состава. Такой состав шлака  из концентрата приведен в табл. 2.

Таблица 2

Состав шлака при  условии самоплавкости концентрата

	Всего	ZnO	Al2O3	FeO	CaO	SiO2
Количество, кг Состав, %	38,89 90	7,27 16,8	3,0 6,9	13,12 30,4	5,5 12,7	10,0 23,2

 

Рекомендуемые соотношения шлакообразующих  компонентов в зависимости от содержания окиси цинка в шлаке  приведены в табл. 3. Эти данные получены расчетом из предположения, что цинк в шлаке находится в виде цинката закиси железа FeO ∙ ZnO, растворенного в остальной массе шлака.

Таблица 3

Состав шлаков в зависимости  от содержания в них окиси цинка, %

ZnO	FeO	SiO2	CaO	ZnO	FeO	SiO2	CaO
0 5 10 15 20	37,8 38,26 38,72 39,18 39,64	34,2 30,62 27,05 23,47 19,89	18,0 16,12 14,23 12,35 10,47	25 30 35 40	40,10 40,57 41,02 41,48	16,31 12,73 9,16 5,58	8,59 6,70 4,82 2,94

 

С увеличением  содержания ZnO в шлаке (или ZnO + Al₂O₃, так как влияние Al₂O₃ на свойства шлака аналогично влиянию ZnO) должно возрастать содержание закиси железа, а содержание окиси кальция и кремнензема уменьшается.

В ряде работ  по металлургии свинца рекомендуется  при выборе состава шлака придерживаться также следующих правил: сумма SiO₂ и ZnO в шлаках должна быть равной или близкой к 40%, а сумма CaO и ZnO к 28 – 29%; сумма ZnO + Al₂O₃ не должна превышать 20 – 21%.

На основе данных табл. 2 и 3, руководствуясь приведенными выше соображениями, выбираем шлак состава, %: 20ZnO + Al₂O₃; 39,6FeO; 19,9SiO₂; 10,5CaO; 10,0 прочие.

Количество шлака равно:

В этом шлаке должно содержаться:

51,35 ∙ 0,396 = 20,35 (кг) – FeO

51,35 ∙ 0,199 = 10,2 (кг) – SiO₂

51,35 ∙ 0,105 = 5,39 (кг) – CaO

В шлаке, получаемом из концентрата  без подлюсовки, имеется 10 кг SiO₂ и 5,5 кг CaO, т.е. примерно те же количества. Содержание FeO значительно ниже. Поэтому для получения шлака выбранного состава необходимо домбавить к концентрату железосодержащий флюс. Учитывая, что в этом флюсе содержится SiO₂, кварцевый флюс не добавляется.

Состав железной руды, %: Fe₂O₃ – 62,1; Fe₃O₄ – 25,9; SiO₂ – 2,5; прочие – 9,5.

В пересчете на FeO состав руды будет, %: FeO – 80; SiO₂ – 2,5; прочие – 17,5.

Потребуется добавить с флюсом:

20,35 – 13,12 = 7,23 (кг) – FeO,

Что составит железной руды.

Таким образом, шихта, поступающая на вельцевание, будет состоять из 100 кг концентрата и 9,04 кг железной руды.

После выбора шлака целесообразно  ориентировочно определить его удельный вес, вязкость и температуру плавления.

Удельный вес шлака определяем по удельным весам его компонентов, т/м³:

Na₂O……………………….2,27

SiO₂……………………..2,2 – 2,

MgO………………….3,2 – 3,65

CaO……………………3,3 – 3,4

Al₂O₃…………………3,6 – 3,68

FeO…………………………..5,0

MnO………………………….5,0

Fe₂O₃.......................................5,2

Fe₃O₄………………….....5 – 5,4

ZnO…………………….5,3 – 5,6

Cu₂O………………………….6,6

PbO…………………………...9,2

Удельный вес прочих принимаем  равным 4.

γ_шл = 0,1415 ∙ 5,4 + 0,585 ∙ 3,64 + 0,396 ∙ 0,5 + 0,199 ∙ 2,4 + 0,105 ∙ 3,35 + 0,1 ∙ 4,0 = 4,2 (т/м³)

Удельный вес свинцовых штейнов составляет величину порядка 5,5 т/м³. Для хорошего разделения шлака и штейн, наряду с небольшой вязкостью этих продуктов, необходимо иметь разницу в их удельных весах около 1 – 1,5 т/м³. В данном случае эта разница равна 1,4 т/м³.

Вязкость шлака при температуре 1300°С  и его температура плавления равны 1пз и 1070°С.

Определенные ориентировочные  значения удельного веса, вязкости и температуры плавления шлака указывают на правильность выбора его состава.

5.2.2. РАЦИОНАЛЬНЫЙ СОСТАВ КОНЦЕНТРАТА

На основе анализов заводских концентратов принимаем отношение содержаний сульфидов серы S_s к сульфатной сере S_SO4 равным 4:1. Считаем, что 60% сульфидной серы связано с цинком, а 40% - с железом. Сульфатная сера в количестве 60% связана с кальцием, а 40% - со свинцом. Половина окисленного железа находится в концентрате в форме окиси Fe₂O₃, а другая половина в магнетите Fe₃O₄. Вся мель находится в форме закиси Cu₂O.

При принятой степени десульфаризации  при вельцевании 90% в шлак из концентрата перейдет 1,5 кг серы, распределение которой будет равно:

1,5 ∙ 0,8 = 1,2 (кг) - S_s

1,5 ∙ 0,2 = 0,3 (кг) – S_SO4

Количество ZnS:

в нем 1,47 кг Zn.

Количество FeS:

в нем 0,84 кг Fe.

Количество CaSO₄:

в нем 0,23 кг Са, 0,36 кг О₂ и 0,32 кг СаО.