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 соединения 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 улавливают. 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 (Znпар окисляется значительно легче, чем PbS, Cdпар, 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): СР - 85,3; НР - 10,2; ОР + NP - 0,7; SP - 0,5; AP - 0,3; wP - 3,0; QHP - 9310 ккал/кг, Lтеор - 10,0 м3/кг; Vг - 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.

γшл = 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 Ss к сульфатной сере SSO4 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) - Ss

1,5 ∙ 0,2 = 0,3 (кг) - SSO4

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.

Количество PbSO4:

в нем 0,78 кг Pb и 0,24 кг О2.

Количество Zn в виде ZnO: 6,5 - 1,47 = 5,03 (кг).

Количество ZnO:

в ней 1,23 кг О2.