Расчет процесса фьюмингования шлаков свинцовой плавки

Федеральное государственное образовательное  учреждение  
высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

Институт управления бизнес-процессами и экономики

Кафедра Металлургии цветных металлов

 

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Расчет процесса фьюмингования шлаков свинцовой плавки. Производительность 150 тыс. тонн шлаков в год.

 

Исходные данные: химический состав шлаков, %: Zn – 15,2; Pb – 1,3; Fe – 25,2; Cu – 0,4; SiO₂ – 22,4; CaO – 9,0; Al₂O₃ – 5,1; S – из вещественного состава; прочие. Свинец в шлаке находится в виде силиката, цинк на 30% в виде ZnO, остальной в виде силиката, медь – в виде Cu₂S, железо на 75% в виде фаялита, на 25% в виде магнетита.

 

 

 

 

Руководитель                           старший преподаватель       Алексеева Т.В.

 

Студент         ПЭ10.01(МБ)            Казак О.А.

 

 

Красноярск 2012

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Свинец - металлический химический элемент 14-й группы, 6 периода периодической системы элементов. Известен с древних времен. Свинец широко распространен в природе, но редко встречается в самородном состоянии. Отложения свинцовых руд обычно встречаются вместе с рудами других металлов - сурьмы, мышьяка, меди, серебра, цинка. Ведущим производителем свинца в мире является Австралия, к другим крупным производителям относятся США, Россия, Китай, Канада.

Свинец имеет синеватый цвет и металлический блеск, что легко  видеть на свежем разрезе свинца, но такой вид сохраняется очень недолго, так как под влиянием кислорода воздуха поверхность свинца покрывается тонким слоем окислов. Свинец очень мягок: он оставляет черту на бумаге, легко вытягивается, однако присутствие в нем других металлов, даже в небольших количествах, сильно изменяет его твердость.

Металлический свинец используют в  форме листов или труб в местах, где необходима гибкость и устойчивость к коррозии, таких как химические заводы и строительная индустрия, также  свинец используют для обкладки кабеля, как один из ингредиентов в припоях и как наполнитель в автомобильной промышленности. Свинец - полноценный материал для защитных экранов от ионизирующего излучения. Он используется для металлических защитных покрытий в производстве аккумуляторов и для изготовления свинцовых ванн в горячем волочильном производстве. Свинец присутствует в ряде сплавов, и его производные приготовляют и используют в больших количествах во многих производствах.

 

Глава 1 Теоретические аспекты технологического производства

Свинец можно получить двумя  путями: гидрометаллургическим и пирометаллургическим. При гидрометаллургическом способе пользуются растворением свинцовых соединений в различных растворителях с последующим выделением свинца из раствора цементацией или электролизом. Гидрометаллургические способы пока не получили широкого распространения в промышленности в виду трудности подбора дешевого и хорошего растворителя соединений свинца, их технологического несовершенства и экономической неконкурентоспособности.

Пирометаллургия - это совокупность процессов получения и очистки металлов и металлических сплавов, протекающих при высоких температурах. При пирометаллургическом способе весь материал, содержащий свинец, подвергается плавке.

Для данного курсового проекта предлагается следующая технологическая схема производства свинца, представленная на рисунке 1.1.

Она состоит из четырех основных процессов:

1. селективной флотации;
2. агломерирующего обжига;
3. плавки в шахтной печи;
4. рафинирования.

После прохождения всех стадий обработки получается свинец, который можно отправлять потребителю.

Однако в процессе получения  главного компонента на разных стадиях переработки образуются сопутствующие промпродукты,  содержащие  значительное  количество  ценных  металлов,  извлечение которых повышает комплексность использования сырья и снижает себестоимость основного металла.  При рациональной организации переработки промпродуктов, помимо основного металла, удается извлечь цинк, серу, медь, золото, серебро,  висмут,  мышьяк,  сурьму,  олово,  ряд  редких  и  рассеянных элементов. Промпродуктами являются шлаки, штейны, шпейзы, пыли и газы. Каждый вид промпродукта перерабатывается своими методами или направляется в отвал. На стадии плавки в шахтной печи образуются шлаки. Шлаки  свинцовой  плавки  перерабатывают методами  вельцевания, электроплавки или фьюмингования.

 

Свинцово-цинковая руда

Приготовление шихты

 

Шихта

Флюсы    

Агломерирующий обжиг

Газы    Агломерат     Пыль

В производство H₂SO₄

Воздух           Кокс

Плавка в шахтной печи

Газы    Черновой свинец    Шлак

В атмосферу       На извлечение цинка

Рафинирование

Товарный свинец        Отходы

На спец. Обработку

 

Рисунок 1.1 – Технологическая схема производства

 

1.  Процессы переработки свинцовых концентратов.

Основным  способом  получения  свинца  в настоящее время является шахтная восстановительная плавка. Процесс переработки свинцовых концентратов, где в качестве плавильного аппарата используют шахтную печь, осуществляют по технологической схеме, представленной на рис. 1.1.

Первой операцией в этой технологии является агломерирующий обжиг.

Назначение  агломерирующего  обжига – подготовить свинцовый концентрат к шахтной плавке на черновой свинец. Подготовка свинцовых сульфидных концентратов к плавке преследует следующие цели:

1. удаление из концентрата серы путем окисления сульфидного сырья кислородом воздуха. Оптимальная степень десульфуризации при обжиге колеблется от 60 до 85% и зависит от химического состава свинцовых концентратов. Так, при наличии в концентрате значительных количеств меди в агломерате оставляют столько серы, чтобы при последующей плавке агломерата получить медный штейн, содержащий 15-25% Сu. При переработке свинцового  сырья,  содержащего много цинка,  обжиг ведут  с  максимальной  десульфуризацией (окислительный обжиг «намертво»);
2. окускование мелкого материала и получение пористого, газопроницаемого, прочного агломерата, пригодного для плавки в шахтной печи;
3. перевод ценных летучих компонентов концентрата в газовую фазу с последующим извлечением их из обжиговых газов (S, As, Sb, Cd и  редкие металлы).

Спекание и обжиг свинцовых  концентратов удобно производить на агломерационных  машинах,  отличительной  особенностью  которых  является интенсивное просасывание (или продувка) воздуха в процессе обжига через слой шихты. Такое аппаратурное оформление обжига позволяет легко совместить в одном металлургическом агрегате и окислительный обжиг свинцового концентрата, и спекание обожженного материала.

Для получения хороших показателей в процессе агломерирующего обжига (высокой производительности оборудования, хорошего качества агломерата, минимальных потерь свинца с улетучиванием) на обжиг отправляется шихта, в состав которой входят свинцовый концентрат, флюсы, оборотные материалы, оборотный агломерат и вода.

Обычно на свинцовых заводах  применяют бункерный или штабельный способ приготовления шихты. Бункерную  шихтовку производят в шихтарнике, вдоль которого установлен ряд бункеров емкостью 50-60м³. В каждом бункере хранится один из компонентов шихты, предварительно измельченный до заданной крупности. Каждый компонент шихты разгружается из бункера пластинчатым питателем на сборный транспортер, который подает шихту в смеситель.

Штабельная шихтовка, как наиболее совершенный метод приготовления шихты, получила более широкое распространение. Приготовление шихты этим способом производится  следующим  образом.  В шихтарник,  разделенный  на  три  и  более  отсека,  транспортерами  подают  свинецсодержащие материалы, флюсы и оборотный агломерат. Разгрузку компонентов шихты с транспортера, проходящего вдоль длинной оси штабеля на высоте 7-8м от пола,  производят  при помощи  разгрузочной  тележки,  которая непрерывно автоматически движется вдоль всего отсека вперед и назад, рассыпая компоненты шихты последовательно тонкими слоями.

Таким  образом,  в  каждом  отсеке  создается  штабель  шихты.  Штабель имеет форму усеченной пирамиды длиной 60-70м, шириной около 16м и высотой 5-6м и содержит до 8000т шихты.

По мере надобности шихту из штабеля подают шихтовочной машиной на транспортер, который доставляет ее в смесители, а затем в бункера агломерационных машин. После аглообжига агломерат направляется на восстановительную плавку.

Восстановительная  плавка - это  наиболее  распространенный  процесс получения свинца. Она характеризуется универсальностью  и высокими технико-экономическими показателями. 

Цели восстановительной плавки свинцового агломерата:

1. получить максимальное количество свинца в виде чернового металла, содержащего золото, серебро, медь, висмут, сурьму, мышьяк, олово, теллур;
2. ошлаковать пустую породу и перевести в шлак  максимальное количество цинка.

В  настоящее  время  на  большинстве  свинцовых  заводов  восстановительную  плавку проводят в шахтных печах, так как в ней легко создать и регулировать восстановительную атмосферу. 

Исходными  материалами  для  плавки  являются  свинцовый  агломерат, кокс и воздух. Агломерат содержит свинец, сопутствующие металлы и все необходимые компоненты для образования шлака.  Загрузка  агломерата  и кокса в печь  осуществляется  послойно. В нижней части печи (горне) скапливаются жидкие продукты  плавки:  черновой  свинец,  штейн,  шлак.  Выше  слоя  шлака расположен столб шихты,  нижняя  часть которого  (0,5-1,0 м)  состоит из  раскаленного кокса (фокус печи). Для горения кокса через фурмы в печь подают сжатый воздух. В результате интенсивного горения кокса температура в фокусе печи достигает 1500°С. Раскаленные печные газы, проходя через столб шихты, нагревают ее и участвуют в реакциях восстановления окисленных соединений свинца и других металлов. На выходе из печи (в колошнике) газы имеют температуру 200-400°С.

Столб шихты (4-6м) по мере выгорания кокса и выплавления продуктов плавки медленно опускается вниз (около 1 м/ч) и его пополняют очередными загрузками агломерата и кокса.

Жидкие  продукты  плавки  стекают  вниз  и  собираются  во  внутреннем горне, где вследствие разности плотностей расслаиваются и выпускаются  из печи по мере накопления.

Прямое извлечение свинца в черновой металл при шахтной восстановительной плавке составляет 90-93%. Медь при плавке с получением штейна на 70-80% переходит в штейн, при безштейновой плавке на 85% переходит в свинец. Большая  часть  цинка  в  виде  оксида  и  силиката  переходит  в шлак, растворяясь в нем. Цинк концентрируется в шлаке со степенью извлечения до 90%. Благородные металлы на 98-99% извлекаются в черновой свинец. В случае получения в процессе плавки шпейзы, часть благородных металлов теряется с ней, особенно это касается золота.

2. Переработка шлаков свинцовой плавки 

В шлаки при шахтной плавки переходит  более 80% цинка, 20% меди, 2–3% свинца, а  также германий (90%) , индий (45%), таллий (55%), теллур (30%), селен (30%), кадмий, олово  и благородные металлы. Шлак, получаемый при плавке, содержит ценных металло: 5-25% Zn; 1,5-2% Pb; ,3-0,6% Cu; 0,05-0,1% Cd; 10-30 г/т Ag, редкие металлы. Шлаки свинцовой плавки  можно перерабатывать вельцеванием, электроплавкой и фьюмингованием.

Процесс вельцевания  предназначен для переработки твердых шлаков. Для осуществления процесса шлаки измельчают до крупности 0,3-0,5мм и смешивают с коксом. Шихту подают в трубчатую вращающуюся печь, где при  температуре  1100-1200°С  оксиды  цинка,  кадмия  и  других  металлов восстанавливаются  печными  газами и сразу же  испаряются. Восстановленные металлы в потоке печных газов снова окисляются и улавливаются в системе пылеочистки газов, в виде возгонов (вельц-оксидов).

Для поддержания  шихты в сыпучем состоянии  в ее состав вводят кокс в количестве 45-55% от массы шлака. Кокс при вельцевании служит теплоносителем,  восстановителем  и  уплотнителем  шихты.  Поэтому  его  вводят почти в десятикратном  избытке от теоретически необходимого.

В процессе вельцевания в возгоны извлекается 90-93% цинка, 90-92% свинца и 99-99,9% кадмия. Извлечение в клинкер (остаток переработанной шихты) меди составляет 89-90%, золота - 95-96% , серебра - 85-87%.

Клинкер, выход  которого составляет 75-80%,  содержит: 0,5-0,8% Zn; 0,3-0,5% Pb; 0,5-0,8% Cu; 15-20% C;  а также 200-300г/т Ag и 0,5-0,8 г/т Au. В случае отсутствия в клинкере меди и благородных металлов его целесообразно использовать в качестве строительного материала. 

Выход  вельц-оксидов (возгонов) – 20-25%.  Их  состав: 60-65%  Zn; 11-15% Pb; 0,5-1% Cd; 0,5% S. Они направляются в цинковое производство на гидрометаллургическую  переработку.  В  процессе  выщелачивания  вельц-оксидов цинк и кадмий переходят в сернокислый раствор, а свинец остается в твердом остатке, возвращаемом в свинцовое производство.