Расчет процесса фьюмингования шлаков свинцовой плавки

К достоинствам процесса вельцевания шлаков можно отнести простоту осуществления процесса, небольшие эксплуатационные затраты, высокое извлечение цинка, кадмия и свинца в возгоны. К  недостаткам  процесса  относят  низкую  удельную  производительность печи; возможность переработки только твердых шлаков; большой расход кокса; значительный выход газов; получение значительного количества клинкера, переработка которого связана с большими трудностями.

Электротермическая  переработка шлаков осуществляется в закрытой рудно-термической печи и позволяет в одну операцию получить жидкий металлический цинк и отвальный шлак. При электроплавке расплав реагирует с находящимся на его поверхности коксом.

При температуре в печи 1400°С, расходе кокса 2-5% от массы шлака, степень восстановления цинка достигает 80%. В этих условиях восстанавливается до 25% железа, содержащегося в шлаке. Восстановленное в расплаве железо образует тугоплавкий сплав - медистый чугун, который способствует образованию настыли в печи.

Шлак шахтной  свинцовой плавки перед подачей в возгоночную электропечь подогревают в нагревательной  электропечи.  В шлаковозгоночной электропечи цинк  возгоняется в газовую фазу  и уносится  в конденсатор. Черновой  цинк  из  конденсатора  поступает в отражательную печь,  отапливаемую мазутом. Здесь цинк путем ликвации отделяется от основной массы свинца и железа. В ликвационной печи получают товарный цинк следующего состава: 98,7% Zn; 1,1% Рb; 0,15% Cd; 0,018% Fe.

Свинец  в  шлаковозгоночной печи  частично  восстанавливается до металла,  скапливающегося  на  дне  печи,  и  частично  уносится  в  конденсатор. Черновой свинец из шлаковозгоночной и ликвационной печей направляют на рафинирование.

Отвальный шлак содержит: 5-6% Zn; 0,4% Pb; 28% Fe; 19% CaO; 27% SiO₂. Общее извлечение металлов из шлака при электротермической переработке составляет: 77% Zn и 89% Рb. Расход электроэнергии - 865кВт·ч/т шлака, расход кокса - 2,1% от массы шлака.

К  достоинствам  электротермического  способа  переработки  шлаков свинцовой плавки относят: возможность получения в одну стадию металлического цинка и свинца, штейна и отвального шлака; герметичность используемого оборудования; отсутствие топочных газов; невысокий расход кокса; возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Недостатки электроплавки - невысокая скорость отгонки цинка; получение цинка низкого качества; образование в печи железистых настылей; высокий расход электроэнергии; сравнительно высокое содержание цинка в отвальном  шлаке.  Обеспечение  более  высокой  степени  очистки  шлака от цинка приводит к восстановлению более 30% железа, содержащегося в шлаке. А это связано с увеличением расхода электроэнергии, обильным настылеобразованием и снижением производительности печи.

3. Фьюмингование шлаков свинцовой плавки.

В настоящее время наибольшее распространение  получил метод фьюмингования, так  как он обеспечивает высокое извлечение металлов в соответствующие  продукты,  высокую  производительность оборудования, небольшой расход угля или природного газа и возможность безотвальной технологии переработки шлаков.

Процесс фьюмингования заключается  в продувке расплавленного шлака  воздухом в смеси с восстановителем (угольной пылью или природным  газом). В восстановительной  среде  при  температуре  1200–1300°С оксиды цинка, свинца и других летучих металлов восстанавливаются, их пары возгоняются в газовую фазу.

Процесс осуществляют в печи шахтного типа прямоугольного сечения с  полностью  кессонированными  водоохлаждаемыми  стенками  (рис.  1.2). Размеры печи: ширина - 1,2-2,4м, длина - 2-9м, высота - 7-9м. Площадь сечения в области фурм - 3-24м². Под печи сделан из чугунных плит, охлаждаемых с помощью залитых в чугун трубок, по которым циркулирует вода. Стенки газоходов чугунные с залитыми стальными змеевиками. На внутренней стороне кессонов для удержания на их поверхности гарнисажа наварены в шахматном порядке штыри. 

 

Рис. 1.2 Схема фьюминг-печи:  1  – опоры основания печи; 2 – фурмы; 3 – заливочное окно; 4 – загрузочная воронка; 5 – выпускные отверстия;  6  – ввод воздуха;  7 –  ввод  углевоздушной смеси

 

На каждой длинной стороне печи установлены от 11 до 36 фурм (диаметром 55-100мм) в зависимости от размеров печи. Каждая фурма имеет два ввода: для смеси воздуха с восстановителем и для вторичного воздуха. 

Фьюмингование проводят периодически. Процесс включает четыре стадии: заливка шлака, разогрев его, восстановление и отгонку, выпуск шлака. Масса загрузки шлака в печь в зависимости от ее размеров составляет 35-90т.

После заполнения ванны фьюминг-печи до уровня 0,9-1,6 м шлак продувают сначала сжатым  воздухом,  а затем угольной  пылью.  Температуру шлака регулируют, меняя соотношение воздух - угольная пыль. На  стадии разогрева шлака подают воздух в количестве 80-100% от необходимого для полного сгорания угля. При этом расплавляются все твердые частицы шлака и температура в печи повышается до 1200°С. На стадии восстановления в ванну шлака вдувают углевоздушную смесь с недостатком воздуха (60-75%) для создания в печи сильно восстановительной атмосферы (около 80% СО).

В этих условиях протекают реакции:

ZnO + C = Zn + CO                              (1.1)

ZnO + CO = Zn + CО2                     (1.2)

ZnO·SiO₂ + CO = Zn + SiО₂ + CО₂     (1.3)

PbO + CO = Pb + CО₂                           (1.4)

PbO·SiО₂ + CO = Pb + SiО₂ + CО₂      (1.5)

Восстановление оксида железа способствует полноте отгонки цинка и свинца: 

FeO + CO = Fe + CO₂       (1.6)

ZnO + Fe = Zn + FeO      (1.7)

PbO + Fe = Pb + FeO      (1.8)

PbS + Fe = Pb + FeS      (1.9)

В пространстве над жидкой ванной и в газоходе пары металлов вновь окисляются кислородом воздуха:

2Zn_пар + О₂ = 2ZnO      (1.10)

2Рb_пар + О₂ = 2РbО      (1.11)

Образовавшиеся оксиды в виде пыли уносятся газами из печи и улавливаются в рукавных фильтрах.

Снижение концентрации цинка в шлаке по мере его отгонки обусловливает замедление процесса. Поэтому в конце фьюмингования целесообразно повышать концентрацию СО в газовой фазе и температуру шлака. Повышение температуры с 1200 до 1300°С интенсифицирует отгонку цинка в 2 раза, а повышение концентрации CO с 75 до 85% - в 3-4 раза.

Фьюмингование шлака ведут обычно 2-3 ч. Расход угольной пыли достигает 20-25% от массы шлака. За это время из шлака извлекают 90-94% цинка, 95-97% свинца, 98% кадмия, 95% редких металлов (индий, германий, таллий, теллур, селен). Остаточное содержание цинка в шлаке составляет 2-3%, свинца - 0,05-0,1 %. 

Медь и благородные металлы  при фьюминговании остаются в  шлаке, что является одним из недостатков  процесса. Для их извлечения рекомендуется  обрабатывать жидкие шлаки после фьюмингования сульфидами в присутствии восстановителя с целью выделения меди, серебра и золота в штейн или сплав.

С целью интенсификации процесса фьюмингования  шлаков были проведены исследования по использованию воздуха, обогащенного кислородом, подогретого дутья, металлургических восстановителей и испытано фьюмингование шлаков с применением паровоздушного дутья.

При фьюминговании шлаков свинцовой  плавки с применением воздуха, обогащенного кислородом до 25-28%, обеспечивается увеличение производительности фьюминг-установки на 45-50%. При этом расход угольной пыли снижается на 15-20%, извлечение цинка в возгоны увеличивается на 5-8%. Интенсифицирующее действие кислорода объясняется снижением объема газовой фазы за  счет  сокращения  количества  азота  в  ней,  а  также увеличением температуры в шлаковом расплаве. Подогрев дутья также обеспечивает повышение температуры процесса, интенсифицируя горение угольной пыли и процесс восстановления оксида цинка.

Определенный  интерес  представляют  способы  усовершенствования процесса фьюмингования шлаков путем использования в качестве восстановителя таких элементов как железо, марганец, кремний, алюминий.

Железо - наиболее доступный и дешевый восстановитель. Его можно использовать в виде стружки, магнитного концентрата от обогащения клинкера и других продуктов. Промышленные испытания показали, что использование железа в качестве восстановителя позволяют интенсифицировать отгонку цинка из шлака в 1,5-1,8 раза.

Применение  паровоздушного  дутья  при  фьюминговании  повышает восстановительную способность газа за счет разложения водяного пара под действием углерода при температуре 1200-1300°С по реакциям:

 H₂O + C = CO + H₂ – Q      (1.12)

2H₂O + C = CO₂ + 2H₂ – Q     (1.13)

 Совместная  подача  пара  и  кислорода в дутье повышает извлечение цинка из шлака на 4–5%. При подаче дутья во фьюминг-печь с содержанием паров воды до 7% можно увеличить производительность фьюминг-печи в 1,5 раза. Это достигается в результате того, что в присутствии паров воды по вышеприведенным реакциям выделяется водород, который при заданных температурах процесса является более эффективным восстановителем, чем оксид углерода. Тепловой эффект реакции взаимодействия паров воды с углеродом эндотермический, и поэтому  для  поддержания  необходимой  температуры следует обогащать дутье кислородом.

Существенным недостатком процесса фьюмингования шлаков является использование угольной пыли. Применение угольной пыли требует строительства  и  эксплуатации  дорогих  и  взрывоопасных  установок  для  размола  и сушки угля, транспортировки пыли и дозирования ее при подаче в печь. Угольная пыль в шлаковой ванне сгорает не полностью. Механический вынос ее достигает 25% от общего расхода. Это усложняет утилизацию тепла отходящих из печи газов, улавливание и последующую переработку возгонов.

Были проведены исследования как  у нас в стране, так и за рубежом  по фьюмингованию шлаков с применением  природного газа. Исследования по осуществлению  процесса  фьюмингования  шлаков  с  продувкой  через  шлак смеси воздуха с природным газом показали, что в этом случае шлак превращается в тестообразную массу, барботаж газов прекращается, шлак из печи не вытекает. Это происходило вследствие того, что кислород воздуха в первую очередь окислял оксид железа шлака, а не взаимодействовал с метаном, и шлак насыщался магнетитом, который делал шлак  вязким и тугоплавким. 

Лучшие результаты по фьюмингованию  шлаков свинцовой плавки  получаются  с  применением  вместе  с  природным  газом  воздуха,  нагретого  до 550-600°С, обогащенного кислородом до 32% и с добавкой к шлаку твердого угля. Тогда можно получить извлечение цинка в возгоны 85-90%  и уменьшить продолжительность процесса  вдвое, по сравнению с воздушным дутьем и с использованием угольной пыли,  и при этом сокращается удельный расход условного топлива на 20%.

В Гинцветмете и на некоторых  отечественных предприятиях проводили  испытания  по использованию газа, предварительно сожженного в специальных топках, и подаче горячих восстановительных газов  с заданным содержанием СО, Н₂, СО₂ и прочих компонентов.

Состав  газовой  фазы,  выходящей  из  топок  предварительного  сжигания, зависит от коэффициента избытка  воздуха. Восстановительные характеристики газовой фазы, а также температуру  в ванне печи (от 1150 до 1350°С) можно регулировать в широких пределах, изменяя соотношение воздух - топливо.

 

Глава 2 Расчет процесса фьюмингования  шлаков свинцовой плавки.

Для расчета процесса фьюмингования  шлаков требуется определить расход восстановителя, рассчитать количество и состав возгонов, отработанного шлака.

Состав шлака свинцовой плавки приведен в Таблице 2.1.

 

Таблица 2.1 Состав шлака свинцовой  плавки

Содержание элементов в концентрате, %
Pb	Zn	Cu	Fe	S	CaO	SiO2	Al2O3	Прочие
1,3	15,2	0,4	25,2	0,1	9,0	22,4	5,1	21,3

 

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. Рациональный состав шлака приведен в Таблице 2.2.

 

Таблица 2.2. Рациональный состав шлака

 

Компонен-ты	Содержание компонентов, кг
	Zn	Pb	Cu	Fe	S	O2	SiO2	CaO	Al2O3	Проч.	Всего
PbO*SiO2		1,3				0,11	0,37				1,78
ZnO	4,56					1,12					5,68
ZnO*SiO2	10,64					2,6	9,77				23,01
Cu2S			0,4		0,1						0,5
2FeO*SiO2				18,9		5,42	10,16				34,48
Fe3O4				6,3		2,41					8,71
SiO2							2,1				2,1
CaO								9			9
Al2O3									5,1		5,1
Прочие										9,64	9,64
Итого	15,2	1,3	0,4	25,2	0,1	11,66	22,4	9	5,1	9,64	100