Шахталық қысқартып балқытудың аралық өнімдеріндегі металдың жүруін зерттеу

− сульфидті  балқымаларындағы қорғасын  ерігіштігі;

− өңдіріс өнімдерін  өндеу кезінде металдардың шығымының  төмендеуіне  

әсер ететін себептер мен факторлар анықталынған;

− өңдіріс өнімдерін  және айналмалы материалдар өндеудің қазіргі технологиялық  сұлбасын жетілдіруі бойынша ұсыныстар берілген.

1 Әдеби шолу

 

1.1 Әлемдік қорғасынды технологиясына өндіру

 

 

Пирометаллургиялық  жолмен концентраттардан қорғасынды алудың үш жолы болуы мүмкін:

1. қою балқымасы;
2. реакционды балқыма;
3. күйдірілген және пісірілген концентраттың қалпына келтіру балқымасы.

Қою балқымасымен қорғасынды сульфидті кен немесе концентраттан алады. Қою балқымасының принципі сілтіге үлкен химиялық құрамға ие металдар қоғасынды оның сульфидтерінен алып шығуға қабілетті, ал өздері келесі реакция бойынша сульфидтерге айналады

 

                               РbS + Ме (Fе) = Рb + МеS (FеS).                                          (1)

 

Бұл балқыту тәсілінің негізгі реакциясы – қорғасынды оның сульфидінен металдық темірмен шығару.

Тәжірибеде  бұл балқытуды жүргізу үшін бір қиындықтар қатар кездеседі:

• қатты жағдайда қорғасын сульфиді мен темір арасындағы жақсы байланыс керек, таза галенит керек;
• балқыма өнімдері – сілтілі темір мен қорғасын – пеште реакцияның алғашқы материалдармен әрекеттеседі, нәтижесінде көп штейндер алынады, темір қорғасынды шығармайды және онымен қорғасынның көп шығындары болады;
• темір тек қорғасынды ғана емес, сонымен қатар көптеген басқа металдарды шығарады, осымен қорғасынды ластайды және темірдің шығынын жоғарылатады.

Қою балқымалары шахталы пештерде күшті қалпына келтіретін атмосферада кокстың жоғары шығыны кезінде өткізіледі. Бұл үрдіс тәжірибелік қолдануды таппады. Бірақ қорғасын қою реакциясын көптеген қорғасын зауыттары қолданады. Өйткені кұю кезінде сілтінің толық жойылуына жету мүмкін емес, онда агломераттың шахталы балқу кезінде темірқұраушы материалды қосады және қаралай металда қорғасынды алуды жоғарылатады.

Реакционды балқыма бейнелейтін пештерде, электрлік пештерде, қысқа барабанды пештерде жүзеге асырылуы мүмкін. Қабылдайтын аппаратқа байланысты ол бейнелейтін, электрбалқымалы немесе қысқа барабанды балқымалы деп аталады [1-3].

Бейнелейтін балқыма тек бай кен мен концентраттардан қорғасынды алу үшін қолданылады. Үрдіс жағармайдың үлкен шығынымен сипатталады және өзінің қызмет көрсетілуі үшін көп қол еңбегін талап етеді.

Бейнелейтін пештерде қорғасынды 65-70 % кем емес қорғасынмен құралатын қорғасын кендері мен концентарттарынан алады. Үрдіс екі кезеңнен тұрды: кеннің немесе бөліктік күйдіру және кезекті реакционды балқыма.

Күйдіру үшін қорғасын кенін 5-6 мм дейін шапқан және пеш астына жұқа қабатпен тиеген. Пеште температураны 500-600 °С дейін көтерген (жағармайды жандыру есебінен) және кенді 2-3 сағат жандырған. Жандыру кезінде тек галениттің бір бөлігі глет пен қорғасын сульфатына дейін тотыққан, қорғасын сульфидінің үлкен бөлігі өзгерусіз қалған. Кейін реакционды балқыманы бастаған

                            Рb S + 2РbO = ЗРb + SO₂ ,                                                    (2) 

                            РbS + Рb SО₄ = 2Рb + 2SO₂ .                                                     (3)

   

Екінші  кезең 850 °С температура кезінде 2-4 сағатта жүргізілген. Қорғасынды толық шығару үшін бөліктік күйдіру үрдісі мен кезекті реакционды балқымасы бірнеше рет қайталанған.

Таулы балқымада бай қорғасынды сульфидті кеннің немесе концентраттардың қоспасы қатты жағармаймен қысылған ауаның струясымен өңделеді. Жағармай болып ағашты көмір, антрацит және сирек кокс табылады. Үрдіс бейнелейтін балқымаға ұқсас және соңғыдан күйдіру мен реакционды балқыма бір уақытта өтетіндігімен ерекшеленеді, сонымен қатар қорғасын оксидінің бір бөлігі жағармай көміртегі есебінен қалпына келеді [4].

Таулы балқыма ескі тәсіл болып табылады, бірақ қазір де қолданылады. Артықшылықтар қатарына қарамастан (жағармай мен жұмыс күшінің аз шығыны) ол шектелген категориялы таза және бай кендер мен концентраттар үшін жарамды.

Қысқа барабанды пешетерде балқыма шет ел зауыттарында (ФРГ, Польша) қолданылады. Балқыма үздіксіз жүзеге асырылады, әрбір операция шамамен 4 сағатқа созылады. Шихтаның бірнеше тоннасын қысқа барабанды пешке тией отыра 0,5-1,0 айн/мин жылдамдықпен айналдырады және реакцияның интенсивті жүру температурасына дейін (1100 °С) қысылатын көмір шаңымен қыздырады. Пештің айналуы арқасында сульфидтер мен қорғасын оксидтері арасында жақсы байланыс орнайды. Топочтық газдар утилизатор-қазанында салқындатылады және қол сүзгілерінде сүзгіленеді. Балқыма соңына реакция өнімдері (қорғасын, штейн, шлак) жақсы бөлінеді және бөлек шығарылады.

Электр балқыма шет елде (Швеция) жүзеге асырылады. Қорғасынды концентрат, қорғасын және сілті бойынша бай (шамамен 70 %), электрпеште үздіксіз балқуға ұшырайды. Балқыма жылу арқылы орындалады.

Финляндияда қорғасын концентраттарының ілме балқымалары жасалған. Шикі концентраттарды флюстармен қождардың бірігуі үшін араластырады және құбырлы пештерде 0,3 % кем ылғал құрамына дейін кептіреді. Шихтаны кептіруден кейін балқымаға жібереді. Тотығу дәрежесі оттектер қатынастарымен реттеледі: концентрат, температура – оттекпен үрлеу байыту дәрежесімен. Концентраттарды өңдеу кезінде 40-75 % қорғасынмен құралатын ілме балқыма пештерінде қаралай қорғасында қорғасынды шығару 60 тан 95 % дейін құрайды. Қалған қорғасын қожды біріктіру электрпештерінде шығарылады. Қорғасынды жалпы шығару 97-99 %.

Реакционды  балқымаларға автогенді үрдістерді - ОІЦЭТ-МҚ және оттекті-факельді балқыманың коксты сүзгінің түрлері (ОФ-КС), үрдісі QSL (Кено-Шуман-Лурги), конверторда балқымасы (ТВКС) және т.б. жатқызуға болады [3].

ОІЦЭТ-МҚ тәсілі (оттекті-ілмелі, циклонды, электротермиялық - мырыш, қорғасын) өзіне мынадай операцияарды қосады: оттек атмосферасында десульфуризация кезінде шихтаны балқыту-күйдіру 100 % жақын, жоғары концентрленген күкірт газдарының түзілуімен; жоғары концентрленген күкіртті газдың түзілуімен; қаралай металл түрінде қорғасын мен мырышты алумен оксидті балқыманың қалпына келу. Мырыш жүзгіндер тотығу түрінде де алынуы мүмкін немесе қожда қалып және одан белгілі тәсілдермен шығарылуы мүмкін.  Қорғасын концентратында болатын күкірт балқыту кезінде концентрленген күкірт газына ауысады.

ОІЦЭТ-МҚ агрегаты балқыту шахтасынан қойылған шихта – оттекті қыздырғышпен, газдық кеңістікте балқыту шахтасынан қоршау арқылы бөлінген, балқымаға тиелген электротермиялық пештен және металдық мырышты алу үшін конденсатордан тұрады. Оксид түрінде мырышты алу жағдайында конденсатор орнына жануға дейінгі камера және қол сүзгісі қойылады.

                     

 

1. шихтаға арналған бункер; 2- оттық; 3 - факел; 4- күйдіруші-балқыту камера (пеш);

5 - шлак; 6 - штейн; 7 -қаралы қорғасын;  8 - сифон, күйдіруші-балқыту камераны электротерминалды пешпен біріктіруші; 9 - электротерминалды пеш; 10 - конденсатор;     12 –электротермиялық пешті корденсатормен байланыстыратын газ жолы; 13 – электрод;                14 – газ салқындатқыш науа; 15 - электро-фильтр

 

1 сурет. ОІЦЭТ-МҚ агрегатының жалпы жүрісі

 

 

 Балқыту шихтасында концентраттар мен флюстармен түрлі тотыққан қорғасынқұраушы материалдар (кектер, шаңдар, жүзгіндер және т.б. қайтпалы материалдар) өңделуі мүмкін. Шихта 5 мм үлкен емес ірілікпен балқыту үшін шамамен 1 % үлкен емес ылғал құрамына дейін кептірілген. Бункерден шихта-оттекті қыздырғыш арқылы техникалық оттек ортасында балқыту шахтасына барады. Осыдан жоғары температураға дейін шихта бөліктерінің тез қызуы басталады, бір секунд ішінде негізгі реакция бойынша олардың жануы мен балқуы болады:

 

                              Ме (Рb, Zn, Fе)S + О₂ = МеО + SО₂,                                   (4)                              РbS + 2РbО = ЗРb + SO₂,                                             (5)

                                     Ме (Рb, Zn) ЗО₄= МеО + 1/2 О, + SО₂;                                      (6)

 

коксты сүзгіде:

 

                                            РbО + СО = Рb + СО₂,                                                        (7)

                                              С + СО, = 2СО,                                                       (8)

                                              РbО + С = Рb + СО,                                                      (9)

                                            Fе₂О₃ + С = 2FеО+ СО,                                                 (10)

                                    РbО +Fе (клинкер) = Рb + FеО,                                         (11)

 

электропеште                 ZnО + С(СО) = Zn(бу) + СО(СО₂).                                   (12)

 

Тотықсыздану  үрдісінде қорғасынның негізгі бөлігі, мыс және жақсы металдар рафирирленуге бағытталған қаралай қорғасынға шығарады. Мырыш пен қорғасынның бір бөлігі бугазды қоспа түрінде сұйықтықты конденсаторға бағытталады немесе қозғалыстан кейін – жүзгіндерді ұстау үшін қол сүзгісіне жіберіледі.

Сульфидті қорғасынды шикізаттың жану-балқуы кезінде түзілетін, күкіртті ангидрид құрамы бойынша бай шаңдалған газдар 1300 °С температурадан           550-600 °С температураға дейін газ суытылатын тұрақта салқындатылады және электр-сүзгіге тазалануға бағытталады. Электр-сүзгінің құрылымы қатты шаңдалған жоғары күкіртті газдардың бір кезеңге тазалануын қамтамасыз етеді, ондағы шаң құрамы кіретін газда 800-1000 г/м³ тан шығатын газда 30-50 мг/м³ дейін төмендейді. Ұсталған шаңдар толығымен балқуға қайта келеді немесе (сирек металдардың болуы кезінде) үрдістен бөлшектеп шығарылады және өңдеуге бағытталады. 20-25 % күкірт ангидридін құрайтын тазаланған газдар күкірт қышқылымен өндіріске беріледі. QSL үрдісі бойынша концентраттардан тұратын (шамамен 65 % қорғасын) шихта, қайтпалы шаңдар ылғалданады, екі зонаға (тотыққан және тотықсызданған) қоршаумен бөлінген 22 м ұзындықпен және 2,5 м диаметрмен реакторға үздіксіз тиеледі. Оттек түсетін пештің тотыққан шамамен 950 °С температура ұсталады.

Тотыққан  зонада реакционды үрдіс есебінен шамамен 60 % қорғасын қаралай қорғасынға өтеді, оны сифон арқылы шығарады, ал шамамен 40 % қорғасын қожға өтеді, 55 % қорғасынмен құралады. Қож тотықсызданатын зонаға беріледі, температураға 1250 °С көтеріледі, бұл ретте қорғасын құрамы 1,0-1,8 % төмендейді.

Қаралай қорғасын арнайы тесік арқылы қоршауда тотығу зонасына қайтадан келеді және қорғасынмен бірге алынғанымен сифондалады. Тотықсыздану зонасында қажетті температураны ұстау үшін шаң бұрышта және оттекте жұмыс істейтін қыздырғыш қарастырылған. Қож сумен гранурлейді және үйіндіге апарады. Реакторда концентраттың 8-10 т/сағ өңдейді, қаралай қорғасынға барлық мыс пен күміс өтеді, қорғасынды 99 % құрайды.

Швецияда конверторда қорғасынды концентраттардың балқу тәсілі жасалған - ТВКС – электрпеште ілінген жағдайында бай қорғасын концентрациясын балқу альтернатив сияқты.

Конвертор 3,65 м және 6 м диаматрге ие, ось көлбеулігі 28 °С тең, айналу жылдамдығы 0 дан 30 айн/мин дейін реттеледі. Конвертор қатты шаң ұстағышпен жабылған. Тозаңдатқыш және конвертор мойыны арқылы екі фурма өтеді: біріншісі оттекті-жағармайлы қыздырғышты тудырады, екіншісі – концентрлік құбырлардан тұратын концентрлік. Ішкісі арқылы концентрат құлайды, сыртқысы арқылы – оттекпен байытылған ауа. Концентрат 0,5 % ылғалдыққа дейін кептіреді.

Балқу өнімдерін жабық салқындатқыш құбырсымы бойынша тасымалдайды. ТВКС конверторында қорғасын концентратының балқу үрдісі екі кезеңді қосады – балқу және тотықсыздану. Бірінші кезеңде галениттің тотығуы және реакционды үрдіс арқылы қорғасынның тотықсыздануы жүреді.

Екінші  кезеңде реакционды балқу есебінен (сульфидтен) қорғасынның және көміртек пен көміртек оксидінің тотықсыздануы жүреді. Бірінші кезеңде шамамен 50 % қорғасын тоықсызданады, қалғаны қожға өтеді. Екінші кезеңнен кейін қожда 1-2 % қорғасын қалады [5].

Үрдіс температурасы оттек санымен реттеледі және 1100 °С құрайды. Шаң мөлшері 15-20 % құрайды, газда күкірт ангидриді 10 %. Қаралайда қорғасынның шығарылуы 70 % құрайды, ондағы күкірт шамамен 0,5 %.

Канадада тік фурмамен бай қорғасын концентратын балқыту үшін пеш жасалған. Концентрат оттекпен (87 % О₂) тік фурма арқылы балқыма бетіне үрленеді. Реакциялар пештік кеңістіктегі сияқты ванна пешінде де жүреді.

Температура балқыма ванна өртпен жанасқанда (1500 °С) сульфид пен реакционды балқыма жандыру реакциясын қамтамасыз етеді. Алынған қорғасын 0,3 % күкіртті құрайды, қож ~ 35-55 % қорғасын, бейнелейтін пеште жасалатын.

Тотықсызданатын балқыту – жандырылған және пісірілген концентраттан шахталы пеште қорғасынды алу әдісі.

Сульфидті қорғасынды концентрат флюстармен араласады және тотыққан жануға ұшырайды

 

                                       РbS+1,5О₂=PbO+SO₂.                                                          (13)