Реакционная плавка свинцового концентрата состоит их двух стадий: частичного обжига свинцового концентрата, т.е. перевода сульфидов в оксиды, и реакционной плавки. Реакционной она называется потому, что свинец при этом получается в результате реакций, происходящих между продуктами процесса, - сульфидом свинца и его оксидами. Обе стадии процесса могут проводиться последовательно (в отражательной, короткобарабанной печах) или одновременно (в горне электропечи) в одном металлургическом аппарате. В зависимости от применяемого аппарата реакционная плавка носит название отражательной, горновой или электроплавки. Практическое применение находят сейчас горновая плавка, электроплавка и короткобарабанная.
Если смешать в определенной пропорции сульфид свинца и его оксид или сульфид свинца и его сульфат, то при нагревании эти соединения реагируют между собой с выделением металлического свинца и сернистого газа по следующим уравнениям:
PbS + 2РЬО «3Рb + SO2 - 219,62 кДж; (11)
PbS + PbSO4 «2Pb + 2SO2 - 407,05 кДж. (12)
Если подвергнуть обжигу сульфид свинца, то при определенных условиях ведения процесса могут образовываться и вступать во взаимодействие друг с другом сульфид, оксид, сульфат свинца, металлический свинец, сернистый газ.
При точном соблюдении приведенных в реакциях (11) и (12) соотношений между сульфидом, сульфатом и оксидом свинца можно теоретически получить весь свинец в металлическом виде. На практике, однако, часто получается избыток оксида и сульфата свинца. Избыточный сульфат, реагируя с сульфидом, образует оксид свинца по уравнению
PbS + 3PbSO4 = 4РbО + 4SO2 - 718,96 кДж. (13)
Реакции (11) и (12) обратимы, и константа равновесия их определяется равновесным давлением пара сернистого ангидрида.
Зависимость равновесного давления пара сернистого ангидрида от температуры для реакции (11) приведена в табл. 4.
Таблица 4-Зависимость давления пара от температуры для реакции (11)
| Температура, °С | |||||
| Pso2, кПа* | 0,67 | 5,07 | 13,196 | 72,52 | 110,64 |
*1 мм.рт.ст. = 133,3 Па.
Та же зависимость для реакции (12) приведена в таблице 5.
Таблица 5 -Зависимость давления пара от температуры для реакции (12)
| Температура, °С | ||||
| Pso2, кПа* | 3,99 | 20,66 | 56,25 | 97,97 |
При определенных температурах и давлении сернистого ангидрида наступает химическое равновесие, при котором реакции протекают с одинаковой скоростью в обоих направлениях. При повышении температуры равновесие нарушается и реакции идут слева направо, в сторону образования свинца и сернистого ангидрида. Таким образом, повышение температуры полезно для реакционной плавки, так как при этом увеличивается выход металлического свинца и ускоряется обжиг сульфида свинца. Но как для обжига, так и для самой реакционной плавки шихту необходимо сохранять в твердом состоянии. Поэтому процесс реакционной плавки осуществляется при температурах не выше 850°С, т.е. ниже температур плавления всех участников реакции (температуры плавления для: PbS - 1135°С, PbSO4 -1170°С, РbО - 883°С). При более высоких температурах оксид свинца расплавляется, происходит разделение по удельному весу, отчего нарушается контакт между сульфидом и оксидом свинца и вытапливание свинца прекращается.
Из табл. 6 и 7 видно, что температура 800-850°С вполне достаточна для протекания этих реакций, так как давление при этом превышает 1∙105 Па (1 атм). На практике за счет перемешивания шихты и хорошей тяги содержание сернистого газа ангидрида в отходящих газах редко превышает 4,5 %, поэтому реакции протекают в сторону образования металлического свинца.
Реакция (13) начинает протекать заметно при температуре 550°С. Так как сернистый газ удаляется из процесса в момент своего образования, то при повышении температуры ход реакции слева направо значительно ускоряется.
Все приведенные выше реакции эндотермичны. Тепло, необходимое для эндотермических реакций, получается при предшествующих реакциях окисления сульфида свинца в оксид и сульфат. На практике к шихте прибавляется некоторое количество углеродистого топлива в виде мелкого кокса (4-10% массы шихты). Прибавка горючего необходима для компенсации потерь тепла, а также для получения температуры, обеспечивающей ход процесса и восстановление избыточного оксида свинца по реакциям:
PbО + С = Pb + СО; (14)
PbО + СО = Pb + СО2. (15)
На практике протекание реакций между сульфидом, оксидом и сульфатом свинца осложняется рядом побочных явлений.
Сульфидные флотационные концентраты, поступающие на реакционную плавку, почти всегда ассоциированы с сульфидами других металлов и пустой породой, количество которых резко влияет на качество концентрата.
Концентрат, представляющий собой чистый свинцовый блеск (PbS), был бы идеальным сырьем для реакционного процесса, так как в нем отсутствовали примеси, разъединяющие сульфиды свинца от оксидов, т.е. мешающие процессу. С этой точки зрения можно сказать, что все примеси концентрата вредны для реакционного процесса.
Но не все примеси одинаково вредны. Самой вредной примесью является оксид кремния. Вредное действие ее сказывается в следующем. При содержании в концентрате значительного количества оксида кремния образованные при реакционном процессе оксиды и сульфаты свинца будут связываться в силикаты:
PbО + SiО2 = PbO∙ SiО2; (16)
PbSО4 + SiО2 = PbO∙ SiО2 + SO2 + ½O2; (17)
Связанный в силикат свинец не будет извлечен при реакционном процессе, он перейдет в шлак, называемый серым шлаком. От этого извлечение свинца может настолько понизиться, что реакционный процесс может оказаться невыгодным. Извлечение свинца в данном случае будет зависеть от содержания кремнезема в исходном сырье. Предположим, что руда содержит 5% кремнезема, и что при реакционной плавке образуется моносиликат оксида свинца (2PbO∙SiО2). В этом случае каждые 60 (мол. масса SiО2) массовых частей кремнезема ошлакуют 414,4 (мол. масс. двух частей свинца)массовых частей свинца, а 5% кремнезема переведут в серый шлак:
г Pb.
При содержании в концентрате или руде 70% свинца только в серый шлак перешло бы 50% свинца, и, кроме того, значительное количество свинца переходит в пыль и возгоны. Естественно, что при 5% кремнеземе в руде или концентрате реакционная плавка немыслима.
Силикаты свинца вредны еще и потому, что вследствие своей легкоплавкости они быстро расплавляются и, смачивая реагирующие компоненты шихты, мешают реакции.
В связи со столь отрицательными свойствами кремнезема содержание его в поступающем на плавку материале допускается не выше 2%.
Другие примеси, присутствующие в свинцовом концентрате, также оказывают отрицательное влияние на ход процессов реакционной плавки, уменьшая контакт сульфида свинца с его сульфатом и оксидом, а также способствуя преждевременному оплавлению шихты, образуя легкоплавкие сплавы. К числу таких примесей относятся сульфидные минералы меди, железа, цинка, мышьяка, сурьмы.
Так как в каждом свинцовом концентрате всегда присутствуют в некоторых количествах другие минералы, кроме сульфида свинца, то для частичного снижения их вредного влияния и повышения тугоплавкости шихты к ней добавляют известняк крупностью 3-5мм в количестве до 2% массы шихты.
Исходя из вышесказанного, реакционной плавке должны подвергаться богатые свинцовые руды или концентраты, содержащие 70% свинца и выше.
Методика выполнения работы
Для проведения опыта берется 200...300 г свинцового концентрата и 3...4% от взятой навески концентрата известняка в качестве терморегулятора. Шихта тщательно перемешивается и загружается в железный противень. Противень с шихтой помещается в электрическую печь, нагретую до температуры 600°С. Концентрат при данной температуре энергично окисляется. Окисление проводится в течение 40...60 мин при непрерывном перемешивании.
После проведения частичного окислительного обжига свинцового концентрата сгребают всю навеску в один конец противня (к задней стенке) и дают противню наклон для стекания образующегося свинца в передний конец.
В передний конец противня загружают дробленый древесный уголь для предупреждения окисления свинца.
После выполнения всех операций температуру в печи повышают до 800°С. При этой температуре происходит энергичное взаимодействие между оксидом и сульфидом свинца. За время протекания второго периода процесса (вытопка свинца) шихта должна все время перемешиваться для предотвращения ее спекания и оплавления. В процессе перемешивания необходимо шихту сгребать к задней стенке противня. Отдельные мелкие капли свинца следует собирать в более крупные и помогать им стекать в переднюю часть противня. Опыт продолжают до тех пор, пока не прекратится образование
свинца.
В конце опыта осторожно совочком из противня удаляют остаток шихты, состоящей из серого шлака непрореагировавших частиц шихты. Затем противень вынимают из печи, и свинец отливают в изложницу, стараясь при этом не допускать попадания древесного угля в изложницу. Попавшие случайно куски древесного угля снимают с поверхности свинца щипцами; предварительно перед разливкой свинца изложницу смазывают насыщенным известковым раствором или пульпой или натирают мелом. Изложницу просушивают и после этого выливают в нее свинец из противня.
После охлаждения полученные продукты плавки взвешивают и определяют извлечение свинца из концентрата за время опыта.
Опыт трудный и требует большого внимания. Результаты опыта в большой степени зависят от действий экспериментатора.
Содержание отчета
Отчет о работе должен содержать краткое изложение теории реакционной плавки, подробное описание проведенного опыта, расчет выхода металлического свинца и серого шлака.
Все проведенные операции заносятся в рабочий журнал, составляемый по следующей форме:
| Операция | Температура, 0С | Продолжитель ность, мин. | Загружено, г | Получено, г | Выход чернового свинца, % | Извле чение свинца, % | ||
| концентрата | известняка | Чернового свинца | остатка | |||||
| Окислительный обжиг свинцового концентрата | ||||||||
| Вытопка свинца |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Из каких стадий состоит реакционная плавка свинцовых концентратов?
2. При каких температурах осуществляется реакционная плавка и чем это объясняется?
3. Какую роль играет кокс при реакционной плавке?
4. Какое влияние оказывают примеси на реакционную плавку?
5. Для чего добавляется известняк в шихту реакционной плавки?
Задание на дом:
1. Самостоятельно изучить термодинамику и кинетику реакционная плавка свинцовых концентратов.
2. Изучить технологию и основные показатели процесса реакционной плавки свинцовых концентратов.
Задание к СРС
Студент должен приготовить СРС по следующим темам:
1. Изучить характеристику свинцовых концентратов.
2. Ознакомиться с основным и вспомогательным оборудованием применяемых в процессе реакционной плавки свинцовых концентратов.
3. Предложить основные пути улучшения технологического процесса реакционной плавки свинцовых концентратов.
4. Объяснить процессы горновой плавки, плавка в короткобарабанных печах, плавка во взвешенном состоянии.
5. Современное состояние производства свинца в Казахстане и за рубежом.
6. Рассказать о новых усовершенствованных способах реакционной плавки свинцовых концентратов.
Список используемой литературы
Основная:
1. Газалиев А.М. Общая металлургия: уч-к. /А.М.Газалиев, В.В.Егоров, Д.К. Исин. Под ред. Акад.НАН РК А.М. Газалиева. – Алматы: Бiлiм, 2010. – 777с
2. Романтеев Ю.П., Быстров В.П. Металлургия тяжелых цветных металлов. Свинец. Цинк. Кадмий.: - М.: Изд. дом МИСиС, 2010 – 575 с.
3. Уткин Н.И. Производство цветных металлов. –М.: Интермет инжиниринг. 2004.
Дополнительная:
4. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев А.М. Общая металлургия. М.: Академкнига, 2002. 786 с.
5. Романтеев Ю.П. и др. Металлургия свинца. - М.: МиСиС. 2006.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
