Краткие теоретические сведения. Реакционная плавка свинцового концентрата состоит их двух стадий: частичного обжига свинцового концентрата

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