Плавка свинца

2PbS + 3О₂ = 2РЬО + 2S0₂;                                                                    (1)

PbS + 2О₂= PbS0₄,                                                                                   (2)

с последующим взаимодействием продуктов обжига с остатком неокислившегося сульфида свинца:

PbS + 2РЬО = 3РЬ + S0₂;                                                                       (3)                                 

PbS + PbSO₄ = 2РЬ + 2S0₂.                                                                    (4)

По принципу реакционной плавки в настоящее время получают свинец методом электроплавки и кивцэтным процессом.

Осадительная плавка основана на реакции вытеснения свинца из его сульфида металлическим железом

PbS + Fe = Pb + FeS                                                                              (5)

Хотя осадительная плавка не применяется в настоящее время  в промышленности, реакция, лежащая  в ее основе, частично реализуется  в практике шахтной восстановительной плавки.

По указанным причинам современная металлургия свинца практически полностью базируется на использовании технологических схем, включающих восстановительную плавку.

Прямое восстановление сульфидов традиционными углеродистыми  восстановителями - задача очень сложная и технологически в промышленных условиях не осуществимая. В то же время оксид свинца (глет) очень легко восстанавливается уже при (160 ÷ 180)°С даже в слабо восстановительной атмосфере.

Чтобы получить металлический  свинец методом восстановительной плавки из сульфидных концентратов, их нужно предварительно подвергнуть окислительному обжигу с одновременным спеканием, так как плавку на черновой свинец ведут в шахтных печах. Обожженный агломерат плавят с коксом; свинец при этом восстанавливается по реакции РЬО + СО = РЬ + СО₂   (6).

Примеси с большим  сродством к кислороду при  плавке образуют шлак, а с малым - восстанавливаются до металлов и растворяются в свинце. Загрязненный свинец, содержащий обычно не менее десяти примесей, называется черновым. После выпуска из печи черновой свинец в жидком виде направляют на рафинирование.

Метод шахтной восстановительной  плавки технологически и экономически эффективен при переработке сульфидных концентратов, содержащих не менее 65 % РЬ. При плавке очень богатых концентратов возникают трудности на стадии агломерации, которые выражаются в получении недостаточно обожженного агломерата вследствие оплавления материала.

Рафинирование чернового  свинца проводится преимущественно  пирометаллургическим способом, хотя на некоторых заводах для этого используют электролиз /3/.

 

 

 

2 Технологическая  часть

2.1. Выбор и технико-экономическое  обоснование предлагаемой технологии  переработки свинца

Основные задачи металлургической переработки свинцовых концентратов:

1. отделить элементы пустой породы  от основных металлов (свинец, медь, цинк) и их спутников: золота, серебра, кадмия, селена, теллура, висмут;
2. разделение основных металлов друг от друга с получением их в металлическом состоянии;
3. очистка полученного чернового свинца от сопутствующих элементов.

Эти задачи решаются гидро- и пирометаллургическим способами.

Гидрометаллургическими способами  являются хлоридный, щелочной, с применением  органических растворителей.

К пирометаллургическому способу  относятся: восстановительная, реакционная, осадительная, щелочная и содовая плавки.

Восстановительная плавка основана на способности углеродистых восстановителей восстанавливать свинец из оксидов по реакциям:

PbО + СО = Pb + СО₂,                                                                             (7)

СО₂ + С = СО,                                                                                          (8)

Pb + С = Pb + СО                                                                                      (9)

Процесс избирателен и технологичен, но требует обязательного предварительного окислительного обжига свинцовых сульфидных концентратов. Таким образом, в процессе восстановительной плавки предварительно окисленного сырья можно получить:

• черновой свинец, содержащий медь, серебро, и другие металлы;
• шлак, в который перейдут щелочные и щелочно-земельные металлы: железо, цинк и другие минералы пустой породы;
• пылегазовые возгоны, в которые переходят летучие компоненты, такие как кадмий, цинк, редкие металлы и др.;
• шлак: сплав сульфида Cu₂S, FeS, PbS.

Жидкие продукты плавки друг в друге не растворяются и  в следствии разности плотностей в процессе отстаивания разделяются  внизу свинца, затем штейн, вверху шлак. Черновой свинец идет на рафинирование, а шлак и штейн на переработку.

Восстановительная плавка имеет преимущества:

• высокое извлечение свинца в металл (около 93%);
• высокая комплексность использования ценных составляющих до 90%;
• высокая производительность;
• универсальность в технологии.

Недостатки восстановительной  плавки:

• необходимость дополнительных металлургических операций окислительно-агломерирующего обжига;
• Большой расход дорогого кокса;
• высокая запыленность  и токсичность отходящих газов.

Реакционная плавка (автогенный процесс) основана на использовании взаимодействия сульфидных и оксидных соединений свинца по реакциям:

PbS + PbSО₄ = Pb + SО₂                                                                           (10)

PbS + PbО = Pb + SО₂                                                                                                 (11)

Иногда сульфидные концентраты  подвергают частичному обжигу:

PbS + О₂ = PbО + SО₂                                                                               (12)

PbS + О₂ = PbSО₄                                                                                      (13)

Процесс проводят в электрических  печах. Этот способ пригоден только для  переработки богатых по свинцу концентратов с минимальным содержанием примесей.

Преимущества реакционной  плавки:

• не требует большого расхода кокса;
• высокое извлечение свинца в металл;
• возможность проведения процесса обжига и плавки в одном аппарате.

Недостатки реакционной  плавки:

• трудно перерабатывать сложное сырье, содержащее значительное количество цинка и меди

 Для получения свинца  из богатых руд и концентратов можно использовать осадительную плавку, осонованную на способности железа вытеснять свинец из его соединений с серой. При этом свинцовый концентрат плавят в сильновосстановительной атмосфере, в смеси с железным ломом.

PbS + Fe = Pb + FeS                                                                                     (14)

Получают черновой свинец, шлак и штейн.

При этой плавке можно использовать для переработки полупроводников свинцового производства, содержащих свинец в сульфидной форме.

Недостатки:

• низкое извлечение свинца в металл, менее чем 80%;
• большой расход кокса;
• для переработки пригоден только богатый по свинцу концентрат;
• большой расход огнеупоров;
• низкая производительность печи.

Щелочная плавка заключается  в плавке свинцового концентрата в электрической печи в смеси с NaOH при 850°С. В основе лежит реакция PbS + Na₂S + O₂ = Pb + Na₂SO₄ + H₂O    (15).

У данной плавки высокое  извлечение свинца в металл и незначительное содержание примесей в свинце.

Недостатки: большой расход щелочи и малая комплексность использования сырья.

Сущность содовой плавки заключается в плавлении свинцового концентрата при температуре 1100°С по реакции PbS + Na₂CO₃ + O₂ = Pb + Na₂S + CO₂      (16).

Преимуществом этой плавки является высокое извлечение свинца и небольшой пылевынос. Недостатками – большой расход соды, низкая комплексность использования ценных составляющих сырья. /4/.

 

2.2 Шахтная плавка

Свинец получают методом  восстановительной плавки.

Цели восстановительной плавки свинцового агломерата:

1. Получить максимальное количество свинца в виде чернового металла, в котором концентрируются золото и серебро и растворяются другие ценные металлы (медь, висмут, сурьма, мышьяк, олово, теллур);
2. ошлаковать пустую породу и перевести в шлак возможно больше цинка, присутствующего в агломерате /4/.

Поскольку изобарно-изотермический потенциал образования окислов  и соединений окислов свинца с SiO₂ и Fe₂O₃  относительно небольшой, для восстановления свинца требуется слабовосстановительная атмосфера. Часть соединений свинца восстанавливается непосредственно коксом (прямое восстановление), однако превалирующей реакцией является взаимодействие с газообразным восстановителем – СО.

Реакция восстановления  свинца из свободной окиси

PbO + CO = Pb + CO₂                                                                                 (17) 

начинается при температуре (160÷180)°С и незначительной концентрации СО.

Термодинамические данные восстановления PbO окисью приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Изобарный  потенциал и lg K_p для реакций восстановления окиси свинца окисью углерода

Тем- пера- тура, °С	- ∆ G	Lg Kр	Тем- пера- тура, °С	- ∆ G	Lg Kр	Тем- пера- тура, °С	- ∆ G	Lg Kр
150 200 300 400 500	16 511 16 587 16 808 16 940 17 191	8,5065 7,6756 6,4202 5,5089 4,8538	600 700 800 900 1000	17 415 17 611 17 854 17 892 17 767	4,3657 3,9611 3,6414 3,3393 3,0543	1100 1200 1300 1400	17 650 17 528 17 355 17 142	2,9470 2,6040 2,4140 2,3732

 

Изобарно-изотермический потенциал определен для трех интервалов температур:

1. для реакции PbO_(тв) + СО = Pb_(тв) + СО₂ (ниже 327°С)

     ∆G = - 15920 + 1,89Т lg Т +0,44 · 10^-3Т² + 1,15 · 10⁵Т^-1 – 7,19Т;

2. для реакции PbО_(тв) + СО = Pb_(ж) + СО₂ (в интервале 329-890°С)

     ∆G = - 14950 – 0,49Т lg Т + 1,45 · 10^-3Т² + 1,15 · 10⁵Т^-1 – 2,80Т;

3. для реакции PbО_(ж) + СО = Pb_(ж1) + СО₂ (в интервале 890-1472°С)

     ∆G = - 15060 + 7,83Т lg Т – 0,08 · 10^-3Т² + 0,68 · 10⁵Т^-1 – 26,40Т. 

Для восстановления PbО из шлака необходимы более высокие концентрации СО в смеси СО + СО₂ из-за снижения концентрации (активности) PbО и образования силикатных и ферритных комплексов. Коэффициент активности PbО в шлаках в пределах концентрации свинца (0,5 ÷ 3)% близок к единице.