Плавка свинца

Уточненные данные о  составе шлака представлены в  таблице 4.

Таблица 4 – Рациональный состав и количество шлака

Компо- ненты	Содержание элементов
	SiO2	CaO	Fe	Pb	Zn	О	S	Cu	Al2O3	Прочие	Всего	%
SiO2	11,2										11,2	22,96
FeO			14,805			4,244					19,049	13,4
CaO		6,536									6,536	30,3
ZnO					5,49	1,344					6,834	1,3
ZnS					0,46		0,227				0,687	12,2
PbO				0,127		0,013					0,14	11,48
Pb				0,507							0,507	0,62
Cu2S							0,073	0,29			0,363	0,59
Al2O3									2,72		2,72	5,57
Прочие										0,729	0,729	1,49
Итого	11,2	6,536	14,805	0,634	5,95	5,601	0,3	0,29	2,72	0,729	48,765	100

 

3.1.5 Расчет количества чернового свинца

В черновой свинец при  плавке переходят медь, цинк, мышьяк, сурьма, олово, висмут, теллур и благородные  металлы. Количество металлов – примесей в свинце может составлять (2 ÷ 8)%. В исходном свинцовом агломерате не задано содержание многих примесных компонентов, поэтому в составе чернового свинца они условно обозначены как «прочие».

Определяем количество свинца в черновом металле, кг:

В черновой металл перейдет, кг:

меди

цинка

прочих

Масса чернового свинца составит

36,152 + 0,31 + 0,14 + 2,531 = 39,133 кг.

Распределение свинца по продуктам плавки показано в таблице 5.

Таблица 5 – Распределение  свинца по продуктам плавки

Продукты плавки	Количество
	кг	%
Черновой свинец	36,152	94,21
Штейн	1,115	2,91
Пыль	0,499	1,3
Шлак	0,606	1,58
Итого	38,372	100

 

Таким образом, прямое извлечение свинца в черновой металл равно 94,21%.

3.1.6 Расчет горения кокса и количества отходящих газов

Кокс в процессе плавки выполняет роль топлива и восстановителя. При взаимодействии углерода кокса  с кислородом образуется оксид и  диоксид углерода. Оксид углерода (СО) является основным восстановителем  в процессе плавки свинцового агломерата. В примере расчета материального баланса шахтной плавки принят 12 - % расход кокса, состав которого представлен в таблице 6.

Таблица 6 – Химический состав кокса

Компоненты	С	Н	S	O	N	Зола	Всего
Содержание, %	86,5	0,4	0,5	1,4	1,2	10	100
Количество,кг	10,38	0,048	0,06	0,168	0,144	1,2	12

 

Определяем теоретическое  количество воздуха, необходимое для  горения кокса.

Принимаем в расчетах следующее распределение углерода по уравнениям:

С + О₂ = СО₂ + Q₁                                                                           (24)

С + 0,5О₂ = СО + Q₂                                                                       (25)

40% углерода кокса взаимодействует  с кислородом по реакции (6), а 60% углерода – по реакции (25).

По реакции (24) сгорает углерода 10,38 · 0,4 = 4,152 кг. Для этого необходимо затратить кислорода 4,152 · 32 : 12 = 11,072 кг. В результате образуется диоксида углерода СО₂ 4,152 + 11,07 = 15,224 кг.

По реакции (7) окисляется углерода 10,38 · 0,6 = 6,228 кг. Для этого потребуется кислорода 6,28 · 16 : 12 = 8,304 кг и получится оксида углерода СО 6,228 + 8,304 = 14,532 кг.

Для сжигания водорода кокса  потребуется 0,048 · 16 : 2 = 0,384 кг и кислорода  и образуется паров воды (Н₂О) 0,048 + 0,384 = 0,432 кг.

На сжигание серы кокса  потребуется следующее количество кислорода, кг 0,06 · 32 : 32 = 0,06. При этом образуется диоксида серы SO₂ 0,06 + 0,06 = 0,12 кг.

Учитывая, что в коксе  содержится 0,168 кг активного кислорода, теоретический расход кислорода  на сжигание 12 кг кокса составит 11,072 + 8,304 + 0,384 + 0,06 – 0,168 = 19,652 кг.

Воздуха для сжигания кокса потребуется 19,652 : 0,23 = 85,443 кг.

Принимая 5% - й расход воздуха, равный 85,443 · 1,05 = 89,716 кг.

В этом количестве воздуха  содержится, кг:

кислорода – 89,716 · 0,23 = 20,635,

азота          – 89,176 · 0,77 = 69,081.

Определяем количество кислорода, переходящее в газовую  фазу, кг: 20,635 – 19,652 = 0,983.

Из кокса в газовую  фазу перейдет 0,144 кг азота. Общее количество азота в отходящих газах составит 69,081 + 0,144 = 69,225 кг.

3.1.7 Расчет состава и количества отходящих газов

Состав отходящей газовой  фазы формируется как за счет протекания восстановительных процессов по уравнениям:

PbO + CO = Pb + CO₂                                                                        (26)

PbO · SiO₂ + CO = Pb +SiO₂ + CO₂                                                  (27)

PbO · Fe₂O₃ + 2CO = Pb + 2Fe + 2CO₂                                             (28)

Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂                                                                                   (29)

Десульфуризация свинцового агломерата в условиях восстановительной  плавки обеспечивается в результате протекания реакций

PbS + 2PbO = 2Pb + SO₂  (30)

PbS + PbSO₄ = 2Pb + 2SO₂                                                                (31)

ZnSO₄ = ZnO + SO₃                                                                           (32)

На осуществление этих процессов не требуется кислорода.

Рассчитываем массу  серы, удаляемую в газовую фазу из агломерата за счет реакций (12) – (14), кг:

m_S = (m_S)_агл – (m_S)_шт – (m_S)_шл – (m_S)_к = 2 – 1,22 – 0,304 – 0,06 = 0,42.

Принимаем в расчетах следующий вклад реакций в  удаление серы в газовую фазу: 50% - за счет реакции (30), 40% - за счет реакции (31) и 10% - за счет реакции (32).

Определяем количество серы, выделяющейся по уравнению (12), кг: 0,42 · 0,2 = 0,21.

Для выделения такого количества серы потребуется, кг:

сульфида свинца – 0,21 · 239,2 : 32 = 1,569,

оксида свинца – 0,21 · 2 · 223,2 : 32 = 2,929.

При этом в газовую  фазу перейдет следующее количество SO₂, кг: 0,21 · 64 : 32 = 0,42.

Количество серы, переходящее в газовую фазу по уравнению (13), составит 0,42 · 0,4 = 0,168 кг.

Для протекания реакции (31) потребуется, кг:

сульфида свинца – 0,168 · 239,2 : (2 · 32) = 0,628,

сульфата свинца – 0,168 · 303,2 : (2 · 32) = 0,79.

При этом в газовую  фазу выделится следующее количество сернистого ангидрида SO₂, кг: 0,168 · 64 : 32 = 0,336.

Определяем массу серы, которая уходит в газовую фазу по уравнению (32), кг: 0,42 · 0,1 = 0,042.

Для реакции (32) потребуется сульфата цинка 0,042 · 161,4 : 32 = 0,212 кг. При этом образуется серного ангидрида SO₃ 0.042 · 80 : 32 = 0,105 кг.

В условиях восстановительной  атмосферы шахтной печи сульфаты свинца и цинка будут взаимодействовать  с оксидом углерода по реакциям

PbSO₄ + 4CO = PbS + 4CO₂                                                              (33)

ZnSO₄ + 4Co = ZnS +4CO₂                                                                (34)

Вычисляем количество PbSO₄, которое останется после завершения реакции (31), кг:

Для его восстановления потребуется оксида углерода 0,16 · 4 · 28 : 303,2 = 0,059 кг. При этом получится следующее количество диоксида углерода: 0,16 · 4 · 28 : 303,2 = 0,093 кг и сульфида свинца – 0,16 · 239,2 : 303,2 = 0,126 кг.

Находим массу сульфида свинца, которая останется после протекания реакций (30), (31) и (33), кг:

m_PbS = (m_PbS)_агл – (m_PbS)₍₃₀₎ – (m_PbS)₍₃₁₎ + (m_PbS)₍₃₃₎ = 2,99 – 1,569 – 0,628 + 0,126 = 0,919.

В нашем примере сульфида свинца нет ни в одном продукте плавки: ни в штейне, ни в шлаке. Поэтому  можно ожидать протекания реакции

PbS + Fe = Pb + FeS                                                                          (35)

Для этого потребуется  следующее количество железа, кг: 0,919 · 55,8 : 239,2 = 0,214.

Определяем количество сульфата цинка, которое будет восстанавливаться по уравнению (34), кг:

Для восстановления 0,288 кг ZnSO₄ потребуется оксида углерода 0,288 · 4 · 28 : 161,4 = 0,199 кг. При этом в газовую фазу выделится диоксида углерода  0,288 · 4 · 44 : 161,4 = 0,314 кг и получится сульфида цинка ZnS 0,288 · 97,38 : 161,4 = 0,174 кг.

рассчитываем количество сульфида цинка, которое останется  после образования штейна и шлака, кг:

m_ZnS = (m_ZnS)_агл + (m_ZnS)₍₃₄₎ – (m_ZnS)_шт – (m_ZnS)_шл = 2,44 + 0,174 – 0,732 – 0,69 = 1,192.

Это количество ZnS  при плавке будет взаимодействовать с металлическим железом по реакции

ZnS + Fe = Zn↑ + FeS                                                                             (36)

Для восстановления сульфида цинка потребуется железа 1,192 · 55,8 : 97,38 = 0,683 кг, при этом образуется металлического цинка 1,192 · 65,38 : 97,38 = 0,835 кг.

Всего потребуется металлического железа для реакций (35) и (36) и для образования штейна

(m_Fe)_∑ = (m_Fe)₍₃₅₎ + (m_Fe)₍₃₆₎ + (m_Fe)_шт = 0,214 + 0,683 + 0,013 = 0,91 кг.

Металлический цинк в  процессе плавки распределяется между пылью, шлаком и черновым свинцом. В пыль и шлак цинк переходит в виде оксида ZnO, предварительно окисляясь диоксидом углерода по уравнению

Zn + CO₂ = ZnO + CO                                                                              (37)

В реакции (37) будет участвовать следующее количество цинка, кг:

0,8 – 0,14 = 0,66,

где 0,14 – масса цинка  в черновом свинце, кг.

По данной реакции  прореагирует диоксида углерода 0,66 · 44 : 65,38 = 0,444 кг. При этом образуется оксида углерода 0,66 · 28 : 65,38 = 0,283 кг.

По уравнению (26) восстановится оксида свинца

(m_PbO)₍₂₆₎ = (m_PbO)_(агл) – (m_PbO)₍₃₀₎ – (m_PbO)_пыль = 9,39 – 2,929 – 0,537 = 5,924 кг.

Для восстановления такого количества PbO потребуется оксида углерода 5,924 · 28 : 223,2 = 0,743 кг и будет получено диоксида углерода  СО₂ 5,924 · 44 : 223,2 = 1,17 кг.         

По уравнению (27) для восстановления 26,23 кг силиката свинца понадобится оксида углерода СО 26,23 · 28 : 283,3  = 2,592 кг. При этом будет получено диоксида углерода СО₂ 26,23 · 44 : 283,3 = 0,074 кг.

Для восстановления 13,38 кг феррита свинца по уравнению (28) необходимо затратить оксида углерода СО 13,38 · 2 · 28 : 382,8 = 1,957 кг. При этом будет получено диоксида углерода  СО₂ 13,38 · 2 · 44 : 382,8 = 3,076 кг.

Определяем количество Fe₂O₃, которое будет восстановлено по уравнению (29), кг:

Для восстановления 5,714 кг Fe₂O₃ необходимо затратить оксида углерода СО 5,714 · 28 : 159,6 = 1,002 кг. В результате будет получено диоксида углерода СО₂  5,714 · 44 : 159,6 = 1,575 кг.

Магнетит Fe₃O₄ в условиях плавки восстанавливается до FeO по реакции

Fe₃O₄ + СО = 3Fe + СО₂                                                                       (38)

На осуществление  этой реакции потребуется оксида углерода 10,38 · 28 : 231,4 = 1,256 кг. При этом в газовую фазу выделится диоксида углерода СО₂ 10,38 · 44 : 231,4 = 1,974 кг.

Металлическое железо Fe  образуется по реакции

FeO + CO = Fe + CO₂                                                                           (39)

На образование 0,91 кг металлического железа потребуется оксида углерода СО 0,91 · 28 : 55,8 = 0,457 кг. В ходе реакции в газовую фазу выделится диоксида углерода СО₂ 0,91 · 44 : 55,8 = 0,718 кг.

В черновой свинец перейдет 0,31 кг меди Cu. на восстановление Cu₂O по реакции

Cu₂O + CO = 2Cu = CO₂                                                                      (40)