2.2. Методы переработки свинецсодержащего сырья

Главным природным сырьем для производства свинца являются сульфидные свинцовые концентраты, которые перерабатывают пирометаллургическим методом. В промышленном производстве свинца в настоящее время используют три разновидности этого метода:

 выплавка свинца реакционным способом;

 двухступенчатый способ;

 автогенные процессы.

Выплавка свинца реакционным способом является старейшим методом переработки богатых по содержанию основного металла свинцовых руд и высокосортных флотационных свинцовых концентратов. В настоящее время этот метод используется в небольшом масштабе для переработки высокосортных концентратов методом горновой плавки и плавки в короткобарабанных печах. Концентрат сначала обжигают для частичного перевода сульфида свинца в оксид и сульфат свинца по реакциям

2PbS + 3O₂ = 2PbO + 2SO₂ + 828,7 кДж; (2.1)

PbS + 2O₂ = PbSO₄ + 820,8 кДж. (2.2)

Оставшийся неокисленным сульфид свинца затем взаимодействует с оксидом или сульфатом свинца с образованием свободного металла:

PbS + 2PbO  3Pb + SO₂ – 238,9 кДж; (2.3)

PbS + PbSO₄  2Pb + 2SO₂ – 427,6кДж. (2.4)

Оксид свинца восстанавливается также за счет углерода, вводимого в шихту.

Основным способом переработки свинецсодержащего сырья является двухступенчатая технология (рис.2.1), согласно которой сульфидный свинцовый концентрат сначала подвергают окислительному обжигу для перевода PbS в форму PbO по реакции (2.1) и получения спеченного продукта обжига (агломерата). Затем шихту, состоящую из смеси агломерата и кокса, плавят в шахтной печи, где оксид свинца восстанавливается до металла по реакциям

PbO + C = Pb + CO – 107,7 кДж; (2.5)

PbO + CO = Pb + CO₂ + 65,9 кДж. (2.6)

Основной продукт этого процесса – черновой свинец, который затем направляется на рафинирование.

Эта технология может быть использована для переработки любых свинецсодержащих материалов, в том числе вторичного свинецсодержащего сырья.

Рис.2.1. Технологическая схема переработки сульфидных свинцовых

концентратов с использованием шахтной восстановительной плавки

Автогенные процессы для переработки свинцовых концентратов начали разрабатывать и внедрять в промышленное производство в последние десятилетия в разных странах. Эти процессы базируются на реакциях (2.1)-(2.6).

Что касается гидрометаллургических процессов, то они пока еще практически не используются в производстве свинца.

2.3. Выплавка свинца реакционным способом

Как отмечено выше, при выплавке свинца из сульфидных свинцовых концентратов методом реакционной плавки имеют место две группы основных реакций:

 реакции частичного окисления сульфида свинца (2.1) и (2.2);

 реакции, приводящие к образованию свободного свинца (2.3) и (2.4). На практике можно проводить все четыре реакции в одной реакционной зоне металлургического агрегата (например, это имеет место при горновой плавке) или раздельно. Во втором случае, например, можно провести частичный обжиг концентрата на агломашине, а затем получить свинец плавкой агломерата в короткобарабанной печи по реакциям (2.3) и (2.4).

Реакции (2.1) и (2.2) являются типичными реакциями окисления сульфидов металлов, поэтому детально рассмотрим только реакции (2.3) и (2.4), в результате которых получается свинец в виде свободного металла. Обе последние реакции обратимые и эндотермические, следовательно, их равновесие с повышением температуры смещается в правую сторону. Поскольку растворимость PbS, PbO, PbSO₄ и Pb друг в друге при температурах реакционной плавки небольшая, то константы равновесия K_р реакций (2.3) и (2.4) можно выразить через парциальные давления SO₂. Влияние температуры на равновесное парциальное давление реакций (2.3) и (2.4) иллюстрируют следующие данные:

t, C	692/609	755/655	800/700	847/723	870/–
, кПа	0,8/4,0	5,08/20,8	13,3/56	72,5/98	111/–
______________________ Примечание. В числителе и знаменателе – для реакций (2.3) и (2.4) соответственно.

Установлено, что реакции (2.3) и (2.4) начинают протекать соответственно при температурах 550 и 600 С. Выплавку свинца реакционным способом в горнах (горновую плавку) ведут при 800-850 С. Парциальное давление SO₂ в отходящих газах этого агрегата обычно не более 4-5 кПа, что во много раз меньше равновесного давления SO₂ реакций (2.3) и (2.4) при этих температурах. Выплавку свинца реакционным способом в короткобарабанных печах ведут при температурах, достигающих 1100 С, т.е. в условиях еще более благоприятных для протекания реакций в правую сторону.

Реакционной плавкой в горнах или в короткобарабанных печах можно перерабатывать только высокосортные свинцовые концентраты, содержащие не менее 70-75 % свинца и небольшое количество примесей (особенно это касается SiO₂, содержание которого не должно превышать 1-2 %).

Основной частью горна для выплавки свинца реакционным способом является отлитый из чугуна ящик-тигель длиной 2,4-2,5 м, шириной 0,35-0,5 м и глубиной 0,25 м с толщиной стенок около 50 мм. На боковых и задней стенке горна установлены кессоны, охлаждаемые водой или воздухом, а к передней стенке примыкает наклонная шихторазборочная рабочая плита. Тигель горна помещают на чугунной раме или на кирпичной кладке. вытяжной колпак над горном соединен газоходом с эксгаустером. В передней стенке колпака по всей ее длине имеется выемка высотой около 50 см, служащая для загрузки шихты и обслуживания горна. через фурмы в задней стенке горна подается воздух, необходимый для ведения процесса. Расплавленный свинец собирается на дне горна и сливается из него через выпускное отверстие в одной из торцевых стенок горна.

Для перемешивания шихты служит специальный механизм, который циклически перемещается вдоль передней стенки горна. Шихта горновой плавки состоит из высококачественного свинцового концентрата, известняка (2-3 % от массы концентрата, крупность 3-5 мм) и каменного угля или кокса (4-8 % от массы концентрата, крупность 5-15 мм). Продуктами плавки являются черновой свинец, серый шлак, пыль и газы. Производительность горна по шихте 15-25 т в сутки. Чем выше содержание свинца в концентрате, тем выше его извлечение в черновой металл и больше производительность горна по свинцу. Например, при переработке концентрата, содержащего 75 % свинца, металл распределяется следующим образом, %: черновой свинец 65-70, серый шлак 10-15, пыль 15-25.

Короткобарабанная печь состоит из клепаного стального кожуха диаметром и длиной 3 м (на некоторых заводах применяют удлиненные до 8 м печи Дершеля), положенного горизонтально и футерованного высокоглиноземистым (65-70 % Al₂O₃, 20-25 % SiO₂) огнеупорным кирпичом. Кожух печи опирается на ролики и может медленно вращаться вокруг горизонтальной оси специальным приводом. В одной из торцевых стен печи имеется отверстие, закрываемое крышкой, которое служит для загрузки шихты в печь. В отверстии противоположной стенки печи установлена пылеугольная горелка или мазутная форсунка. Через это же отверстие удаляют из печи и отходящие газы.

Печь работает в периодическом режиме. Процесс плавки длится около 4 ч. Плавят агломерат с содержанием свинца 70-80 % и с отношением в нем масс серы и кислорода около 1 : 1. За один цикл получают 4-5 т свинца. Извлечение свинца из агломерата в черновой металл 85-87 %, около 8 % свинца переходит в пыль и остальной свинец уходит в шлак. Общее извлечение свинца из агломерата с учетом переработки шлака и пыли достигает 97-98 %. При работе на буром каменном угле расход его составляет 12-15 % от массы загрузки. Часть тепла отходящих газов используют для получения пара в котле-утилизаторе.