§ 11. Шлаковозгоночный процесс

Переработка жидких шлаков для извлечения из них цинка, свинца, олова и меди в шлаковозгоночных печах нашла широкое применение как за рубежом, так и в отечественной практике. Процесс основан на восстановлении имеющихся в шлаках окислов металлов с испарением свинца, цинка и олова из расплавов при высоких температурах. Для успешного испарения олова его надо сульфидировать (летит SnS).

В качестве восстановителя в шлаковозгоночных процессах используют угольную пыль, мазут и природный газ.

Несмотря на интенсивность процесса шлаковозгонки на воздушном дутье с целью его дальнейшей интенсификации, большое значение имеет применение дутья, обогащенного кислородом. Например, при обогащении дутья кислородом до 28–30% цикл продувки шлака уменьшается в два раза, что позволяет уменьшить расход топлива на 30–35%. Не менее важное значение для процесса имеет замена периодического цикла продувки шлаков на непрерывный.

11.1 Расчет материального баланса

Шлаковозгонке подвергают шлаки следующего состава: 8,8% Zn; 1,2% Рb; 0,8% Сu; 0,9% Sn; 28% SiO₂; 39% FeO; 5% А1₂О₃; 12% CaO; 4,3% прочие, полученные во время плавки вторичного сырья в шахтных печах.

Требуется рассчитать материальный баланс процесса при условии, что в отработанном шлаке содержится 2,5% Zn; 0,1 % Рb и 0,1 % Sn. В качестве восстановителя и топлива в процессе используют природный газ следующего состава (объемн.): 88,5% СН₄; 6,17% С₂Н₂; 0,7% СО₂; 0,17% H₂S; 4,46% N₂. Природный газ сжигается в выносных топках с коэффициентом α=0,8%. Воздушное дутье, используемое для процесса, обогащается кислородом до 25% (объемн.). В конце периода отгонки цинка для удаления олова в процесс задается пирит из расчета 5% от массы шлака. Расчет ведем на 100 кг шлака. По данным исследований и практики, основное количество свинца и цинка при переработке шлаков подобного состава удаляется до введения сульфидизатора. В этот период протекают реакции

ZnO + СО = Zn + СО₂;

РbО + СО = Рb + СО₂;

SnO + СО = Sn + СО₂;

FeO + СО = Fe+ CO₂.

При введении сульфидизатора протекают следующие реакции:

2FeS₂ → 2FeS + S₂;

4MeO + 3S₂ = 4MeS + 2SO₂;

2Me + S₂ = 2MeS.

Образующийся при этом сульфид олова возгоняют, а сульфиды цинка, железа и меди переходят в штейн. Ввиду того, что механизм реакций восстановления и сульфидирования металлов данного процесса недостаточно изучен, для расчета материального баланса использованы заводские данные по распределению металлов в продуктах при переработке подобного сырья, %:

Zn Pb Sn Cu

Возгоны 71 92 83 5

Шлак 24 7 9 15

Штейн 5 1 8 75

Из 100 кг исходного сырья и 5 кг пирита перейдет в возгоны 6,25 кг Zn, 1,11 кг Рb, 0,74 кг Sn; сумма ZnO+ PbO+SnO+SnS составит 9,45 кг; по данным практики, содержание окислов металлов в возгонах колеблется в пределах 75–90%. Принимаем его равным 85%. Количество возгонов будет равно 9,45/0,85=11,1 кг. От разложения 5 кг пирита по реакции FeS₂ → FeS + S получим элементарной серы 5•32/119,85=1,3 кг, а сернистого железа 3,7 кг.

В штейн перейдет 8,8•0,05=0,44 кг Zn; 1,2•0,01=0,01 кг Рb; 0,9•0,08=0,07 кг Sn; 0,8•0,75=0,6 кг Сu.

С металлами штейна будет связано элементарной серы: с цинком 0,44•32/65,4=0,2 кг; со свинцом 0,01•32/207,2=0,002 кг; с оловом 0,07•32/134,7=0,02кг; с медью 0,6•32/127=0,15кг.

Примем, что 30% Sn удаляется в виде SnО, а остальное количество – в виде SnS. С оловом в виде SnS связано серы 0,75•0,7•32/134,7=0,12 кг. Всего с металлами свяжется серы 0,2+0,002+0,02+0,15+0,12=0,492 кг. Остальная сера перейдет в газы: 1,3–0,492=0,808 кг.

По данным расчета составляем предварительный материальный баланс процесса без учета газа и воздуха (таблица 38).

Таблица 38 Материальный баланс процесса шлаковозгонки (без топлива и воздуха), кг

Материалы баланса	Всего	В том числе
		Zn	Pb	Sn	Cu	Fe	S	SiO2	Al2O3	CaO	прочие
Поступило: шлака пирита	100,0 5,0	8,8 –	1,2 –	0,9 –	0,8 –	30,3 2,3	– 2,7	28,0 –	5,0 –	12,0 –	13,0 –
Итого	105,0	8,8	1,2	0,9	0,8	32,6	2,7	28,0	5,0	12,0	13,0
Получено: возгонов шлака штейна серы в газах	11,1 87,9 5,192 0,808	6,25 2,11 0,44 –	1,11 0,08 0,01 –	0,75 0,08 0,07 –	0,04 0,16 0,6 –	– 30,3 2,3 –	0,12 – 1,772 0,880	– 28,0 – –	– 5,0 – –	– 12,0 – –	2,94 10,06 – –
Итого	105,0	8,8	1,2	0,9	0,8	32,6	2,7	28,0	5,0	12,0	13,0