Металлургия тяжелых цветных металлов. Производство свинца и цинка. Практикум

№ 4515 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ

УНИВЕРСИТЕТ НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ МИСИС

ИНСТИТУТ ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра цветных металлов и золота

С.В. Быстров Р.Т. Хайруллина

МЕТАЛЛУРГИЯ ТЯЖЕЛЫХ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ. ПРОИЗВОДСТВО СВИНЦА И ЦИНКА

Практикум

Рекомендовано редакционно-издательским советом университета

Москва 2024

УДК 669.2/.8 Б95

Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, доц. В.Ю. Лопатин

Быстров, Сергей Валентинович.

Б95 Металлургия тяжелых цветных металлов. Производство свинца и цинка : практикум / С.В. Быстров, Р.Т. Хайруллина. – Москва : Издательский Дом НИТУ МИСИС, 2024. – 67 с.

Практикум по курсу «Металлургия тяжелых металлов» включает разделы, посвященные металлургии свинца и металлургии цинка. Для лучшего усвоения теоретического материала и самоподготовки к контрольным мероприятиям каждый раздел дополнен тестами, охватывающими основные вопросы курса. Практикум может быть рекомендован для подготовки к квалификационным экзаменам.

Предназначен для обучающихся по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия».

УДК 669.2/.8

С.В. Быстров, Р.Т. Хайруллина, 2024

НИТУ МИСИС, 2024

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

1. Металлургия свинца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 1.1. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. Тесты по металлургии свинца . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2. Металлургия цинка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36 2.1. Теоретическое введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2. Тесты по металлургии цинка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Библиографический список . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основные цели практикума – закрепление знаний, полученных на лекциях и практических занятиях (теоретические и технологические основы типовых процессов и технологий производства цветных металлов и их соединений; комплекс современных технологий производства цветных металлов; состав продукции предприятий цветной металлургии, основные химические превращения при их производстве), а также овладение навыками самостоятельной работы с большим объемом информации при всем многообразии применяемых терминов, определений и понятий в целях ее обобщения и анализа для использования в практической деятельности.

В практикуме рассматриваются физико-химические свойства минералов свинца и цинка, различные источники получения и особенности технологий производства этих металлов, аппаратурное оформление процессов, пути совершенствования существующих способов переработки и возможности комплексного использования сложного полиметаллического сырья.

Краткие пояснения к каждому разделу совместно с курсом лекций позволят обучающимся ответить на предлагаемые в практикуме вопросы.

Тесты рекомендуется использовать для самоконтроля знаний на семинарских занятиях, при подготовке к контрольным работам, зачетам и экзаменам.

4

1.МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА

1.1.Теоретическое введение

Свинец – металл синевато-серого цвета, свежий излом его имеет сильный металлический блеск.

Плотность твердого свинца – 11,27…11,48 г/см3, жидкого – от 10,69 г/см3 при 327,4 С до 10,08 г/см3 при 850 С.

Температура плавления свинца – 327,4 С, температура кипения – 1745 С.

При температуре 500…550 С заметно испарение свинца. Некоторые примеси (мышьяк, сурьма) повышают летучесть свинца. Пары свинца и его соединений ядовиты. Вследствие испарения свинца и его соединений увеличиваются потери при его производстве, а также возникает необходимость оборудования производственных участков хорошей системой пылеулавливания.

Свинец – плохой проводник тепла и электричества. По сравнению с серебром, тепло- и электропроводность свинца ниже в 10 раз.

Из всех тяжелых металлов свинец наиболее мягкий. Примеси сурьмы, мышьяка, щелочных металлов повышают его твердость.

Свинец образует целый ряд сплавов с другими металлами, некоторые из них имеют низкую температуру плавления.

Свинец – элемент 4-й группы периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева. Порядковый номер – 82. Атомный вес – 207,21. Валентность – 2, 3, 4. Во влажном и содержащем углекислый газ воздухе свинец тускнеет, покрываясь пленкой оксида PbO2, которая превращается в основной карбонат 3РbСО3 · Рb(ОН)2. Расплавленный свинец в присутствии воздуха медленно окисляется до PbO2, который при повышении температуры превращается в глет РbО. На воздухе в интервале значений температуры 330…450 С глет превращается в Рb2О3 а при дальнейшем нагреве от 450 до 470 С образуется сурик Рb3О4.

5

Исходным сырьем для производства свинца служат руды

иконцентраты, в которых присутствуют такие ценные металлы, как золото, серебро, цинк, медь, олово, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут и др. Все эти металлы обычно являются спутниками свинца в рудных полиметаллических месторождениях.

Характерной особенностью свинцовых руд является сложность их минералогического состава. Важнейшим промышленным свинцовым минералом является галенит PbS. В сульфидных рудах не менее 85…90 %1 свинца находится в виде галенита. В смешанных и окисленных рудах (в настоящее время практически выработанных) встречаются церуссит PbCO3

ианглезит PbSO4. Основными сопутствующими минералами в свинецсодержащих рудах являются сфалерит ZnS, халь-

копирит CuFeS2, арсенопирит FeAsS2, пирит FeS2, пирротин Fe7S8. Пустая порода представлена кварцем, силикатами, алюмосиликатами и карбонатами различных металлов.

Содержание элементов в свинцово-цинковых рудах колеблется в следующих пределах, %: Pb – 1…10; Zn – 1…13;

Fe – 1…10; Cu – 0,5…2,0; SiO2 – 18…20; S – 15…20. Полиметаллические руды из-за невысокого содержания

в них свинца (0,5…10 %), как правило, непосредственно в металлургическую переработку не поступают, а подвергаются предварительному обогащению флотацией в целях разделения и получения монометаллических концентратов. В свинцовых сульфидных концентратах содержание элементов составляет, %: Pb – 30…80; Zn – 2…14; Cu – до 10; Fe – 2…16;

S – 12…28; SiO2 – 2…13, а также Ag – 300…3500 г/т, и Au – 2…150 г/т. Концентрация сурьмы, мышьяка, олова и висму-

та, взятых по отдельности, колеблется от тысячных до десятых долей процента.

Современное производство свинца из минерального сырья осуществляется пирометаллургическими способами.

Гидрометаллургические способы переработки свинцовых

1 Здесь и далее имеются в виду % масс., если не указано другое.

6

концентратов пока не получили широкого распространения в промышленности ввиду их технологического несовершенства и экономической неконкурентоспособности [1].

Технологические схемы производства свинца из сульфидных концентратов можно укрупнено представить в виде трех групп технологических процессов:

–1-я группа объединяет технологические переделы выплавки чернового свинца;

–2-я группа состоит из операций рафинирования чернового свинца;

–3-я группа охватывает технологические процессы переработки полупродуктов (пылей, возгонов, шлаков, газов, съемов, плавов и др.), образующихся в процессах первых двух групп, в целях дополнительного извлечения свинца

идругих ценных спутников (цинка, меди, золота, серебра, кадмия, висмута, сурьмы, мышьяка, теллура, индия и пр.).

Возможны три способа получения свинца из концентратов пирометаллургическим путем:

1)классическая восстановительная плавка предварительно обожженного и спеченного концентрата;

2)реакционная (автогенная) плавка;

3)осадительная плавка.

Значительное количество свинца из сульфидных концентратов до недавнего времени получали по классической (традиционной) схеме «агломерация – шахтная плавка».

Классическая (или традиционная) схема выплавки чернового свинца включает в себя следующие технологические операции (рис. 1.1):

1 – окислительный агломерирующий обжиг свинцовых сульфидных концентратов;

2 – последующую восстановительную шахтную плавку агломерата.

Агломерирующий обжиг проводят в целях наиболее полного удаления серы с переводом соединений свинца в легковосстановимую оксидную форму в соответствии с приведен-

7

ной ниже реакцией и окускования исходного материала для дальнейшей переработки в шахтной печи.

Шлак Запыленные газы Штейк Черновой свинец Газы Пыль

Рис. 1.1. Схема восстановительной плавки свинца

Основная цель шахтной плавки заключается в получении металлического свинца в соответствии со следующей реакцией:

в котором концентрируются золото, серебро и другие ценные элементы, и отделении компонентов пустой породы агломерата и основного спутника – цинка с отвальным по содержанию свинца шлаком.

Общая схема процесса восстановительной шахтной плавки выглядит следующим образом. Основным материалом загрузки является офлюсованный самоплавкий агло-

8

мерат. Иногда для корректировки состава шихты в печь загружают небольшое количество флюсов. Топливом и восстановителем служит кокс. Кроме агломерата, плавке подвергают различные оборотные материалы и полупродукты производства свинца (печные выломки, оборотные шлаки, медные шликеры рафинирования.). Через фурмы в шахтную печь подают воздушное или обогащенное кислородом до 24…30 % об. дутье.

Основным продуктом плавки является черновой свинец, направляемый на рафинирование. На некоторых заводах совместно со свинцом получают полиметаллический штейн. Нежелательным продуктом, который иногда получают при плавке, является шпейза, содержащая мышьяк, сурьму, железо, свинец, медь и некоторое количество благородных металлов.

Оксидные соединения компонентов пустой породы

ицинка концентрируются в шлаке, который направляется на дальнейшую переработку для извлечения цинка.

Запыленные печные газы проходят систему пылеулавливания и затем выбрасываются в атмосферу. Грубую пыль возвращают в шихту агломерации, а тонкую (возгоны) – в производство кадмия или редких металлов.

Современные шахтные печи имеют прямоугольное (иногда овальное или круглое) сечение в плоскости фурм. Площадь эффективного сечения печей на различных заводах меняется в пределах от 0,65 до 13 м2. В мировой практике заметное распространение получили также печи переменного профиля (в вертикальном поперечном сечении шахты) с двумя рядами фурм.

Существует разновидность шахтной плавки – процесс «Империал Смелтинг». Отличительной особенностью процесса «Империал Смелтинг» от классической шахтной плавки является совместная переработка селективных цинкового

исвинцового концентратов или коллективного свинцовоцинкового концентрата (с отношением Zn/Pb как (2…3)/1) в виде агломерата с восстановлением, переводом цинка в па-

9

рогазовую фазу и последующей конденсацией в металлическом состоянии.

Несмотря на универсальность традиционной технологической схемы «агломерация – шахтная плавка», она имеет ряд существенных недостатков:

–необходимость проведения перед шахтной плавкой дорогостоящего и трудоемкого процесса агломерации;

–необходимость разбавления богатого свинцового концентрата флюсами, что увеличивает выход шлака при плавке и, соответственно, снижает прямое извлечение свинца

вчерновой металл;

–использование дорогостоящего кокса в процессах плавления агломерата;

–низкое извлечение серы из технологических газов комплекса «агломерация – шахтная плавка», что наносит экологический ущерб окружающей среде.

В последние годы в металлургии первичного свинца особое внимание уделяется прямым методам выплавки свинца из сульфидных концентратов без агломерации, имеющим неоспоримые преимущества по сравнению с традиционной схемой [2].

К способам прямого получения свинца из сульфидных концентратов, нашедшим промышленное применение, можно отнести реакционные плавки в горнах и короткобарабанных печах, процесс фирмы «Болиден» (плавка в электропечи) и технологию «Кальдо», КИВЦЭТ-ЦС, процессы «Isasmelt», «Q-S-L», «SKS», ПВ (процесс Ванюкова).

Процессы прямой выплавки свинца обладают следующим рядом преимуществ перед традиционной шахтной плавкой:

–исключение операции агломерации с большим потоком оборотных материалов и выбросов в окружающую среду;

–исключение или уменьшение потребности в коксе;

–снижение расхода топлива путем использования тепла экзотермических реакций окисления;

–возможность использования дутья, обогащенного кислородом, и получение богатых по SO2 газов.

10