p { margin-bottom: 0.21cm; }
ЛЕКЦИЯ 24.ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ ПЛАВКА, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Шахтную плавку в цветной металлургии используют для переработки кусковых материалов (20–100 мм) в производстве меди, никеля, свинца и некоторых других металлов.
В зависимости от типа процесса, протекающего в печи, различают окислительную, восстановительную. Выбор способа плавки зависит от вида сырья и последующих методов переработки конечных продуктов.
Наиболее характерные виды шахтной плавки:
– в металлургии меди: пиритная; медно–серная (усовершенствованная пиритная); полупиритная; восстановительная (для плавки окисленных руд, вторичного сырья, катодной меди); для обогащения медных штейнов – концентрационная, сократительная и комбинированная;
– в металлургии никеля – восстановительно–сульфидирующая;
– в металлургии свинца.– восстановительная.
Шахтные печи работают на принципе противотока: шихта и топливо загружаются сверху и опускаются вниз; раскаленные газы (выполняющие роль восстановителя, окислителя либо хлорирующего реагента) пронизывают шихту снизу вверх. Физико–химические процессы протекают при нагреве и расплавлении шихты, печной газ должен иметь состав и определенную скорость движения, обеспечивающие получение заданных продуктов плавки. Передача тепла от газа к материалу осуществляется за счет конвекции. Коэффициент использования тепла в шахтной печи достигает 70–80 %.
В рабочем пространстве печи протекают процессы: удаление влаги, восстановление высших оксидов, диссоциация сульфидов и карбонатов, окисление сульфидов, горение топлива.
Для типовых рудных печей высоту сыпи условно можно разбить на температурные зоны (сверху вниз):
1. Подготовительная зона – 470 – 1070 К
2. Зона термического разложения неустой– – 1070 – 1170 К
чивых химических соединений
3. Зона газификации углерода – 1170 – 1670 К
4. Фокус печи (кислородная зона) – 1670 – 1720 К
5. Подфурменная зона – 1510 – 1600 К.
Характер плавки определяется расходом кокса: до 10–12 % преобладают окислительные процессы; свыше – восстановительные.
Сжигание топлива является основным процессом при шахтной плавке, влияющим на состав газовой фазы и удельную производительность. В области фурм кокс сгорает по реакциям:
С + О2 = СO2 + 391,86 кДж (при условиях избытка кислорода);
С + 0,5О2 = СО + 110,08 кДж (при недостатке кислорода).
Горячие газы, поднимаясь вверх, нагревают шихту, СО2 взаимодействует с раскаленным коксом СO2 + С = 2СО (реакция сопровождается поглощением тепла). В шахте печи соотношение СО : СО2 зависит от условий сжигания кокса и распределения газового потока.
24.1. Восстановительная шахтная плавка
Сырьем являются окисленные руды, вторичное сырье, обожженные сульфидные руды и концентраты, различные шлаки и полупродукты, в которых металлы присутствуют в форме свободных или связанных оксидов.
В восстановительной атмосфере оксиды восстанавливаются до металлов. Высшие оксиды некоторых металлов (железа, марганца) восстанавливаются до низших оксидов и переходят в шлак.
Топливо (обычно кокс) является тепловым агентом и восстановителем; при окислении углерода образуются восстановительные газы:
С + Н2О = СО + Н2;
С + ½O2 = СО + Q1,;
СO2 + С = 2СО – Q2.
Реакции в твердых фазах протекают медленно из–за слабой взаимной диффузии твердых веществ; большинство реакций восстановления твердым углеродом – реакции эндотермические.
Реакции восстановления оксидов выражаются схемой
МеО + СО = Me + СО2 ± Q.
Способность к восстановлению уменьшается в ряду (1270 К):
Cu2O, PbO, NiO, SnO2, Fe3O4, ZnO, Cr2O3.
Скорость восстановления пропорциональна площади поверхности кусков материала, давлению газа–восстановителя. Поэтому пористый агломерат восстанавливается быстрее, чем плотный кусковый материал.
Шахтная свинцовая плавка. На плавку поступает офлюсованный самоплавкий агломерат, содержащий 35–65 % Pb. Свинец присутствует как в металлическом виде, так и в виде соединений: РbО; РbО · Fe2O3; РbО · SiO2; PbSO4; PbS.
Восстановление свинца из РbО начинается при 470 К при незначительной концентрации СО:
РbО + СО = Pb + СО2.
Из шлаковых расплавов восстанавливается силикат свинца:
2РbО · SiO2 + 2СО = 2Рb + SiO2 + 2СО2.
Ферриты восстанавливаются СО при 770–820 К:
РbО · Fe2O3 + 2СО = Pb + 2FeO + 2СО2.
Сульфат свинца восстанавливается до сульфида:
PbSO4 + 4СО = PbS + 4СО2.