ЛЕКЦИЯ 32. ПЕРЕРАБОТКА ЦИНКОВЫХ КЕКОВ
Вельцевание – процесс углетермического восстановления в твердой фазе и последующего окисления возгонов, который наибольшее распространение получил в производстве цинка для переработки кеков, шлаков и других твердых дисперсных материалов, а также промпродуктов обогащения, богатых окисленных цинковых и медно–цинковых руд.
Цинксодержащие материалы обрабатывают при 1370–1600 К в присутствии твердого восстановителя при постоянном перемешивании.
Процесс протекает интенсивно благодаря развитой поверхности и тесному контакту восстановителя с оксидами, активности образующегося СО и постоянному отводу продуктов из зоны реакции.
Происходит восстановление оксидных соединений цинка (ферритов, оксида, силикатов и др.), газификация углерода:
ZnO + С = Znпар + CO;
ZnO + СО = Znпар + СО2;
ZnO·SiO2 + СО = Znпар + SiO2 + СO2.
Пары цинка и оксид углерода проходят через слой шихты на поверхность, где в контакте с кислородом, содержащимся в топочных газах, вновь окисляются:
2Znпар + O2 = 2ZnO;
2СО + О2 = 2СO2.
Возгоны оксидов цинка, свинца, кадмия и др. улавливают и подвергают гидрометаллургической переработке.
Теплозатраты на эндотермические реакции восстановления компенсируются теплом экзотермических реакций окисления, поэтому процесс характеризуется относительно небольшим расходом топлива.
Сульфид и оксид свинца также возгоняются из шихты. Возможно восстановление сульфатов до сульфидов:
MeSO4 + 2С = MeS + 2СО2.
Сульфиды металлов образуют легкоплавкий штейн. Жидкая фаза пропитывает твердые частицы шихты, уменьшает ее пористость и реакционную активность.
Металлы, не образующие летучих соединений (Сu, Аg, Аu, Fe и др.), пустая порода остаются в твердом остатке – клинкере.
Оксиды железа в процессе вельцевания восстанавливаются до металла. Металлическое железо способствует возгонке цинка:
2ZnO·SiO2 + 2Fe = 2FeO SiO2 + 2Zn;
ZnS + Fe = FeS + Zn,
образованию легкоплавкой эвтектики «2FeO·SiO2– Fe» (1450 К) и чугуна, которые служат причиной образования настылей и крупных металлизированных окатышей.
Вельцевание осуществляется в трубчатых вращающихся печах длиной 41 – 90 м и диаметром 2,6–4,5 м. Стальной барабан, внутри футерованный огнеупорным кирпичом, расположен под углом 3–5° к горизонту, скорость его вращения 1 – 2 мин-1 (рис 3.1).
В печи реализуется принцип противотока. С нижнего разгрузочного торца подают воздух напорным вентилятором, подогрев осуществляют мазутными или газовыми горелками. Для полноты окисления возгонов на выходе организуют подачу вторичного воздуха. Пылегазовый поток удаляют эксгаузтером, установленным за пылеуловителями.
Расход углесодержащего материала составляет 40– 50 % от массы кека. Коксовую мелочь добавляют не только как топливо и восстановитель, но и как материал, впитывающий расплавленные компоненты и предупреждающий спекание шихты.
По длине печи выделяют зоны: подготовительную, возгоночную и формирования клинкера. В подготовительной зоне происходит разогрев, удаление влаги и частичная диссоциация сульфатов (десульфуризация 35–50 %), оксиды сульфидируются, восстанавливаются до низших и далее до металлов.
В возгоночной зоне заканчивается восстановление металлов и происходит интенсивная возгонка кадмия, цинка, свинца. В зоне формирования клинкера идет догорание углерода и завершаются твердофазные реакции.
Продуктами вельцевания материалов являются возгоны, содержащие до 70 % цинка, свинца и кадмия, и клинкер, состоящий в основном из металлического железа (до 50 %), углерода (20–40 %), шлакообразующих, и содержащий не более 1–4% цветных металлов, в том числе золото и серебро. После отделения восстановителя воздушной сепарацией клинкер перерабатывают с извлечением цветных металлов. Для интенсификации вельцевания целесообразно использовать дутье, обогащенное кислородом.