Технические науки/1. Металлургия

Преподаватель Кокаева Г.А., д.т.н. Комков Н.М.

Восточно-Казахстанский государственный технический

университет им. Д. Серикбаева, Казахстан

Влияние примеси свинца на параметры обжига цинковых сульфидных концентратов

Как показывает практика, на цинковые заводы поступают концентраты различного состава и технологам необходимо знание физико-химических свойств сырья и продуктов обжига для приготовления шихты наиболее оптимального состава с учетом соответствующих параметров обжига. В цинковых концентратах находится значительное количество свинца, который оказывает наиболее вредное влияние на процесс обжига.

Свинец в процессе обжига под действием таких факторов как высокая температура (1173 – 1273К), окислительная среда и каталитическое воздействие различных химических элементов образует ряд химических соединений негативно влияющих на процесс обжига в кипящем слое. При окислении сульфида свинца, в зависимости от термодинамических условий образуются оксид свинца или сульфат свинца. Металлический свинец может получится как в результате взаимодействия сульфида свинца с сульфатом и оксидом, так как равновесное давление р_so2 при температуре обжига равно 1,013·10⁵Па, так и в результате взаимодействия с другими примесями в концентрате /1/. Однако, благодаря окислительной атмосфере в печи весь металлический свинец переходит в оксиды и продуктами окисления галенита являются оксиды и сульфаты. Многочисленными исследователями сообщается о существовании следующих важнейших оксидов свинца: PbO, Pb₃O₄, Pb₂O₃, PbO₂. Рассматривая систему«PbO – Cu₂O» содержащую соединение Cu₂O·PbO, устойчивое ниже 853К и образующее эвтектику при температуре 973К при содержании 80% PbO, что вызывает повышение вязкости кипящего слоя или настылеобразование.

Систему«PbO – SiO₂» образует соединения силикатов свинца имеющих температуру плавления ниже нижней границы температуры ведения обжига цинковых концентратов в печи «кипящего слоя» и, естественно, вызывают такие негативные явления как увеличение вязкости кипящего слоя, укрупнение огарка и настылеобразование, которое может привести к уменьшению производительности и полной остановке процесса. Существует несколько разновидностей настылей, различающихся по механизму своего образования: силикатные настыли, которые обычно образуются за счет спекания материала слоя и сульфатные настыли – за счет повышенного сульфатообразования. Вид данных настылей характерен как для работы печей в режимах до реконструкции, так и в работе печей в режимах после реконструкции. Разница только в скорости настылеобразования и в величине слоев т.к. сульфатные настыли имеют слоистое строение. Силикатные настыли в основном обнаруживаются в зоне повышенных температур, т.е. непосредственно в кипящем слое в застойных зонах, и локализуются в основном в форкамере и на подине. Настыли с кессонов слоя и термосифонов являются сульфатными. Газоходные настыли также относятся к типу сульфатных настылей. Все газоходные настыли имеют слоистое строение, но отличаются по плотности и прочности, а также скорости образования. В составе настыли образующейся в газоходах отсутствуют элементы, образующие легкоплавкие эвтектики, и в этом случае настылеобразующим соединением является сульфат цинка. По всей видимости, повышенное содержание свинца и меди в добавленных концентратах проявили каталитическое воздействие на сульфатообразование цинка.

Настыль с охлаждающих элементов печи КС (рисунок 1) имеет зональное строение, и образовалась, по всей видимости, как результат повышения вязкости кипящего слоя и повышения адгезионной способности частиц огарка и пыли за счет образования легкоплавких эвтектик свинца с силикатом железом и медью.

Рисунок 1 – Схема настыли на кессонах печи КС

На рисунке 1 видно, что настыль имеет зональное строение и под микроскопом четко фиксируются четыре зоны:

Внутренняя зона состоит из водо-растворимых сульфатов цинка (ZnSO₄ около 4%), нерастворимого в воде сульфата свинца (PbSO₄ 60%), сульфида цинка (ZnS 15%), феррита цинка (ZnFe₂O₄ 10%), сульфида свинца (PbS 5%) и нерудными силикатами. ZnS, ZnFe₂O₄, PbS и нерудные минералы являются включениями. Связующая масса – сульфаты свинца и цинка. Размер включений 6 – 10мкм. Также установлены выделения металлической меди.

Первая средняя зона состоит из галенита (PbS 70%), сфалерита (ZnS 10%), нерудные минералы составляют 2 – 3%, остальное пространство занимают поры (17 – 18%) двух видов: а) крупные полости трещинного типа, ориентированные перпендикулярно поверхности охлаждающих элементов кипящего слоя; б) мелкие (d = 5 – 10мкм) сосредоточены внутри галенитовой сульфидной массы.

Вторая средняя зона имеет пористое строение – (поры занимают 40 – 50% всего объема), форма их трещинообразная, ориентированы по нормали к поверхности кессона. Состоит она из тех же фаз что и первая средняя зона. Разница только в плотности строения. Последнее вызвано замедленным ростом кристаллических агрегатов галенита.

Внешняя зона сложена столбчатыми кристаллами галенита, содержащим включения ZnS, нерудных минералов. Пространство между кристаллами заполнено пылевидным веществом, в результате чего структура зоны губчатая или гребенчатая. Результаты рационального анализа настыли: Pb_об – 57,98; Pb_SO4 – 9,35; Pb_S – 48,63; Pb_мет – 1,76; Zn_об – 16,64; Zn_S – 15,27; Zn_SO4 – 0,35; Zn_мет – 0,74. Из результатов рационального и минералогического анализов видно, что основу настыли составляет сульфид свинца.

Как показывают результаты наших исследований, и практика обжига цинковых концентратов основными причинами настылеобразования являются: образование легкоплавких соединений (эвтектик), обусловленное составом исходного материала – цинковых концентратов и соответственно режимом процесса; сульфатообразование при повышенных содержаниях свинца, оказывающего каталитическое воздействие на образование сульфата цинка; нарушение гидродинамики «кипящего слоя» вследствие повышения вязкости материала «кипящего слоя», расстраивающего газораспределение.

Поэтому при вовлечении в переработку цинкового концентрата с повышенным содержанием свинца (1,5 – 4,5%) необходимо: обеспечить подготовку шихты концентратов с содержанием свинца не более 1,0%; температуру процесса обжига поддерживать около 1173К; содержание свободного кислорода в отходящих газах поддерживать на минимальном уровне (4 – 4,5%).

Таким образом, негативное влияние свинца на процесс обжига заключается в образовании со многими соединениями легкоплавких эвтектик, что приводит в некоторых условиях к настылеобразованию, укрупнению огарка и уменьшению скорости обжига. Особенно легкоплавкие эвтектики свинец может образовывать с диоксидом кремния. Необходимо провести исследования по изучению возможности устранения негативного влияния оксида свинца с диоксидом кремния.

Список литературы

1. Комков Н.М., Луганов В.А. Обжиг сульфидных цинковых концентратов. – Усть-Каменогорск: ТЕХЦЕНТР. 2004. 389 с.