Технические науки/1. Металлургия

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

Восточно-Казахстанский государственный технический

университет им. Д. Серикбаева, Казахстан

Исследования процесса обжига низкосортных цинковых сульфидных концентратов

Исходным сырьем для получения большинства металлов обычно являются сульфидные руды и концентраты. Переработка таких материалов на готовый металл связана с процессами окисления сульфидов. В металлургических процессах окисление сульфидов осуществляется в твердой и жидкой фазах.

Во многих случаях первым процессом переработки сульфидных материалов является процесс обжига, при котором происходит окисление твердых сульфидов. В других случаях, например, в процессе плавки, окисление сульфидов идет как в жидкой, так и твердой фазах. Наконец, известны процессы, в которых окисление сульфидов осуществляется исключительно в жидком состоянии.

В настоящее время подвергаются переработке низкосортные концентраты и перед прикладной наукой встает задача найти режимы переработки данных концентратов. Поэтому изучение закономерностей процессов окисления сульфидов в металлургии имеют очень большое значение.

Хотя процессы окисления сульфидов применяются с древнейших времен, они до сего времени полностью еще не изучены. В основном это объясняется большой сложностью явлений, имеющих место при взаимодействии сульфидов с кислородом воздуха, и вытекающими из этой сложности экспериментальными трудностями изучения процесса.

Выбор способа термической обработки определяется характером предшествующих и последующих процессов, видом источников энергии на проектируемом производстве и многими другими факторам и, в том числе физико-химическими свойствами перерабатываемого материала. К задачам разработки технологии переработки материалов относится выбор рационального способа и определение оптимального режима, обеспечивающих заданное качество продукта, на основании свойств перерабатываемого материала и конкретных условий производства. Под оптимальным, понимается режим, при котором обеспечивается наилучшее качество продукта при минимальных затратах реагентов и энергии.

Интенсифицировать процесс обжига необходимо без возникновения в материале недопустимых напряжений и перегрева, приводящих к образованию жидких фаз. С точки зрения интенсификации весьма важен правильный выбор температурного и гидродинамического режима процесса. Выбор температурного режима предопределяется химическим составом исходных материалов, и процессами, происходящими в них во время нагревания и обжига. Таким образом, для выбора режима обжига (температура, скорость газов, концентрация и т.д.) необходимо предварительное изучение поведения материала и конечного продукта в широком диапазоне температур, так как в определенных интервалах изменения влажности (и температуры) могут наблюдаться резкие фазовые переходы под действием температуры и состава: размягчение, плавление или разложение обрабатываемого материала. Зная эти особенности процесса для каждого интервала температур, можно применять индивидуальный наиболее интенсивный режим обжига, а также оценить допустимые отклонения режимных параметров.

Экспериментальные исследования по обжигу низкосортных цинковых концентратов проводились на трубчатой лабораторной печи типа СУОЛ - 0,4.4/12, изображенной на рисунке 1, при температурах 1173 – 1273 К на воздушном дутье. Скорость дутья поддерживали в количестве 2 дм³ в минуту, регулируя разрежение и тягу в газоходной системе эжектором 8 и контролируя расход дутья расходомером 7. Температура в печи поддерживалась автоматически и контролировалась платинородиевой термопарой 2 и вторичным прибором милливольтметром 1. Навеска цинкового сульфидного концентрата величиной в 10 грамм в фарфоровой лодочке 5 помещалась в кварцевой трубке 3, помещенной в полость печи 4. Продолжительность опытов находилась в пределах 7200 секунд.

В ходе исследований концентратов и продуктов обжига использовали ИК- и УФ-спектроскопический, рентгенофазовый, кристаллооптический, термогравиметрический, спектральный, атомно-абсорбционный, объемный и титрометрический методы исследования и анализа, что обеспечило высокий уровень исследований и достоверности полученных результатов.

1 – милливольтметр (градуированный для фиксирования температуры);

2 – платинородиевая термопара; 3 – кварцевая трубка; 4 – лабораторная
печь типа СУОЛ - 0,4.4/12; 5 – навеска цинкового концентрата; 6 – кварцевая трубка для отсоса обжиговых газов; 7 – расходомер; 8 – эжектор

Рисунок 1 – Схема лабораторной установки для изучения кинетики обжига низкосортных цинковых сульфидных концентратов

В результате обжига концентрата №1 имеющий следующий химический состав, %: Zn – 53,3; Fe – 6,2; Сu – 0,28; Pb – 0,61; SiO₂ – 2,6; S – 32,6 (железо связано с медью и серой в халькопирит 0,81%, пирит 9,99% и троилит 2,05%; cвинец представлен галенитом 0,7%; цинк - сфалеритом 79,44%) получен огарок следующего состава, %: Zn_общий – 63,6; Zn_{кислоторастворимый} – 55,4; Zn водорастворимый – 0,12 ; Fe – 7,4; Сu – 0,33; Pb – 0,73; SiO₂ – 3,1; S общая – 2,0; S_{сульфатная} – 0,35; S_{сульфидная} – 1,65; Растворимость Zn– 87,11%; Десульфуризация – 93,86%.

Так как, концентрат №1 содержит минимальное количество примесей и при обжиге не вызывает особенных затруднений, в отличие от концентрата №2, поэтому он выбран в качестве эталона сравнения.

В результате обжига концентрата №2 имеющего следующий химический состав, %: Zn – 40,8; Fe – 10,5; Сu – 3,2; Pb – 4,7; SiO₂ – 6,5; S – 30,6 (железо связано с медью и серой в халькопирит 9,24%, пирит 8,3% и троилит 6,03%; свинец представлен галенитом 5,43%; цинк - сфалеритом 60,8%) получен огарок следующего состава, %: Zn_общий – 49,2; Zn_{кислоторастворимый} – 25,0; Zn_{водорастворимый} – 0,14 ; Fe – 12,66; Сu – 3,86; Pb –5,67; SiO₂ – 7,84; S_общая – 13,3; S_{сульфатная} – 0,37; S_{сульфидная} – 12,9; Растворимость Zn – 50,81%; Десульфуризация – 56,54%.

Самые лучшие показатели качества обжига имеет концентрат № 1 и самые худшие концентрат №2, это закономерно, так как у концентрата №1 примесей меньше, а у концентрата №2 примесей больше. По влиянию примесей на показатели качества можно констатировать:

1. Наибольшее влияние (обратная связь) на скорость окисления серы оказывает сумма Fe, Cu, Pb, SiО₂ коэффициент корреляции минус 0,95 и Рb коэффициент корреляции минус 0,90. Наименьшее влияние Сu коэффициент корреляции минус 0,51.

2. Наибольшее влияние (обратная связь) на скорость прироста десульфуризации оказывает сумма Fe, Cu, Pb коэффициент корреляции минус 0,84 и Fe коэффициент корреляции минус 0,93. Наименьшее влияние SiO₂ коэффициент корреляции минус 0,19.

Наибольшее влияние (обратная связь) на скорость прироста растворимости цинка оказывает сумма Fe, Cu, Pb коэффициент корреляции минус 0,84 до минус 0,71 и Fe коэффициент корреляции минус 0,92. Наименьшее влияние SiO₂ коэффициент корреляции 0,06.

Таблица 1 – Показатели обжига цинковых концентратов

Наиме-нование концен-тратов	Скорость			Состав примесей, %
	Окис-ления серы, г/с·10^-4	Десуль-фуриза-ции, %/с·10 ^-2	Раст-вори-мости цинка, %/с·10^-2	Fe	Сu	Pb	SiO2	Сумма
								Fe, Cu	Fe,Cu, Pb	Fe,Cu, Pb,SiО2
к-т №1	4,3	1,3	1,21	6,2	0,28	0,61	2,6	6,48	7,09	9,69
к-т №2	2,46	0,78	0,7	10,5	3,2	4,7	6,5	13,7	18,4	24,9
Коэф.корреля-ции скорости окисления серы				-0,62	-0,51	-0,90	-0,72	-0,65	-0,88	-0,95
Коэф.корреля- ции скорости изменения десу-льфуризации				-0,93	-0,54	-0,47	-0,19	-0,85	-0,84	-0,69
Коэф. корреля- ции скорости изменения раство-римости Zn				-0,92	-0,53	-0,19	0,06	-0,84	-0,71	-0,48

Таким образом, из результатов исследования видно, что на процесс обжига наибольшее влияние оказывают металлические фазы, образующиеся в атмосфере элементной серы при разложении сульфидов меди и железа. Поэтому необходимо разработать мероприятия, устраняющие причины возникновения металлических фаз.

Литература:

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

2 Комков Н.М., Луганов В.А. Особенности обжига цинковых сульфидных концентратов с повышенным содержанием примесей. – Усть-Каменогорск:
ТЕХЦЕНТР-УК. 2005. 360 с.