Содержание к диссертации
Введение
1. Технологические приёмы и методы переработки свинец-содержащего сырья 7
1.1 Гидрометаллургия свинца 7
1.2 Пирометаллургические способы получения свинца 13
1.3 Альтернативные способы получения свинца 23
2. Закономерности восстановления свинца из кислородных и сульфидных соединений 31
2.1 Термодинамика и кинетика восстановления свинца 31
2.2 Теоретические основы восстановительных процессов с участием соединений свинца 43
3. Изучение закономерностей восстановления свинца из сульфидных соединений в щелочных средах 50
3.1. Методика исследований 50
3.2 Восстановление свинца в системе сульфид свинца - расплав едкого натра 57
3.3 Исследование закономерностей восстановления свинца из Горевских свинцовых концентратов 67
3.4 Влияние перемешивания на восстановление свинца из сульфидных концентратов 73
3.5 Поведение сульфидов меди, цинка, железа в щелочных средах 80
3.6 Влияние оборотной шлаковой фазы на восстановление свинца из сульфидных концентратов 82
3.7 Переработка щелочных плавов 87
4. Восстановление свинца из оксисульфатной фракции аккумуляторного лома 91
5. Технология переработки сульфидных концентратов 97
5.1 Описание технологической схемы и оборудования 97
5.2 Схема цепи аппаратов 99
5.3 Технико-экономические расчёты 102
Выводы 108
Список литературы 112
- Пирометаллургические способы получения свинца
- Теоретические основы восстановительных процессов с участием соединений свинца
- Исследование закономерностей восстановления свинца из Горевских свинцовых концентратов
- Описание технологической схемы и оборудования
Введение к работе
Мировой объем производства свинца из минерального и вторичного сырья в 2005 г составит около 7 млн. тонн (прогноз [1]). Минеральное сырье - это прежде всего сульфидные свинцовые концентраты, получаемые из полиметаллических руд; вторичное - амортизационный лом, прежде всего аккумуляторный, а также отходы металлургических и обрабатывающих производств. Сырьевая база свинцового производства постоянно меняется, что связано с возрастанием потребления вторичных ресурсов, достигающего в настоящее время 60 %.
Анализ потребления свинца свидетельствует о том, что около 55 — 60 % его расходуется на производство аккумуляторных батарей. В ближайшие годы данная статья потребления, вероятнее всего, увеличится в связи с планировани ем массового производства электромобилей и решением задач аккумулирования избыточной энергии в системе электропотребления.
Сложившееся положение на мировом рынке свинца характеризуется необходимостью производства преимущественно высокомарочного металла, что обусловлено жесткими требованиями к качеству аккумуляторной продукции, а также низкими ценами на свинец (на январь 2005 г - 950 долл. США за тонну [2]). На Российском рынке стоимость тонны рафинированного металла составляет 1300 долл. за тонну [3].
В настоящее время в России, несмотря на наличие ряда крупных источников минерального свинецсодержащего сырья (Приморский край, Красноярский край, Кемеровская область и др.) и мощной базы постоянно накапливаемых вторичных ресурсов, отсутствует современное металлургическое производство свинца. С учетом перспектив потребления свинца на внутреннем и международном рынках, актуальной задачей является создание соответствующих производств, обеспечивающих вовлечение в переработку минеральных и вторичных ресурсов. При этом свинцовые производства должны отвечать следующим требованиям:
- минимальное совокупное воздействие производств на экосистему;
- сравнительно низкие энергетические затраты, связанные с переработкой различных сырьевых композиций.
Наряду с указанным, непременным условием создания свинцового производства является инвестиционная привлекательность проектов, обусловленная сравнительно низкими совокупными (капитальными и эксплуатационными) затратами.
Детальный анализ приемов и методов переработки минерального и вторичного сырья, используемых как в нашей стране, так и за рубежом, позволил заключить, что основным направлением получения чернового свинца является применение высокотемпературных процессов (более 1000 °С) с утилизацией серы в виде газообразных веществ (S02, S03), а железа и некоторых цветных металлов преимущественно в виде силикатных составляющих шлаков. При этом важное значение имеет большое расходование восстановителей; прежде всего углеродных, для решения задач достижения глубокой степени металлизации свинца. В целом известные приемы и методы не обеспечивают выполнение выше сформулированных требований.
В качестве основополагающего направления совершенствования технологического процесса получения чернового свинца нами выбран метод щелочной электроплавки сульфидных свинцовых концентратов, не нашедший своего применения в течение нескольких десятилетий.
Диссертация посвящена изучению научных основ восстановления свинца из сульфидных и кислородных соединений в расплавленной щелочной среде и разработке экологически безопасной экономически эффективной технологии переработки минерального и вторичного свинцового сырья. В ходе работы теоретически обоснована и экспериментально доказана концепция реализации процессов восстановления свинца из его сульфидных соединений с использованием в качестве реагента-восстановителя собственной сульфидной серы. Для достижения поставленной цели решён ряд задач:
- выполнены термодинамические расчеты по широкому кругу восстановительных процессов с участием разнообразных свинецсодержащих соединений и различных реагентов-восстановителей углеродной, водородной и сульфидной природы; при этом показана эффективность восстановительных про цессов с участием сульфидной серы;
— установлены закономерности образования самостоятельной фазы расплавленного свинца, в соответствии с которой лимитирующей стадией является скорость коалесценции частиц восстановленного металла;
— определены условия образования металлической фазы, в том числе температура, расход щёлочи на операцию, её удельное потребление, интенсивность перемешивания фаз, возможность использования оборотной шлаковой фазы;
— установлен критерий коалесценции расплавленных частиц свинца в щелочном плаве при механическом перемешивании;
— установлены кинетические закономерности восстановления свинца из Горевского свинцового концентрата;
— решён вопрос частичной регенерации щелочи при распульповке щелочных шлаков в воде, позволяющей обеспечить отделение едкого натра от элементов пустой породы, железа и серы;
— термодинамически обосновано и экспериментально подтверждено восстановление свинца из кислородных соединений (оксида, диоксида, сульфата) в щелочных плавах, содержащих сульфидную серу; определены условия совместной переработки оксидно сульфатной фракции аккумуляторного лома и сульфидных свинцовых концентратов;
— на основании выполненных исследований разработаны технологическая схема переработки сульфидных свинцовых концентратов и их смеси с окисдносульфатной фракцией аккумуляторного лома, схема цепи аппаратов, подобрано необходимое технологическое оборудование;
— выполнены технимо-экономические расчеты, подтвердившие экономическую эффективность разработанной технологии.
На защиту выносятся
1. Химизм процесса восстановления свинца из его сульфидов в щелочных средах с участием в качестве восстановителя собственной сульфидной серы и результаты термодинамических исследований вероятности его протекания.
2. Экспериментальное подтверждение химизма восстановления свинца в щелочной среде с накоплением в последней продуктов диспропорционирования и, в частности, сульфидной серы.
3. Результаты многофакторных исследований восстановления свинца из синтетических сульфидов и галенита (Горевского сульфидного концентрата), выполненных в статических и динамических условиях с определением удельного безвозвратного расхода NaOH.
4. Выводы о решающей роли коалесценции частиц восстановленного металла на формирование фазы расплавленного свинца.
5. Возможность восстановления свинца из кислородных соединений (вторичное сырье) сульфидной серой щелочных плавов.
6. Технологическая схема и результаты её опробования.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования РФ по теме «Разработка научных основ щелочной электроплавки свинцового минерального и вторичного сырья» (шифр гранта Т 02-05.3-1797, 2003 - 2004 гг).
Пирометаллургические способы получения свинца
Существует несколько методов реакционной плавки: горновая плавка, электроплавка, плавка в короткобарабанных печах, КИВЦЭТ-процесс, плавка в жидкой ванне (ПЖВ), Q-S-L, Q-S, TBRC и др. Аппаратурные и технологические решения этих процессов различны.
Как правило, шихта для реакционной плавки состоит из богатого свинцового сульфидного концентрата, оборотной пыли, извести и углеродистого восстановителя. Обжиг концентрата и плавку проводят в одном аппарате, стремясь как можно полнее использовать тепло, выделяющееся при горении сульфидов, и тем самым снизить расход топлива, или в двух (обжиг, плавка), что так же позволяет достичь удовлетворительных результатов. Эффективный контакт твердых и/или расплавленных фаз (PbS, PbS04, РЬО) получают при перемешивании последних (горновая плавка, плавка в роторных печах, ПЖВ и др.) [6, 7, 34, 37 - 44].
Горновую плавку ведут в специальных корытообразных котлах - горнах [6, 7]. Шихту подают в горн на поверхность расплавленной свинцовой ванны и обрабатывают струёй воздуха, при этом одновременно происходит обжиг концентрата и восстановление свинца. Для предотвращения спекания шихты её непрерывно перемешивают и разрыхляют. Продуктами плавки являются: жидкий черновой свинец, полурасплавленный «серый» шлак, пыль и газы. Черновой свинец, заполнив горн, вытекает через специальное отверстие в приемник. После сортировки часть серого шлака возвращают на плавку, а вторую часть шлака, с меньшим содержанием свинца, отправляют на обеднение в шахтной печи. Пыль, выход которой достигает 55 % от массы концентрата [6, 7], спекают или гранулируют и возвращают в горн. Показатели горновой плавки сильно зависят от качества концентрата (например, расход кокса изменяется от 4 до 15 % от массы сухого концентрата при изменении содержания свинца в. концентрате с 80 до 60 %, соответственно [7]).
Разработанная в Германии технология плавления богатого, частично окисленного агломерата (67,5 - 71 % РЬ) в короткобарабанных печах при задан ном соотношении PbS : PbO : PbS04 осуществляется при температуре расплава 1100 - 1200 С и перемешивании. Исследованиями было доказано, что реакции (1.22) и (1.23) интенсивно протекают при расплавлении реагирующих веществ. Для поддержания необходимой температуры печь отапливают бурым углем, расход которого составляет 12 — 15 % от массы загрузки. Такое осуществление реакционной плавки применяют на некоторых заводах Европы. Производительность короткобарабанной печи диаметром 3 м и длиной 3 м составляет 25 тонн чернового свинца в сутки.
На заводе «Реншер» (Швеция) разработано и внедрено несколько способов реакционной плавки в электропечах [36, 46 - 49] и печах Калдо (TBRC) [37, 39 - 41, 50, 51]. Реакционная электроплавка была осуществлена в двух вариантах. В одном случае сначала плавили сухой богатый концентрат (-70 % РЬ) в смеси с пылями электропечи и конвертера пытаясь воссоздать горновую плавку, но из-за плохого контакта сульфида и оксида свинца ( отсутствие перемешивания) получали много оборотного свинцового штейна. Частичный обжиг концентратов (содержание серы в огарке 9 - 10 %) не дал желаемых результатов. Поэтому был разработан способ обжига предварительно гранулированного концентрата, позволивший получать агломерат с содержанием свинца до 70 %, а серы в нем до 4 — 7 %. Полученный агломерат плавят с добавлением 2,5 — 5 % кокса на известковый шлак, Температура шлакового расплава достигает 1400 С. Полученный свинец конвертируют для удаления избытка серы [47, 48].
Во втором случае высушенный концентрат вместе с измельченными флюсами и оборотной пылью вдували под свод печи вблизи электродов. В верхних горизонтах печи вдували воздух и, за счет создающихся завихрений происходил обжиг и плавка во взвешенном состоянии. Температура в печи достигала 1100 — 1200 С, из-за чего улетучивалось до 30 % свинца [48, 49].
Из-за сложных технологических условий осуществления процесса реакционной плавки в электропечи: агломерации богатых свинцовых концентратов в первом случае, улавливания большого количества пыли во втором, и конвертирования чернового свинца от серы в обоих случаях, привело к переходу завода (в 1976 г.) на другой плавильный агрегат - Калдо, предназначенный для переработки свинцовых пылей и кеков [40, 41]. Он представляет собой вертикальный конвертер с верхним дутьём или подогревом. Конвертер снабжен устройством, позволяющим ему вращаться вокруг своей оси со скоростью 0,5-15 об/с. В рабочем положении конвертер имеет угол наклона 22 - 25. В 1981 - 1982 гг. печь Калдо была испытана и пущена для плавки свинцовых сульфидных концентратов, а с 1989 г. все свинцовые материалы перерабатывают по технологии Калдо (электропечи для выплавки свинца были остановлены). Этот способ выплавки свинца называют так же процессом TBRC.
Плавку концентрата ведут в две стадии. В печь загружают твердые флюсы (гематит, кварц, известняк, шлак), а концентрат, в составе шихты с пылью и пастой аккумуляторов, подсушенной до ОД % влаги, вместе с воздухом обогащенным кислородом до 52 % вдувают через фурму расположенную в горловине конвертера. Плавка происходит при вдувании концентрата. Тепла, выделяемого от реакций окисления, достаточно для расплавления компонентов шихты и флюсов. Для снижения содержания серы некоторое количество свинца окисляют до содержания его в шлаке на уровне 30 % [37, 40, 41].
Свинец из шлака восстанавливают коксиком. Кокс добавляют к нерасплавленному материалу при температуре 900 - 1000 С и восстановление начинается в твердой фазе, а заканчивается — при полном расплавлении шлака. На второй стадии нагрев осуществляется мазутно-кислородной горелкой, так же через горловину конвертера.
Процесс Калдо периодический, производительность агрегата с внутренним диаметром 3,5 м и длиной 6,5 м составляет 40 — 45 т чернового свинца в сутки.
Теоретические основы восстановительных процессов с участием соединений свинца
Скорость восстановления свинца из его оксидных соединений метаном и природным газом (реакция 2.17) вплоть до температуры 600 С не превышает 2 % в час. Дальнейшее взаимодействие углеводородов с оксидами и силикатами свинца находится в прямой зависимости от степени разложения газа, вследствие его пиролиза [33].
Установлено, что при восстановлении свинца из свободного оксида и феррита газообразным реагентами (СО, Н2) процесс заканчивается через 10 — 30 минут и зависит от температуры [33]. Восстановление свинца из силикатных соединений при температуре ниже 1000 С растянуто во времени и не зависит от природы восстановителя. При температурах более 1000 С, с уменьшением вязкости силикатов, развиваются восстановительные процессы с участием непосредственно твёрдого углерода [36, 112].
Сравнивая кинетические характеристики восстановления свинца из силикатов и свободного оксида свинца природным газом, водородом и моноокисьго углерода, автор работы [33] приходит к выводу, что наибольшей восстановительной способностью обладает природный газ. При одних и тех же температурах для одинаковых соединений свинца энергия активации восстановления природным газом наименьшая в сравнении с восстановлением оксидом углерода, водородом и их смесями.
Процесс восстановления свинца из оксидов может быть реализован уже при температуре 180 - 200 С [105]. Однако в реальных металлургических процессах получение металлического свинца сопряжено с решением попутных задач выделения компонентов пустой породы и железа в самостоятельную фазу — шлак. Формируемая шлаковая фаза индифферентна по отношению к металлическому свинцу и должна характеризоваться минимальной вязкостью исключающей механические потери дисперсного свинца.
В соответствии с указанным, для большинства перерабатываемых огарков, характеризующихся высоким содержанием нерудных составляющих и железа, предпочтительным является получение шлаков, перегретых до температуры 1200 - 1400 С. Шлаковая фаза обеспечивает не только концентрирование сопутствующих свинцу компонентов, но и предохраняет металл от окисления, в частности кислородом воздуха.
При окислительном обжиге сульфидных свинцовых концентратов имеет место образование металлического свинца. Процесс может быть описан следующими уравнениями реакций:
В свою очередь, исследована термодинамическая вероятность использования сульфида и сульфита натрия в качестве восстановителей свинца из его оксида. Установлено, что возможность атомизации свинца возрастает при усло вий образования в качестве продукта окисления серы сульфитов и сульфатов натрия, в противовес образованию сернистого газа, когда в целом процесс воз можен при температурах 850 - 900 С. В целом сульфидная сера - весьма эф фективный восстановитель свинца из кислородных соединений. По восстано вительной способности с ней может конкурировать элементарная сера, особен но с повышением температуры более 150 С. При переработке свинцового аккумуляторного лома методом содовой электроплавки отмечено восстановление свинца из оксида и силиката при их взаимодействии со шлако-штейновым расплавом, содержащим значительные количества NazS [112]. Изучена кинетика восстановления свинца из оксида и силикатов сульфидом натрия в температурном интервале 750 — 1150 С. Отмечено сульфидом натрия в температурном интервале 750 - 1150 С. Отмечено закономерное увеличение скорости восстановления металла по мере роста температуры системы. Степень восстановления за 30 мин при 950 С составляет: для свободного оксида - 42 %, ортосиликага-21 %, метасиликата - 11 % [36, 112]. Металлотермическое восстановление свинца из оксида и сульфида из вестно и широко применяется [6, 7]. В металлургии свинца эти процессы получили своё развитие при переработке вторичного свинцового лома [122]. Как правило, свинцовое вторичное сырьё содержит значительные количества кислородных соеди нений свинца (оксидов, диоксидов, сульфатов). При его переработке в восстанови тельной атмосфере (СО) с добавлением железного скрапа протекает реакция Изменение энергии Гиббса реакции (2.28) для нормальных условий составляет -53,62 кДж/моль и возрастает с увеличением температуры. Восстановление металлов из оксидных соединений при помощи углеродных восстановителей является обычной практикой в пирометаллургии черных и цветных металлов. Применение водорода, характерное для металлургии редких металлов [123], в меньшей мере касается металлургии свинца. Замена части кокса при ШВП и фьюминговании шлаков свинцовых плавок природным газом носит частный характер и не меняет сущности восстановительных процессов. Гораздо меньше сведений накоплено о восстановлении металлов непосредственно из их сульфидов. На сегодняшний день бытует мнение, что сульфид свинца - это трудновосстановимое соединение [7, 34]. В таблице 2.7 приведены стандартные величины изменения энергии Гиббса образования соединений свинца. В нормальных условиях сульфид свинца отличается от кислородных соединений меньшей термодинамической устойчивостью. Поэтому непосредственное восстановление свинца из галенита представляет значительный интерес, тем более, что имеется опыт реализации такого процесса в условиях щелочной электроплавки. Из гидрометаллургии свинца известны способы восстановления свинца водородом при непосредственном выщелачивании сульфидных концентратов в растворе щёлочи [20 , 24 , 28 - 30] в автоклавах под давлением газа восстановителя. Процесс представляется протекающим в две стадии.
Исследование закономерностей восстановления свинца из Горевских свинцовых концентратов
В исследованиях взаимодействий соединений свинца с расплавом NaOH использовали в качестве исходных веществ синтетический сульфид свинца (PbS) и сульфидный свинцовый концентрат Горевского ГОКа, а также оксисульфатную фракцию (ОСФ) аккумуляторного лома.
Синтетический сульфид свинца (ТУ 6-09-03-448-77) был представлен тонкодисперсным порошком, в котором содержалось 12,7 % сульфидной серы, что соответствует 94,8 % PbS, остальная часть материала представлена сульфатом свинца. Фазовый состав синтетического сульфида свинца подтвержден рентгенофазо-вым анализом.
Оксисульфатная фракция аккумуляторного лома представлена набивной пастой электродных пластин отработанных автомобильных аккумуляторов, которая получена в результате ручной разделки аккумуляторов после слива электролита, промывки горячей водой и сушки.
Элементные составы свинцовых концентратов по данным анализа различных организаций представлены в таблице 3.1. Химический состав концентрата Го-ревской обогатительной фабрики по данным института Гинцветмет [4, 5], %: РЬ 59,2; Fe 10,0; Zn 2,6; Mn 0,27; Cr 0,24; Mg 0,2; Ті 0,19; Sb 0,18; As 0,14; Cu 0,036; V 0,035; Sn 0,03; Al 0,02; Bi 0,01; Ni 0,01; Ag 450 г/т; Au 0,1 г/т (далее в порядке убывания элементы, содержание которых мене 0,01 %) Со; Ва; W; Cd; Та; Ge; Zr; Mo; Ga; In; Re; It; Sc. По данным института Механобр [4, 5], Горевский концентрат содержит, %: S 18; SiO 5,06; СаО ОД;.свинец находится в виде галенита, цинк - в виде сфалерита, железо — в виде пирротина и сидерита. Насыпной вес концентрата влажностью 10 % составляет 5,2 г/см3.
Рентгенофазовый анализ, выполненный в ИХиХТ СО РАН (г. Красноярск), подтвердил нахождение в Горевском концентрате основных минеральных форм -галенита, сфалерита, сидерита, пирита, кварца. Не получили подтверждения, сде ланные ранее предположения [141], о присутствии в Горевском концентрате англезита (РЬ804),основанные на том, что в зонах гипергенезиса свинец находится преимущественно в виде минералов окисленной формации. По данным элементного анализа Горевский свинцовый флотоконцентрат (таблица 3.1) характеризуется малым содержанием традиционных металлов-примесей, в том числе меди- Наличие в Горевском концентрате железа в значительных количествах (14 — 16 %), при сравнительно низком содержании серы (около 12-14,5 %), свидетельствует о том, что более 50 % железа представлено минералами нехалькогенидной природы. Al (AI2Q3) 0,02 (0,038) 0,1 0,05 0,31 Наилучшая сходимость результатов по определению содержания серы в свинцовых концентратах была получена при гидрохимическом разложении проб в водном растворе гипохлорита натрия. Методика анализа заключалась в двухчасовом проваривании навески массой 1000 мг в 50 миллилитрах 10 - 12 % раствора NaOCl при температуре 80 - 90 С. Количество серы в растворе определяли весовым методом, высаживая сульфат бария [142, 143]. Гипохлоритный метод определения серы в сульфидных материалах был проверен на синтетических сульфидах свинца и меди, сходимость практически полученных данных с расчётными величинами составила 99 и 98 %, соответственно. При помощи гипохлоритного метода было определено содержание серы в Горевском концентрате - 14,84%. Термогравиметрия (рисунок 3.1) образца концентрата подтверждает сравнительно простой минералогический состав материала и его относительную активность в воздушной атмосфере в условиях сравнительно низких температур (400 — 700 С). Это связано с последовательным загоранием сульфидов железа, цинка, свинца, что соответствует экзоэффектам на термограмме и данным таблицы 3.2 Присутствие относительно активных сульфидов железа и пассивное горение галенита характерно для Горевского концентрата. По данным рентгенофазового анализа (рисунок 3.2) свинцовый концентрат представлен (в порядке убывания): галенитом, сидеритом, кварцем, сфалеритом, пиритом, пирротином (таблица 3.2). Таблица 3.2 — Минералогический состав Горевского концентрата (по данным рентгенофа зового анализа) Для исследований восстановления свинца из синтетического сульфида свинца и Горевского концентрата (навески 10 - 50 г) при их сплавлении с NaOH использовали стальной реактор с крышкой, снабженной чехлом для термопары и загрузочным отверстием. В реакторе, навеску исследуемого материала смешивали с заданным количеством NaOH, увлажняя смесь водой, и закрывали крышкой. Реактор с влажной шихтой помещали в шахтную электропечь и высушивали материал при температуре 200 - 250 С в течение 15-30 мин до полного удаления влаги. Затем закрывали отверстие в крышке пробкой и поднимали температуру до заданного значения (350 - 650 С). Продолжительность спекания, сопровождавшегося расплавлением щёлочи, изменяли от 5 минут до 3 часов.
Описание технологической схемы и оборудования
В результате предварительного шихтования концентрата с 15 % и более (по массе) NaOH при увлажнении шихты водой с последующим высушиванием ее при температуре 200 — 220 С, полученный спек практически не пылит, а сульфиды металлов не загораются при загрузке на поверхность расплавленной и разогретой до заданной температуры (650 - 700 С) щелочи.
В соответствии с термодинамическими расчетами, положительный тепловой эффект реакции восстановления свинца из его сульфида с последующим диспро-порционированием образовавшейся элементарной серы отсутствует (таблица 3.5). Поэтому вспенивание не обусловлено локальным возрастанием температуры системы, а связано с выделением паров воды и улетучиванием части щелочи в виде азеотропной смеси. Само по себе явление вспенивания затрудняет реализацию данного процесса (из-за большой длительности операции загрузки спека в расплав щелочи и трудности управления процессом).
Нами предложено для исключения данного явления применить перемешивание расплава NaOH при загрузке окускованного материала в реактор, проведения окислительно-восстановительной реакции и коалесценции капель металлического свинца. В результате удалось установить, что в условиях регулируемого перемешивания удается обеспечить практически любую планируемую скорость загрузки спека шихты в плавильно-восстановительную камеру, содержащую расплавленную щелочь, перегретую до заданной температуры.
Было замечено, что реакции, сопровождающие восстановление свинца из концентрата, начинаются сразу, в момент загрузки спека шихты, и, как правило, их продолжительность составляет 5 — 7 мин, независимо от количества подаваемого спека. Последнее оказывает непосредственное влияние на интенсивность вспенивания расплава. Качественно процесс загрузки и период активного реагирования характеризуется высокой вязкостью твердо-жидкой системы независимо от заданной температуры процесса. По мере завершения реакций происходит последовательное разжижение плава. Удовлетворительной иллюстрацией сказанному являются характеры зависимости извлечения свинца от времени (непосредственно от начала загрузки спека), в условиях, когда выдерживается весовое отношение NaOH : концентрат, равное 1,5 : 1, с учетом того, что 15 % NaOH от массы концентрата затрачено на приготовление шихты для спекания. Температура расплавленной щелочи, в которую подается спек, 650 С. Процесс осуществляется на установке, схема которой приведена в методике исследований. Скорость вращения мешалки 650 об/мин. Масса концентрата, используемого в опыте 100 г.
Независимо от продолжительности загрузки материала (5-15 мин) в реактор, существует индукционный период, продолжительность которого составляет 5 — 7 мин, в течение которого в плаве накапливаются весьма диспергированные частицы свинца практически не выделяющиеся в самостоятельную фазу из пульп выщелачивания плавов отмучиванием. Однако, уже через 10 мин перемешивания, после завершения загрузки, в системе сформировалась свинцовая «линза», масса которой соответствует извлечению на уровне 80 %.
Нами сделано предположение, что в процессе активного реагирования и после его завершения требуется определенный период перемешивания системы, в течение которого имеет место коалесценция супертонких и укрупняющихся частиц с формированием реальной самостоятельной фазы, выход которой определяется физическими свойствами щелочного плава и свинца, и, прежде всего, их вяз костью. В условиях перемешивания расплавленной щелочи и свинцового концентрата с последующим отстаиванием, удалось получить свинцовую «линзу», концентрирующую основной восстановленный металл. При этом продолжительность отстаивания системы не является существенным фактором процесса.
Определяющим фактором осуществления процесса восстановления свинца из сульфидного концентрата, является интенсивность перемешивания в условиях постоянства весового отношения а = 1,5, продолжительности загрузки спека (10 мин) и температуре процесса 650 С. Интервал изменения скорости вращения мешалки 170-1350 об/мин. Продолжительность «выкручивания» после загрузки спека составляет 10 мин.
Как следует из рисунка 3.17, по мере увеличения скорости вращения мешалки от 170 до 570 об/мин, имеет место последовательное возрастание извлечения свинца в «линзу». Дальнейшая интенсификация перемешивания, связанная с увеличением скорости вращения мешалки до 1350 об/мин не способствовало возрастанию извлечения свинца. Однако при этом не наблюдается и снижения извлечения свинца, которое, по нашему мнению, должно было иметь место из-за возрастающей вероятности развития обратных — окислительных процессов с участием восстановленного свинца и адсорбированного расплавом щелочи кислорода воздуха.
Сравнение восстановительных процессов, осуществляемых в условиях сплавления и агитации, позволяет заключить, что в определенном интервале изменения интенсивности перемешивания системы, оно способствует возрастанию сюрости коалес-ценции частиц восстановленного свинца, способствуя повышению его извлечения.
Большое значение имеет возможность моделирования процесса, связанное с изменением масштаба аппарата и сохранением подобной гидродинамической обстановки при коалесценции частиц расплавленного свинца. Для этого нами использованы три модели: первая - нормализованная четырёхлопастная мешалка с диаметром 0,03 м; вторая - 0,06 м; третья — 0,12 м (ширина лопасти 0,25-d).
Эффективность перемешивания системы (при а = 1,5) оценивали по величине извлечения свинца в «линзу» и выделяемых отмучиванием металлических частиц в стандартных условиях подготовки концентрата к восстановлению и самого процесса восстановления (650 С, 30 мин). В качестве меры гидродинамического подобия неизменной во всех опытах перемешиваемой системы взяты произведения общей формулы nK,dy (п - число оборотов мешалки в минуту, d - диаметр мешалки, м; величину х изменяли от 1,0 до 2,5; у - от 1,0 до 2,0),
Из экспериментальных данных (табл. З.б, рис. 3.18) следует, что удовлетворительным критерием гидродинамической обстановки, при изменении масштаба однотипного оборудования, обеспечивающим постоянную динамику коалесценции капель свинца (в интервале изменения диаметра четырёхлоластной мешалки 0,03 - 0,12 м) является nt2,3"2,5)d. Выбранные в соответствии с указанным критерием скорости вращения мешалки позволяют обеспечить как укрупнение капель расплавленного металла, так и эффективное пеногашение в период осуществления восстановительного процесса.
