Шахтная пкавка. 2
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт Цветных Металлов и Материаловедения
институт
МЦМ
кафедра
КУРСОВАЯ РАБОТА
______________________________
тема проекта (работы)
______________________________
______________________________
______________________________
Руководитель __________ __________________ ______________
подпись, дата должность, ученая степень инициалы, фамилия
Студент МФ09-02 060902869 __________ _____________
номер группы номер зачетной книжки подпись, дата инициалы, фамилия
Красноярск 2012
Содержание
Введение…………………………………..…………………
1 Общие сведения……………….………………………………………
- Нахождение свинца в природе…………..……………………………………6
- Физические свойства………….………………………………………..
.…….6
1.3Химические свойства………….…………………………….………….
1.4 Применение свинца……………….………………
2 Технология получения свинца………..…..………………………………..…
3 Восстановительная шахтная плавка свинцового концентрата…………......14
3.1 Теоретические основы
процесса восстановительной
4 Система газоочистки……………………………
5 Расчёт процесса
шахтной восстановительной плавки свинцового
агломерата……………………………………………………
6 Тепловой баланс………………………………………………………………
Заключение……………………………………………………
Список литературы…………………………………
Введение
Металлургия свинца имеет древнюю историю. Свинец был известен жителям Месопотамии и Древнего Египта за 7 тысяч лет до нашей эры, свинец и его соединения использовались в Древней Греции и Древнем Риме. Из свинцовых руд на острове Родос три тысячи лет тому назад получали свинцовые белила и свинцовый сурик. Из металлического свинца были изготовлены трубы древнего римского водопровода. Известно, что свинцово-серебряное месторождение Рио-Тинто (Испания) финикийцы разрабатывали еще в третьем тысячелетии до н. э. Изделия из свинца, монеты и медальоны, найденные в египетских захоронениях, изготовлены в пятом – седьмом тысячилетии до н. э.
Для исторического развития народа свинец не имел такого значения, как медь и ее сплавы с оловом – бронзы. Мягкий и прочный, он не годится для изготовления оружия и орудий производства. Первоначальная добыча свинца была связана лишь с получением серебра, ассоциированного в рудах со свинцовыми минералами. Однако позднее ценные свойства самого свинца ( пластичность, высокая стойкость против коррозии и др.) определили на него широкий спрос. Потребность в свинце возросла после изобретения пороха и огнестрельного оружия: свинец стали применять в большом количестве для изготовления пуль и дроби.
На территории Советского союза на Алтае и Урале, в Казахстане и Узбекистане, восточном Забайкалье и на дальнем востоке свинец добывали еще первобытные племена. В Восточном Забайкалье было открыто в 1704 г. Нерчинское месторождение, на базе которого в 1705 г. был построен Нерчинский завод. На Алтае был открыт ряд месторождений: Змеиногорское (1736 г.), Риддерское (1784 г.), Зыряновское (1790 г.). На базе этих месторождений построили свинцовые заводы: Барнаульский (1739 г.), Павловский (1763 г.)
В начале ХХ века царское
правительство сдало в
Хищническая эксплуатация недр привела производство свинца к полному упадку. Так, в 1913 г. производство свинца в россии составляло только 1,5 тыс. т. Потребность страны в свинце собственного производства удовлетворялась всего на 3%. Свинец ввозили из Германии, Англии, Бельгии, Франции и других стран.
Великая Октябрьская социалистическая
революция положила начало быстрому
развитию отечественной свинцовой
промышленности. За годы первых пятилеток
в Советском Союзе были восстановлены
и расширены действующие
За годы Советской власти была создана мощная свинцовая промышленность, которая не только полностью обеспечила потребности народного хозяйства в свинце, но позволила экпортировать его в другие страны.
В 90-х годах мировое производство рафинированного свинца достигало 3,5-4 млн. т (включая вторичный) а год (без советского союза и социалистических стран) и по своим масштабам уступало только производству железа, алюминия, меди и цинка. Современные специалисты Международной группы по изучению рынков свинца и цинка (International Lead and Zinc Study Group, ILZSG) заявили, что мировое производство свинца в 2011 году увеличилось и составило 10,34 млн тонн. При этом потребление металла на мировом рынке повысится на 6,1%, до 10,15 млн тонн. Исходя из этого, избыток свинца в мире достигнет в этом году 188 тыс. тонн. В будущих годах мировое производство металла повысилось на 3,1%, до 10,65 млн тонн, а его потребление - на 4%, до 10,56 млн тонн. Избыток свинца при этом снизится по сравнению с текущим годом до 97 тыс. тонн. Вице-президент по продажам и маркетингу североамериканской компании Doe Run Хосе Хансен (Jose Hansen) заявил, что спрос на свинец на мировом рынке в 2011 году увеличился на 5 - 6%.
Агентство Dow Jones Newswires сообщило, что банк BNP Paribas увеличил прогноз по свинцу на 2012 год. Согласно новому прогнозу, средняя стоимость свинца составит $2500 за тонну. Банк прогнозирует, что в I квартале 2012 года цена на свинец составит $2330 за тонну, а во II квартале - $2470 за тонну.
Доля России в мировых природных запасах свинца оценивается в 7-8%. По этому показателю РФ уступает лишь Австралии и КНР. Среди прочих стран выделяются Казахстан, Канада, США, Перу и Индия. Почти 90% запасов металла РФ сконцентрировано в Сибири, еще 7% - на Дальнем Востоке. Около 70% российских запасов свинца сосредоточено в двух регионах на трех крупнейших месторождениях: Горевском в Красноярском крае (почти 44% разведанных запасов), Озерном и Холоднинском в Республике Бурятия.
В настоящее время в
России, несмотря на значительные масштабы
добычи свинцовых руд, практически
отсутствуют действующие
Крупнейшие страны потребители и производители свинца представлены в Таблице 1.
Таблица 1 – крупнейшие производители и потребители свинца
Целью курсового проекта является:
- рассмотреть переработки свинцового концентрата
- выбрать оптимальные
параметры процесса шахтной
- произвести расчет
- определить суточный и годовой материальные потоки
1 Общие сведения
1.1Нахождение свинца в природе
В коре земли содержание свинца очень мало – всего 0,0016% от массы, но сам свинец является одним самых нелегких металлов и его количество на земле гораздо больше, чем похожих по весу – золота, ртути и висмута. Это произошло из-за того, что различные изотопы свинца – это окончательные продукты распада урана и тория. Поэтому количество свинца в земной коре потихоньку возрастало в течение миллиардов лет.
Содержание в земной коре 1,6·10-3 % по массе. Самородный свинец встречается редко, круг пород, в которых он установлен, достаточно широк: от осадочных пород до ультраосновных интрузивных пород. В этих образованиях он часто образует интерметаллические соединения - звягинцевит (Pd,Pt)3(Pb,Sn) и др.; сплавы с другими элементами например Pb + Sn + Sb. Он входит в состав 80 различных минералов. Важнейшие из них: галенит PbS, церуссит PbCO3, англезит PbSO4 (сульфат свинца); из более сложных — тиллит PbSnS2 и бетехтинит Pb2(Cu,Fe)21S15, а также сульфосоли свинца — джемсонит FePb4Sn6S14, буланжерит Pb5Sb4S11. Всегда содержится в рудах урана и тория, имея часто радиогенную природу. В природных условия часто образует крупные залежи свинцово-цинковых или полиметаллических руд стратиформного типа (Холоднинское, Забайкалье), а также скарнового (Дальнегорское (бывшее Тетюхинское), Приморье; Брокен-Хилл в Австралии) типа; галенит часто встречается и в месторождениях других металлов: колчеданно-полиметаллических (Южный и Средний Урал), медно-никелевых (Норильск), урановых (Казахстан), золоторудных и др. Сульфосоли обычно встречаются в низкотемпературных гидротермальных месторождениях с сурьмой, мышьяком, а также в золоторудных месторождениях (Дарасун, Забайкалье). Минералы свинца сульфидного типа имеют гидротермальный генезис, минералы окисного типа часты в корах выветривания (зонах окисления) свинцово-цинковых месторождений. В кларковых концентрациях свинец входит практически во все породы.[2]
1.2 Физические свойства
Свинец обычно имеет грязно-серый цвет, хотя свежий его разрез имеет синеватый отлив и блестит. Однако блестящий металл быстро покрывается тускло-серой защитной пленкой оксида. Плотность свинца (11,34 г/см3) в полтора раза больше, чем у железа, вчетверо больше, чем у алюминия; даже серебро легче свинца. Свинец очень легко плавится – при 327,5° С, кипит при 1751° С и заметно летуч уже при 700° С. Этот факт очень важен для работающих на комбинатах по добыче и переработке свинца. Свинец – один из самых мягких металлов. Он легко царапается ногтем и прокатывается в очень тонкие листы. Свинец сплавляется со многими металлами. С ртутью он дает амальгаму, которая при небольшом содержании свинца жидкая.
Свинец кристаллизуется
в гранецентрированной
Относительная атомная масса (Ar = 207,2) является усредненной из масс нескольких изотопов: (1,4%), (24,1%), (22,1%) и (52,4%). Последние три нуклида – конечные продукты естественных радиоактивных превращений урана, актиния и тория. Известно также более 20 радиоактивных изотопов свинца, из которых наиболее долгоживущие – и (с периодами полураспада 300 тысяч и 15 млн. лет). В природе образуются также и короткоживущие изотопы свинца с массовыми числами 209, 210, 212 и 214 с периодами полураспада соответственно 3,25 ч, 27,1 года, 10,64 ч и 26,8 мин. Соотношение различных изотопов в разных образцах свинцовых руд может несколько различаться, что не дает возможности определить для свинца значение Ar с большей точностью.
1.3 Химические свойства
По химическим свойствам свинец – малоактивный металл: в электрохимическом ряду напряжений он стоит непосредственно перед водородом. Поэтому свинец легко вытесняется другими металлами из растворов его солей. Если опустить в подкисленный раствор ацетата свинца цинковую палочку, свинец выделяется на ней в виде пушистого налета из мелких кристалликов, имеющего старинного название «сатурнова дерева». Если затормозить реакцию, обернув цинк фильтровальной бумагой, вырастают более крупные кристаллы свинца.
Наиболее типична для
свинца степень окисления +2; соединения
свинца(IV) значительно менее устойчивы.
В разбавленных соляной и серной
кислотах свинец практически не растворяется,
в том числе из-за образования
на поверхности нерастворимой
Pb + 4HNO3 =
Pb(NO3)2 + 2NO2 + H2O
В присутствии кислорода свинец растворяется также в ряде органических кислот. При действии уксусной кислоты образуется легкорастворимый ацетат Pb(CH2COO)2 (старинное название – «свинцовый сахар»). Свинец заметно растворим также в муравьиной, лимонной и винной кислотах. Растворимость свинца в органических кислотах могло раньше приводить к отравлениям, если пищу готовили в посуде, луженной или паянной свинцовым припоем. Растворимые соли свинца (нитрат и ацетат) в воде гидролизуются:
Pb(NO3)2 + H2O = Pb(OH)NO3 + HNO3 (2)
Взвесь основного ацетата свинца («свинцовая примочка») имеет ограниченное медицинское применение в качестве наружного вяжущего средства.
При нагревании свинец реагирует с кислородом, серой и галогенами. Так, в реакции с хлором образуется тетрахлорид PbCl4 – желтая жидкость, дымящая на воздухе из-за гидролиза, а при нагревании разлагающаяся на PbCl2 и Cl2. (Галогениды PbBr4 и PbI4 не существуют, так как Pb(IV) – сильный окислитель, который окислил бы бромид- и иодид-анионы.) Тонкоизмельченный свинец обладает пирофорными свойствами – вспыхивает на воздухе. При продолжительном нагревании расплавленного свинца он постепенно переходит сначала в желтый оксид PbO (свинцовый глет), а затем (при хорошем доступе воздуха) – в красный сурик Pb3O4 или 2PbO·PbO2. Это соединение можно рассматривать также как свинцовую соль ортосвинцовой кислоты Pb2[PbO4]. С помощью сильных окислителей, например, хлорной извести, соединения свинца(II) можно окислить до диоксида:
Pb(CH3 COO)2 + Ca(ClO)Cl + H2O = PbO2 + CaCl2 + 2CH3COOH (3)
Диоксид свинца – сильный окислитель. Струя сероводорода, направленная на сухой диоксид, загорается; концентрированная соляная кислота окисляется им до хлора:
PbO2 + 4HCl = PbCl2 + Cl2 + H2O (4)
Органические производные свинца – бесцветные очень ядовитые жидкости. Один из методов их синтеза – действие алкилгалогенидов на сплав свинца с натрием:
4C2H5Cl + 4PbNa = (C2 H5)4 Pb + 4NaCl + 3Pb (5)
Действием газообразного HCl можно отщеплять от тетразамещенных свинца один алкильный радикал за другим, заменяя их на хлор. Соединения R4Pb разлагаются при нагревании с образованием тонкой пленки чистого металла. Такое разложение тетраметилсвинца было использовано для определения времени жизни свободных радикалов. Тетраэтилсвинец – антидетонатор моторного топлива.[3]
Основной источник получения свинца — сульфидные полиметаллические руды. На первом этапе руду обогащают. Полученный концентрат подвергают окислительному обжигу:
2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2 (6)
При обжиге добавляют флюсы (CaCO3, Fe2O3, SiO2). Они образуют жидкую фазу, цементирующую шихту. Полученный агломерат содержит 35-45% Pb. Далее содержащиеся в агломерате свинец(II) и оксид меди восстанавливают коксом:
PbO + C = Pb + CO и PbO + CO = Pb + CO2 (7)
Черновой свинец получают взаимодействием исходной сульфидной руды с кислородом (автогенный способ). Процесс протекает в два этапа:
2PbS + 3O2 = 2PbO + 2SO2, (8)
PbS + 2PbO = 3Pb + SO2 (9)
Для последующей очистки чернового свинца от примеси Cu, Sb, Sn, Al, Bi, Au, и Ag его очищают пирометаллургическим методом или электролизом. Удаление примесей (или выделение, если это экономически рентабельно), требует сложных и длительных операций. Очистку свинца можно проводить также методом электрохимического рафинирования. Электролитом служит водный раствор фторосиликата свинца PbSiF6. На катоде оседает чистый свинец, а примеси концентрируются в анодном шламе, содержащем много ценных компонентов, которые затем выделяют.
1.4 Применение свинца
Несмотря на ядовитость свинца,
отказаться от него невозможно. Свинец
дешев – вдвое дешевле
Мягкий и пластичный свинец, не ржавеющий в присутствии влаги, – незаменимый материал для изготовления оболочек электрических кабелей; на эти цели в мире расходуется до 20% свинца. Малоактивный свинец используют для изготовления кислотоупорной аппаратуры для химической промышленности, например, для облицовки реакторов, в которых получают соляную и серную кислоты. Тяжелый свинец хорошо задерживает губительные для человека излучения и потому свинцовые экраны используются для защиты работников рентгеновских кабинетов, в свинцовых контейнерах хранят и перевозят радиоактивные препараты. Свинец содержат также подшипниковые сплавы баббиты, «мягкие» припои (самый известный – «третник» – сплав свинца с оловом).
В строительстве свинец используют для уплотнения швов и создания сейсмостойких фундаментов. В военной технике – для изготовления шрапнели и сердечников пуль.
Свинец используется в
производстве пигментов (таких, как
сурик, белила), в производстве хрусталя,
для строительства
2 Технология получения свинца
Основной вид сырья для производства свинца – свинцовые концентраты, главным образом сульфидные, реже смешанные. По составу свинцового концентрата с учетом физико-химических свойств металлов и их соединений можно судить о возможных способах его переработки. Следует отметить, что значительная часть концентрата представлена либо неметаллом (S), либо остатками вмещающих пород (SiO2, Al2O3, CaO), либо железом, извлечение которого с целью получения металла, как правило, экономически нецелесообразно. Сумма перечисленных компонентов может достигать половины массы концентрата.
Поэтому основными задачами металлургической переработки свинцового концентрата являются следующие: отделение перечисленных компонентов от основных металлов (Pb, Zn, Cu) и их спутники (Au, Ag, Cd, Bi, Se, Te и др.); разделение основных металлов друг от друга с получением их в металлическом состоянии; очистка полученного чернового свинца от сопутствующих элементов (рафинирование).
Свинец можно получить
двумя способами: пирометаллургическим
и гидрометаллургическим. Пирометаллургия
– это совокупность процессов
получения и очистки металлов
и металлических сплавов, протекающих
при высоких температурах. При
пирометаллургическом способе весь
материал, содержащий свинец, подвергают
плавке, в результате чего свинец выделяется
в жидкую металлическую фазу, а
сопутствующие элементы образуют жидкие
и твердые неметаллические
Гидрометаллургические способы пока не нашли широкого промышленного применения. Имеются лишь небольшие установки для извлечения свинца из разных отходов и полупродуктов свинцового и цинкового производства.
В настоящее время практически весь свинец получают только пирометаллургическими способами, для чего используют восстановительную или реакционную плавку. В прошлом применяли также осадительную плавку; теперь её не применяют, но реакцией осаждения свинца пользуются при получении свинца другими способами.
Свинцовый концентрат обычно содержит 40-75% Рb, 5-10% Zn, до 5% Сu, а также благородные металлы и Bi 90%. Свинец получают по технологии, включающей стадии: агломерирующий обжиг сульфидных концентратов, шахтная восстановительная плавка агломерата и рафинирование чернового свинца.
На рисунке 1 приведена
технологическая схема
Рисунок 1 – Схема получения свинца
Агломерирующий обжиг при производстве свинца проводят на прямолинейных машинах с дутьем воздуха либо путем просасывания его. При этом PbS окисляется в жидком состоянии:
2PbS + 3О2 = 2РbО + 2SO2 (10)
В шихту добавляют флюсы (SiO2, CaCO3, Fe2O3), которые, реагируя между собой и с РbО, образуют жидкую фазу, цементирующую шихту. В готовом агломерате свинец концентрируется в свинцовосиликатном стекле, занимающем до 60% объема агломерата. Оксиды Zn, Fe, Si, Ca кристаллизуются в форме сложных соединений, образуя жаропрочный каркас. Эффективная (рабочая) площадь агломерационной машин 6-95 м2.
Полученный агломерат направляют на восстановительную плавку в шахтных печах. Цель плавки - максимально извлечь свинец в черновой металл, a Zn и пустую породу вывести в шлак. В шихту плавки входят агломерат и кокс, иногда загружают кусковое оборотное и вторичное сырье. Удельный проплав агломерата 50-80 т/(м2 · сут). Прямое извлечение свинца в черновой металл 90-94%.
Черновой свинец содержит 93-98% Рb. Примеси в черновом свинце: Сu (1-5%), Sb, As, Sn (0,5-3%), Аl (1-5 кг/т), Аu (1-30%), Bi (0,05-0,4%). Очистку производят пирометаллургически или (иногда) электролитически.[4]
Электролитическое рафинирование
экономически выгодно проводить
при небольшом содержании примесей
в черновом металле, в основном, от
благородных металлов и висмута
на небольших по мощности заводах. Из-за
малой интенсивности процесса, сложной
схемы переработки
В настоящее время на всех отечественных и большинстве зарубежных заводах используют пирометаллургический метод рафинирования. При огневом (пирометаллургическом) способе очистки чернового металла используют различия физических и химических свойств свинца и элементов-примесей: растворимость, температура плавления или кипения, окислительную способность или сродство к сере, а также возможность образования соединений, нерастворимых в свинце.
При пирометаллургическом рафинировании из чернового свинца последовательно удаляют следующие металлы:
- медь ликвацией и с помощью обработки расплава элементарной серой;
- теллур с помощью металлического натрия в присутствии едкого NaOH;
- мышьяк, сурьму и олово в результате окислительных операций;
- серебро и золото с помощью металлического цинка;
- цинк окислением в свинцовой ванне или в щелочном расплаве, вакуумированием и другими способами;
- висмут – удаляют металлическим кальцием, магнием, сурьмой, при этом происходит загрязнение свинца этими металлами;
- кальций, магний и сурьму качественным рафинированием.
На рисунке 2 представлена
технологическая схема огневого
рафинирования чернового
На каждой стадии рафинирования образуются съемы (промежуточные продукты), в которые переходят примеси и часть свинца. Их подвергают самостоятельной переработке.
Рафинирование свинца осуществляют в стальных котлах полусферической формы емкостью 50-300 т с открытой поверхностью ванны. Готовый свинец разливают в чушки (~ 30 кг) либо блоки (~1 т). Конечная степень очистки от основных примесей регламентируется ГОСТ 3778-77.
Существенным недостатком
применяемой в последнее время
на отечественных заводах
Рисунок 2 - Технологическая схема огневого рафинирования чернового свинца.