Вельцевание цинковых кеков

 

За рубежом цинковые кеки перерабатывают в боль­шинстве случаев в шихте свинцового производства с по­следующим фьюмингованием шлаков шахтных печей. При этом из кеков одновременно извлекают в более кон­центрированные продукты свинец, цинк, медь, кадмий, драгоценные и редкие металлы. В СССР, ПНР и НРБ наибольшее распространение получил метод вельцева­ния. Недостатки метода вельцевания были описаны ра­нее. В настоящее время на отечественных цинковых за­водах начинают внедрять гидрометаллургический метод переработки цинковых кеков, технология и преимущест­ва которого были описаны выше. Однако, учитывая, что в Советском Союзе вельцевание остается пока основным способом переработки цинковых кеков, ниже дается его описание.

Обычно фильтрацию и сушку цинковых кеков осу­ществляют в отделениях цеха вельцевания, так как тран­спортировать их из цехов выщелачивания в вельц - цех трубопроводам в виде пульпы значительно удобнее и экономичнее, чем в твердом виде другими средствами транспорта. На фильтрацию поступает пульпа с отноше­нием ж:т (0,6-1):1 и температурой 70-90° С. Состав твердой части пульпы различен. Содержание основных компонентов колеблется в довольно широких пределах, %:

17-20 Zn _общ; 4-6 Zn_H2SO; >1 Zn_H2SO4; 2-5 Pb; 1,0-2,0 Сu; 0,2-0,4 Cd; 18-25 Fe; 4-6 S_общ.

Выход цинковых кеков зависит от качества цинковых концентратов, т. е. от содержания в них цинка, железа, свинца. При богатых цинковых концентратах цинковых кеков получается 25-30% от количества исходного концентрата. При переработке бедного, загрязненного железом сырья выход цинковых кеков может достигать 40-50%.

Фильтрацию пульпы цинковых кеков осуществляют на дисковых вакуум - фильтрах описанной ранее конст­рукции. В процессе фильтрации поддерживают вакуум на общем коллекторе не ниже 59,9 кПа, при этом вели­чина вакуума на самих вакуум - фильтрах не должна быть ниже 46,6 кПа. В корытах фильтров пульпу нагревают острым паром до 80—90° С. Отдувку влажного кека про­изводят воздухом под давлением около 0,1 МПа. Содержание влаги в отфильтрованном кеке не должно превы­шать 37-45%.

Вакуум - фильтры устанавливают обычно выше су­шильных барабанов с тем расчетом, чтобы влажный цин­ковый кек мог из бункера под фильтром самотеком по­ступать по загрузочной течке в барабанную сушильную печь. Фильтрат откачивают в цех выщелачивания для использования в качестве оборотного продукта. Содер­жание твердого в фильтрате допускается не более 25 г/л. Сушку цинковых кеков производят во вращающихся барабанных печах диаметром 2,2 и длиной 13,5 м. Ото­пление печей осуществляется мазутом или газом. Фор­сунки или горелки для топлива установлены в загрузоч­ном конце барабана. Топочные газы с температурой 750-800° С на входе в печь просасываются через нее эксгаустером и после обеспыливания в пылеулавливаю­щих устройствах выбрасываются в атмосферу. На выхо­де из сушильной печи температура газов снижается до 250-300° С. Запыленность отходящих газов составляет 200-250 мг/м³. Сушку кека производят до влажности 14-16%. При более низкой влажности образуется мно­го пыли. При повышенном содержании влаги получают­ся крупные окатыши.

Процесс вельцевания цинковых кеков основан па восстановле­нии и возгонке цинка из его окисленных соединений (ферритов, окислов, силикатов и др.) твердым углеродом при температуре 1300-1300°С и окислении паров цинка кислородом. При этом внут­ри шихты идут реакции

 

ZnO+C↔Zn_{па р}+ CO;                                (92)

 

ZnO + СО↔ Zn_{па р} + СО₂.                         (93)

 

Цинковые пары и окись углерода проходят сквозь шихту на поверхность, где в контакте с кислородом, содержащимся в топоч­ных газах, вновь окисляются по реакциям

 

2 Zn_{па р} + O₂ = 2ZnO;                             (94)

 

2СО+О₂=2СО₂.                                          (95)

 

Реакции (92) и (93) эндотермические, они идут с поглощением тепла, реакции (94) и (95)—экзотермические, протекают с выде­лением тепла. Ввиду того что все четыре реакции совмещены, их суммарный тепловой эффект выражается реакцией горения твер­дого углерода:

 

С+О₂ = СО₂.                                     (96)

 

Сульфид свинца и окись свинца также возгоняются из шихты при температуре вельцевания. Сульфат свинца частично диссоцииру­ет, а частично восстанавливается углеродом до сульфида:

PbSO₄ + 2С = PbS + 2СО₂.                     (97)

 

Медь, золото и серебро при вельцевании не возгоняются и оста­ются в твердом остатке. Часть сульфида свинца вступает во взаимо­действие с окисью и сульфатом свинца по реакциям

 

PbS + 2РbО - ЗРb + SO₂;                        (98)

 

PbS + PbSO₄ = 2Pb + 2SO₂.                    (99)

 

Небольшая часть сульфида свинца сплавляется с сульфидами меди и железа, образуя штейн, который так же, как и металличе­ский свинец, осложняет процесс вельцевания. Штейн и металличе­ский свинец пропитывают твердые частицы шихты, уменьшая се по­ристость, а при больших количествах создают расплавленную ванну в разгрузочном конце печи.

Окислы железа, в основном в виде ферритов, в процессе вель­цевания активно восстанавливаются до металла. Металлическое же­лезо способствует возгонке цинка из трудновосстановимых соеди­нений - силикатов и сульфидов - по реакциям

 

2ZnO·SiO₂ + 2Fe→2FeO·SiO₂+2Zn;             (100)

 

ZnS + Fe→FeS + Zn.                          (101)

 

Таким образом, железо способствует повышению извлечения цинка при вельцевании. Вместе с тем оно служит источником обра­зования настылей и крупных металлизированных окатышей. На­стыль в вельц - печах является следствием образования легкоплавкой эвтектики 2FeO·SiO₂+Fe с температурой плавления 1180˚ С и про­цесса науглероживания железа с получением более легкоплавкого чугуна.

Процесс вельцевания на отечественных заводах осу­ществляется в трубчатых вращающихся печах двух ти­пов: длиной 41 и 50 м и диаметром соответственно 2,6 и 3,6 м (рис. 92, 93). В ПНР длина печей достигает 90 м и диаметр 4,5 м. Печь представляет собой стальной бара­бан, расположенный под углом 3-5° к горизонту для того, чтобы шихта могла передвигаться при вращении ба­рабана от верхнего конца к нижнему. Скорость враще­ния барабана – 1-2 оборота в минуту. По всей длине печь футеруют огнеупорным кирпичом. Зоны высоких температур и места, подверженные химическому разъе­данию шлаком и штейном, выкладывают из хромомагнезитового кирпича. Менее ответственные участки футеру­ют шамотом. В последние годы для упрочнения кладки вращающихся печей, в частности в алюминиевой про­мышленности, стали применять фосфатные бетоны и растворы. Кампания вельц - печей увеличивается также при использовании для футеровки периклазошпинелидного кирпича.

Печь опирается на катки, при этом обычно ее ставят на три опоры. Одна из опор совмещается с приводом печи от электродвигателя через редуктор и венечную шес­терню, укрепленную на барабане печи. У нижнего раз­грузочного конца печи размещают топочные устройст­ва - мазутные или газовые горелки. Помимо первичного воздуха, поступающего в смеси с топливом, в рабочее пространство печи подают вторичный воздух путем под­соса или, кроме того, специальным вентилятором. На некоторых заводах вторичный воздух обогащают техниче­ским кислородом до 27-30%.

 

Рис. 92. Вельц – печь для переработки цинковых кеков:

1 – транспортер; 2 – бункер; 3 – питатель; 4 – загрузочная течка; 5 – верхняя головка печи; 6 – барабан; 7 – опоры печи; 8 – привод; 9 – нижняя головка печи; 10 – желоб для грануляции клинкера; 11 – газоход для отвода газов

 

Шихту вельц - печи составляют из подсушенных цин­ковых кеков, оборотных продуктов и других цинксодержащих материалов. В качестве восстановителя и топли­ва применяют коксик, измельченный до 5-6 мм. Расход коксика составляет 40-50% к массе кека. Коксовую ме­лочь добавляют не только как горючий, ной как материал, впитывающий расплавленные вещества и предупре­ждающий спекание компонентов шихты. Поэтому так ве­лик расход коксика. Хорошо перемешанные цинксодержащие материалы и коксик подают в верхний загрузоч­ный конец печи через водоохлаждаемую трубу.

Перед пуском печь нагревают мазутом или газом. В дальнейшем процесс идет за счет горения углеродистого восстановителя, находящегося в шихте. Иногда по ходу процесса применяют подтопку через нижний конец печи. Передвигаясь при вращении вдоль печи, шихта вступает в контакт с горячими газами, идущими противотоком, те­ряет влагу и нагревается. Температура газов в верхней головке печи не превышает 550-650° С. В конце верхней зоны печи, расположенной на ¹/₄ее длины, шихта вос­пламеняется и поступает далее в зону возгонки, или зону максимальных температур (1100-1300° С). Зона воз­гонки занимает ³/₄длины печи.

 

Рис. 93. Внешний вид велъц - печи

 

По мере продвижения к разгрузочному концу печи шихта все более обедняется цинком и свинцом. В ниж­ней разгрузочной головке печи температура поддержи­вается около 1100° С. При этой температуре из печи вы­ходит раскаленный материал, называемый клинкером. Пары цинка, соединений свинца, выходящие из шихты в зоне возгонки, окисляются и выносятся топочными газа­ми по системе газоходов в пылеулавливающие устрой­ства. Грубая пыль оседает в пылевой камере, располо­женной непосредственно за печью. Для улавливания воз­гонов свинца и цинка используют рукавные фильтры с рукавами из термостойкой ткани.

Температура газов на входе в рукавные фильтры дол­жна быть не выше 110° С. Поэтому для охлаждения га­зов по пути от печи до рукавных фильтров устанавлива­ют охлаждающие сооружения в виде кулеров - высоких коленообразных труб, в которых газ охлаждается за счет наружного воздуха. Кроме того, в систему подсасывает­ся холодный воздух. На Усть-Каменогорском свинцово - цинковом комбинате установлен и успешно работает ко­тел-утилизатор для охлаждения газов, выходящих из вельц - печи. Результаты работы котла показывают воз­можность сокращения объема газов и повышения про­изводительности печей на 10-15% по переработке шихты.

Продуктами вельцевания цинковых кеков являются: свинцово -цинковые возгоны, содержащие 50-55% цинка и 10-15% свинца, некоторое количество кадмия, редких металлов и клинкер, состоящий в основном из металли­ческого железа (до 50%), углерода (20-40%), шлакообразующих и содержащий до 1% Zn, 0,3% Pb, 2-3% Си, золото и серебро. Большое содержание углеро­да в клинкере затрудняет его дальнейшую переработку в медеплавильном производстве. Свинцово-цинковые возгоны подвергают выщелачиванию (см. гл. IV). Оста­ток от выщелачивания содержит в основном сульфат свинца, который направляют в свинцовое производство.

Путем переработки цинковых кеков методом вельце­вания (или гидрометаллургическим методом) обеспечи­вают попутное извлечение из цинковых концентратов свинца - третьего по содержанию в сырье компонента, а также золота и серебра, которые в первом случае извле­кают в медном производстве при плавке клинкера, а во втором - в свинцовом производстве при плавке свинцо­вых кеков. При переработке цинковых кеков методом вельцевания примерно 60-70% меди извлекается при плавке клинкера в медном производстве. При гидроме­таллургической переработке кеков медь полностью из­влекают в медные полупродукты в цинковом производст­ве и в дальнейшем направляют в шихту медной плавки. Таким образом, переработка цинковых кеков позволяет извлекать из сырья четыре попутных компонента: сви­нец, медь, золото и серебро.