Машиностроение и механика

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Процессы получения металлов: сплавы марганца, общие сведения о рудах, производство свинца - Теория шахтной восстановительной плавки

Article Index
Процессы получения металлов: сплавы марганца, общие сведения о рудах, производство свинца
Производство сплавов марганца
Силикомарганец
Низко- и среднеуглеродистый ферромарганец
Металлический марганец
Требования, предъявляемые к рудам и концентратам
Минералы олова
Промышленные типы месторождений олова
Методы обогащения оловянных руд
Влияние типа и вещественного состава руд на их обогатимость
Обогащение россыпей и коренных руд олова
Обогащение оловянных руд коренных месторождений
Основы современной металлургии олова
Основы теории оловянной восстановительной плавки
Кинетика восстановления окислов металлов и скорость плавки
Шлаки оловянной восстановительной плавки
Плавка в электрических печах
Отечественная практика электроплавки оловянных концентратов
Схема рафинирования олова пирометаллургическим способом
Производство свинца
Способы получения свинца
Шихта
Теория шахтной восстановительной плавки
Восстановительная способность печи и способы ее регулирования
Шлак свинцовой плавки
Шахтная восстановительная плавка
Реакционная плавка свинца
Электроплавка свинца
All Pages

Теория шахтной восстановительной плавки


Свинец содержится в агломерате в виде окиси, силиката, феррита, сульфата и в небольшом количестве в виде сульфида и включений металлического свинца.

Цель шахтной плавки — получить максимальное количество свинца в виде металла, в котором сконцентрированы золото и серебро, и отвального шлака, в котором растворены компоненты пустой породы агломерата.

При содержании в агломерате повышенного количества меди и серы при плавке получают штейн, а в некоторых сравнительно редких случаях также шпейзу.

 

Теоретические основы восстановления окислов металлов

Окислы металлов восстанавливаются по следующему общему уравнению:

МеОn + mX = Me + ХmОn,

в котором X — восстановитель. В металлургической практике обычные восстановители — углерод, окись углерода и водород (в значительно меньшей степени).

Окислы металлов восстанавливаются твердым углеродом в две стадии:

МеО + СО = Me + СО2

С + CO2 = 2CO

МеО + С = Me + СО

Большинство реакций восстановления твердым углеродом — эндотермические, протекают при большом поглощении тепла извне, т. е. для таких реакций требуется довольно высокая температура. Для этой реакции необходим тесный контакт между реагирующими веществами. Крупнокусковые агломерат и кокс не обеспечивают такого контакта. После образования тонкого слоя продуктов восстановления реакция практически прекращается, так как в твердых фазах диффузия реагентов протекает очень медленно.

В реакции так называемого «непрямого» восстановления окислов металлов участвует другой восстановитель — СО. Вследствие газообразного состояния она хорошо контактирует с окислами металлов, подлежащими восстановлению.

При восстановительной плавке кокс доходит до области фурм, образуя здесь постоянный слой. За счет кислорода дутья углерод кокса горит у фурм по реакции

С + О2 = СО2 + А кал,

где А = 97000 кал (40,5 X 104 дж) на 1 кмоль для аморфного углерода и А = 94250 кал (39,5 X 104 дж) на 1 кмоль для графита.

Углекислый газ, поднимаясь по шахте печи, реагирует при высоких температурах с углеродом кокса по реакции:

СО2 + С = 2СО — В кал,

где В = 41 950 кал на 1 кмоль для графита и В = 38 450 кал на 1 кмоль для аморфного углерода.

Эта реакция, известная под названием реакции Будуара — Белля, обратима, ее равновесие сдвигается вправо или влево в зависимости от температуры.

При последующем движении газов вверх по шахте печи содержание СО в них снижается, а содержание СО2 возрастает за счет восстановления окислов металлов, разложения карбонатов и др.

При низких температурах окись углерода распадается на углекислый газ и сажистый углерод по реакции

2CO = CO2 + C.

Часть кислорода дутья проникает на большую глубину печи, а содержание СО в центральной части печи в области фокуса возрастает иногда до 50% и более, что значительно превышает теоретически допустимое количество. При неполном горении кокса по реакции

2С + О2 + 3,76N2 = 2CO + 3,76N2

в газах может быть получено только 34,4% СО. Это показывает, что в фурменной зоне печи на отдельных ее участках, протекает прямое восстановление:

МеО + СО = Me + СО2

СО2 + С = 2СО

МеО + С = Me + СО

По конечным результатам окисления углерода кокса в условиях шихтной плавки можно сделать вывод, что здесь происходят два процесса: 1) полное окисление С до СО2 и 2) газогенераторный процесс, сопровождающийся накоплением в печных газах окиси углерода.

При восстановительной плавке реакции протекают в очень сложной системе, состоящей из СО, СО2, С, МеО. При экзотермических реакциях с повышением температуры необходима все более высокая концентрация СО в газах, а при эндотермических—наоборот.

По А. А. Байкову, металлические окислы представляют собой системы, находящиеся в состоянии диссоциации, способные существовать только при определенных внешних условиях. Окислы металлов могут существовать только тогда, когда они окружены атмосферой, содержащей в себе свободный кислород.

Окислы металлов в зависимости от температуры могут диссоциировать по следующим трем общим уравнениям при низких температурах

2МеОтв = 2Метв+ О2;

при более высоких температурах

2MeOтв = 2Meж+O;

при еще более высоких температурах

2MeOтв = 2Мег + О2.

Процесс восстановления любого окисла металла, по А. А. Байкову, протекает в две стадии: 1) диссоциация окисла с выделением кислорода и 2) соединение кислорода, полученного от диссоциации окисла, с восстановителем (например, с СО):

МеО = Ме + 1/2O2

1/2O2 + СО = CO2

МеО + СО = Me + СО2

Каждое из этих превращений совершенно не зависит одно от другого и каждое стремится к своему равновесию; окончательный результат зависит от условий, которые будут в данном случае. В результате диссоциации окисла система стремится к равновесию, при котором давление диссоциации окисла будет равно парциальному давлению кислорода в газовой фазе.

В настоящее время следует признать адсорбционно-каталитическую теорию восстановления окислов металлов. По этой теории окисел восстанавливается в три стадии: 1) адсорбция газа-восстановителя СО (или Н2) на поверхности окисла МеО; 2) отрыв кислорода от окисла и переход его к адсорбированным молекулам СО (или Н2) с возникновением при этом молекул СО2 (или Н2О) и новой фазы Me; 3) удаление (десорбция) продукта восстановления СО2 (или Н2О) с реакционной поверхности:

MeOтв + СОГ = МеОтв * СОадс

МеОтвСОадс = Метв* СО2адс

MeтвCO2адс = MeтвO

MeОтв + СОГ = Метв + СО

Реакции восстановления окислов металлов могут быть экзотермическими и эндотермическими. С повышением температуры экзотермические реакции требуют более высокой концентрации СО в газах, а эндотермические — менее высокой.