» » Обжиг и агломерация свинцовых концентратов
06.05.2015

Подготовка шихты к обжигу и агломерации

Отечественные свинцовые заводы потребляют концентраты, преимущественно содержащие 40—50% свинца. Удельный вес их в шихте обжига иногда достигает 40—50%, так как при высоком содержании в них цинка приходится вводить в шихту 30—35% флюсов, а 20—25% занимают оборотные материалы — кеки, пыли, съемы. Только в наиболее благоприятных условиях расход флюсов снижается до 10—15%.
Флюсы — большей частью кварц, известняк и железная руда (железную руду можно с успехом заменять пиритными огарками) — поступают на заводы в крупных кусках, поэтому нуждаются в дроблении до размеров, определяемых требованиями технологического процесса.
В Советском Союзе поступающие на завод концентраты хранят по общепринятой схеме. После взвешивания на железнодорожных и автомобильных весах концентраты разгружают в бетонированные отсеки склада — удлиненного здания с одним или двумя подъездными путями, проходящими вдоль линии отсеков.
Склад оборудован грейферным краном, который подает материалы из любого отсека в приемный бункер-воронку для дальнейшей транспортировки и переработки.
По аналогичному принципу строят и склады для флюсов. Эти склады имеют дробильное отделение Флюсы измельчают обычно до крупности 3—5 мм, которая обеспечивает контакт их с рудной частью шихты.
Сначала их подвергают крупному дроблению в щековых дробилках, а затем измельчают в две стадии в нормальной конусной и короткоконусной дробилках, работающих в замкнутом цикле с вибрационным грохотом. Иногда вторая стадия измельчения производится валками. После измельчения флюсы опробуют.
В складах для концентратов и оборотных материалов описанной конструкции при разгрузке пылящих продуктов трудно обеспечить эффективную вентиляцию в местах разгрузки, поэтому воздух в складах запыляется и становятся ощутимыми потери материалов при перегрузках.
Различная влажность поступающих в склад материалов также осложняет работу. Трудности усугубляются зимой, так как влажные продукты смерзаются.
При этой системе хранения для транспортирования применяют быстро изнашивающиеся и требующие тщательного обслуживания ленточные конвейеры значительной протяженности.
На шведском заводе Реншер применена более рациональная схема подачи и хранения материалов — в металлических вагонах с донной разгрузкой и верхними съемными крышками. Вагон после выдержки в тепляке для оттаивания смерзшегося концентрата подают на разгрузочную станцию и устанавливают над бункером, как это показано на рис. 3. Для удаления остатков концентрата со стенок вагона на борта его опускается подвесной вибратор.
Между верхней кромкой стен бункера и полом размещена щель отсоса, через которую воздух вентилятором отсасывается в рукавный фильтр. Таким образом, образующаяся при пересыпке пыль полностью улавливается. Открытые донные створки вагона прикрывают щель между вагоном и полом, препятствуя лишним подсосам воздуха.
При такой схеме разгрузки пыление и потери концентратов минимальны.
На этом заводе концентраты подсушивают в барабанной печи до 4—5% влаги и подают на хранение в бетонные бункера, из которых выдают на шихтовку.
Широко внедряется способ доставки концентратов на металлургические заводы в плотно закрытых контейнерах, имеющих форму усеченного конуса. Контейнеры перевозятся на железнодорожных платформах. В складе концентратов завода контейнеры разгружаются в соответствующие отсеки двухкрюковым электрокраном.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

В контейнерах целесообразно перевозить материалы, имеющие достаточно большой насыпной вес, т. е. такой вес, чтобы контейнер вмещал 3—4 т концентрата; в этом случае на 50-т платформу можно загрузить 12 контейнеров. Перевозка же пылей (например из электрофильтра) в контейнерах совершенно нецелесообразна, так как вместимость контейнеров при этом снижается до 0,7—0,8 т. Перевозки пылей сопряжены с весьма большими механическими потерями, так как рационального способа межзаводской транспортировки их до сих пор еще нет. Поэтому перед отгрузкой пыли целесообразно укрупнять брикетированием или окатыванием.
Шихту агломерации составляют из большого чиста компонентов. Плавка протекает успешно, если весовые отношения составляющих шихты строго соответствуют металлургическому расчету, а отдельные компоненты тщательно перемешаны.
Согласно современным представлениям о механизме реакций между веществами в твердой фазе, в хорошо перемешанной шихте при агломерации протекают некоторые реакции, способствующие успешному ходу плавки.
Для дозировки материалов существует два метода прямое взвешивание и дозировка по объему.
Прямое взвешивание осуществляют либо непрерывно на транспортерных (ленточных) весах, либо периодически на порционных. Ленточные весы весьма производительны, но при перегрузках или недогрузках ленты дают неверные показания.
Взвешивание на порционных весах дает более точные результаты, однако такой способ не получил распространения на отечественных заводах и за рубежом, видимо, из-за отсутствия весов удовлетворительных конструкций и хороших компоновочных решений.
Весьма удачная конструкция автоматизированного весового дозатора, описанная инж. А.И. Буровым.
Дозировка по объему также распространена, несмотря на известную неточность этого метода и необходимость систематического и весьма трудоемкого контроля. Распространенность такой дозировки объясняется простотой устройств и большой производительностью. Для дозировки используются ленточные, пластинчатые и тарельчатые питатели. Серьезного внимания заслуживают пока еще мало распространенные вибрационные питатели, дающие достаточную точность дозирования.
Дозирование по объему производится за счет подачи материала слоем определенной толщины на питатель, движущийся с заданной скоростью.
Для составления шихты в настоящее время практикуются два способа: на ленте и в штабеле.
Способ составления шихты на ленте состоит в том, что отдельные компоненты шихты — концентраты, флюсы, обороты — помещают в бункера, вмещающие обычно сменный периодически пополняемый запас и расположенные так. что установленные под ними питатели-дозаторы сбрасывают материалы на сборную транспортерную ленту, проходящую вдоль бункеров На этой сборной ленте создается смесь из необходимых материалов, сдозированных в соответствии с металлургическим расчетом.
Этот способ применительно к богатым свинцовым концентратам и к небольшим количествам шихты (например, по сравнению с медными заводами), перерабатываемой на свинцовых заводах, довольно широко распространен.
При таком способе трудно создать большие запасы заранее подготовленной и проверенной анализом шихты состава, соответствующего расчету.
В последнее время, особенно на крупных свинцовых предприятиях, стали применять способ составления шихты в штабеле, при котором шихту дозируют по весу и создают достаточные ее запасы.
При таком способе шихтарный цех разделен на несколько отделений, называемых отсеками.
На высоте 6—7 м от бетонного пола по отсеку проходит транспортер, снабженный разгрузочной тележкой, которая автоматически движется по отсеку. Подаваемый со склада и взвешенный на транспортерных весах материал рассыпается ровным слоем по полу отсека и постепенно образует вытянутый штабель треугольного сечения, уклон шихты соответствует углу естественного откоса.
Каждый компонент шихты поступает в отсек последовательно в соответствии с металлургическим расчетом. При таком методе послойной укладки различных материалов образуется штабель шихты в виде «слоеного пирога».
Шихта разгружается из отсека специальной шихтопогрузочной машиной (рис. 4), состоящей из металлического самоходного моста 1, передвигающегося по рельсам на колесах 2. Мост несет на себе наклонно расположенные грабли 4, которые, совершая колебательные движения, осыпают и перемешивают шихту на торце откоса, и скребковый транспортер 5, подгребающий осыпавшуюся шихту к траншее с транспортером 6. Шихта попадает на транспортер через бункер 7, движущийся вместе с машиной. Транспортер и грабли приводятся в движение от редуктора 3.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Продвигаясь вперед со скоростью около 1 м/час, шихтопогрузочная машина постепенно проходит весь отсек, полностью разгружая лежащий в нем штабель. После этого шихтовочную машину на трансферной тележке перемещают в другой заполненный отсек, а освободившийся отсек начинают вновь загружать шихтой.
Отсеков в шихтарнике должно быть не менее трех, чтобы один из них загружался, один в то же время разгружался и один опробовался и анализировался.
На одном из отечественных свинцовых заводов штабель обеспечивает работу завода на 3—4 дня. В течение этого времени может появиться необходимость несколько изменить состав шихты, поэтому наряду с системой штабелей на этом заводе имеется несколько бункеров, из которых корректирующие материалы тарельчатыми питателями могут быть поданы на транспортер, несущий шихту из штабеля.
Описываемая система хранения хорошо механизирована и в общем удовлетворительна; к недостаткам ее надо отнести только значительные объемы зданий и повышенные расходы на ремонты механизмов (транспортеры и др.).
Для получения однородной по химическому составу и физическому состоянию шихты ее тщательно перемешивают.
При шихтовке на ленте или в штабеле предусматривают последующее дополнительное перемешивание шихты обычно в дезинтеграторах, бичевых мельницах или на смесительных столах. Однако необходимо отметить, что работа дезинтеграторов и бичевых мельниц неудовлетворительна в связи с быстрым износом пальцев или бичей и забиванием смесителей влажной шихтой.
Смесительные столы, используемые часто одновременно и как питатели, более надежны. На заводе Порт-Пири, например, смесительные столы имеют диаметр 7,6 м; перемешивание производится вращающимися дисками, перемещающими материал от периферии стола к центру. Толщина слоя шихты на столе около 100 мм.
На заводе Трейл шихту перед агломерацией окатывают. На этом заводе 80% поступающих на обжиг материалов имеет частицы мельче 0,07 мм и 25% шихты составляют свинцовые кеки с влажностью до 40%.
Во всех описанных случаях компоненты шихты тщательно перемешиваются.
Новый способ подготовки шихты для агломерации применен на за воде Реншер, перерабатывающем концентраты Лайсвала, содержащие 75% свинца. Принятая на заводе схема послойного окатывания служит для ликвидации вредного явления вытапливания металлического свинца в процессе агломерации.
Полученный при окатывании слоеный шарик диаметром 18—20 мм подается на агломашину, на слой постели из крупного агломерата с частицами размером 20—25 мм.
При этом шихта агломерации получается хорошо перемешанной, пористой, а потому легко проницаемой для воздуха. Регулирование температуры в обжигаемом слое становится более эффективным, что позволяет предупредить образование металлического свинца. Ho даже если он и образуется, то мельчайшие его капли, не сливаясь, пронизывают толщу пористого известкового и нижележащих слоев гранулы и не препятствуют прососу воздуха через шихту, ее обжигу и агломерации.
Химизм процесса обжига и агломерации

Химизм процесса обжига освещен в литературе.
Свинцовые концентраты, помимо PbS, содержат ZnS, FeS2, CuFeS2, Cu2S и сульфиды других металлов. Кроме того, в концентратах и добавляемых к ним флюсах присутствуют окислы кремния, кальция, алюминия и др.
В процессе обжига происходит окисление сульфидов с образованием окислов и сульфатов металлов. При этом сера удаляется с газами в виде SO2 и SO3.
Соотношение между образующимися окислами и сульфатами зависит от температуры процесса, концентрации кислорода и SO2 в газах, упругости диссоциации соединений и скорости протекания отдельных реакций.
Окислы металлов, реагируя с окисью кремния и алюминия, образуют силикаты и алюминаты, а при взаимодействии друг с другом — силикаты, ферриты, алюминаты и др.
Имеются две «теории» окисления.
Согласно «оксидной теории», сульфиды металлов при взаимодействии с кислородом окисляются непосредственно до окислов. Сульфаты же являются вторичными образованиями, полученными при взаимодействии окислов металлов с окислами серы.
По «сульфатной теории» окисление сульфидов протекает через промежуточную стадию — образование сульфатов, в результате разложения которых получаются окислы металлов и серы.
Сторонники первой теории считают окисление сульфида до сульфата невозможным вследствие необратимости реакции
MeS + 2О2 = МeSO4,

поскольку при нагревании диссоциация сульфата протекает по уравнениям
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Предположение о непосредственном окислении сульфидов до сульфатов было впервые сделано в 1872 г. Перси-Раммельсбергом. Позднее ряд исследователей (Мостович в 1911 г. в отношении ZnSO4, позднее в отношении PbSO4; В.И. Смирнов, Ханзен, Седлон и др., Д. М. Чижиков и Г.С. Френц в отношении реакции МeS + 2О2 = MeSO4; Г.И. Чуфаров и Б.Д. Авербух в отношении FeSO4 и т. д.) пришли к выводу о прямом и первичном сульфатообразовании, которое связано с адсорбцией кислорода на поверхности кристаллов сульфидов, атомарным разложением молекулы кислорода и внедрением его в кристаллическую решетку сульфида.
Сторонники сульфатной теории утверждают, что металлическая фаза образуется в результате взаимодействия окислов с сульфидом, а по мнению других исследователей — путем взаимодействия сульфидов с сульфатами, так как скорость этого взаимодействия большая, чем окислов с сульфидами.
Следует считать, что обе точки зрения не полностью отражают многообразие процессов, протекающих при обжиге.
Очевидно, что в различных условиях обжига могут образовываться различные продукты, поэтому справедливо высказанное в отечественной литературе мнение о том, что процесс обжига сульфидов складывается из следующих основных стадий:
1) адсорбции молекулярного кислорода на поверхности сульфидов и десорбции его на атомарный кислород;
2) диффузии кислорода внутрь решетки сульфида и образования первичных соединений сульфида с атомарным кислородом типа сульфата;
3) химического взаимодействия образовавшегося промежуточного соединения типа сульфата с оставшимся сульфидом с образованием окисла и выделением сернистого газа;
4) химического взаимодействия поверхностной пленки окисла с газами с образованием вторичного сульфата (в зависимости от температуры и состава печных газов).
Рассмотрим поведение различных компонентов шихты при обжиге.
Сернистый свинец. В результате обжига PbS получается смесь, состоящая из PbS, PbO и PbSO4. При низких температурах (до 500°) и медленном обжиге образуется преимущественно сульфат; при высоких температурах образуется PbO. При обжиге на агломерационных машинах образуется весьма незначительное количество сульфата, причем его появление в этих условиях объясняется, видимо, замещением свинцом железа, меди и цинка в их легко диссоциирующих сульфатах.
Ход процесса окисления сульфида свинца кислородом (80% N2 + 20% O2) хорошо отражен кривыми, приведенными на рис. 5.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Количество PbS в течение обжига уменьшается, что означает расходование этого соединения, а количество PbO возрастает. Концентрация металлического свинца и PbSO4 в продуктах реакции сначала увеличивается, затем, пройдя через определенный максимум, начинает уменьшаться. Очевидно, что взаимодействие сульфида свинца с кислородом — это сложный процесс, состоящий из ряда последовательных химических стадий с образованием промежуточных фаз PbSO4 и Pbмет.
Расходование сульфида свинца следует объяснять реакцией
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

расходование металлического свинца — его окислением Отсутствие металлического свинца в продукте обжига, видимо, объясняется тем, что скорость окисления свинца превышает скорость его образования.
Аналогичный ход имеют кривые при окислении сульфидов меди и железа.
Согласно ходу кинетических кривых, химизм процесса взаимодействия сульфидов с кислородом может быть выражен следующими реакциями:
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

При окислении сульфида цинка промежуточные фазы не были обнаружены, и это может быть объяснено малой их устойчивостью в условиях обжига.
Если температурные условия процесса не допускают расходования образовавшегося сульфата, то он остается в продуктах реакции. При благоприятных условиях сульфат может расходоваться вследствие термической диссоциации и в результате реакций взаимодействия его с сульфидом. При этом образующийся металл может либо оставаться в продуктах окисления, либо взаимодействовать с кислородом, сернистым газом или сульфатом с образованием окиси и серы.
В общем виде взаимодействие сульфидов металлов с кислородом на любой стадии обжига и в широком интервале температур и концентраций кислорода выражается уравнением
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

где х, а и b — коэффициенты МeS, SO2 и MeО.
В двадцатых годах текущего столетия была установлена возможность взаимодействия веществ в твердой фазе. Однако механизм твердофазных реакций и до сих пор еще не может считаться окончательно выясненным.
Распространенные взгляды Таммана-Ледвала, опирающиеся на данные о строении вещества, были в значительной степени исправлены работами М. Позина, А. Гинстлинга и др.
Исследованием ряда авторов было показано, что смесь из PbS и PbSO4 начинает реагировать при 550° и что при 725° давление сернистого газа равно атмосферному. Смесь PbSO4 и PbO начинает реагировать при более высокой (650°) температуре, и реакция становится заметной при 700°. Скорость ее много ниже, чем скорость первой.
Реакция между PbS и PbSO4 протекает с образованием металлического свинца, впоследствии окисляющегося.
Окись свинца с кремнеземом образует силикаты состава хРbО*ySiO2, температуры плавления которых 700—800°.
Сульфат свинца в интервале температур 700—950° медленно диссоциирует с образованием соединения 6РbО*5SO3, которое при температуре выше 950° переходит в 2РbО*SO3.
Сульфат свинца при 1000° энергично разлагается кремнеземом и трехокисью железа с образованием соответственно силикатов и ферритов. При взаимодействии сульфата свинца с окисью кальция образуется окись свинца и сульфат кальция.
Пирит в присутствии воздуха в интервале температур 250—300° окисляется с образованием сульфата, при 300—700° пирит превращается в трехокись железа.
При слабой газопроницаемости шихты происходит диссоциация пирита, которая в присутствии влаги и окиси железа протекает при 400—500° даже при доступе воздуха. Пары серы, конденсируясь в газоходах, могут явиться причиной взрывов. Поэтому необходимо, чтобы обжигаемая шихта, богатая пиритом, была достаточно газопроницаема.
FeS окисляется до FeO, Fe3O4 и Fe2O3. Закись железа, реагируя с окислами серы, образует сульфат железа, диссоциирующий до Fe2O3.
Ферриты свинца имеют известное значение в процессе агломерирующего обжига, выполняя благодаря своей легкоплавкости, наряду с силикатами, роль цементирующих веществ при спекании.
Кольмейер, изучавший систему PbO—Fe2O3, установил наличие ряда соединений, отвечающих составу от 3РbО*Fe2O3 до PbO*2Fe2O3, устойчивых в твердом состоянии и разлагающихся при плавлении.
Сульфид цинка присутствует в свинцовых концентратах в значительных количествах (до 10—15%), и его поведение при обжиге существенно влияет на весь процесс выплавки свинца.
Температура плавления ZnS около 1600°; при 1200° он заметно сублимирует (упругость пара 6,723 мм рт. ст.). Продуктами окисления ZnS являются окись и сульфат.
Температура плавления ZnO 1260°, упругость пара при 1310° 1,5 мм рт. ст., температура кипения 1973°, упругость диссоциации весьма мала.
Сульфат цинка легко диссоциирует (при 800° р = 190 мм рт. ст.), при взаимодействии с сульфидом образует окись цинка и сернистый ангидрид, парциальное давление которого при 480° равно одной атмосфере.
При 850° за 1,5 часа сульфат цинка полностью разлагается. При 840° начинается образование основных солей состава 3ZnO*2SO3, а при 940° они распадаются.
А.И. Окунев опубликовал экспериментальные и расчетные данные, характеризующие реакцию ZnS + 2ZnO ⇔ 3Zn + SO2 в интервале температур 900—1200°, которые показали возможность протекания этой реакции при температуре выше 900°. Выше 600° протекает и реакция между сульфатом и сульфидом цинка.
Сфалерит — плотный минерал, а температура начала его окисления высокая, поэтому ZnS обжигается хуже других сульфидов. Обычно оставшаяся в огарке сульфидная сера помимо свинца в значительной степени связана и с цинком.
Мышьяк присутствует в шихте в виде As2S3 и арсенопирита. При нагревании в атмосфере воздуха арсенопирит окисляется с образованием летучей трехокиси мышьяка
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Трехсернистый мышьяк при нагревании легко переходит в парообразное состояние, а затем окисляется до трехокиси. При избытке воздуха и высокой температуре трехокись превращается в нелетучую пятиокись мышьяка. Если в перерабатываемом сырье содержится много мышьяка, необходимо его максимально удалять при обжиге, а также из оборотных пылей, потому что мышьяк осложняет плавку и трудно удаляется из ее продуктов.
Сурьма присутствует в шихте в виде сравнительно летучего трехсернистого соединения, которое в атмосфере воздуха окисляется до трехокиси по реакции
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

При избытке воздуха образуются нелетучие четырех- и пятиокиси, легко сплавляющиеся с окислами свинца и других металлов и образующие антимонаты.
Окисление трехсернистой сурьмы в условиях обжига свинцовых концентратов опережает ее улетучивание, поэтому сурьма в значительной степени остается в огарке.
Известняк при температуре выше 900° диссоциирует по реакции
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Реакция протекает с большим поглощением тепла, а образующаяся окись кальция весьма тугоплавка и трудно реагирует с другими составляющими шихты при обжиге.
Поэтому известняк играет в процессе обжига роль регулятора температуры: чрезмерное повышение температуры сопровождается ускорением диссоциации известняка с поглощением части тепла, а образующаяся окись кальция разобщает расплавившиеся частицы, предотвращая их преждевременное спекание.
Окись кальция способна образовывать сульфаты, устойчивые до 1000°; однако в присутствии трехокиси железа или кварца этот сульфат разлагается и при более низкой температуре с образованием силикатов и ферритов кальция.
Кварц при температуре обжига образует с окислами металлов, особенно с окислами и сульфатами свинца, легкоплавкие силикаты, которые, размягчаясь, цементируют отдельные частицы шихты, создавая агломерат. Силикаты и легкоплавкие сульфиды являются основными связующими в шихте при ее агломерации.
Агломерация свинцовых концентратов потому и протекает при температуре более низкой, чем агломерация, например, железных руд, что силикаты свинца значительно более легкоплавки, чем силикаты железа, а значит, и жидкая фаза, связывающая частицы шихты, образуется при более низкой температуре.
Цементирующую фазу свинцового агломерата изучали В.И. Милентьева и И.И. Гнатышенко. Их исследования показали, что первоначальной основой для образования жидкой фазы служат силикаты свинца, которые образуются в твердых фазах при 650—700° и начинают плавиться при 710—715°. Существенную роль при агломерации играют и ферриты свинца, которые также образуются в твердых фазах, но при более высокой температуре (порядка 700—750°), и начинают плавиться при 750°. При дальнейшем нагревании ферритно-силикатный расплав растворяет свободные окислы свинца, железа и некоторое количество SiO3, CaO, А12O3, ZnO, а при охлаждении из расплава выкристаллизовываются силикаты и ферриты свинца, основная же часть расплава застывает в виде стеклообразной массы. Стеклообразная структура с зарождающимися кристаллами при быстром охлаждении вызывает температурные напряжения, что способствует хрупкости агломерата.
Количество образующейся жидкой фазы зависит от температуры в зоне спекания и от содержания свинца, в богатом агломерате, содержащем 40—42% Pb, доля жидкой фазы достигает 50%, в бедном агломерате (с 29—33% Pb) доля жидкой фазы составляет в среднем 30—40%. Кристаллических силикатов в жидкой фазе всего 4—5%, сульфидная сера находится главным образом в соединении со свинцом и медью, сульфатная — в виде сульфата кальция и заметных количеств сульфата бария (70% и более).
Исследование шлифов показало, что наряду со вторичными образованиями остывшей жидкой фазы, заводской агломерат содержит значительное количество включений кварца, железной руды и известняка, оплавленных с поверхности и нетронутых преобразованиями в центре.
Согласно исследованиям Б.С. Христофорова и И.А. Строителева, цинковистый свинцовый агломерат Усть-Каменогорского завода также в основной массе имеет стеклообразную и тонкокристаллическую структуру, включающую кварц и другие флюсы. Наряду с ферритами и силикатами свинца, в агломерате обнаружено по площади шлифа 20—25% феррита цинка. Свинец в агломерате распределялся по формам соединений следующим образом: силикатного 57,1%, ферритного 12,0%, окисного 8,5%, сульфидного 17,0% и металлического 4,4%.
При спекании свинцовых концентратов всегда получают офлюсованный самоплавкий агломерат. Флюсы в шихту агломерации включают также и для того, чтобы снизить содержание в ней свинца и сделать ее более газопроницаемой. Улучшение способов подготовки шихты к спеканию (тщательное дробление оборота, окатывание и др.) позволяет отказаться от введения флюсов в шихту спекания при самоплавкой шихте.
Способы обжига

До двадцатых тридцатых годов нынешнего века на некоторых свинцовоплавильных заводах Европы и США практиковалось удаление из концентратов части серы обжигом в многоподовых печах с механическим перегребанием с последующим их обжигом, а затем спеканием на круглых или прямолинейных агломерационных машинах. На заводе Реншер, например, обжиг богатых свинцовых концентратов в многоподовых печах был прекращен только в 1956 г.
В настоящее время обжиг свинцовых концентратов в многоподовых печах нигде не проводится, повсеместно принята схема одно- или двухступенчатого обжига на агломерационных машинах.
По литературным данным, при обжиге сульфидных материалов удельная производительность обычных ленточных агломерационных машин по агломерату колеблется в весьма широких пределах — от 3,5 до 18 т/сутки на 1 м2 площади всасывания машины. Основная причина таких больших колебаний производительности объясняется тем, что свойства и характер перерабатываемого сырья различны. Известное влияние оказывает также режим процесса и качество обслуживания машин.
При переработке бедных серой свинцовых концентратов с 65—70% свинца суточная производительность агломерационных машин достигает 12—15 т/м2, в то время как при обжиге концентратов, содержащих 25—28% серы и не более 45% свинца, производительность снижается до 4—5 т/м2*сутки.
Влияние серы на производительность агломерационных машин видно из того, что при снижении содержания свинца в концентрате с 75 до 43%, т. е. в 1,7 раза, количество выжигаемой серы на 1 т свинца возрастает в 3,5 раза.
Удельная производительность машин по выжигаемой сере, как показывают результаты заводской практики, колеблется в пределах 0,7—1,2 т/м2*сутки и мало зависит от схемы обжига. Для большинства заводов удельные производительности этих машин колеблются от 0,9 до 1,1 т/м2*сутки.
Инженер М.А. Черняк предложил удельную производительность агломерационных машин по выжигаемой сере назвать напряженностью их колосниковой решетки (по аналогии со сжиганием углеродистого топлива). Обозначив ее через N, получим следующую формулу для определения возможной предельной производительности агломерационных машин по годному агломерату:
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

где Q — удельная производительность агломерационных машин по годному агломерату, т/м2*сутки,
а — содержание серы в сырье, %;
k — расход флюсов, % от сырья,
f — выход годного агломерата, % от первичной шихты;
с — содержание серы в агломерате, %.
При известном содержании серы в исходной шихте равном, например, С, формула получает вид
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Определяя удельную производительность агломерационных машин как обычных транспортеров, получаем
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

где F — площадь машины, м2;
b — ширина ленты, м;
h — высота слоя шихты, м;
γ — насыпной вес шихты, т/м3;
v — скорость движения ленты, м/мин.
Из равенства видно, что высота слоя шихты и скорость движения палет — величины взаимозависимые и
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Величину N при двойном обжиге следует относить ко всей площади всасывания на обеих ступенях.
Необходимо, чтобы величина N была не менее 0,8—0,85. В противном случае процесс идет вяло, при низкой температуре и дает плохие результаты.
Агломерация свинцовой шихты — это процесс интенсивного сжигания топлива (серы) с низкой теплотворной способностью (около 600 кал/кг концентрата) и с низким содержанием горючего. Поэтому сжигание должно протекать в идеальных условиях.
Обычная степень десульфуризация при агломерирующем обжиге составляет 65—70% и в редких случаях поднимается до 75%. Для достижения такой десульфуризации процесс ведут с большим избытком воздуха. При обычно используемых для агломерационных машин эксгаустерах с производительностью 60—70 м3*мин/м2 площади всасывания горение протекает при 10—15-кратном избытке воздуха сверх теоретического (за счет подсосов этот избыток много меньше).
Интенсивность горения зависит от пористости шихты, которая определяется качеством и количеством материалов, добавляемых к концентрату перед обжигом.
Флюсы, измельченные до частиц размером мельче 6 мм, повышают пористость шихты, однако недостаточно.
Компонентом, обеспечивающим нужную пористость шихты, служит оборотная агломерационная мелочь с частицами от +2 до 8/10 мм. Наличие более мелких и более крупных частиц в оборотном агломерате ухудшает качество шихты, поэтому подготовка оборотного агломерата с определенной гранулометрической характеристикой является одной из важнейших задач всего процесса агломерирующего обжига.
От пористости шихты зависит не только интенсивность горения или производительность процесса агломерации, но и качество получаемого агломерата.
Наилучшей газопроницаемостью шихты следует считать ту, которая по своему численному значению (м3/мин на 1 м2 площади всасывания машины) близка к производительности эксгаустера. Такую газопроницаемость шихта получают в том случае, если частицы — 2 мм составляют в ней не более 30—35%, а частицы +2/8 мм —65/70%.
Из сказанного вытекает, что необходимо тщательно контролировать подготовку оборотного агломерата и отсеивать от него перед дроблением мелкие фракции, подвергая их последующему окатыванию. Составляя шихту, надо выдерживать не только определенное содержание в ней серы, но и оптимальное соотношение между мелкими и крупными составляющими. Почти таким же важным фактором подготовки шихты является правильное ее увлажнение.
Кратность обжига определяется величиной отношения всей серы, выжигаемой из первичной шихты, к количеству серы, выжигаемой из всей шихты (включая оборот) в одну стадию:
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

где k — кратность обжига первичной шихты;
с —содержание серы в первичной шихте, %;
b — содержание серы в общей шихте, %;
е — содержание серы в агломерате, %.
Агломерация протекает при температурах, лежащих в области размягчения отдельных составляющих шихты; спекание происходит в результате слипания частиц шихты при размягчении их поверхности или при смачивании их легкоплавкими соединениями.
Тепло, необходимое для процесса обжига и спекания сульфидных концентратов, получается от горения сульфидов металлов.
Тепловой баланс процесса складывается из тепла, получаемого от экзотермических процессов, и тепла, расходуемого на нагрев всей маcсы шихты, за минусом тепла эндотермических процессов.
Обжиг состоит из четырех стадий: удаления влаги, воспламенения сульфидов, экзотермических процессов, эндотермических процессов.
По расчету, при обжиге концентрата, содержащего 25% S, при расходе флюсов около 50% и N = 1,0 т/м2 в сутки примерный тепловой баланс, %, складывается следующим образом:
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Чтобы обжиг и спекание в слое шихты на ленте агломерационной машины протекали правильно, необходимы определенные значения вертикальных скоростей отдельных стадий агломерирующего обжига, а также определенный состав шихты и определенная пористость ее. Скорость испарения должна быть больше скорости воспламенения, а скорость воспламенения должна лишь незначительно превышать скорость горения Скорость эндотермических процессов должна быть больше скороссти экзотермических.
Практически вертикальная скорость агломерирующего обжига составляет 15—30 мм/мин; температура отходящих газов не превышает 140—170°.
Одноступенчатый обжиг сопровождается высоким выходом оборотного агломерата, доля которого в шихте агломашин достигает 60—70%. Для дробления грохочения и транспортирования оборотного агломерата создаются специальные отделения — «узлы оборота».
Получаемый оборотный агломерат имеет высокую температуру, абразивен, пылит и создает неблагоприятные условия труда и эксплуатации механизмов. Для снижения температуры оборотный агломерат на многих заводах обильно смачивают водой в бункерах, на питателях и транспортерах. При смачивании происходит парообразование, повышается из за растрескивания и быстрого высыхания пылеобразование, что способствует, особенно в зимнее время, образованию тумана в помещениях «узла оборотов».
В присутствии паров воды сернистый газ вызывает интенсивную коррозию оборудования и металлоконструкций, а от избытка воды образуется грязь в цехе. Узел оборотов — один из профессионально вредных на свинцовом заводе.
Для устранения перечисленных трудностей на некоторых заводах черной металлургии под колосниковым грохотом агломерационной машины устанавливают ступенчатый бункер (рис. 6) с отсосом из него паро-воздушной запыленной смеси. Однако от этого не исчезло парение мелочи на ленточных транспортерах и заметно увеличилась громоздкость всей установки.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Агломерационную мелочь пытались охлаждать в охлаждаемых водой барабанных холодильниках и в заполненных водой зумпфах, однако эти методы имеют крупные недостатки. Известный интерес представляет конструкция аппарата, предложенная для этой цели инж А.М. Ломовым и изображенная на рис. 7.
Подобная установка, запроектированная для одного из свинцовых заводов, рассчитана на охлаждение 200 т в сутки мелочи с 450 до 45° при расходе 20000 м3/час воздуха, нагреваемого до 130°. Время пребывания мелочи в аппарате 25 мин., сопротивление слоя 75 мм вод. ст.
На Усть-Каменогорском заводе освоен применяемый на заводе Эвоимаут охладитель, построенный по принципу тарельчатого питателя. Падающий на вращающийся стол агломерат перемещается от периферии к центру, охлаждаясь водой. Пары и пыль осаждаются в мокром скруббере, шлам направляется в шихту, вода — вновь на смачивание.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Опыт ряда иностранных заводов показывает, что при тщательной подготовке шихты, обеспечивающей необходимую ее пористость, можно получить достаточно охлажденный агломерат на палетах машины, не применяя какие-либо дополнительные устройства для этой цели.
За последнее десятилетие процесс обжига свинцовых концентратов совершенствуется главным образом в следующих направлениях: увеличиваются размеры агломерационных машин и тщательнее подготавливается шихта, а также переходят на дутье снизу вверх.
На заводе Трейл (Канада, 220 тыс. г свинца в год) четырнадцать машин шириной 1067 мм заменено тремя машинами шириной 3048 мм. Такие же машины установлены на заводе Порт-Пири (Австралия, производительность 225 тыс. т свинца в год).
Характеристика агломерационных машин некоторых заводов приведена в табл. 2.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Почти на всех заводах головная часть машины, где производится загрузка и зажигание шихты, и хвостовая, где разгружается агломерат, плотно укрыты кожухами, что исключает попадание в цех газов. На заводе Порт-Пири укрыта и средняя часть машины, но на заводе Реншер она открыта (рис. 8).
На заводе Трейл поддоны камер всасывания заполнены водой, служащей гидравлическим затвором и охлаждающей мелкие частицы агломерата и свинцовые гранулы, проваливающиеся через решетки налет (рис. 9)
Схема движения материалов при двухступенчатом обжиге на заводе Порт-Пири приведена на рис. 10.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Сырая шихта подается на смесительные столы 1 и 3 агломерационных машин предварительного и окончательного обжига соответственно в количестве 70 и 30%. К сырой шихте на столе 1 добавляется меньшая часть продукта первого обжига, большая же часть его поступает на окончательный обжиг. Предварительно продукт !первого обжига измельчают, увлажняют и смешивают со свинцовым кеком на столе 2, а также смешивают на столе 3 с упомянутыми выше 30% сырой шихты и 1—2% мелкого кокса.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Повышению концентрации SO2 в газах от агломерации с каждым годом придается все большее значение, так как газы используют для производства серной кислоты. В настоящее время их утилизируют на заводах Трейл, Порт-Пири и Бункер-Хилл.
Повышение концентрации SO2 в газах на существующих машинах достижимо либо в результате оборота газов (циркуляции), либо путем секционного отбора части их из первых двух-трех камер всасывания.
Оборот газов требует довольно сложных сооружений, подверженных сильной коррозии (рис. 11). Коэффициент использования серы при циркуляции газов достигает 80% от содержания ее в концентрате. Надо полагать, что применение этого способа влечет за собой некоторое понижение производительности агломерационных машин, так как для обжига используются газы, содержащие значительное количество SO2. Отбор части газов из первых камер аппаратурно более прост, однако степень использования серы при этом способе, очевидно, не будет превышать 70—75%.
На заводе Порт-Пири работает агломашина с дутьем снизу вверх длиной 29,7 м и шириной 3 м. Она снабжена девятью камерами размером 3x3 м с общей полезной (площадью спекания 91 м2 (без учета площади над вакуум-камерой на участке зажигательного горна). Первая камера с дутьем снизу вверх расположена за воронкой, подающей питание в обжиговую часть машины.
Машина укрыта колпаком, под которым собираются газы, прошедшие через обжигаемый слой. Палеты имеют резиновое уплотнение (рис. 12) со стороны камер и колпака. Пройдя разгрузочный конец машины, палеты входят в зацепление с концевым звездчатым барабаном, регулирующим скорость их движения Расстояние между палетами перед поворотом 1,06 м, так что при ударах возникают усилия, достаточные для полной очистки палет.
Шихта загружается по всей ширине машины челночным питателем, затем проходит через грохот; мелкая ее часть ссыпается в воронку зажигательной части, а крупная — в воронку основного слоя.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

На свинцовом заводе «Штольбергер цинк» производительностью 50 тыс. т свинца в год имеется одна ленточная агломерационная машина фирмы Лурги, работающая с дутьем снизу.
Машина площадью 28,5 м2 при ширине палет 1500 мм имеет пять воздушных камер, из которых одна, расположенная ниже зажигательного горна, работает под разрежением, а остальные четыре — под давлением. Общая длина воздушных камер машины составляет 19,0 м; суточная производительность — около 400 т годного агломерата с содержанием около 42% свинца, количество перерабатываемой шихты 800 г в сутки. Крупность оборотного агломерата до 8 мм при содержании в нем серы около 1,9%,
Для зажигания шихты на решетку налет перед зажигательным горном загружают 30-мм слой оборотного агломерата крупностью 8— 15 мм. Этот слой разогревается при прохождении под горном до 1000° и поджигает загружаемый на него слой шихты толщиной 150 мм.
Палеты движутся со скоростью 1,2—1,3 м/мин; удельная производительность машины составляет в среднем 14—15 т/м2 годного агломерата в сутки, максимальная 17 т/м2.
Обжиг и агломерация свинцовых концентратов

Машина сверху укрыта стальным сварным колпаком, в котором поддерживается разрежение 1 мм вод. ст. Газы для обогащения сернистым ангидридом пропускают через машины два раза, для чего служат четыре вентилятора производительностью 100—400 м2/мин с напором 200—400 мм вод. ст.
Схема подачи дутья и рециркуляция газов приведена на рис. 13. Грубая очистка газов, содержащих 4,5% SO2, от пыли производится в циклонах, установленных перед вентиляторами.
Агломерат с хвостовой части машины поступает в одновалковую дробилку, после чего подвергают грохочению на четыре класса класс +25 мм поступает в плавку, класс —8 мм возвращается в шихту спекания, классы +8—15 мм служат постелью и для зажигания, а класс крутостью 20/15 мм измельчается и возвращается в шихту спекания.
На заводе Эвонмаут (Англия) свинцово цинковая шихта для шахт ной плавки спекается при подаче дутья снизу на агломашине с десятью камерами общей площадью 40 м2. При этом газы, просасываемые сверху через последние пять камер, подаются в первые пять камер снизу и отводятся из прикрывающего их колпака на сернокислотный завод.
Выше зажигательной печи расположена воронка, поворачивающаяся вдоль печи на 7 сек в заднее положение, при котором она подает материал на тонкий зажигаемый слой, и на 45 сек. — в переднее положение, при котором подается основной материал (рис. 14).
При спекании с дутьем снизу улучшаются условия службы колосников, агломерат к ним не припекается, но при таком спекании не повышается производительность и не получаются более насыщенные SO2 газы, чем на машине, работающей с рециркуляцией газов.