» » Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах
06.05.2015

Состав свинцового агломерата весьма сложен.
Основные его компоненты — свинец, цинк, железо и медь в различных соединениях с кислородом, серой и в виде силикатов, ферритов и др.; кроме того, в нем присутствуют соединения кальция, магния, алюминия, а также часто в небольших количествах металлы — спутники из группы младших, драгоценные и редкие металлы.
Загруженный в верхнюю часть печи агломерат с коксом, опускаясь, подвергается действию постепенно возрастающей температуры и восстановительных газов и, достигнув зоны плавления, преобразуется в жидкие продукты: металл, шлак, штейн, иногда шпейзу, стекающие в горн. По мере движения через печь химический состав и физическое состояние компонентов коренным образом изменяются.
Основными процессами плавки в шахтных печах являются восстановительные, которые можно выразить уравнением
MeO + С = Me + CO,

представляющим начальное и конечное состояние системы.
Степень взаимодействия в твердой фазе между окислами металлов и углеродом ограничивается поверхностью их соприкосновения; это взаимодействие протекает в условиях шахтной плавки в ограниченных пределах. Доминирующую роль играет реакция
MeО + CO = Me + CO2.

Образующаяся двуокись углерода реагирует с углеродом по реакции
CO2 +C = 2СО

и подлинный ход процесса восстановления окислов выражается суммой уравнений
MeO + CO = Me + CO2
CO2 + С = 2СО
MeO + С = Me + CO.

Такой точки зрения на механизм восстановления окислов придерживается в настоящее время большинство металлургов.
Скорость процессов восстановления определяется скоростью реакции между CO2 и С, которая обратима. Равновесие ее сдвигается с температурой и выражено кривой, приведенной на рис. 15 На этом рисунке показаны также равновесные кривые восстановления окислов свинца, цинка, железа и области концентраций окиси углерода, соответствующих свинцовой и доменной плавкам для печных газов, в которых сумма CO+CO2 принята равной 100%. Для свинцовой плавки эта область лежит в пределах концентраций 30—50% CO, для доменной 80—90% CO.
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Горячие газы, поднимаясь из области фурм в верхние горизонты печи, постепенно отдают свое тепло нисходящей шихте, охлаждаются, их состав изменяется и они становятся химически менее активны.
Состав колошниковых газов приведен ниже (по Ф.М. Лоскутову), %:
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Кокс, поступающий в область фурм, горит за счет кислорода дутья по реакции С+O2=CO2+97500 кал (для графита 94250 кал), а поднимающийся по шахте печи углекислый газ реагирует по реакции СО2 + С = 2СО - 41950 кал (для графита 38450 кал). Тепловой режим печи в значительной степени определяется степенью протекания обеих реакции.
Процессы восстановления окислов глубоко исследовались отечественными и зарубежными учеными. В отечественной литературе имеется две точки зрения на механизм процесса восстановления окислов.
Согласно теории академика А. Байкова, окислы являются системами, находящимися в диссоциированном состоянии, равновесном по отношению к внешним условиям. В зависимости от температуры диссоциация протекает по следующим трем уравнениям:
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Диссоциация может идти до тех пор, пока давление кислорода над окислом не сравняется с упругостью его диссоциации
Процесс восстановления протекает в две стадии. 1) диссоциация окисла с выделением кислорода и 2) соединение кислорода, полученного при диссоциации с восстановителем, т. е.
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Превращения протекают независимо друг от друга и общий результат реакции зависит от суммарного равновесия. Роль восстановителя, таким образом, сводится к поглощению свободного кислорода, выделяющегося при диссоциации окисла и смещающего равновесие в сторону образования свободного металла.
Упругости диссоциации окислов ничтожны, о чем можно судить по следующим данным:
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Исследования кинетики восстановления некоторых окислов показали, что скорость восстановления низших окислов железа и меди (Fe3O4, Cu2O) больше, чем высших (Fe2O3, CuO), а это противоречит теории А.Б. Байкова, поскольку упругость диссоциации первых окислов много выше, чем вторых.
Предложенная Г.И. Чуфаровым с сотрудниками адсорбционно-каталитическая теория исходит из трехстадиального восстановительного процесса:
1) адсорбция газа-восстановителя на поверхности окисла;
2) отрыв кислорода от окисла и переход его к адсорбированным молекулам восстановителя с образованием новой фазы;
3) десорбция продукта восстановления с реакционной поверхности.
Теоретические основы восстановительной плавки свинца в шахтных печах

Описанные реакции протекают автокаталитически в начальный период их скорость мала, что связано с трудностями формирования новой фазы, в период образования новой фазы восстановление идет интенсивно, в последний период, когда многочисленные реакционные зоны сливаются в одну с меньшей поверхностью, реакция замедляется.
Согласно описываемой теории, с окислом реагируют не все молекулы восстановителя, ударяющиеся о его поверхность, а только те, которые вступили с поверхностью во взаимодействие и с определенной закономерностью расположились на отдельных ее участках, в результате чего подверглись воздействию силового поля решетки и изменились по сравнению с обычными молекулами, находящимися в газовой фазе.
По адсорбционно-каталитической теории полнота и скорость восстановления содержащихся в агломерате окислов зависит от следующих факторов.
1) скорости подвода газа восстановителя и отвода газообразных продуктов реакции;
2) температуры процесса, с повышением которой скорость реакций возрастает;
3) крупности и пористости шихты, т. е. величины, реагирующей с газами поверхности агломерата.