Агломерациялық күйдірудің теорялық негізі

  Я  Язовай  құрған Рb – S – O жүйесінің  потенциальдық диаграммасын қарастырайық. Рb – S – O жүйесінде 1200 ⁰С – да  және  мәні  әр түрлі болған кезде бірнеше фазаның берік болуы мүмкін. Бастапқы  материал – қорғасын  сульфиді РbS  Тотығу  процесі  кезінде оны металға өткізу  жағдайын анықтайық.

   Потенциалдық диаграммалардың   есептеулері жүргізілген ең  маңызды   реакциялар келесілер:

[РbS] + 3/2О₂  = (РbS) + SО₂ ;

2(РbО) + [РbS] = [Рb] + SО₂

[РbS] + (РbSО₄) = 2[Рb] + 2SО₂ ;

(РbО) = [Рb] + ½ О₂ ;

2(РbО) + SО₃ = (РbSО₄ · РbО) ;

SО₂ = ½ S₂ + О₂

  Суретте  жүйенің потенциалдық диаграммасы  көрсетілген. Барлық параметаллургиялық  процестер ашық аппараттарда  жүргізеді, сондықтан есептеулерде  сыртқы қысымның әсері  ескерілмейді.

  Берілген  температурада РbS  фазасының тұрақтылық аймағы  диаграмманың оң жазықтығында  орналасқан, ол = 10^-2  ÷ 10^-1 Па  және  = 10^-2 ÷ 10^-4 Па ординатасымен шектелген. Агломерация өнімнің соңғы қосылысы РbО. Бұл аймақ PO₂=10^-2/10^-4 ж\е Ps₂=10^-17/10^-3Па ординаталарымен шектелген. Диаграмманың төменгі сол жақ бөлігі қорғасындыкі, бұл жағдайда газдық фазаның құрамы үлкен аралықта өзгеруі мүмкін.

   Потенциялдық диягырамманың геометриялық  сызықтары процес жүріуіне қосымша  мәлімет береді. Мысалы; агломерация аймағынан шихталық балқыту аймағына өтіуін жүйенің тотықтырғыш потенциялы ның төмендеуімен жүруі қажет: оған келесі теңдік жауап береді.

          PbO+CO=Pb+CO₂

  Бұл жағдайда CO₂=CO+1/2O₂ реакциясы нәтижесінде жүйенің өзгереді, бірақ тепе – теңдік  константасына енбейді.

  Термодинамикалық  талдау  қорғасын  металлургиясындағы  автогендік  процестің жүруінің  екі  жолын анықтады.

   Оптималды  режимді  таңдау  үшін екі мәнге  бір – бірімен  қалай  үйлесетінін білу қажет: қорғасындағы күкірт мөлшері және  шлактағы қорғасын мөлшері. Автогендік балқыту кезінде  қорғасынның шлакта еруі жоғары. Бұл жағдайда  құрамында 3% - S бар металл ала отырып, қорғасынның шлактағы мөлшерін 5% - дан төмен түсіре алмайды. Мұндай  шлак  кедейлендіруді қажет етеді. Тотықтырғыш автогендік балқытудан кейін шлак  тотықсыздандырғыш шекараға  жіберіледі, ол сол немесе  басқа  агрегатта орналасады.

  Балқытудың  оптималды  режимін таңдау  үшін қорғасынның айдындығы  аз өткізуін қарастыру қажет. Қорғасын айдындығы атомдық пішінде, с.қ. РbS және РbО түрінде өтеді. Айдындығы өтетін әр түрлі пішіндегі қорғасынның    тәуелділік  диаграммасы келесі суретке көрсетілген (1200⁰С t – да)

   Суретте  көргеніміздей жоғары болған кезде айдындыдағы қорғасын аталығымен  сульфид түрінде болады. төмендеген кезде атомдық қорғасынның мөлшері көбейеді, ол = 1 · 10 ^-1 па болғанда 50% - ға  жетеді.  Оттегінің парциалдық қысымы РbО айдалуына қатты әсер етеді. Бірақ оның өзінде де  = 1 · 10^-1 Па болғанда айдындағы РbО мөлшері 15% - дан аспайды.

   Жүйеге  әсері айдындағы Рb өткізудің  анықтаушысы болып табылады. Күкірттің қысымын төмендету (lg = 3,5 ÷ -6) Рb мөлшерін 4 – 5 есе азайтады.

   Талдау көрсеткендей кез –  келген жағдайда шлакты кедейлендіру  қажет.

 Қорғасынды  автогенді балқыту  процесіндегі  РbS-тің  РbО мен  әсерлесу  жылдамдығы өте жоғары. Шлактың балқымадағы  РbS пен РbО әсерлесуі 10  минутта  аяқталуы мүмкін. Бұл жағдайда 1200⁰С – да Рb 50% металға өтеді. 

Фьюмингті процесс технологиясы 

  Фьюмингті  пеш толығымен  кессондалған. Пештің табанының кессоны және  қабырғалары шойыннан құйылған, ал қалғаны – болаттан. Тиеу  терезесі 3 – 3  м биіктікте   орналасқан, пештің  жалпы биіктігі 6 – 8м фьюмингті пештің өнімділігін төмендетпей көне қалдықты қатты шлактың 10 - 15% өңдеуге болады. Грануланонған  қатты шлакты пешке  оның жұмысы  кезінде  тиеледі. Тиейтін және шығаратын саңылауларды сулы  суытқышта  шибермен бітейді. Әр бір кессон сумен бөлек қамтылған.

   (Пештің фурма)  шаң  қоспалы  көмірді ауамен бірге беруге  арналған пеш  фурмасының конструкциясы конвертр  фурмасының конструкциясына ұқсайды. Ол шойыннан жасалған және екі  шығару  саңылауы бар:  шаңды  көмірлі ауа қоспасы үшін  және  екіншілікті ауа үшін.

  Құрамында  мырышы бар шлакты  фьюмингілеу процесінің бір ерекшелігі бар. Шығатын шаңды газ қоспасының температурасы (t ≈ 1300⁰С)  балқыма температурасынан 100⁰С – ға  артық. Бұл келесі жағдайға байланысты 20% - ға дейін шаң көмірді  (қолданған кезде) тиеген кезде  газ ағымы арқылы ауамен балқымамен әсерлесіп үлгермей балқыма массасына өтіп кетеді.

   Қосымша  жылуды тотықсызданған  мырыш металынан жағу арқылы  алады, оның балқу  температурасы  төмен (419,5⁰С), ал мырыш тотығынікі жоғары (1975⁰С).  Фьюмингті пештен сүзгішке  дейін газдық қоспаның температурасы 1300⁰С – дан 130⁰С – ға  дейін төмендейді. Сұйық  мырышты  бөлек  конденсациялау барлық жүйенің жұмысына  кері әсерін  тигізеді, сондықтан металдық мырышты тотықтыру қажет.

  Шлакты  фьюмингілеудің периодтық процесі  пешке  шлакты  тиеуден басталады. Шлакты  кран арқылы  құяды. Пешке  түсетін  шлак салқындатылған күйінде  түседі. Сондықтан алғашқы  5 – 10 мин  шлакты        көміртекті отынды  жағу арқылы 1200 – 1300⁰С – ға  дейін қыздырады. Пешті  қыздырғаннан кейін  тотықсыздандырғыш режим басталады. Бұл периодтық операция үшін үрлеу уақыты 90 – 150 минут. Фьюмингілеу кезінде мырышты  бөлуді 100%-ға  дейін  жеткізуге болады , бірақ айдау процесінің жылдамдығы  шлактағы мырыш концентрациясы  төмендеуімен азаяды. Бұл процестің экономикалық көрсеткішін нашарлатады.

   Шаңды қоспалы газ суыту немесе  шаң аулағыш жүйелері арқылы  өтеді. Ыссы газдарды  суыту  үшін әр түрлі  утилизаторлар  қолданылады. Кез келген утилизаторларда   бағасы  фьюмингті  пештің бағасынан   жоғары.

  Температурасы  300⁰С  газдар  экономайзер арқылы өтеді, ол фьюмингті пешке берілетін ауаны  қыздыруға арналған. Қорғасын өндірісіндегі  фьюмингті құрамының утилизаторлары ауыр жағдайда  жұмыс істейді, ол газда температурасының  жоғары болуына, газдың ағымының коррозиялық (беріктігіне) белсенділігіне байланысты.

   Экономайзерден өткеннен соң   шаң газды қоспа түтін сорғышқа  түседі, онда қажет жағдайға дейін  салқын  ауаны  сору арқылы  газ  температурасын төмендетеді  және  сүзгілеуге жібереді. Шаңданға  газ  құбыр арқылы  автоматты түрде сілкілеу нәтижесінде авр сүзгіштің  төменгі бөлігіне түседі, ол жақта  сүзгіш мата арқылы  сүзгілейді. Одан соң  газ клапан арқылы өтіп, вентилятор арқылы сорылып атмосфераға шығарылады. Әр бір 5 – 10 мин сайын сүзгіштің бір секциясы сөндіріледі газдық ағымға  қарсы бағытта арнайы механизм арқылы  қысыммен ауа беріледі.

   Шахталық пештің шлагынан  мырышты фьюмингті әдіспен бөлу  өндірістік қажеттіліктерді қамтамасыз етеді. Процестің кемшіліктері: құрамында  көміртегі  бар материалдық көп шығындалуы, шаң газды тазарту аппараттарына капиталдық шығынның көп болуы, айдындының жоғары емес сапалылығы.

   Фьюмингті процесті  келесі жолдармен  интенсификациялауға болады. Үрленетін  ауаны  оттегімен байыту арқылы. 
 
 
 
 
 
 
 

Қорғасын  агломератын шахталық балқытудың жалпы  заңдылықтары 

    Шахталық балқыту – қорғасын агломератынан черновой қорғасын алуға арналған. Агломераттағы  қорғасын  мен мыстың негізгі  массасы  тотық түрінде  болады. Соны мен қатар  агломератта  негізгі  оксид түрінде  темір мен мырыш болады. Тотықтан металды бөлудің ең қарапайым әдісі – оларды  көміртекті  тотықсыздандырғыштар мен тотықсыздандыру. Бірақ бұл процесс селективтілігімен ерекшеленуі қажет. Қорғасын мен мыс металға дейін тотықсыздануы қажет, ал  феррофранклинит құрамына кіретін магнетит – темір тотығына (ІІ) дейін. Соңғы  жағдай металдың шлакпен жоғалтылуын төмендету үшін қажет. Сонымен бірге темір  тотығының металға дейін  тотықсыздануын  болдырмау қажет. Бұл металдық темірдің балқу температурасы  1535⁰С болуына байланысты, яғни бұл шахталық пештің  ошағындағы температурадан жоғары.

   Практикада металдық темір түзілгенде  жоғары тотықсыздандырғыш атмосфера  түзілуі  нәтижесінде  технологиялық  режим түзіледі. Осының салдарынан  шахталық пештің ошағында  олар  қатты күйінде  қатып қалады.

   Қорғасын агломератын қарапайым шахталық  балқыту  кезінде  мырыш тотығады  шлакта  жиналуы қажет. Шлактағы ZnO мөлшері 27% (масса бойынша) құрайды, осыған байланысты  шлакты  одан мырышты бөлу үшін арнайы өңдеуге жібереді.

   Тотықтарды шахталық пеште   селективті тотықсыздандыру процесін жүзеге асыру  қиын емес, бұл қарастырылатын элементтердің оттегіге ұқсастығының үлкен айырмашылығына байланысты.

   Егер шихта құрамында мыс мөлшері  көп болса, балқыту кезінде  Черновой қорғасын және  шлактан  басқа тағы да  сұйық өнім  – полиметалдық штейн алынады. Бірақ полиметалдық штейнді алмауға болады, оны барлық мысты черновой қорғасынға  өткізу арқылы  жүзеге асырылады . 950⁰С – да сұйық қорғасында 10% сл ериді. Бірақ температура төмендеген кезде (700⁰С – да) мыстың қорғасында еруі бірден төмендейді. Пеш ошағында және әсіресе сифонда осы  температуралар аралығында  төмендейді бұл қорғасынның мыстағы  қатты  ерітіндісі түзілуіне әкеледі. Осының салдарынан ошақ бүлінеді және сифонды бітеп тастайды.

   Черновой қорғасынның 90% шихталық  пеште балқыту арқылы алады. Шихталық тотықсыздандырып балқыту процесінің жалпы схемасы келесідей. Тиелетін негізгі материал – агломерат. Отын және тотықсыздандырғыш ретінде (бір уақытта) пешке  тиелетін кокс  қолданылады. Флюсті негізінен  пешке тиемейді оларды агломерация кезінде  шихтаға енгізеді. Сонымен қатар қайтарма материалдарда тиелуі мүмкін фурма арқылы  шихталық пешке ауа үрленеді, бұл кокстың жануына қажет. Көптеген заводтарда 24 - 30% оттегімен байытылған ауа қолданылады.

  Балқыту  өнімі – черновой  қорғасын, ал тазалауға бағытталады. Кейбір заводтарда  қорғасынмен бірге  полиметалдық штейн алынады. Сонымен қатар қажет емес сұйық өнімі (шпейза) кейде балқыту кезінде алынатын шпейза, бұл мышьяктың, суроманың, темірдің, қорғасынның, мыстың, және т.б. металдардың күрделі ерітіндісі. Шпейза жоғары балқу  температурасына, жоғары тығыздыққа ие. Оның қабаты фазалардың бөлінуін кедергілеп қорғасын мен шлактың ортасында орналасқан. Шпейза құрамында кейбір асыл металдар болады. Тотықты қосылыстар құрамында  мырышы бар шлакта концентрацияланады, ол ары қарай мырышты бөлуге арнайы өңдеуге жібереді. Шаңданған пеш газдары шаң аулағыш құрылғы арқылы өтеді және ары қарай атмосфераға шығарылады. Ірі шаңдарда  агломерация шихтасына қайтарылады, ал ұсақтарын кадмий немесе сирек металдар өндірісіне жіберіледі. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Черновой  қорғасынды электрлік  тазалау  

    Черновой қорғасынды  пираметаллургиялық  тазалау әдісінен басқа электрлік  тазалау әдісі қолданылады. Бұл  әдісті  1901 жылы Беттсом  ұсынды. Ол электролит есебінде  кремнофторлы сутекті  қорғасынды  қолданды. Бұл реагенттердің бағасы  күкірт қышқылыныкінен өте жоғары. Бірақ күкіртқылды қорғасын H₂SO₄ – тің сулы  ерітіндісінде ерімейді, бұл оны қорғасынды  электролиз  процесінде  қолдануға мүмкіндік бермейді.

   Қорғасынды электрлік  тазалау процесінің (электро) әр түрлі қуатта  электродтар потенциялының ерекшелігіне негізделген. Қорғасында  бұл өлшем – 0,13В, қалайыда – 0,14В, сүрмеде + 0,15В, мышьякта  +0,25В. Бірақ сүрме мен мышьяк  кремнофторлы электролитте ерімейді. Черновой  қорғасынның анодтық еруі кезінде (тек қана) катодты тек қана қалай  ластайды, сондықтан оны  алдын – ала белгілі әдістермен бөледі. Анод ретінде  массасы 200кг Черновой  қорғасынның пластикалар, ал катод ретінде  қалыңдығы 1мм тазартылған қорғасын қолданылады.

  Қорғасынды  электролиздеудің негізгі  реакциясы  келесілер: анодтық процесс: Рb  – 2е = Рb²⁺;  катодтық процесс: Рb²⁺ + 2е = Рb:

  Технологиялық  режим  бұзылған кезде ток  бойынша  шығуын төмендететін  келесідей  реакция жүруі мүмкін:  2Н⁺ + 2е = Н₂ және т.б.

   Электролит құрамына  Н₂SIF₆ (8 - 10%) және Рb SIF₆ (6 - 8% Рb) сулы ерітіндісі кіреді. Ток тығыздығы 160 – 180 А/м^2, ток бойынша шығуы 90 - 96%, ваннадағы қуат – 0,4 – 0,7. Электролит температурасын 40 – 50⁰С – да ұстайды. Температураны көтеру қажет емес, себебі кремнефторлы сутек қышқылының ыдырауына әкелуі мүмкін.

   Құрамында 12 - 20% Рb, 4 – 5% Аg, 6 –  15%Cu, 30% Cb және  10%As бар шлак анодта тұнады. 3 – 6 тәуліктен кейін анодты тазалап, арнайы өңдеуге жібереді.

  Қорғасынды тазалау процесінің даму  перспективасы. Процесті дамытудағы бағытталған бірден – бір әдіс, Черновой  қорғасынды үздіксіз тазалау процесі «Гинцветнет»  интиту мен шымкент қорғасын заводымен бірге ірі өндірістік құрылғыда  қорғасынды  пирометаллургиялық тазалауды  үздіксіз режимде  тәжірибелер жүргізілді.

   Шымкент қорғасын заводының үздіксіз  режимге ауысса қорғасынды бөлу 97%-ға  жоғарылатады. Өндірістік өнімдерді  өңдегенде  қорғасынның жоғалтылуы 1%,  вимутты бөлу 4 - 5% , асыл металдарды  бөлу 1% товарлы қорғасынның сапасын жоғарлатады, жұмыс өнімділігін 1,5 – 2 есе жоғарлатады. Есептеулер бойынша  барлық реагенттен, отындар және электр энергия шығынын төмендетеді. Зерттеулер өндірістік өнімдердің құрамын анықтауға  мүмкіндік береді.Алынған өндірістік өнімнің  сапасы  периодтық режимде  алынғаннан жоғары.