I. Теоретическая часть

1.5. Процесс вельсивации цинковых кеков. Печь и ее устройство.
Цинковые кеки являются конечным продуктом технологии гидрометаллургической переработки сульфидного концентрата. Его выход зависит от качества исходного сырья. В богатых и чистых концентратах выход кека составляет 20-25%. От концентрата среднего качества отделяют 40-45% кека (от массы концентрата).
Ориентировочный состав цинковых кеков, %: 19 - 24 Zn; 5 - 12 Пб; 0,3 - 1,3 Cu; 0,1 - 0,2 сбн; 23 - 32 Fe; 5 - 10 С (в том числе 1,5 - 5,0 С); 10 - 12 SiO2; 0,4-3,2 СаО; 0,3-1,3 МgО; 0,5 - 1,0 Mn и 170 - 425 г/т Ag. Такое большое количество цинка в кеке объясняется образованием ферритов в процессе обжига. При использовании высокой летучести цинка, свинца и их соединений можно при определенных условиях перевести летучие объекты в твердую форму. Возгон в основном состоит из оксидов цинка и свинца, а остаток содержит клинкер. Среди прочих элементов клинкер содержит медь и редкие металлы. Этот вид восстановительно-ректификационного обжига называется прокатным методом, который широко применяется при переработке цинковых кеков.
Вельсевляция или вельс – процесс осуществляется во вращающейся трубчатой ​​печи при температуре 1000 – 12000 С. Высокотемпературное значение ограничено растворимостью твердого вещества, которое должно оставаться твердым на протяжении всего процесса.
Восстанавливающее вещество кокс входит в состав шлака. В первые минуты процесса протекают следующие реакции:
ZnSO4 + 2C = ZnS + 2 CO2
ZnO * Fe2O3 + FeO = ZnO + FeO * Fe2O3
Окисление CO в газовой фазе помогает поддерживать высокие температуры:
2 СО + О2 = 2 СО2 + Q
а пары цинка окисляются:
Газ Zn + 0,5 O2 = ZnO + Q
и выбрасывается в систему пылеулавливания газовым потоком.
В первой части печи происходит разделение почти полного сульфата цинка и частично феррита цинка. В результате увеличивается содержание сульфида и оксида цинка. Железо, цинк и свинец в виде феррита, магнетита и гематита обязательно присутствуют в лепешке, пришедшей на вельзев. Во второй половине печи это железо активно восстанавливается из оксидов и сульфидов до металлического состояния. В результате дополнительный цинк переходит из труднорегенерируемых веществ в летучую форму:
ZnS + Fe = FeS + газ Zn
(2ZnO * SiO2) + 2 Fe = (2 FeO * SiO2) + 2 Zn газ
ZnO + Fe = FeO + газ Zn
Таким образом, в конце процесса прокатки в реакционной массе печи восстанавливаются оксидная, сульфидная и силикатная формы цинка. Остаточное количество цинка в клинкере, %: 0,1 - 1,0%. В клинкере цинк встречается в следующих формах, %: сульфидная 45; силикат 17; алюминат-феррит 20; оксид 18.
Это помогает высвобождать железо и цинк во время сварки. Только при 11800 С (2 FeO * SiO2) - эвтектика FeO плавится и приводит к образованию твердого осадка. Кроме того, при карбонизации железа образуется передельный чугун, который превращается в зулдир крупного типа. Поэтому высокотемпературная зона 11500 С в скважинной печи должна быть как можно короче.
Свинец в кеке присутствует в следующих формах, %: сульфат 60 - 70; феррит 10 - 15; силикат 10 - 15; сульфид 5-10. При сварке сульфид и оксиды свинца испаряются и входят в состав свинца. В первой половине печи происходит интенсивное восстановление сульфата свинца до сульфида:
PbSO4 + 2C = PbS + 2 CO2
PbS частично улетучивается, а остальное образует с сульфидами меди и железа штейн. Часть сульфата отделяется и образует оксид:
PbSO4 = PbO + SO3
Соединения свинца могут соединяться вместе с образованием металлического свинца:
PbS + PbSO4 = 2Pb + 2SO2
PbS + 2 PbO = 3Pb + SO2
Металлический свинец не испаряется и накапливается в клинкере. Остаточное количество свинца в клинкере 0,5 - 0,8%. Образует в клинкере, %: металла 40; сульфид 29; алюминат 25; оксид и силикат 6. Медь, золото и серебро полностью включаются в клинкер при вельсевировании.‌‌
Прокатку осуществляют в трубчатой ​​печи длиной более 100 м. Его диаметр составляет 2 - 2,5 м. Топку располагают под углом 3-5 градусов по отношению к горизонту. Внутренняя поверхность печи облицована огнеупорным кирпичом.
Размер загружаемых в печь материалов должен быть 5-10 мм. Количество кокса в порошке составляет 35-45% от массы перерабатываемого вещества.
В печи твердое вещество перемешивается при вращении барабана со скоростью 1 м/мин и движется вниз от головки. Обычно твердое тело занимает 15-20% объема печи.
Выделяющиеся при сгорании газы охлаждаются и очищаются от пыли. Крупные частицы пыли механически отделяются и составляют 5-6% от общего количества пыли. Эта пыль улавливается и повторно загружается в роликовую печь. 60-70% цинка находится в мелких зернах. Они улавливаются фильтрами и перерабатываются самостоятельно. Разделение цинка на медь составляет 90-93%, а на свинец - 90%.
Относительная производительность печи составляет около 1 т шлака на 1 м рабочего объема в сутки.
Ориентировочное содержание клинкера, %: 0,9 - 6 Cu; 0,7 - 2 цинка; 0,5 - 1,5 свинца; 20 - 40 Fe; 15 - 20 С; 2 - 20 г/т Au; 50 - 200 г/т Ag.
Независимо от качества прокатываемого сырья, прокатную печь условно можно разделить на несколько зон.
Первая зона - подогрев и сушка шлака - длина прокатной печи 12-17 метров со стороны загрузки шлака. В этой зоне происходит потеря свободной и связанной влаги в виде гидратов, а твердое тело нагревается до температуры, при которой начинаются химические реакции.
Вторая зона - восстановление сульфатов - расположена с 17 по 25 м от печи. В этой зоне разлагается 94,3% сульфатов. Кроме того, в этой зоне испаряется 20-21% цинка. Около 30 % трехвалентного железа восстанавливается до двухвалентного состояния и 13 % до металлического состояния.
Третья зона – зона испарения цинка – располагается на расстоянии от 25 до 40 метров от печи. В этой зоне интенсивно восстанавливается оксид цинка и испаряется до 70% цинка. Опыты показывают, что интенсивность испарения цинка зависит не от концентрации цинка в инее, а в первую очередь от температуры инея.
Четвертая зона – зона клинкерообразования и располагается в 40-50 метрах от печи. В зоне клинкерообразования процессы испарения постепенно прекращаются, а восстановление Fe продолжается. В этой зоне около 70 % потребляемого О идет на сжигание С.

Рисунок 3. Деление валлийской печи на условные зоны

В зоне восстановления сульфатов наблюдается восстановление сульфата цинка в присутствии углерода. Процесс протекает по следующей реакции:

ZnSO4 + CO = ZnO + SO2 + CO2
Из приведенных примеров видно, что основная часть соединений цинка разлагается до оксида цинка, который возвращается в металлическое состояние при движении массы в печи.
Восстановление оксида цинка с помощью углерода
ZnO + C = Zn (пар) + CO
ZnO + CO = Zn(пар) + CO2
ZnO + Fe = FeO + Zn(пар)