Обжиг руд

Обжиг руд, прокаливание руд при t° ниже темп-ры их плавления, с целью изменения химич. состава, а именно: 1) удаления влаги, гидратной воды и углекислоты; 2) перевода низшей степени окисления металла в высшую; 3) удаления серы, а и сурьмы окислением их; 4) перевода окисных и сернистых соединений в хлористые (т. н. хлорирующий обжиг). Попутно достигается и другая цель—изменение физич. состояния руды. От нагревания и охлаждения она становится более пористой и трещиноватой, хрупкой, легко дробящейся на мелкие куски.

Наиболее простой является операция обжига бурого железняка для удаления воды, т. к. окисления при этом не происходит, но удаление углекислоты уже вызывает побочные химич. реакции, меняющие состав продукта разложения. Напр. обжиг сидеритов при доступе воздуха дает в продукте окись железа, образующуюся от окисления магнитной окиси железа как продукта разложения углежелезной соли по ур-иям:

3КеСОз ⁼ FC3O4 -г СО -Ь 2СОа,

2 Fe₃04 -f О=3 FC2O3.

Переход в окись обычно не бывает полным; сопровождающая углежелезную соль изоморфная соль марганца переходит только в окисел МП3О4. Обжиг магнитного железняка сопровождается и окислением серы, если приток воздуха регулируется правильно, и в печи устанавливается окислительная атмосфера. Происходящий при этом процесс довольно сложен, т. к. сернистое соединение железа (обычная вредная примесь руд) сопровождается сернистыми соединениями Си, Zn и иногда РЬ. Эти соединения теряют серу, окисляясь в окислы, но сера, переходя сначала в сернистый газ, превращается затем, под ка-

талитич. влиянием окислов металлов, в серный ангидрид, образующий с оки или закисями металлов сернокислые соли, которые всегда получаются как промежуточные продукты обжигания в нек-pofi части печи. В области наивысшей 1°, при опускании руды вниз в шахтных печах или при передвижении к топке в отражательных, сернокислые соли разлагаются на серный ангидрид и окисел металла. Эти последовательные стадии хода процесса окислительного обжига м. б. представлены так:

MeS4-0₃=Me0 4-S0₂,

S0₂ + 0 + (Ме0 или Si0₂)=S0₃4- (МеО или Si0₂), SOa + MeO^iMeSOj.

Серебро дает сернокислую соль. Сернистая ртуть дает не соль, а металл:

HgS4-0₂=S0₂4-Hg.

Из сернокислых металлов при наиболее низкой >° (500°) разлагается серножелезная •соль, за ней следуют соли меди (700°). цинка (760°) и серебра (925°); соль свинца не разлагается при t° обжига. Аналогичный процесс происходит и с овистыми соединениями при О. р. цветных металлов, содержащих наряду с серой: получается окисел металла и летучий овистый ангидрид (As₂0₃), часть которого переходит в высшую степень окисления (As₂0₅), образующую с оки металлов овистые соли, не разлагаемые при t° обжига. Т. о. полное удаление а при обжиге (без восстановителей) не достигается. Сурьмянистые соединения при обжиге дают соединения, аналогичные овистым, но окислы Sb₂0₃ и Sb₂0₅, соединяясь между собою, дают прочный окисел Sb0₂, неизвестный для овистых соединений.

Хлорирующий обжиг ведется в присутствии поваренной соли, которая дает“хлор и (с водяными парами) соляную к-ту для перевода в хлористые соединения окислов металлов и их сернистых соединений по ур-иям:

2NaCl + 2S0₃ =Na₂S0₄ + S0j + Cls

2NaCl 4- Si0₂ 4- О=a₂Si0₃ + С1₂2NaCl + S0₃ + H₂0=Na₂S0₄ 4-2HC1 2 NaCl 4- Si0₂ 4- H₂0=Na₂Si0₃ 4- 2HC1 Ag₂ 4- Cl₂=2 AgCl Au + Cl₃=AuCl₃Cu₂S 4- 2C1₂ + 0₃=2CuCl₂ 4- S0₃Cu₂S + 0₃ 4- 2 HC1=Cu₂Cl₂ 4· S0₂ 4* H₂0.

Во избежание сплавления О. p. ведется при довольно низкой <°, равной 600-у800°; для бурых железняков достаточна более низкая t° (400°), но ее трудно осуществить. Исключение составляет О. р. на дутье, сопряженный со спеканием,—в этом случае 1° достигает 1 000—1 100°.

О. р. ведется в печах (смотрите), размеры и конструкция которых отличаются крайним разнообразием, так как находятся в зависимости: 1)от целей, преследуемых обжигом,2)состояния, в каком находится руда (куски, мелкие зерна, порошок или пыль), 3) химического состава руды (степень окисления, содержание серы), 4) назначения газообразных продуктов обжига.

Удаление летучих веществ (Н₂0 и С0₂) может достигаться в простейших печах ко-стровых или же кучах; оно практикуется на рудниках, если вблизи их имеется лес и расстояние перевозки руды до заводт велико (перевозкабалласта слишком удорожает руду). В кучах обжигается и богатая серой руда (медная), если она кусковая. Шахтные печи применяются для окислительного обжига магнитных железняков и полиметаллич. руд, обходящихся часто без горючего (теплота дается выгорающей серой). Пламенные (отражательные) печи применяют для обжига порошковатой руды; в настоящее время уже сравнительно редко прибегают к обыкновенным печам этого типа с ручным передвижением материала: обычно ставят пламенные многоэтажные печи с механическим передвижением обжигаемой руды (печитипа Герресгофа и их видоизменения). Наконец, если применяются газообразные продукты обжига для производства серной кислоты (если в них не меньше 4% S0₂), то приходится прибегать к м у ф е л ь н ы м печам; они требуют порошковатой руды с не-спекающейся пустой породой.

Из сказанного вытекает, что результаты работы печей, в которых производится О р., должны быть крайне разнообразны как в отношении расхода горючего, так и производительности—абсолютной (в сутки) и по отношению к размерам печи (объёму шахтных печей и площади пода отражательных). Для сравнения приводится несколько примеров. При О. р. в кучах расходуется дров (в СССР) от 20 до 16% веса обжигаемой руды, если ведется удаление воды и углекислоты; богатые серой руды (12—30%) обжигаются без топлива как в кучах, так и в многоэтажных печах. Производительность обжига руд в кучах находится в зависимости от размеров кучи и от длительности операции: и то и другое меняется в значительных пределах (кучи медных руд обжигаются по нескольку месяцев, а бурых железняков—по нескольку дней). В шахтных печах обжигается 1 тонна железной руды в сутки на 2—3 ж⁵ вместимости печи при расходе каменноугольной и коксовой мелочи 4—5%. Размеры пламенных печей с обыкновенной топкой и перемешиванием вручную допускают выход сернистой руды 70-У140 килограмм в сутки на 1 м² площади пода при расходе каменного угля от 10 до 30% веса руды. В печах с механич. передвижением руды (типа Герресгофа) получается около 2% т на 1 м^г площади иода в сутки. В спекательных машинах системы Дуайт-Ллойда количество обжигаемой железной руды на 1 м¹ площади корыт в 4 раза больше, чем в печах; расход горючего—от 7 до 10% веса руды.

I. Обжиг железных руд. В настоящее время обжиг железных руд является довольно редкой операцией, применяемой к очень незначительному количеству некоторых руд— главн. обр. для удаления серы из магнитного железняка при одновременном окислении его для переплавки на древесном угле (Швеция, газовые печи Вестмана); в коксовых доменных почах магнитный железняк переплавляется без обжига. Шпатоватый лселезняк и сидериты обжигаются во избежание перевозки углекислоты (из Испании например в Англию); но вблизи месторождений эти руды частью поступают в печи сырыми (например з-д

Эйзепэрц у горы Эрцберг в Штирии). Очень <5едный 1сливлендский сидерит обжигается весь в целях уменьшения расхода горючего {обожженная руда имеет только 38% железа и дает до 1,7 шлака на единицу чугуна). Обжиг ведется в печах Джерса. м. Павлов.

0. р. цветных металлов. По характеру протекающих при О. р. химич.реакций и физич. изменений различают следующие разновидности обжига: диссоциирующий (кальцинация), восстановительный, окислительный, сульфатнзирующий, хлорирующий, обжиг •со спеканием, с улетучиванием и шлакующий. Отдельные виды обжига руд обыкновенно комбинируются в одном процессе друг с другом, поэтому резкой грани между ними провести невозможно.

О. р. диссоциирующий чаще всего носит название кальцинации, т. к. раньше всего он стал применяться для получения извести. Процесс заключается в разложении (диссоциации) при нагревании ряда минералов или веществ, имеющихся в обжигаемом материале. Чаще всего этим путем удаляют гидратную или кристаллизационную воду и углекислоту из карбонатов. При обработке окисленных цинковых руд, содержащих цинковый шпат (ZnC0₃), руды нагревают до t° порядка 500°, причем цинковый шпат разлагается согласно ур-ию ZnC0₃=

ZnO + C0₂. Обожженная руда затем поступает на дистилляцию. При подготовке боксита (А1₂0₃-2Н₂0) для последующего выщелачивания глинозема его обжигают при t° от 350—1 000° в зависимости от желаемой полноты дегидратации, причем боксит теряет 14—30% по весу воды (в зависимости от чистоты, влажности и полноты дегидратации). Одновременно идет окисление органич. примесей, обычно содержащихся в боксите. Водная окись алюминия—конечный продукт переработки боксита на глинозем—в таком виде непригодна для производства алюминия; поэтому она поступает в обжиг при t° порядка 1 500°: в результате этого получается безводный и негигроскопичный глинозем. Нагревание до 700—800° в нейтральной атмосфере руды, содержащей пирит, приводит к расщеплению его на магнитный колчедан и серу: 7 FeS₂ Fe₇S_a+GS. Полученный продукт м. б. подвергнут магнитному обогащению, причем отделяется магнитный сульфид железа. Такой процесс в свое время предполагалось поставить для обогащения •адонских и дзансульских руд. Обжиг этого рода для крупнокусковых материалов можно вести в к и л ь н а х—невысоких шахтных печах с колосниками того же типа, что применяются для обжига извести Более мелкий материал обычно обжигают во вращающихся печах, которые иногда также называют кильнами. В прежнее время обыкновенно такой обжиг производился в кучах или стойлах.

Восстановительный О. р. заключается в нагревании материала достаточно измельченного либо в восстановительной атмосфере, например генераторного газа, либо с примесью мелкого угля—штыба. Такой обжиг иногда применяется для окисленных медных руд, особенно содержащих медь в виде хризоколлы (CuSi0₃-2 Н₂0). Предвари тельная кальцинация освобождает руду от воды и углекислоты (из малахита и азурита). Затем руда нагревается в струе генераторного газа при 1° 1 000—1 200°. Хризоколла восстанавливается и при этом образуется металлическая медь:

CuSi0₃ 4* СО=Си 4- С0₂ 4- Si0₂. Аналогично восстанавливаются и другие окисленные соединения меди. Обожженная руда либо подвергается выщелачиванию аммиаком и углекислым аммонием либо флотируется. Более широко восстановительный обжиг применяется для извлечения цинка из убогих окисленных руд или иных цинксодержащих продуктов, как то: пыль, рей-мовка, шлаки, хвосты от выщелачивания и прочие В этом случае измельченный материал смешивается с угольным штыбом и нагревается примерно до 1 200°. При этой темп-ре цинк восстанавливается в толще шихты, испаряется и в газовой среде печи окисляется вновь в окись, увлекаемую из печи вместе с продуктами горения в пылеуловительные устройства:

ZnO + С=Zn + СО; Zn -f СОг=ZnO + СО. Одновременно с цинком улетучиваются свинец, кадмий и др. Такой О. р. обыкновенно проводится во вращающихся печах и в применении к ципксодержащим материалам носит название вельцевания.

Окислительный О. р. применяется чаще всего для подготовки сульфидных руд. Обыкновенно пирит, а также руды, богатые пиритом,могут окисляться почти нацело (намертво) в кусках 5—6 сантиметров в поперечнике. Для кускового пирита, медных, никелевых и других.руд, богатых сульфидами железа, а также штейнов применялся обжиг в кучах и стойлах. С развитием сернокислотного производства кусковый пирит стали обжигать в к и льнах; обожженный огарок при этом проваливается через колосники. Это давало возможность лучше использовать сернистый газ. Разновидностью обжига кусковых колчеданистых медных руд являлся обжиг на ядро. При обжиге кусков медь стягивается к середине кусков, образуя бо гатое ядро сульфидов и практически не содержащую меди оболочку, гл. обр. из окиси железа. Ядра отделялись вручную и поступали в плавку на медь. Обжиг пирита и богатых пиритом руд не требует затраты топлива и идет до конца, до полного (практически) удаления серы в виду высокой теплотворной способности сульфидов железа. При О. р. в стойлах или в кучах топливо требовалось лишь для разжигания руды. Другие сульфиды окисляются труднее и потому обжигаются всегда в измельченном виде (величина зерна 2—8 миллиметров и ниже). Так как теплота реакции окисления их меньше, то в обычных условиях они не могут обжигаться намертво без затраты горючего. Поэтому например цинковые концентраты, содержащие 30—35% серы, в этих условиях удается обжечь лишь до содержания серы 8—12%. Для окислительного обжига мелких руд в свое время были предложены и применялись обжигательные печи самых разнообразных конструкций. Грубо их можно разделить на два типа: печи с ручным перегребанием и печи механические. Первые сохранились еще до настоящего времени, так как при ква- I инфицированных рабочих они дают весьма хорошие результаты; типичной печью этого рода является печь Малетра. Типичными современными механич. печами, чаще всего применяемыми в практике, являются печи Веджа (смотрите Беджа печь) и Герресгофа. Окислительный обжиг применяется также для руд свинцовых, никелевых, молибденовых, овых, сурьмяных и прочие В последнее время у нас усиленно работают над проблемой О.р. во взвешен пом состоянии в применении к ряду сульфидных концентратов. Идея процесса заключается в утилизации теплоты горения сульфидов, которые во взвешенном состоянии распыливаются форсунками в пламенном пространстве печи и, интенсивно окисляясь, повышают темп ру настолько, что отдельные частицы начинают плавиться и дают в печи нормальные продукты плавки.

Сульфатизирующий О. р. Окисление сульфидов можно вести так, чтобы сульфатов данных металлов в продукте О.р. не было, или же наоборот, чтобы максимальное количество данного металла получилось в форме сульфата. В первом случае мы будем иметь окислительный О. р., во вторг м—сульфатизирующий. Хорошим примером суль-фатизи] ующего О. р. может служить старый процесс Цирфогеля для извлечения серебра из штейнов медной плавки. Штейны обжигаются при 1° > 750°. В этих условиях нацело разлагаются сульфаты железа и меди, сульфат же серебра остается неразложенным ивыщелачивается затем из обожженного материала горячей водой. Сульфатизирующий обжиг руд применим также для получения сернокислого цинка при обжиге цинковых концентратов. Раствор сернокислого цинка после выщелачивания обожженного продукта применяется как реагент при флотации или яю может быть применен на производство литопона.

Хлорирующий О.р. При обработке ных огарков с целью извлечения меди или при подготовке серебряных руд к выщелачиванию, а также в ряде других случаев, ценные составные части обрабатываемых материалов переводят в хлориды. При достаточно высокой (° образующиеся хлориды могут б. или м. полно улетучиваться. На этом основано много патентованных процессов извлечения металлов из руд. Но и при нормальном хлорирующем О. р. всегда имело место улетучивание части ценных металлов в виде хлоридов, которые должны быть уловлены из обжиговых газов. Как видно, хлорирующий обжиг руд тесно связан, с одной стороны, с обжигом окислительным и суль-фатнзирующим, с другой стороны, с обжигом с улетучиванием.

О. р“. со спеканием применяется в тех случаях, когда шихту необходимо агломерировать или же когда необходимо заставить два или большее число компонентов шихты прореагировать друг с другом в твердом состоянии. Агломерация может осуществляться путем нагревания шихты во вращающихся печах, в результате чего получается окатанный продукт, напоминающий по виду клинке]) цементных печей. В этом случае целью процесса является придание обжигаемому материалу формы, пригодной для загрузки в шахтные печи. Такой процесс применяется иногда для подготовки к плавке пыли шахтных печей. Обыкновенно-агломерация связывается с окислительным обжигом мелких сульфатов—концентратов. В этом случае пользуются обжигом с дутьем и. и с прос, сыванием воздуха через слой шихты, предварительно нагретой до воспламенения. Благодаря интенсивному притоку воздуха шихта быстро окисляется, а сера выгорает; 1° шихты быстро возрастает настолько, что частицы ее склеиваются образующимися в небольшом количестве легкоплавкими соединениями (силикатами) и дают прочный пористый агломерат. Для проведения обжига такого рода применяют чаще всего машины Дуайт-Ллойда. 11 режде широко пользовались котлами или решетами. Агломерирующий обжиг или обжиг с дутьем применяется для обжига мелких медных руд, пыли шахтных печей, цинковых, свинцовых концентратов, для спекания шихты перед плавкой в электропечах в процессе Кузнецова, Жуковского (извлечение глинозема из кремнистых бокситов) и т. д. В тех случаях, когда спекание имеет целью реакцию между твердыми компонентами шихты, обычно применяют вращающиеся печи. Примером может служить спекание шихты для получения алюмината натра при извлечении глинозема из бокситов. В этом случае обожженный боксит смешивают с содой и с известью и обжигают при 1° 1 000—1 200°. Известь образует силикат, а сода с окисью алюминия и окисью железа соответственно· алюминат и феррит. Сходный процесс спекания осуществляется при обработке вольфрамовых концентратов во вращающихся печах с содой. Продуктом О. р. является спекаюшийся продукт, состоящий гл. обр. из вольфрамовокислого натра.

О. р. с улетучиванием, как показывает само название, основан на свойствах нек-рых металлов и их соединений улетучиваться при нагревании. При вельцевании (восстановительный О. р.) наряду с цинком улетучиваются свинец, кадмий. При окислительном обжиге сульфидных руд происходит улетучивание цинка, кадмия, свинца, сурьмы, а и др., но обычно это имеет второстепенное значение. В противополож-ность этому весьма часто при обрабо гке овых и сурьмяных руд пользуются окислительным О. р., чтобы получить возможность отогнать образующиеся летучие окислы этих металлов (As₂0₃ и Sb₂0₃), которые затем улавливаются из газов, отходящих из печи; так. обр. получается обжиг с улетучиванием, в сочетании с окислительным обжигом. Примером О. р. с улетучиванием в чистом виде может служить разделение смеси окиси цинка и окиси свинца, получаемых при вельцевапии, путем нагревания во вращающихся печах без восстановителя. При этих условиях летучая окись свинца отгоняется и уходит вместе с газами из печи в пылеуловительные устройства, а окись цинка остается и выходит из печи б. или м.спекшейсяв комочки.О.р. с улетучиванием применяется широко для извле чения ртути из руды (киновари). Такая руда нагревается во вращающейся печи в присутствии восстановителя и извести. Киноварь при этом разлагается и образует ртуть, улавливаемую из газов в холодильниках: HgS + СаО + С=Hg + CaS + СО.

В последнее время область применения процессов, основанных на улетучивании, и в частности обжиг с улетучиванием начинают применят! ся все чаще. Это стоит в значительной мере в связи с улучшением конструкции и удешевлением иылеуловитель-ных устройств, от совершенства работы которых зависит всецело успех процесса.

Шлакующий О. р. применялся прежде для полного удаления сульфатной серы из руд, богатых англезитом, для чего материал нагревался в пламенной печи с прибавлением кварца. Последний образовывал силикат свинца, стекавший в виде шлака, а S0₃ уходил с топочными газами:

BbS04 + Si0₂=PbOSiOa + S0₃. Полученный шлак шел в нормальную плавку. В этом случае О. р. переходит в процесс плавки.

Процессы О. р. в цветной металлургии весьма разнообразны и являются весьма важным звеном в цикле металлургической обработки различных руд. В зависимости от химических и физич. свойств руды выбирается тот или иной процесс О. р. и та или иная аппаратура.

Лит.: Л у к ь я н о в Π. М., Обжигательные печи,

II., 1920; Plattner С. F., Die metallurgischen Host prozesse. Freiberg. 1856; Hof man H. 0., General Mettallutgy. p. 402—432, N. Y., 1913; L i till e 1 I D. M., Handbook of the Non-ferrous Metallurgy, vol. 1, chant. 10, Roasting and Sintering, p. 295, New York, В. Пазухин.