Металлургия свинца и цинка

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

№ 732 
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 

ИНСТИТУТ СТАЛИ и СПЛАВОВ 

Технологический университет 

МИСиС 

Кафедра металлургии цветных и благородных металлов 

Ю.П. Романтеев, С В . Быстров t 

Металлургия 
свинца и цинка 

Лабораторный практикум 

Под редакцией доктора технических наук, профессора, 
заслуженного деятеля науки и техники РФ В.П. Быстрова 

Допущено учебно-методическим объединением по 

образованию в области металлургии в качестве учебного 

пособия для студентов высших учебных заведений, 

обучающихся по специальности «Металлургия цветных 

металлов» 

Москва Издательство «УЧЕБА» 2006 

УДК 669.4/5 
Р69 

Рецензент 
д-р техн. наук, проф. И.В. Николаев 

Романтеев Ю.П., Быстров С.В. 
Р69 
Металлургия свинца и цинка: Лаб. практикум / Под ред. 
В.П. Быстрова. – М.: МИСиС, 2006. – 96 с. 

Лабораторный практикум содержит девять работ по основным разделам 
курса «Металлургия свинца и цинка», в результате выполнения которых будущий инженер-металлург получает практические навыки работы на лабораторных установках, позволяющих полностью моделировать технологические 
процессы производства товарных свинца и цинка. 

Соответствует государственному образовательному стандарту дисциплины 
«Металлургия тяжелых цветных металлов». 

Предназначен для студентов четвертого и пятого курсов специальности 
150102 (1102) «Металлургия цветных металлов». Может быть использован студентами других специальностей. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (технологический 
университет) (МИСиС), 2006 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие 
5 

МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА 

Лабораторная работа 1. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ 
ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЫРЬЯ СВИНЦОВОГО И 
ЦИНКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 
6 

1.1. Теоретическое введение 
6 

1.2. Методика выполнения работы 
7 

1.3.Содержание отчета 
8 

1.4. Вопросы для самоконтроля 
8 

Лабораторная работа 2. АГЛОМЕРИРУЮЩИЙ ОБЖИГ 
СВИНЦОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ 
9 

2.1. Теоретическое введение 
9 

2.2. Методика выполнения работы 
13 

2.2.1. Порядок проведения работы 
13 

2.2.2. Определение содержания серы в агломерате 
16 

2.2.3. Расчет шихты агломерирующего обжига 
17 

2.3. Содержание отчета 
20 

2.4. Вопросы для самоконтроля 
20 

Лабораторная работа 3. ВОССТАНОВИТЕЛЬНАЯ ПЛАВКА 
ОБОЖЖЕННЫХ СВИНЦОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ 
22 

3.1. Теоретическое введение 
22 

3.2. Методика выполнения работы 
27 

3.2.1. Подготовка к проведению плавки 
27 

3.2.2. Расчет шихты 
27 

3.3. Содержание отчета 
30 

3.4. Вопросы для самоконтроля 
31 

Лабораторная работа 4. РЕАКЦИОННАЯ ПЛАВКА СВИНЦОВОГО 

КОНЦЕНТРАТА 
32 

4.1. Теоретическое введение 
32 

4.2. Методика выполнения работы 
36 

4.3. Содержание отчета 
37 

4.4. Вопросы для самоконтроля 
37 

Лабораторная работа 5. РАФИНИРОВАНИЕ ЧЕРНОВОГО СВИНЦА 
38 

5.1. Теоретическое введение 
38 

5.2. Методика выполнения работы 
44 

5.2.1. Технология проведения лабораторного опыта 
44 

5.2.2. Определение содержания меди в свинце и шликерах 
46 

5.2.3. Определение содержания меди в свинце 
фотокалориметрическим методом 
46 

5.2.4. Необходимые расчеты 
48 

5.3. Содержание отчета 
49 

5.4. Вопросы для самоконтроля 
49 

3 

МЕТАЛЛУРГИЯ ЦИНКА 

Лабораторная работа 6. ОБЖИГ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ 
50 

6.1. Теоретическое введение 
50 

6.2. Методика выполнения работы 
54 

6.2.1. Порядок проведения работы 
54 

6.2.2. Необходимые расчёты 
56 

6.3. Содержание отчета 
61 

6.4. Вопросы для самоконтроля 
62 

Лабораторная работа 7. ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ОБОЖЖЕННОГО 

ЦИНКОВОГО КОНЦЕНТРАТА 
63 

7.1. Теоретическое введение 
63 

7.2. Методика выполнения работы 
68 

7.2.1. Выщелачивание цинкового огарка. Очистка цинковых 
растворов от примесей 
68 

7.2.2. Определение концентрации цинка в растворе 
68 

7.2.3. Расчёт по выщелачиванию цинкового огарка 
70 

7.3. Содержание отчета 
75 

7.4. Вопросы для самоконтроля 
76 

Лабораторная работа 8. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ 

ЦИНКА ИЗ СЕРНОКИСЛЫХ РАСТВОРОВ 
77 

8.1. Теоретическое введение 
77 

8.2. Методика выполнения работы 
83 

8.2.1. Установка электролиза раствора сульфата цинка 
83 

8.2.2. Пример расчета силы тока 
85 

8.2.3. Определение концентрации цинка в растворе 
86 

8.2.4. Определение кислотности раствора 
86 

8.3. Содержание отчета 
87 

8.4. Вопросы для самоконтроля 
87 

Лабораторная работа 9. ДИСТИЛЛЯЦИЯ ЦИНКА 
88 

9.1. Теоретическое введение 
88 

9.2. Методика выполнения работы 
93 

9.3. Содержание отчёта 
94 

9.4. Вопросы для самоконтроля 
94 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
95 

4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

При выполнении лабораторных работ студенты получают полное 
представление о технологических схемах производства товарного 
свинца и цинка. 

Лабораторные работы выполняются фронтально либо бригадами 
из двух человек. 

Студент допускается к работе после представления отчета о предыдущей работе и собеседования с преподавателем. Исходные данные и результаты работы студент записывает в рабочей тетради, индивидуально оформляет отчет о проведенной работе, строит графики, таблицы, приводит эскизы промышленного оборудования. В конце каждой работы должна быть дана оценка полученным результатам 
и сделаны выводы. 

Перед началом занятий все студенты должны быть ознакомлены с 
правилами техники безопасности на рабочем месте. Особое внимание необходимо обратить на условия работы с высокотемпературными печами: работать у печей надо в спецодежде (халат, рукавицы), 
смотреть на расплав только в защитных очках. Запрещается касаться 
любых элементов токоподводящих систем нагревательных печей. 
При выполнении гидрометаллургических работ необходимо соблюдать осторожность при приготовлении раствора серной кислоты – 
лить кислоту в воду! При попадании кислоты на открытые участки 
тела необходимо немедленно промыть этот участок проточной водой. После проведения инструктажа студенты расписываются в контрольном листе по технике безопасности. 

5 

МЕТАЛЛУРГИЯ СВИНЦА 

Лабораторная работа 1 

МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ 

ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКОГО СЫРЬЯ СВИНЦОВОГО 

И ЦИНКОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 

Цель работы – изучение минералогического состава металлургического сырья (руд и концентратов). 

1.1. Теоретическое введение 

Сырьем для производства свинца и цинка являются сложные 
сульфидные полиметаллические руды. Самородный свинец в природе не обнаружен. Главные минералы, составляющие основу свинцовых руд, – галенит (PbS), буланжерит (3PbS·Sb2S3), бурнонит 
(2PbS·Cu2S·Sb2S3), джемсонит (2PbS·Sb2S3), а также минералы оксидной группы – церуссит (PbCO3), англезит (PbSO4), фосгенит 
(PbCl2·PbCO3) и др. 

Вместе с сульфидными минералами свинца в состав свинцовых 
руд входят такие минералы, как пирит (FeS2), сфалерит (ZnS), марматит (mZnS·nFeS), халькопирит (CuFeS2) и др. Пустую породу представляют кварц, силикаты, алюмосиликаты и карбонаты различных 
металлов. 

Состав свинцово-цинковых руд может изменяться в широких пределах (% масс.): 1…10 Pb, 1…13 Zn, 1…10 Fe, 0,5…2 Cu, 18…20 
SiO2, 15…20 S. 

Кроме этих основных составляющих, руды содержат Cd, Bi, Sn, 
As, Sb, Tl, Ge, Ag, Au и др. 

Все руды делят на три группы: свинцово-цинковые, медноцинковые и свинцово-медно-цинковые. 

Месторождения первой группы руд сосредоточены на Северном 
Кавказе и Дальнем Востоке, второй – представлены в Уральских месторождениях (Сибайском, Учалинском, Гайском и Николаевском в 
Восточном Казахстане) и третьей группы находятся в основном в 

6 

Восточном Казахстане (Лениногорское, Зыряновское, Белоусовское 
месторождения). 

В связи с тем, что среднее содержание свинца и цинка в рудах невелико, их предварительно обогащают, подвергая селективной или 
коллективной флотации с выделением свинцового, цинкового, медного, иногда пиритного концентратов и удалением значительной 
части пустой породы. 

Большинство предприятий перерабатывают концентраты с содержанием свинца 50...80 % и цинка 46...58 %. 

Чем богаче свинцовый концентрат, тем выше прямое извлечение. 
Увеличение содержания меди в концентратах приводит к повышению потерь свинца в связи с образованием большого количества 
промежуточных продуктов. 

Качество цинковых концентратов определяется не только содержанием цинка, но и содержанием железа. 

Для того чтобы правильно выбрать технологическую схему переработки свинцово-цинковых руд, необходимо знать не только химический, но и минералогический состав исходного сырья. 

1.2. Методика выполнения работы 

Под микроскопом изучить несколько образцов (шлифов) руд и 
концентратов. 

На усмотрение преподавателя могут быть предложены руды следующего состава, %: 

Pb–Zn: 3...5 Zn, 0,1…0,2 Cu, 0,6…3 Pb, 3...10 Fe, 4...14 S; 
Cu–Zn: 5...8 Zn, 1,5…5 Cu, 15…30 Fe, 20…32 S; 
Pb–Cu–Zn: 2,5…7,5 Zn, 0,3 Cu, 1...2 Pb, 3...13 Fe, 3...18 S 
и концентраты, %: 
свинцовый – 40...78 Pb, 0,6...13 Zn, 0,1...4 Cu, 14...23 S, 1,8...15 Fe; 
цинковый – 38...62 Zn, 0,7...6,0 Pb, 0,05...4,5 Cu, 2...13 Fe, 30…32 S. 

В процессе изучения шлифов зарисовать наблюдаемую картину и 
обозначить минералы, присутствующие на шлифе руды или концентраты (пример представлен на рис. 1.1). 

7 

Рис. 1.1. Микрофотография руды (×85): 
1-4 - соответственно пирит, сфалерит, галенит и пустая порода 

1.3.Содержание отчета 

характеристика 
полиметаллического 
свинцово1. 
Краткая 
цинкового сырья. 

2. Описание микроскопа для изучения минералогического состава 
сырья. 

3. Название материала, его месторождение и вещественный состав. 

4. Рисунки шлифов с указанием присутствующих минералов. 
5. Выводы. 

1.4. Вопросы для самоконтроля 

1. Какие минералы встречаются в Pb–Zn рудах? 
2. Какие существуют способы обогащения руд? 
3. Каков химический состав Pb–Zn руд и концентратов? 
4. Где на территории СНГ расположены основные месторождения, содержащие Pb и Zn? 

8 

Лабораторная работа 2 

АГЛОМЕРИРУЮЩИЙ ОБЖИГ СВИНЦОВЫХ 
КОНЦЕНТРАТОВ 

Цель работы – ознакомиться с принципами агломерации свинцовых сульфидных концентратов, методикой расчета шихты агломерирующего обжига, ходом процесса, видом материалов и продуктов 
процесса. 

2.1. Теоретическое введение 

В металлургическую переработку поступают почти исключительно сульфидные концентраты и редко сульфидные руды. Окисленные руды залегают в верхних частях рудных месторождений и 
к настоящему времени, как правило, выработаны. Поэтому обжиг 
концентратов для превращения сульфидов свинца в легко восстановимый оксид – первая и неизбежная металлургическая операция в 
существующем способе производства свинца шахтной восстановительной плавкой. 

Поступающие на переработку концентраты содержат в себе, %: 
40…78 свинца, 0,6…13 цинка, 0,1…4 меди, 1,8…15 железа, 
14…23 серы, 0,8…4 оксида кремния, 0,3…2 оксида кальция и 
небольшое количество мышьяка и сурьмы. 

Под обжигом концентратов понимают процесс его нагрева до 
такой температуры, при которой жидкая фаза или полностью отсутствует или появляется в очень небольшом количестве, а обжигаемый материал претерпевает те или иные физико-химические превращения, полезные для последующего металлургического передела. 
При обжиге концентратов сульфиды металлов превращаются в оксиды. Получение при обжиге сульфатов металлов нежелательно, так 
как при последующей плавке они будут восстанавливаться до сульфидов. Сульфидный свинец переходит в штейн, вследствие чего 
снижается извлечение свинца в черновой металл. Часто в концентратах в небольшом количестве присутствует мышьяк и 
сурьма, связывающие металлы в мышьяковистые и сурьменистые соединения. Обжиг превращает в окислы и эти соединения. 

Второй продукт обжига – сернистые газы – до настоящего времени редко используется и выпускается в атмосферу, загрязняя ее. 

9 

Сульфидные свинцовые концентраты представляют собой продукты обогащения полиметаллических руд, которые предварительно 
подвергаются тонкому измельчению, и переработка их в шахтных 
печах невозможна из-за плохой газопроницаемости, большого пылевыноса и настылеобразования. Поэтому при проведении окислительного обжига свинцового концентрата процесс обжига ведут так, чтобы получить прочный и газопроницаемый кусковой материал – агломерат. 

На агломерирующий обжиг поступает концентрат в смеси с флюсами (кварц, известняк, железная руда) и различными оборотными 
материалами (оборотный шлак, оборотный агломерат). Шихту обжига составляют так, чтобы количество и соотношение добавляемых 
флюсов соответствовали требованиям плавки, при которой получаемый шлак имеет соответствующие физико-химические свойства. 
Зная полный состав перерабатываемых свинцовых концентратов и 
флюсов, делают подробный расчет шихты для обжига. Шихта тщательно перемешивается и увлажняется для лучшего смешения материалов, уменьшения пылевыноса, а также для улучшения газопроницаемости. 

В процессе агломерирующего обжига вводимые в шихту флюсы 
ведут себя следующим образом. В первый момент обжига они механически разъединяют частицы сульфидов, способствуя их индивидуальному обжигу. Поглощая избыточную теплоту реакции окисления 
сульфидов на свой нагрев или диссоциацию (известняк), они снижают температуру шихты, удерживая ее в течение долгого времени в 
неспекшемся состоянии, хорошо проницаемом для дутья. По мере 
образования оксида свинца протекают следующие реакции: 

PbO + Fe2O3 = PbO·Fe2O3; 

PbO + SiO2 = PbO·SiO2. 

Это полезные реакции, снижающие летучесть оксида свинца. 
Кроме того, силикат свинца, будучи легкоплавким, является главным 
цементирующим агентом обожженной шихты и способствует хорошему спеканию ее. Количество жидкой фазы в шихте, за счет которой идет окускование материала в процессе обжига, составляет 
20…25 %. 

При образовании сульфата свинца присутствующие флюсы способствуют их разложению: 

PbSO4 + Fe2O3 = PbO·Fe2O3 + SO2 + 1/2O2; 

10 

PbSO4 + SiO2 = PbO·SiO2 + SO2 + 1/2O2; 

PbSO4 + CaO = PbO + CaSO4. 

Сульфат кальция – стойкое соединение, разлагающееся при температуре выше 1000 °С, следовательно, в свинцовом агломерате значительная его часть останется не разложенной. Поэтому повышенное 
содержание сульфатной серы в агломерате при обжиге высококальциевых шихт наблюдается за счет сульфата кальция. 

При агломерирующем обжиге большое значение имеет правильный состав шихты. Шихта должна удовлетворить определенным 
требованиям по химическому составу и физическим свойствам 
(крупность, влажность, газопроницаемость). 

Агломерирующий обжиг свинцовой шихты – это процесс интенсивного сжигания топлива (сульфидов), обладающего низкой теплотворной способностью. Для того чтобы процесс протекал в благоприятных условиях, дают большой (10–15-кратный) избыток воздуха. За счет тепла от сжигания сульфидов температура в зоне горения 
достигает 900…1150 °С. Количество сульфидов в шихте должно 
быть таким, чтобы теплоты, выделенной при их окислении, было 
достаточно для поддержания нужной температуры при обжиге и спекании. При избытке сульфидов наступит перегрев, сульфиды спекутся и обжиг прекратится, при недостатке – процесс обжига пойдет холодно и может также прекратиться. Практикой установлено, что 
6…8 % сульфидной серы в шихте обжига вполне достаточно для 
поддержания процесса и при этом получается малосернистый агломерат (1…2 % серы). Обычно в свинцовой шихте содержится 
12…16 % сульфидной серы. Этим объясняется применение двойного 
либо одноступенчатого обжига с разбавлением шихты агломерационной мелочью (обжиг с возвратом). Иногда при недостатке сульфидов в шихту задают небольшое количество коксовой мелочи. 

По содержанию свинца агломерат желательно получать по возможности богаче, но при слишком богатой шихте затрудняется обжиг (из-за легкоплавкости шихты) и последующая плавка (трудно 
получить бедные по свинцу шлаки). Практикой установлено, что агломерат должен содержать свинца не более 40…50 % (или шихта 
обжига не более 40…45 %). Вводимые в шихту флюсы и оборотные 
материалы разбавляют ее по свинцу и сульфидной сере. Таким образом, при агломерирующем обжиге протекают два процесса: окисление сульфидов металлов и окускование окисленного материала. Для 
получения малосернистого агломерата необходимо процесс вести 

11 

таким образом, чтобы окисление сульфидов несколько опережало 
оплавление. 

Скорость обжига и другие показатели процесса обжига зависят от 
минералогического состава концентратов, его крупности, температуры и продолжительности обжига, избытка поступающего в печь воздуха и др. 

В состав свинцовых концентратов входят сульфиды различных 
металлов (свинца, меди, железа, цинка, мышьяка, сурьмы и др.). Каждый сульфид имеет свои химические, физические свойства и, в частности, определенную для него температуру воспламенения и тепловой эффект реакции его окисления. Температурой воспламенения 
называется такая температура, при достижении которой окисление 
сульфида идет настолько интенсивно, что выделяемого тепла достаточно для самопроизвольного распространения процесса окисления 
по всей массе материала. 

Температура воспламенения некоторых сульфидных материалов 
при крупности 0,075 мм составляет: пирита (FeS2) – 345 °C, сфалерита (ZnS) – 605 °C, галенита (PbS) – 697 °С. Температура воспламенения свинцового концентрата – около 700 °С. 

При этих температурах окисление сульфидов металлов может 
происходить как с образованием окислов, так и с образованием 
сульфатов металлов по реакциям: 

2MeS + 3O2 = 2MeO + 3SO2; 

MeS + 2O2 = MeSO4. 

Известно, что реакции окисления сульфидов металлов протекают 
до воспламенения сульфида в кинетической области, после воспламенения – в диффузионной. Зажигание свинцовой шихты проводят 
при температуре 1000…1100 °С, поэтому реакция окисления сульфидов сразу переходит в диффузионную область и образование 
сульфатов металлов ограниченно. 

Количество серы, оставшееся в обожженном материале, характеризует полноту или с т е п е н ь о б ж и г а . Нужная степень обжига 
определяется составом перерабатываемого сульфидного концентрата. Так, например, содержание в концентрате значительного количества сульфидного цинка требует самого тщательного удаления серы 
при обжиге. Сульфид цинка при шахтной плавке мало растворяется в 
штейне и переходит в шлак, делая его вязким. Присутствие цинка в 
штейне также нежелательно, так как цинк повышает температуру 

12