Pražení (obecně)- žárové pochody, při nichž dochází k žádoucím reakcím mezi pevnou vsázkou (koncentráty, nebo rudy atd.) a plynným prostředím. Jde o přípravné operace pro další pochody žárové (aglomerace, redukční tavení atd.) nebo hydrometalurgické (loužení). Pražení se provádí v pecích poschoďových, v letu, nebo v pecích fluidních. Podle charakteru pochodu se rozeznává pražení oxidační, chloridační a redukční. Při pražení sulfidových surovin je hlavní složkou plynu oxid siřičitý. Z ekonomických i hygienických důvodů je nutné postupovat tak, aby se SO2 zachytilo a převedlo se na prodejnou formu.

Pražení rud – hutnický pochod probíhající při vysoké teplotě, která je obvykle nižší než teplota tavení rud; účelem pražení rud může být

 

- odstranění škodlivých složek,

- změna chemického složení rudy,

- převedení kovu na jeho chemické sloučeniny do plynné fáze, která se odvádí a kondenzuje (pražení destilační, těkavé).

 

Spékavým (aglomeračním) pražením rud se dosahuje stmelení částic jemnozrné rudy v kusy a současně změny chemického složení.

 

Oxidačním pražení

 

V kovohutnictví se pracuje nejvíce se sirníkovými surovinami (koncentráty). Tyto suroviny však obsahují obvykle více síry, než je nutné pro průběh hutnického pochodu, takže se musí většinou odstranit. Síra se odstraňuje oxidačním pražením,přičemž probíhá tato reakce:

 

 

Symbolem Me Označujeme obecně kov, např. zde dvojmocný Zn, Pb, apod. Mohli bychom také psát

 

 

pro trojmocný kovy Sb (Antimont), As (Arzen) aj.

Pražní je tedy oxidace sirníku ( z –II na +VI ), kdy se síra okysličuje na kysličník siřičitý a kov na kysličník. Spalováním síry a okysličování kovu (defacto hoření) se uvolňuje tolik tepla, že se nejen udrží potřebná teplota pražení bez přidávání topení, ale dokonce lze přebytečného tepla využít k výrobě páry.

 

Vývin tepla při pražení

SIRNÍK

Množství tepla při pražení 1 kg sirníku [kcal]

 ZnS

PbS

NiS

CuS

FeS

FeS2

CuFeS2

1140

417

1206

1023

1633

1560

1325

 

Aby se materiál pražil, musí se zahřát na určitou teplotu. Některé sirníky se sice okysličují i při obyčejné teplotě (větrají), ale okysličování probíhá tak pomalu, že nemá praktický význam. Teplota, při níž se začínají sirníky spalovat se nazývá teplotou zápalnosti a je různá podle druhu sirníku a velikosti zrna. Rozdíly jsou značné. Nejnižší teplotu má pyrit (FeS2), nejvyšší sfalerit (ZnS). Teplota je hlavním činitelem, který má vliv na průběh pražení. Teplota pražení se zvyšuje, přivádí-li se do pece více materiálu k pražení a současně i více vzduchu, se zmenšováním množství materiálu i vzduchu se teplota snižuje. Velikost pražící teploty má vliv nejen na průběh pražení a plynulý chod pece, ale i na chemické a granulometrické složení pražence.

 

Teploty zápalnosti 

Sirník

 

Zrno (-0,1 mm)

 

Zrno  (+0,2 mm)

 

Pyrit(FeS2)

Chalkosin(Cu2S)

Galenit(PbS)

Sfalerit(ZnS)

 

325

430

554

647

472

679

847

810

    

Dalším důležitým činitelem je množství přiváděného vzduchu. Množství kyslíku potřebné ke spálení síry a oxidace kovu se vypočte stechiometricky podle složení vsázky. (viz vzoreček- ty čísílka :) Výpočtem se stanoví teoretické množství vzduchu. Skutečné množství je vždy větší, protože využití kyslíku v peci není dokonalé.Potřebný přebytek vzduchu závisí na druhu pece a způsobu pražení a pohybuje se od 10 až do 200%. Za dokonalejší považujeme tu pec, v níž se vzduch využije lépe, tj. která pracuje s menším přebytkem vzduchu a jejíž pražné plyny jsou bohatší na SO2.

     Velký vliv na průběh pražení má styk mezi praženým materiálem a vzduchem. Čím lepší je styk jednotlivých zrnek sirníku se vzduchem, tím rychleji pražení probíhá. Velmi záleží na konstrukci pece a způsobu, jakým se přivádí do styku vzduch a pražený materiál. Leží-li materiál klidně a vzduch přes něj proudí, k intenzivnímu styku dochází je v tenké povrchové vrstvě. Účinnost pražení s hloubkou vrstvy rychle klesá. Proto se musí materiál promíchávat, aby se i spodní vrstvy dostaly do styku se vzduchem a vsázka se pražila stejnoměrně. Nejdokonalejší styk vsázky se vzduchem je při fluorizačním pražení.

     Do pražící pece se vsazuje ruda nebo koncentrát, z pece vypadává praženec (výpražek). Praženec musí mít vlastnosti podle svého dalšího zpracování. Jakost pražence se posuzuje z hlediska chemického i fyzikálního. Hlavním ukazatelem jakosti pražence bývá zbytkový obsah síry, neboť účelem oxidačního pražení jest zpravidla odstranění síry. Rozeznáváme dva druhy zbytkové síry: síru sirníkovou a síru síranovou. Sirníková síra je známkou nedostatku vzduchu nebo příliš velkého zatížení pražící pece. Síranová síra není obvykle na závadu, neí-li jí příliš mnoho. Větší množství síranů – pokud se nevyrábí záměrně – se likviduje pražením při vyšších teplotách, při nichž se sírany rozkládají. [síran např.: Fe2(SO4)3]

     Při pražení se nejen odstraňuje síra, ale okysličují se i další složky koncentrátu, jako např. železo nebo antimont a arzén. Některé kovy jako olovo, kadmium, arzén a antimont částečně těkají do pražných plynů. V praženci nastávají i složitější reakce, např. vznik feritů a křemičitanů, reakce kysličníků kyselé povahy (např. Fe2O3 a SiO2) s kysličníky zásadité povahy (ZnO, CuO, PbO aj.) podle rovnice:

Fe2O3 + MeO = MeO. Fe2O3  - ferit (např. zinku)

SiO2 + MeO = MeO. SiO2   - křemičitan (např. olova)

 

Vznik feritů nebo křemičitanů může mít velmi nepříznivý vliv na další zpracování pražence, zejména na zpracování hydrometalurgické.

     Praženec má jiné granulo metrické složení, než měl vstupní koncentrát. Po pražení je možno pozorovat patrné zhubnutí vsázky, protože se částečky spékají, takže množství nejjemnějších podílů se poněkud zmenší a množství hrubších podílů zvětší.

     Pražením se odstraňuje síra (atomová váha 32), místo ní se na kov váže kyslík (atomová váha 16) a některé složky koncentrátu vytěkají nebo se jinak ztrácejí. Praženec je proto vždy lehčí než původní koncentrát.

     Každý druh koncentrátu nebo rudy vyžaduje určité podmínky pražení, které se musí dodržovat. Pražení je poměrně složitý postup, citlivý na dodržování technologického předpisu.

 

 

Sulfatační pražení

 

     Při sulfatačním pražení se kovy obsažené v praženci převádějí na sírany. Sulfatačním pražením se připravuje materiál, který má být zpracován hydrometalurgicky. Při pražení sirníků probíhá reakce:

V ovzduší pece je pražný plyn, který obsahuje SO2 a zbylý kyslík (kromě dusíku). Kysličník siřičitý a kyslík mohou spolu reagovat za vhodných podmínek podle rovnice

 

Tuto reakci urychlují (katalyzují) kysličníky železa obsažené v praženci. Nižší teploty podporují průběh reakce zleva doprava (vznik SO3), při vyšších teplotách je tomu obráceně (rozklad SO3). Vytvořený SO3 reaguje s kysličníky kovů za vzniku síranu

 

     Také tato reakce je zvratná, při nižších teplotách probíhá doprava (vznik síranů), při vyšších teplotách doleva (rozklad síranů).

Podmínky sulfatačního pražení vyplývají z uvedených dílčích reakcí:

1.     Teplota pražení je nižší než u oxidačního pražení.

2.     Plyny v peci mají obsahovat co nejvíce SO3, tudíž je třeba dbát na pomalé přivádění vzduchu a odvádění plynu, aby se SO3 mohl hromadit.

Vhodnou volbou teploty je možno dosáhnout rozkladu je některých síranů (s nižšími disociačními teplotami), což je výhodné zejména proto, že se zabrání jejich rozpouštění při loužení pražence. Např. při pražení teplotou nad 600°C se rozloží sírany železa, takže při rozpouštění nepřechází železo do roztoku a neznečišťuje ho.

  

Redukční pražení

 

Se liší od pražení oxidačního tím, že se pražené surovině kyslík odebírá (surovina se redukuje).Redukce probíhá podle této obecné rovnice:

Naznačená reakce je zvratná. Za některých podmínek probíhá zleva do prava (redukce), a za jiných podmínek probíhá obráceně (oxidace). Zvratnost redukční reakce vysvětlíme na příkladu:

     Kysličníku kovu (MeO) a kysličník uhelnatý zahřejeme v uzavřeném prostoru na vysokou teplotu. Obě látky začnou spolu reagovat podle rovnice platné pro redukci. Bude vznikat kov Me a kysličník uhličitý CO2 a ubývat budou kysličníky kovu MeO a kysličník uhelnatý CO. Po určité době budou v uzavřeném prostoru vedle sebe v rovnováze čtyři složky (MeO, CO, Me, CO2) ve zcela určitém poměru, závislém na teplotě a druhu kovu. Jestliže se do tohoto uzavřeného prostoru připustí malé množství CO, zvětší se koncentrace CO a poruší se rovnovážný stav. Přebytek CO se spotřebuje na redukci MeO a vznikne tolik Me a CO2, že poměr

 

, jsou relativní rovnovážné molární koncentrace reagujících látek, jejich indexy jsou stechiometrické koeficienty v rovnici (počty molů)

K ……………………je rovnovážná konstanta

 

zůstane stejný. Jestliže se však místo CO vpustí do prostoru CO2, pak nastane děj opačný. Rovnováha soustavy se poruší opačně a určitá část Me se okysličí na MeO. Kysličník uhelnatý (nebo vodík) působí jako redukovalo, kysličník uhličitý (nebo vodní pára) působí jako okysličovadlo.

     Z toho vyvodíme pro hutnický pochod velmi důležitý poznatek: směs plynu obsahující redukční (CO, H2) a oxidační složky (CO2, H2O) vedle sebe může za některých podmínek vystupovat jako redukovalo, v jiných případech jako okysličovadlo. Účinnými složkami redukčních plynů jsou CO a H2; jeich protiváhou jsou CO2H2O a můžeme jimi řídit (brzdit) intenzitu redukce. Protože se některé kysličníky redukují snáze a jiné obtížněji, je možné správnou volbou redukční intenzity vyredukovat jen některé kysličníky nebo jejich část. Taková redukce se nazývá selektivní; příkladem je redukce rudy Fe – Ni (viz. Výroba Niklu).

     Jako redukčních plynů se užívá generátorového, koksárenského, vodního nebo konvergovaného zemního plynu nebo svítiplynu, popř. čistého vodíku. Částečným spálením nebo cirkulací těchto plynů se vytvoří v pecní atmosféře potřebný poměr

 

 

Který ve spojení s teplotou rozhoduje o intenzitě redukce.

 

* * *

 

Jiné druhy oxidačního pražení

 

Pro některé účely se osvědčily jiné způsoby pražení, při nichž se do vsázky přidávají některé chemikálie nebo do pražícího vzduchu aktivní plyn.

 

     Chloridační pražení se uplatnilo jako příprava pro hydrometalurgické zpracování. Záleží v tom že se před pražením přimíchá do vsázky chlorid, obyčejně chlorid sodný nebo vápenatý. Při pražení nastávají složité reakce mezi sírou, chlórem a kyslíkem, jejichž výsledkem je přeměna kovů v praženci na chloridy. Nutnou podmínkou pro průběh těchto reakcí je přítomnost síry a železa v rudě. Chloridy nepůsobí na kovy přímo. Nejdříve se sulfatací vytvoří ze železa v rudě síran železnatý:

 

2FeS2        + 5O2 = 2FeO + 4SO2

2SO2      + O2 = 2SO3

FeO + SO3 = FeSO4

 

Síran železnatý aktivuje chlór v chloridu:

 

FeSO4 + 2NaCl = Na2SO4 + FeCl2 při 300°C

12FeCl2 + 3O2 = 2Fe2O3 + 8FeCl3 při 350°C

 

Nositelem chlóru je tedy FeCl3

 

3Me2S + 4FeCl3 + 6O2 = 6MeCl2 + 2Fe2O3 + 3SO2

 

Princip chloridačního pražení je patrný ze sběrné rovnice, která znázorňuje, jak se z chloridu uvolňuje chlór

 

4NaCl + 2SO3 + O2 = 2NaSO4 + 2Cl2 + 83 kcal

 

     Chloridačním pražením se zpracovávají rudy chudé na neželezné kovy (měď, zinek, nikl, kobalt apod.), obsahující sítu a železo, a to obyčejně v poschoďových pecích. Chloridační reakce začínají již při teplotě 300°c, ale chloridační pražení probíhá až při teplotách 600 až 800°C. Do vsázky se přidává až 10% chloridu. Praženec obsahuje chloridy, popř. kysličníky a sírany neželezných kovů, které se dají získat vyloužením slabě okyselenou vodou.

    

     Od chloridačního pražení je třeba odlišovat chlorační pražení. V tomto případě se do vsázky nepřimíchávají chloridy, ale při pražení se vede vsázkou plynný chlór. Je to velmi účinný způsob, při němž nastávají v rudě velké změny, ovšem prakticky se příliš nepoužívá pro značné technické obtíže (koroze) a možnost otravy chlórem. Využívá se však při výrobě titanu.

 

     Segregační pražení patří mezi novější technologické postupy, kterými lze upravovat a zpracovávat některé chudé nebo jiným způsobem neupravitelné a nezpracovatelné niklové a měděné rudy. V literatuře je označován názvem „TORCO“.

     Postup záleží v pražení původní niklové nebo měděné rudy přídavkem uhlí (1 až 5% ve vsázce) a s chloridačním činidlem (0,5 až 10% ve vsázce), kterým je nejčastěji chlorid sodný nebo vápenatý.

Pražení probíhá při teplotách 800 až 1000°C mírně redukční atmosféře. Při těchto teplotách se niklové nebo měděné sloučeniny vázané v původní rudě jako kysličníky, sirníky, příp. křemičitany převádějí na chloridy, které přecházejí do plynné fáze a na povrchu pevného redukovala se redukují na kovový nikl nebo měď. Nikl nebo měď se zachycují v kovové formě na částečkách uhlí nebo koksu.

Tyto kovy lze potom za vzniklých praženců běžnými flotačními postupy oddělit od hlušiny a získat bohaté koncentráty s obsahem 10 až 30% Ni nebo 50 až 80% Cu. Také magnetickou separací lze získat koncentráty, ty jsou však horších jakostí.

 

Magnetizační pražení se používá k převedení nemagnetických oxidů na magnetické (např. hematit ztrácí pražením kyslík a mění se na magnetit) před jejich rozdružením.