Конспект лекций для студентов специальности 5В070900 Металлургия Шымкент, 2020 г
Тема 14. Переработка полупродуктов в цветной металлургии
жүктеу/скачать 8,06 Mb.
|
| Тема 14. Переработка полупродуктов в цветной металлургии
Лекция 40. Агрегаты для переработки полупродуктов и отходов, функционирующие в цветной металлургии (шлаковозгонка, электропечь, вельцпроцесс и т.д.) Лекция 41-42. Конструктивные особенности и характеристики. агрегатов План темы: 1.Характеристика шлаков и других полупродуктов 2.Способы переработки шлаков 3.Характеристики основных агрегатов для переработки шлаков 1.Характеристика шлаков и других полупродуктов Шлаковым расплавом называется сложный сплав оксидов получаемый в результате пирометаллургической переработки руды или концентратов. Шлаки формируются из оксидов пустой породы и специально вводимых флюсов и служат для отделения компонентов пустой породы от ценных продуктов. Роль шлаковых расплавов в цветной металлургии очень велика. В шлаках при высоких температурах протекают важнейшие химические процессы. Таким образом, термодинамика и кинетика пирометаллургических процессов в ряде случаев непосредственно зависят от физико-химических свойств шлаков. Вследствие обычно низкого содержания ценных компонентов в сырье и высокого содержания компонентов пустой породы пирометаллургические процессы цветной металлургии характеризуются высоким выходом шлака (иногда до 100-120 % от массы руды). Свойствами шлака определяются такие показатели металлургического производства, как производительность металлургических агрегатов, а также расход топлива и себестоимость передела. В ряде пирометаллургических процессов шлаки выполняют роль защитной среды, предохраняющей полученный металл от окисления. В электротермических процессах, протекающих при высоких температурах, шлаковые расплавы выполняют функции элементов сопротивления. Шлаковые расплавы иногда применяют для очистки жидких металлов от примесей. В соответствии с законами распределения компонентов между фазами, жидкие шлаки, контактировавшие в ходе процесса с сульфидами (штейнами) или черновыми металлами, всегда содержат некоторое количество цветных металлов. Хотя содержание цветных металлов в шлаке относительно невелико (0,1-1,5 %), вследствие большого выхода шлаков потери с ними ценных составляющих значительны, поэтому проблема снижения потерь металлов с отвальными шлаками является одной из главных в цветной металлургии. Важнейшими оксидами, составляющими основу шлаков цветной металлургии, являются SiO2, (FeO + Fe2O3), СаО, MgO, Al2O3, ZnO. Кроме того, в них входят в значительно меньших количествах оксиды щелочных металлов, а также Сг2O3, BaO, V2O5, МnO и др. В жидких шлаках растворяется заметное количество сульфидов, главным образом, FeS. Содержание серы в некоторых шлаках достигает 2-3 %. Согласно ионной теории строения шлаковых расплавов компоненты, составляющие шлак, находятся в расплаве в состоянии ионной диссоциации. А если так, то все важнейшие электрохимические явления, характерные для растворов электролитов, свойственны также и шлаковым расплавам. Физическое свойства шлаков играет очень важную роль. Большинство процессов в цветной металлургии протекают в гетерогенных системах, имеющих поверхность раздела несмешивающихся фаз. От величины поверхностного натяжения на границе штейн-шлак зависят размеры устойчивого зародыша, смачивание шлаком флюсов и огнеупоров, а вместе с тем и кинетика взаимодействия шлаков с флюсами, пропитка и разрушение огнеупоров. Поверхностные свойства расплавов влияют на скорость многих пирометаллургических процессов. Температурная зависимость поверхностного натяжения для большинства расплавов, в которых не происходит изменение структуры, имеет линейный характер. Плотность жидких металлов и шлаков изменяется от 2000 кг/м3до 15000 кг/м3. Плотность шлаков напрямую зависит от температуры и состава шлака. Плотность железосиликатных шлаков FeO-SiO2 снижается при увеличении концентрации более легкого компонента SiO2 от 4,5-4,8 (чистый FeO) до ~3,5 г/см3 (при мольной доле кремнезема 0,4), а с увеличением температуры плотность шлаков прямо пропорционально снижается. Для грубых расчетов ориентировочно можно считать, что плотность шлаковых расплавов снижается примерно на 0,2-0,3 г/см3 при увеличении температуры на 100 градусов. Плотность шлаков важна для металлургов по причинам потерь металла со шлаками. Динамические свойства шлаков называют текучестью или вязкостью. В отличие от физических свойств, рассмотренных раньше, вязкость в большинстве случаев очень сильно зависит от состава шлаков и температуры. В каких же практических металлургических расчетах необходимо знать вязкость шлаков? Прежде всего, в расчетах скоростей всплывания и оседания частиц, пузырьков газов, капелек штейна. Также для большинства шлаковых расплавов их вязкость определяет транспортные свойства такие, как диффузия и электропроводность, когда в шлаке действуют градиенты химических и электрохимических потенциалов. Сульфидные расплавы (а штейны, напомним, это сплав сульфидов) играют важную роль в металлургии цветных металлов, поскольку сульфидные руды (при переработке которых и образуются штейны) – основное сырье для получения таких металлов, как медь, никель, свиней и другие. Головной пирометаллургической операцией в ряде технологических процессов служит расплавление сульфидных руд и концентратов с целью отделения компонентов пустой породы, содержащей оксиды кремния, кальция, железа в шлак. Ценные металлы при этом концентрируются в более тяжелой фазе – штейне. В некоторых процессах специально осуществляется сульфидирование оксидов цветных металлов с целью концентрирования их в штейне. При некоторых восстановительных процессах выплавляются металлизированные штейны, т.е. штейны, содержащие металлы не только в сульфидной форме, но и в свободной металлической форме. 2.Способы переработки шлаков Количественной теории строения жидкого состояния сульфидов на сегодняшний день не существует. До начала 60-х годов в литературе жидким сульфидам по аналогии с оксидными расплавами чаще всего приписывали ионное строение. Однако, сравнение твердых оксидов указывает на существенное различие между этими власами соединений. Для сульфидов характерна большая степень ковалентности связи Me-, чем у оксидов. По своим электрофизическим характеристикам большинство сульфидов надо относить к полупроводникам. Следует отметить также значительные отклонения состава сульфидов (как чистых сульфидов отдельных металлов, так и штейнов) от стехиометрических соотношений – чаще всего с недостатком серы. Степень нестехиометричности зависит от условий формирования штейновых расплавов – восстановительности атмосферы, давления паров серы и др. При охлаждении сильно металлизированных расплавов с недостатком серы из них выделяется металлическая фаза, что необходимо учитывать при организации ряда металлургических процессов. Плотность штейнов имеет важное значение для разделения фаз. Чем больше разность плотностей шлака и штейна, тем быстрее идет их разделение. С ростом температуры плотность штейнов снижается, но в меньшей степени, чем плотность шлаков. По сравнению с вязкостью шлаков вязкость штейнов менее важна для физико-химических взаимодействий при плавке. В то же время она вместе с поверхностным натяжением имеет значение для взаимодействия штейновых расплавов с огнеупорами, определяет условия жидкотекучести штейнов. Вязкость сульфидных расплавов значительно ниже вязкости шлаков и составляет порядка 0,005 Па.с. Особенно низкой вязкостью обладают железистые расплавы. По этой причине штейны (особенно бедные и перегретые) легко проникают в малейшие поры и трещины. Этому способствует также и их легкая окисляемость. Вязкость штейновых расплавов снижается при увеличении температуры и содержания сернистого железа. Поверхностное натяжение штейнов близко к шлакам. Диапазон изменения поверхностного натяжения медных и никелевых штейнов составляет (35-40).10-2 Дж/м2. Большое поверхностное натяжение связано с повышенным содержанием в штейнах свободных металлов (большая степень металлизации). Снижению поверхностного натяжения способствует присутствие в них примесей оксидов железа (особенно магнетита), сульфидов цинка и др. Шлаки свинцовых заводов часто содержат значительное количество цинка и свинца. В шлаках свинцовой плавки содержится 12—18% Zn и 1,5—3% Pb. Такие шлаки перерабатывают сразу после выхода из печи или складывают в отвалы и рассматривают как ценный источник цинка. Если учесть, что в шлаке одновременно содержится до 0,5%, Cu, некоторое количество золота и серебра, индия, германия и никеля, то ценность их заметно повышается. До последнего времени наиболее распространенным способом переработки шлаков являлось фьюмингование — процесс продувки расплавленного шлака углевоздушной смесью. Физико-химические основы и практика фьюмингования подробно описаны в литературе. В ванну подают недостаточное количество воздуха для полного сжигания вдуваемого угля, поэтому в восстановительной среде при температуре 1250—1300° С окислы свинца и цинка восстанавливаются и пары металлов возгоняются. В пространстве над жидкой ванной и в отводящем газоходе в атмосфере естественно и принудительно подсасываемого воздуха пары окисляются и газы дожигаются. Охлаждение газов и частичное осаждение из них свинцово-цинковых возгонов осуществляются в котлах-утилизаторах, а окончательная очистка газов — в рукавных фильтрах. При фьюминговании достигается состояние, близкое к равновесному, что объясняется протеканием процесса при высоких температурах с участием жидких и газообразных фаз при хорошем их контакте. Ход гетерогенных процессов можно рассчитывать методами диффузионной теории, поскольку скорость протекающих процессов определяется доставкой веществ к зоне реакции и отводом ее продуктов. Закись железа восстанавливается по реакции: FeO + CO = Fe + СО2. 14.1 Равновесное ее состояние подчиняется уравнению: lg Kp = 949/T - 1,140 14.2 и константа равновесия равна: Kp = pCO2/pCO * 1/aFeO. 14.3 Принимая активность закиси железа в шлаке равной 0,5—0,6, на основе написанных уравнений получаем, что при 1300° С содержание CO в смеси CO+СО2 для равновесных условий равно 85—87% и железо не восстанавливается при условии присутствия в шлаке окиси цинка. Окись цинка восстанавливается по реакции: ZnO + CO = Znгаз + СО2. 14.4 Для этой реакции: lgКp = 9680/T + 6,12, 14.5 Так как активность окиси цинка в шлаке ниже, чем чистой окиси, а газы, кроме CO, содержат N2 и СО2, равновесное содержание CO в смеси газов выше и эффективность использования восстановителя ниже. Скорость фьюмингования зависит от температуры, объема газов, проходящих через расплав в единицу времени, и от парциального давления паров цинка в образующихся газах. От количества вдуваемого воздуха зависит температура процесса, количество вводимого угля, температура и парциальное давление паров цинка. При повышении температуры от 1200 до 1300° С интенсивность тгонки цинка возрастает примерно в 2 раза. Повышение концентрации окиси углерода в газах при 1310° С в 3—4 раза увеличивает парциальное давление паров цинка, а значит и скорость его отгонки в 5—6 раз. Однако значительное повышение концентрации CO в газах связано с повышением расхода топлива и снижением температуры процесса, а при понижении температуры снижается степень отгонки цинка. При повышении температуры в результате понижения повышения концентрации CO (и концентрации СО2) также нельзя достигнуть высокой степени отгонки цинка. В практике выбирают оптимальное отношение расхода угля и воздуха при фьюмингованиием ниже содержание в шлаке цинка и парциальная упругость его паров, тем меньше степень отгонки; поэтому в конце отгонки целесообразно повышать концентрацию CO в газовой фазе. Кинетика отгонки цинка из шлака характеризуется кривой, приведенной на рисунке 51. 3.Характеристики основных агрегатов для переработки шлаков Настоящее время фьюмингования шлаков проводят с заменой пыле угля природным газом. Необходимо отметить, что процесс фьюмингование шлаков это технология, которая проводиться периодический. Рис. 14.1 Кинетика отгонки цинка при фьюминговании. Шлак накапливают в отстойниках, миксерах или в ковшах и заливают по 35—50 г в печь, после чего продувают. Печь для фьюмингования имеет прямоугольную форму; подина ее состоит из стальных или чугунных плит с залитыми в них охлаждающими трубками для воды, а стенки — из сварных кессонов шириной до 1200 мм, снабженных фурмами, концы которых на 250—300 мм выступают от кессонов внутрь печи.
Рис 14.2. Фурма фьюминг – печи 1- корпус; 2- запорный шарик; 3- насадка; 4- кессон. Фурмы (рис. 14.2) имеют два подводящих патрубка (для пылевоздушной смеси и вторичного воздуха) и торцовое отверстие с шаровым клапаном для прочистки. Газоход между печью и котлом-утилизатором кессонирован. Газы, нагретые до 1200—1300° С, проходят через экранированную камеру котла, а затем, охлажденные до 300—350° С, через расположенный за ней воздухоподогреватель. Нагретый воздух из воздухоподогревателя может быть использован для дутья. Вместо воздухоподогревателя котел может иметь экономайзер. Охлажденные газы фильтруют в рукавных фильтрах. Общий вид печи приведен на рис .14.3 Шлак из печи либо направляют на грануляцию, либо отвозят ковшами в отвал. Возможно также дополнительное обезмеживание шлака присадкой пирита в ванну печи или в отстойник, в который в этом случае сливают шлак после фьюмингования. Схема цепи аппаратов фьюминг-цеха приведена на рис.14.5
Рис. 14.4 Общий вид фьюминговой печи Другим наиболее приемлемым методом. на мой взгляд, является переработки шлаков электротермическим методом. Расплавленный шлак заливают в печь через порог, а кокс загружают на поверхность ванны, глубина которой колеблется от 800 до 400 мм.
Рис. 14.5 Схема цепи-аппаратов фьмингования шлаков 1-электрообогрев. отстойник; 2-ковш; 3-мостовой кран; 4-фьюминг печь; 5-желоб; 6-газоход: 7-камера дожигания; 8-ВЗП; 9-вентилятор; 10-газоход; 11-клапан для подачи воздуха; 12-рукавные фильтры; 13-шнек; 14-бункер; 15-отстойник; 16-зумпф; 17-мостовой кран; 18-вогоны; 19-электроотстойник 20-гранудяционный желоб; 21-зумпф. Штейн выпускают периодически через шпур. Парогазовую смесь направляют в 25-т барботажный конденсатор. Цинк при 500° С сливают в 90-т ликвационную печь, в которой отделяется свинец. Газы, содержащие 80% CO, после промывки в скруббере откачивают вакуум-насосом и подают на сжигание в различные заводские агрегаты.В осаждаемой в скруббере пусьере сосредоточивается около 45% Pb, содержащегося в шлаке, и ее направляют в шихту свинцовой плавки. В черновой металл, образующий в печи самостоятельный слой, переходит 50% Pb; медь концентрируется в штейне. Расход кокса составляет около 3,0% к весу шлака и извлечение цинка в металл достигает 72%. Расход электроэнергии 10300 квт-ч/т цинка. Исследования М.М. Лакерника, проведенные в промышленном масштабе, показали, что при электроплавке шлака, содержащего, %: 2,9 Pb, 0,76 Cu, 11 Zn, 29 Fe, 2,5 S и более 40 г/т Ag, при расходе восстановителя до 4% содержание цинка понижалось до 3,9% и железа до 24%. При этом содержание меди и свинца в конечном шлаке с увеличением расхода кокса более 2% не менялось, оставаясь на уровне 0,2 и 0,1 соответственно. Содержание серебра в шлаке снижалось до 2—3 г/т. Дальнейшее уменьшение содержания цинка в шлаке связано с восстановлением железа, выход которого тем больше, чем меньше остается цинка в шлаке. При восстановлении 15% Fe, содержавшегося в исходном шлаке, в отвальном шлаке оставалось 1 % Zn. Плавку проводили в закрытой электропечи мощностью 3000 ква. (Рис.55). Цинковые пары конденсировали в конденсаторе, приведенном на рис. 56. Возгонка цинка составляет 85%, из них около 83% конденсируется в жидкий металл. При электроплавке с жидкостной конденсацией извлечение цинка, свинца и меди выше, чем по схеме с фьюмингованием, на 12; 11 и 20% соответственно. При этом требуемые капиталовложения на сооружение цеха в первом случае в два раза меньше, чем во втором. Рис. 14.6 Электропечь для переработки шлаков Рис. 14.7 Конденсатор для конденсации цинка. Вельцевание цинковистых свинцовых шлаков Процесс вельцевания на отечественных заводах осуществляется в трубчатых вращающихся печах двух типов: длиной 41 и 50 м и диаметром соответственно 2,6 и 3,6 м (рис. 14.8). Печь представляет собой стальной барабан, расположенный под углом 3-5° к горизонту для того, чтобы шихта могла передвигаться при вращении барабана от верхнего конца к нижнему. Скорость вращения барабана – 1-2 оборота в минуту. По всей длине печь футеруют огнеупорным кирпичом. Зоны высоких температур и места, подверженные химическому разъеданию шлаком и штейном, выкладывают из хромомагнезитового кирпича. Менее ответственные участки футеруют шамотом. В последние годы для упрочнения кладки вращающихся печей, в частности в алюминиевой промышленности, стали применять фосфатные бетоны и растворы. Кампания вельц - печей увеличивается при использовании для футеровки периклазошпинелидного кирпича. Печь опирается на катки, при этом обычно ее ставят на три опоры. Одна из опор совмещается с приводом печи от электродвигателя через редуктор и венечную шестерню, укрепленную на барабане печи. У нижнего разгрузочного конца печи размещают топочные устройства - мазутные или газовые горелки. Помимо первичного воздуха, поступающего в смеси с топливом, в рабочее пространство печи подают вторичный воздух путем подсоса или, кроме того, специальным вентилятором. На некоторых заводах вторичный воздух обогащают техническим кислородом до 27-30%. Рис. 14.8. Вельц – печь для переработки цинковых кеков: 1 – транспортер; 2 – бункер; 3 – питатель; 4 – загрузочная течка; 5 – верхняя головка печи; 6 – барабан; 7 – опоры печи; 8 – привод; 9 – нижняя головка печи; 10 – желоб для грануляции клинкера; 11 – газоход для отвода газов Шихту вельц - печи составляют из подсушенных цинковых кеков, оборотных продуктов и других цинксодержащих материалов. В качестве восстановителя и топлива применяют коксик, измельченный до 5-6 мм. Расход коксика составляет 40-50% к массе кека. Коксовую мелочь добавляют не только как горючий, ной как материал, впитывающий расплавленные вещества и предупреждающий спекание компонентов шихты. Поэтому так велик расход коксика. Хорошо перемешанные цинксодержащие материалы и коксик подают в верхний загрузочный конец печи через водоохлаждаемую трубу. Перед пуском печь нагревают мазутом или газом. В дальнейшем процесс идет за счет горения углеродистого восстановителя, находящегося в шихте. Иногда по ходу процесса применяют подтопку через нижний конец печи. Передвигаясь при вращении вдоль печи, шихта вступает в контакт с горячими газами, идущими противотоком, теряет влагу и нагревается. Температура газов в верхней головке печи не превышает 550-650° С. В конце верхней зоны печи, расположенной на 1/4 ее длины, шихта воспламеняется и поступает далее в зону возгонки, или зону максимальных температур (1100-1300° С). Зона возгонки занимает 3/4 длины печи. Рис. 14.9. Внешний вид велъц – печи По мере продвижения к разгрузочному концу печи шихта все более обедняется цинком и свинцом. В нижней разгрузочной головке печи температура поддерживается около 1100° С. При этой температуре из печи выходит раскаленный материал, называемый клинкером. Пары цинка, соединений свинца, выходящие из шихты в зоне возгонки, окисляются и выносятся топочными газами по системе газоходов в пылеулавливающие устройства. Грубая пыль оседает в пылевой камере, расположенной непосредственно за печью. Для улавливания возгонов свинца и цинка используют рукавные фильтры с рукавами из термостойкой ткани. Температура газов на входе в рукавные фильтры должна быть не выше 110° С. Поэтому для охлаждения газов по пути от печи до рукавных фильтров устанавливают охлаждающие сооружения в виде кулеров - высоких коленообразных труб, в которых газ охлаждается за счет наружного воздуха. Кроме того, в систему подсасывается холодный воздух. На Усть-Каменогорском свинцово - цинковом комбинате установлен и успешно работает котел-утилизатор для охлаждения газов, выходящих из вельц - печи. Результаты работы котла показывают возможность сокращения объема газов и повышения производительности печей на 10-15% по переработке шихты. Продуктами вельцевания цинковых кеков являются: свинцово -цинковые возгоны, содержащие 50-55% цинка и 10-15% свинца, некоторое количество кадмия, редких металлов и клинкер, состоящий в основном из металлического железа (до 50%), углерода (20-40%), шлакообразующих и содержащий до 1% Zn, 0,3% Pb, 2-3% Си, золото и серебро. Большое содержание углерода в клинкере затрудняет его дальнейшую переработку в медеплавильном производстве. Свинцово-цинковые возгоны подвергают выщелачиванию. Остаток от выщелачивания содержит в основном сульфат свинца, который направляют в свинцовое производство. жүктеу/скачать 8,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|