книги / Электротермия в металлургии меди, свинца и цинка
..pdfКроме того, определился ряд новых возможностей пирометаллургического процесса, на которые указал Р. Майер [297] в 1930 г. В предисловии к своей книге Майер заметил, что глубо кое изучение теории дистилляционного 'процесса обещает значи тельные практические (преимущества этого способа по сравнению с гидрометаллургическим.
Последующее тридцатилетие подтвердило 'правильность этого соображения, так как в пярометаллургических процессах про изошли коренные изменения, приведшие к замене периодических процессов непрерывными, механизированными и высокопроизво дительными. Первым шагом в этих изменениях было введение вертикальных реторт [298—301], позволивших перейти от перио дического процесса к непрерывному. Создание электрообогреваемых вертикальных печей [302—304] позволило заметно повысить производительность агрегатов.
Освоение процесса плавки цинковых концентратов в электро печах [305—308] наряду с созданием высокопроизводительных агрегатов непрерывного действия позволило успешно использо вать низкосортные концентраты, а разработка фирмой «Импе
риал смелтинг» и освоение на заводе |
в г. Эвонмаут |
(Англия) |
шахтной плавки свинцово-цинковых |
концентратов |
[309—311] |
было новым крупным техническим достижением в пирометаллур гии цинка.
Заметно усовершенствовался процесс подготовки шихты для дистилляции — ее обжига и агломерации [312, 313], а разра ботка ректификационного процесса рафинирования цинка позво лила получать его по качеству не ниже, чем лучшие сорта элек тролитного металла [314, 315]. Кроме того, многолетняя практика показала, что структура потребления цинка складывается таким образом, что 30—40% его расходуется в отраслях промышлен ности, не нуждающихся в чистом металле.
Появилась возможность перерабатывать низкосортное сырье с такими же показателями по извлечению, как и богатое сырье, используемое при гидрометаллургичеоком способе. Новые спосо бы агломерации и эффективная газоочистка позволили извле кать из сырья металлы-спутники с такой же полнотой, как из кеков от сернокислотного выщелачивания цинковых концентра тов [316—326].
В настоящее время пирометаллургические и, в частности, электротермические способы производства цинка имеют самые широкие перспективы применения.
Перерабатываемые цинковые концентраты чаще всего содер жат 50—53% Zn. Встречаются весьма богатые концентраты, со держащие до 60% Zn, но нередки случаи переработки концен тратов, содержащих не более 45% Zn. В среднем в концентратах содержится около 3% РЬ, хотя колебания в содержании этой
11 М. М. Лакерник
примеси очень велики. Содержание свинца меняется от 0,3 до 9%. Содержание кадмия, как правило, равно 0,2—0,4% и дости гает иногда 0,7%. Содержание железа колеблется от 5 до 15%, кремнезема от 2 до 6% и меди от 0,2 до 1,5%.
Выбор наиболее рациональной схемы'переработки концентра тов для того или иного завода определяется большим количест вом конкретных технических и экономических факторов.
При прочих равных условиях концентраты, более богатые цинком и содержащие значительное количество редких и рассеян ных элементов, целесообразнее перерабатывать гидрометаллур гическим способом. Для переработки концентратов, содержащих много железа, кремнезема и других примесей, более эффективен пирометаллургический процесс.
1. ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ ЦИНКА В ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
Первое современное крупное предприятие для получения цин ка электротермическим путем было построено фирмой СентДжозеф Лед в г. Джозефтауне (шт. Пенсильвания) в 1930 г. [302—304].
Завод был запроектирован на переработку 109 т концентра тов в сутки для производства окиси цинка. В 1936 г. было раз работано оборудование для конденсации цинка применительно к электротермическим печам и начато промышленное производство металлического цинка. В период 1939—1940 гг. в результате пе реоборудования завода суточная переработка концентратов достигла 270 т, а после второй мировой войны количество пере рабатываемых концентратов возросло до 450 г в сутки с выпус ком 145 тметаллического цинка, около 90 токиси цинка и 385 т серной кислоты в сутки.
В 1960 г. оборудование завода позволяло перерабатывать до 750 тцинковых концентратов в сутки. Завод выпускает цинк двух сортов («высокосортный» и «первый сорт»), свободную от свинца окись цинка разных марок, кадмий и серную кислоту.
Первоначально сырьем для завода служила только руда, добываемая на рудниках, принадлежащих компании Ст. Джозеф в штате Нью-Йорк. Впоследствии в результате резко возросшего спроса на цинк в качестве дополнительного сырья завод стал пе рерабатывать и привозные концентраты.
На производство высокосортного цинка (99,95%) направляют концентраты с малым содержанием примесей. В среднем они содержат, %: 57 Zn, 0,6 Pb, 32 S, остальное в основном железо. Концентраты, с более высоким содержанием примесей направля ют на производство цинка низших марок.
Технологический процесс состоит из следующих основных стадий:
1. Обжиг сульфидных концентратов.
2. Приготовление из обожжённого 'продукта агломерата е вы сокой механической прочностью.
3.Восстановление цинка в электротермической шахтной печи
сконденсацией металлических паров или сжиганием их для иол лучения окиси цинка.
Концентрат
|
|
Г |
_____ , |
|
||
|
|
—I Оджиг |
|— |
I |
||
Огарокrgo |
|
|
“ |
|||
Ягломерация I |
|
Газы |
||||
|
|
1 |
||||
" |
|
^ |
шзы |
|
|
|
|
|
чистка | |
||||
нгломерат |
\ |
|
||||
|
|
I Очистка |
|
Пыла |
SO, |
|
|
|
|
Пот |
|
||
|
|
у |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
На производство |
|
Дистилляция |
|
|
|
HsS04 |
||
в электропечи |
|
|
1 |
|||
Парогазовая |
|
Остаток |
|
|||
|
|
Выщелачивание |
||||
смесь |
|
± |
|
, |
f . , |
|
|Конденсатор\ |
Грохочение |
|
||||
Т |
|
Отсев Кокс |
Ц т а!кйЛНШ |
|||
Цинк |
|
1 |
купорос |
*е/г |
||
Газы |
|
|
|
|
||
|
|
Магнитная |
|
|
На свинцовое |
|
|
|
сепарация |
|
I |
||
Очистка |
|
|
|
производство |
||
Магнитный |
Немагнитный |
|||||
|
|
продукт,догатый |
||||
Цинковая |
|
продукт |
|
цинком |
||
|
в отвал |
|
|
|
||
ПР/ЛР |
Газы |
|
|
В шихту |
||
|
|
|
агломерации
Па сжигание
Рис. 61. Технологическая схема процесса дистилляции цинка в шахтной электропечи
4. Химическая (переработка пыли из электрофильтров обжи?, гового и агломерационного цехов с целью получения свинцового кека, сульфата цинка и металлического кадмия.
Технологическая схема процесса приведена на рис. 61.
Обжиг цинковых концентратов
Концентраты из бункеров при помощи питателей с регули-’ руемой подачей передают на сборный ленточный транспортер, на котором смешивают концентраты различных партий в желаемых
1 1*
соотношениях. При этом преследуют цель получить кондицион ную (по содержанию железа и свинца) смесь концентратов. Максимальное содержание этих компонентов 8,0% Fe и 0,4% РЬ. Шихту после взвешивания 'передают в бункера обжиговых печей.
|
Концентрат |
|
||
Обжиг в многоходовой лечи |
||||
Г |
------------------ Г* |
|||
Пыль |
|
|
|
Огарок |
|
|
|
Измельчение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Грохочение |
|
06тиг в кипяш,ем слое |
|||
|
Газы |
1 |
||
|
Огарок |
|||
|
Гг |
|||
|
Циклоны |
|
||
, Г |
|
Пыль |
|
|
Газы |
|
|
|
|
Котелутилизатор |
|
|||
* |
|
? |
|
Па агломерация |
— |
|
' а^0/ |
||
Пыль |
|
|
||
|
Электрофильтр |
|||
|
Пыль |
|
Газы |
|
- » |
|
|
* |
|
1а извлечение |
|
Папроизводство |
||
|
|
Мг*0¥ |
||
РР и C d |
|
|
|
|
Рис. 62. Технологическая |
схема |
процесса многостадий |
||
ного |
обжига |
концентратов |
||
При производстве цинка |
и окиси высоких марок необходи |
мо, чтобы огарок отличался низким содержанием свинца и кад мия. Получение такого огарка и одновременно пыли, богатой свинцом и кадмием, осуществляется в процессе комбинирован ного метода обжига концентратов в многоподовых печах и кипя щем слое и двухстадийной агломерации огарка. Схема процесса обжига представлена на рис. 62.
Цинковый концентрат предварительно частично обжигают в многоподовой печи :при недостатке воздуха и температуре 900° С, которая поддерживается нефтяными или газовыми форсунками.
Полуобожженный продукт, содержащий 23—25% S и около 0,4%) РЬ, пропускают для отделения комков через сито (рабо тающее в замкнутом цикле с молотковой дробилкой и водоох лаждаемыми шнековыми транспортерами) и подают в печь для
обжига в кипящем слое. Установлены две такие печи, одна внут ренним диаметром 6,1 м и другая 6,9 м, переделанная из печи для обжига во взвешенном состоянии. Давление в камере печи 12,7 см вод. ст., высота кипящего слоя 1,52 м, температура в слое
поддерживается около 900° С и регулируется подачей воды |
или |
раствора сульфата цинка или изменением скорости загрузки. |
|
Около 50% продуктов обжига получают в виде пыли, |
90% |
которой осаждается в двух футерованных кирпичом циклонах,
после которых запыленные газы поступают |
в |
утилизационный |
|
котел. Затем |
газы очищают от пыли |
в |
электрофильтрах |
(220 м^/мин) |
и с содержанием 6% S02 направляют на сернокис |
лотный завод. В серную кислоту извлекается 86—87% серы кон центрата.
Концентрация S02 в отходящих из печи газах около 10% поддерживается (постоянным автоматическим регулированием объема вдуваемого в печь воздуха в зависимости от содержания кислорода в газах, поступающих в котельную.
Состав огарка от обжига концентрата с малым содержанием
примесей следующий, %: 67 Zn, 0,03 |
Pb, 2,5 Бобщ и менее |
0,5 SСул ь ф и дн * В пыли электрофильтров |
переходит 92—97% РЬ |
и 90% Cd, содержащихся в концентрате. |
|
Огарок и циклонную пыль, содержащие небольшие количест ва свинца и кадмия, складируют отдельно. Пыль котельной и электрофильтров вместе с пылью предварительного обжига на правляют в гидрометаллургический цех на извлечение кадмия и свинца.
В двух двенадцатиподовых печах диаметром 7,6 м и одной печи для обжига в кипящем слое обжигают 227 тконцентрата в сутки. Суточная производительность обжигового цеха 657 ткон центрата, содержащего 50—57% Zn.
Огарок транспортируют в агломерационный цех.
Агломерация предварительно обожженного концентрата
Для плав(ки в шахтных 'печах требуется весьма прочный и твердый агломерат, который необходимо дробить до определен ных размеров. Для получения агломерата нужного качества на заводе проводят двухстадийную агломерацию с добавлением кварца в шихту машин второй ступени.
Особые требования предъявляются к агломерату, перераба тываемому электротермическим методом:
1. Цинковый огарок должен быть превращен в пористый прочный агломерат, который без заметного истирания может выдержать нагрузки, возникающие в шахте печи.
2. Агломерат должен быть раздроблен и отгрохочен с тем, чтобы в шихту поступал материал, состоящий только из кусков
размером от 5 до 2Q мм и имеющий определенное соотношение кусков разных размеров.
3. Содержание серы, свинца и кадмия в агломерате должно быть минимальным, особенно для 'производства высокосортного цинка и окиси.
На заводе установлены прямолинейные спекательные маши ны размером 1,5 X 13,2 м. Каждая машина оборудована эксгаус тером (производительностью 1250 м3/мин при разрежении 460 мм вод. ст., барабанным смесителем (2,4 X 3,6), валковой дробилкой и вибрационными грохотами.
Рис. 63. Аппаратурная схема получения агломерата высшего и первого сорта:
1 |
сгарок цинка первого сорта; 2 — оборотная |
пыль; 3 — просыпь из-под паллет; |
4 |
— коксовая мелочь; 5 — песок; 6 — оборотная |
мелочь агломерата; 7 — смеситель; |
8 |
— вода с раствором ZnS04; 9 — агломерационная машина; 10 — агломерат; 11 - |
|
|
дробилка: 12 — грохот; 13 — валки; |
14 — готовый агломерат |
Агломерат для производства цинка первого сорта получается на двух спекательных машинах. Агломерат для производства вы сокосортного цинка и окиси цинка получается на четырех спе кательных машинах с предварительным (две машины) и окон чательным (две машины) спеканием. В последнем случае в на чале спекается цинковый огарок с получением непрочного агло мерата, который затем, после измельчения, опекается вторично, получается прочный агломерат с низким содержанием вредных примесей.
На рис. 63 приведены схемы (получения агломерата для про изводства высокосортного цинка и цинка первого сорта.
Агломерат для цинка первого сорта. На агломерацию посту пает шихта следующего состава, %:
Огарок |
. |
. |
15,5 |
Мелочь |
агломерата . |
12,5 |
|
Пыль обжиговых печей |
6,2 |
||
Кокс |
. |
|
3,4 |
Песок |
|
0,2 |
|
Оборотный агломерат |
62,2 |
Около 97% шихты мельче 6 мм. Содержание кокса в шихте около 4,4% за счет невыгоревшего кокса в оборотном агломера те. Содержание влаги в шихте от 9,5 до 11%.
Шихту смачивают в барабанном смесителе с помощью брыз гал оборотной водой из камер увлажнения газов. Эта вода со держит сульфат цинка, который способствует прилипанию пыли к более крупным частицам шихты и образованию комочков, что увеличивает газопроницаемость шихты и уменьшает вынос пыли.
Зажигают шихту газовой горелкой, для чего используются содержащие окись углерода газы электротермических печей, от ходящие после конденсации цинка.
Скорость движения ленты спекательных машин изменяется от 300 до 400 мм/мин в зависимости от газопроницаемости слоя шихты и скорости горения. Разрежение под паллетами изменяет ся от 225 до 450 мм, но обычно бывает в среднем около 320 мм вод. ст. Толщина слоя шихты на паллетах обычно бывает в пределах 250 мм.
Агломерат падает с паллет спекательной машины на пластин чатый трансформатор с высоты 2,4 м\ при этом он разбивается на крупные куски, подаваемые транспортером на зубчатую вал ковую дробилку, и дробятся до размера кусков 75 мм. Дробле ный агломерат проходит последовательно два барабанных гро хота, работающих в замкнутом цикле с валковой дробилкой диа метром 0,9 м и длиной 0,4 м. Мелочь агломерата с зерном менее 6 мм отделяется на втором барабанном грохоте и возвращается в шихту спекательных машин. Агломерат, отсеянный на первом барабанном грохоте, разделяется на вибрационном грохоте на два класса размером от 6 до 11 и от 11 до 19 мм.
Перед загрузкой в печь оба класса перемешивают для полу чения шихты с нужным соотношением кусков.
Химический состав годного агломерата, %: 55,0 Zn, 0,65 РЬ, 0,2 S, 0,01 Cd, 10,0 Fe, 8,7 Si02, 1,2 CaO.
Агломерат для высокосортного цинка. Дистилляционный цинк высокого качества можно получить только при переработке агло мерата с очень низким содержанием примесей.
При агломерации цинкового огарка обычно отгоняется зна чительная часть свинца и кадмия, причем в верхней части слоя агломерата содержание этих примесей значительно ниже, чем в нижней. Степень улетучивания свинца и кадмия возрастает с повышением температуры, что достигается увеличением туго плавкости шихты и высокой газопроницаемостью спекаемого слоя.
Агломерат для производства высокосортного цинка полу чается из огарка с содержанием не более 0,05% РЬ спеканием в Две стадии. Для первого спекания составляют тугоплавкую (без кварцевого песка) пористую шихту следующего состава, %:
Цинковый огарок |
27,1 |
Оборотный агломерат |
68,5 |
Коксовая мелочь |
4,4 |
У разгрузочного конца спекательной машины первой стадии установлен резак барабанного типа, который снимает верхний слой агломерата толщиной около 100 мм, наиболее бедный по содержанию свинца, кадмия и серы. Этот-слой подается по жело бу внутрь барабана, из которого выгребается шнеком, и затем направляется в шаровую мельницу, где измельчается до 40% крупностью —0,074 мм.
Измельченный верхний слой слабого агломерата первой ста дии спекания поступает на спекательные машины второй стадии с подшихтовкой к нему кварцевого песка.
Ниже приводится состав шихты второй стадии спекания, %:
Измельченный слабый агломерат |
26,4 |
Оборотная мелочь |
10,6 |
Оборотный агломерат |
58,6 |
Песок |
0,6 |
Кокс |
3,8 |
Нижняя спеченная часть слоя агломерата сваливается на пластинчатый транспортер, дробится на зубчатых валках, про сеивается, додрабливается и разделяется на три класса. Мелочь (—6 мм) возвращается в шихту спекательной машины, а куско вой агломерат (—19+ 6,3 мм) поступает в плавку в соответст вующей пропорции каждого класса. 50% агломерата должно быть крупнее 9,4 мм.
В процессе спекания отгоняется до 80% свинца и 90% кад мия и серы.
Агломерат, полученный после второй стадии спекания, имеет следующий химический состав, %: 56,0 Zn, 0,004 Pb, 0,1 S, 0,003 Cd, 10,0 Fe, 8,7 Si02, 1,2 CaO.
Запыленный воздух очищается в рукавных фильтрах и пыль возвращается в шихту агломерации. Пыль из газов спекательных машин осаждается в трех электрофильтрах (127 000 м3/мин).
Перед поступлением в пылеуловитель газы охлаждают до температуры 54—57° С и увлажняют до содержания 9—10% (объемн.) влаги в увлажнительных камерах.
Охлаждают и увлажняют газы горячей водой, для чего в основном после отстаивания используют оборотную воду из камер увлажнения.
После электрофильтров газы пропускают через мокрые цик лоны, в которых заметно осаждается кадмий.
В электрофильтре осаждается около 2% пыли от веса по ступающих на спекание огарка и мягкого агломерата. Содержа ние пыли в газах после электрофильтров около 0,02 .г/л*3.
Средний |
химический |
состав осаждаемой пыли, %: 30 Zn, |
7 Cd, 9 Pb, |
10 Бобщ, 5 Sso,, |
1 Cl. |
Пыль собирается в бункерах под камерами электрофильтра и шнеками передается в бак, где смешивается со шламом из ка мер сернокислотного завода. Смесь, богатая свинцом и кадми ем, поступает в гидрометаллургический цех для извлечения кадмия и свинца.
Крупная пыль, осевшая в камере увлажнения и имеющая почти такой же состав, как агломерат, периодически выгружает ся и после сушки на воздухе возвращается в шихту агломера ционных машин.
Иногда в шихту агломашин добавляют также раствор суль фата цинка и другие цинксодержащие отходы кадмиевого цеха. Это способствует лучшему спеканию и одновременно до полнительному извлечению цинка.
Дистилляция в вертикальных электропечах
Агломерат загружают в шахтные электропечи. Столб шихты, состоящий из равных объемов агломерата и кокса, нагревают электрическим током. Окись цинка, находящаяся в шихте, вос станавливается до металла и образовавшиеся пары цинка вме сте с окисью углерода удаляются из печи.
В настоящее время на заводе установлено 11 шахтных пе чей для производства металлического цинка. В четырех печах диаметром 1,75 м, выдающих чушковый цинк, ток (однофаз ный) подводится через 8 графитовых электродов диаметром 304 мм, расположенных на расстоянии 7,3 м один от другого по высоте печи. Остальные семь печей диаметром 2,4 м снабжены 16 электродами (диаметром 304 мм), которые установлены на расстоянии 9,7 м один от другого по вертикали. Электроды рас положены наклонно, чтобы не препятствовать сходу шихты. Верхние электроды входят в шихту на глубину 280 мм, ниж ние — на 200 мм. Потребляемая мощность на электрод равна 600—700 кет, напряжение меняется в пределах 160—260 в. Принципиальное устройство печи показано на рис. 64.
Над каждой печью установлены бункеры для агломерата, кокса и других материалов. Компоненты шихты взвешивают на ленточных весах.
Шихту предварительно подогревают до 750—800° С в футе рованной барабанной вращающейся печи, отапливаемой очи щенными от пыли печными газами. Топочные газы направляют на мешочные фильтры для улавливания уноса. Горячую шихту загружают в печь вращающимся питателем, с помощью кото
рого более крупные частицы кокса и агломерата располагаются ближе к центру печи.
Рис. 64. Схема шахтной электропечи для производ ства цинка:
/ — бункер агломерата, кокса и других видов сырья; 2 —
прокалочная печь; 3 -* горелка; 4 — питатель; 5 — верх ние электроды; 6 — нижние электроды; 7 — водоохла
ждаемый опорный обод; 8 — вращающийся разгрузочный стол; 9 — ковшевой транспортер; 10 — кольцевой газосборник; 11 — пары цинка и окись углерода; 12 -г конден сатор; 13 — жидкий цинк; 14 — окись углерода; 15 — про.
мывка газов; 16 — к вакуум-насосам
При таком способе загрузки максимальная температура раз вивается в центре печи и здесь же концентрируется газовый по* ток. В центре печи температура достигает 1300—1400° С, а у стен не превышает 900—950° С. Средняя температура в печи 1200° С.