Электротермия в металлургии меди свинца и цинка
..pdfвалось 70 т цинка в сутки при коэффициенте конденсации 98%’ к теоретически возможному. Интенсивная циркуляция способст
вовала получению весьма однородного по составу цинка, при годного для покрытий.
Поглощение цинковых паров и газов относительно холодной цинковой ванной, температура которой достаточно постоянна благодаря интенсивной циркуляции и регулируемому принуди тельному охлаждению, способствует очень быстрому охлажде нию газов и исключает заметное протекание реакции обратного окисления цинка двуокисью углерода.
Получение окиси цинка в электропечах
Для дистилляции в шахтных электропечах агломерат гото вят с особой тщательностью. В процессе обжига и спекания из шихты весьма полно удаляются свинец, кадмий и сера. Шихха не расплавляется, в объеме печи нет очагов с чрезмерно высо кой температурой и пары фильтруются через толщу агломерата. Это позволяет получать достаточно чистую окись, применяемую в резиновой промышленности [323].
На заводе из 15 работающих печей четыре выдают окись цинка. Для производства окиси цинка применяют печи высотой 11,3 м и диаметром 1,75 и 2,44 м. Производительность малых печей 20 ти больших 30 токиси цинка в сутки. За исключением способа отвода паров и наличия камер для их окисления эти печи по конструкции подобны печам, выпускающим металличе ский цинк (рис. 70). В печах установлены графитовые электро ды диаметром 304 мм. Расстояние между электродами по вер тикали равно 8,2 м. В малых печах имеется по четыре электро да, в больших — по шесть.
Печные трансформаторы преобразуют ток напряжением 2300 в на 260—190 в. Подводимую на электрод мощность под держивают на уровне 600 кет. При составе шихты 70% агломе рата и 30% кокса и загрузке ее в количестве 37 кг!мин печь меньшего диаметра потребляет 2000 кет, а печь большего диаметра при загрузке 52 кг/мин — 3000 кет. Расход энергии на производство 1 кг окиси цинка равен 2,3 квт-ч.
Шихта печей для производства окиси цинка состоит из агло мерата, кокса и богатых цинком оборотных материалов. Обра зующиеся при дистилляции пары цинка через отверстия, распо ложенные на разной высоте общего вертикального канала, по ступают в камеру дожигания, куда подается воздух, окисляю щий пары цинка до окиси. Обычно имеется по четыре выпуск ных отверстия, в новой печи диаметром 1,75 м имеется лишь одно более широкое отверстие. Температуру в камере и ско рость окисления строго контролируют. В новых печах имеется
по две камеры дожигания, что позволяет, создавая в них раз личные режимы окисления, получать окись с различными ха рактеристиками.
Рис. 70. Схема шахтной электропечи для производства окиси цинка:
1 — бункер кокса; 2 — бункер агломерата; 3 — прокалочная
печь; 4 — горелка; 5 — питатель; |
6 |
— электроды; 7 |
— |
водо |
||
охлаждаемый обод; 8 — клинкер; |
9 |
— |
вращающийся |
разгру |
||
зочный стол; 10 — подача воздуха; |
Ц |
— транспортер |
для |
|||
убогрки раймовки; 12 |
камеры окисления; 13 — цинковые |
пары и окись углерода; 14 — окись цинка и двуокись угле рода; 15 — вентилятор; 16 — циклон; 17 — мешочные фильтры
Гранулометрический состав получаемой окиси цинка регу лируется изменением температуры в камерах, скоростью окис ления и скоростью газового потока. Сильно дисперсную окись получают при быстром окислении паров цинка и быстром ох лаждении полученной окиси. Для этого применяют нефутерованные камеры и газоходы. Более крупную окись получают при за медленном потоке газов и окислении при более высокой темпе ратуре в футерованных камерах и газоходах. Температура в ка мерах окисления меняется в пределах 200—1000° С.
Размер частиц окиси цинка, получаемой электротермическим способом, меняется от 0,01 до 1,0 мк.
Для регулирования свойств окиси иногда в шихту печей вво
дят металлический цинк или разбавляют цинковые пары продук тами сгорания природного газа, подаваемого в камеры.
Газы, несущие частицы окиси цинка, просасывают эксгау стером через водоохлаждаемый трубчатый холодильник, затем нагнетают в циклон и перед наступлением в мешочные фильтры (7100 м31мин) дополнительно охлаждают до 135° С. Поддержа ние необходимой температуры газов при фильтрации регули руется автоматически подсосом вторичного воздуха.
Применяют фильтры из хлопчатобумажной ткани. Длина рукавов 5,1 Му площадь 13,7 м2. На улавливание 1 т окиси цин ка в сутки приходится 200 м2 поверхности фильтров. Встряхива ние мешков автоматизировано. Окись цинка из бункеров ме шочных фильтров транспортируют в сборный бункер, откуда после грохочения направляют на упаковочную машину или на последующую переработку.
Химический состав окиси характеризуется содержанием, %: 98—99,5 Z.nO, 0,3 Pb, 0,01 Cd, 0,02 Cl, 0,35 SO3. Содержание вод норастворимых соединений 0,7%, остаток соединений, нерас творимых в НС1, 0,15% и остаток при прокаливании составляет 0,3%.
Помимо Джозефтауна, описанный способ получения цинка в вертикальных печах применяют в Аргентине на заводе Комодоро Ривадавия и в Японии на заводе Миккайчи.
В Аргентине цинковый концентрат из Агвиларе отправляют за 1300 км в Борджи, где его обжигают и спекают, а газы ис пользуют для производства серной кислоты. Агломерат отправ ляют морем за 2000 км в Комодоро Ривадавия, где его перера батывают в вертикальных электропечах. Производительность завода около 15 тыс. г Zn в год.
Способ получения цинка в вертикальных электропечах по зволяет получать достаточно чистый цинк и окись цинка пря мым путем в хорошо механизированных и высоко производи
тельных печах.
Однако потребность в высокосортном тугоплавком сырье, не обходимость тщательной подготовки шихты, большой расход дорогих огнеупоров, сложная схема разделки и сортировки от ходов и значительное количество оборотов, связанное с боль шим количеством цинка, остающегося в раймовке, определили сравнительно ограниченное применение этого способа.
2.ПРОЦЕСС В РУДНОТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕЧИ
Вначале пятидесятых годов в поисках процесса переработ ки железистых цинковых руд месторождения Стерлинг, принад лежащего компании Нью-Джерси, был испытан способ плавки их в отражательной печи с отгонкой цинка и получением его в
виде окиси и извлечением железа в виде чугуна. Эта опыты дали положительные результаты и подтвердили возможность шлаковой плавки цинковой руды. Цинк «извлекался практически полностью с одновременным получением шлака и чугуна. Успех этой попытки привел к исследованию шлаковой плавки в элек тропечи. При этом для получения жидкого цинка применяли конденсатор нового типа со струйным орошением.
После ряда экспериментов на заводе Палмертон (шт. Пен сильвания) в 1951 г. была построена промышленная печь и осу ществлен электротермический процесс переработки цинксодер жащих материалов в печи с жидкой шлаковой ванной [305—308].
Технологическая схема
Технологическая схема приведена на’ рис. 71.
Окисленные цинксодержащие материалы, восстановитель и флюсы с самой различной степенью влажности взвешивают
5 3 |
|
Известняк |
Кокс |
|
Агломерат |
\ |
|
||
|
|
т |
|
|
|
Прокалочная печо |
|
||
Га^ы |
|
длектролечо |
|
|
Рукавныйфильтр |
\ |
|||
Г ~ |
||||
Пь)ль |
Газы |
|||
Чугун |
Шлак |
|||
Конденсатор |
в отвал |
|||
„ f |
|
т |
|
|
Дроссы |
Газы |
Цинк |
|
|
|
\ |
|
Скруббер
Окись углерода
\
да отопление
лрокалочной печи и прочие нужды
Рис. 71. Технологическая схема получения цинка в руднотермической печи’
и тщательно перемешивают. Крупность материала не играет за метной роли и шихта, содержащая 95% частиц крупностью ми нус 12,7 мм и плюс 0,074 мм, плавится так же успешно, как шихта, содержащая 30% частиц размером минус 0,074 мм. Важно, чтобы компоненты шихты не подвергались сегрегации
Цинк подвергают ликвации. При этом из него выделяются свинец и железо и полученный металл обычно отвечает маркам ликвационного цинка. В случае необходимости получения бо лее чистого цинка его подвергают ректификации. Железные дроссы, получаемые в ликвационном котле, гранулируют и воз вращают в шихту электропечи.
Электропечь и конденсатор
Процесс проводится таким образом, что основная масса содержащегося в шихте цинка восстанавливается и отгоняется до расплавления пустой породы и образования жидкого шлака. При этом прямое воздействие электрической дуги на шихту ограничено.
Для достижения перечисленных условий можно применять два способа. Электроды могут быть погружены в расплавлен ный шлак и тепло передается от шлака к шихте. При этом из быток получаемого шлаком тепла приводит к высокой его по движности, вызывающей сильную коррозию стенок печи.
Можно вести плавку открытой дугой, горящей между элек тродом и поверхностью шлака. При этом тепло шихте пере дается прямой и косвенной радиацией и цинк возгоняется с по верхности твердой шихты до ее расплавления и образования шлака. На заводе Палмертон используют сочетание обоих мето дов, но предпочтение отдают второму.
Температура дуги достигает 3000—4000° С, а температуру ванны поддерживают на уровне 1450° С с тем, чтобы избежать восстановления элементов пустой породы и перегрева кладки печи. Достигается это тем, что шихту загружают откосами по всему периметру печи и она поглощает тепло на эндотермиче ские реакции. Жидкий горячий шлак также передает часть тепла дуги шихте, омывая ее поверхность. В центре печи со здается зона высокой температуры, не вызывая разрушения ог неупоров и обеспечивая интенсивный прогрев загружаемых ма териалов.
Соотношение загрузки и потребляемой мощности регули руется таким образом, чтобы обеспечить постоянный и равно мерный поток паров и газов, направляемых в конденсатор.
Печь (рис. 74) прямоугольная, выложена в стальном кожу хе, футерована высокосортным глиноземистым огнеупорным кирпичом и имеет внутренние размеры 4,9 X 9,75 = 47,5 м2 при высоте 3,0 м. Толщина стен 600 мм. Подина выложена обрат ным сводом в три ряда с общей толщиной 790 мм, свод ароч ный 380 мм. Боковые стены орошаются водой, днище охлажда
ется воздухом.
Ток подается тремя графитированными электродами диамет ром 600 мм, расположенными в одну линию, от трансформатора
мощностью 6000 ква. Потребляемая рабочая мощность равна 4500—5000 ква.
Электроды погружены в шлаковую ванну, служащую телом сопротивления, однако величину напряжения регулируют таким образом, что значительная часть мощности передается ванне открытой дугой.
Рис. 74. Руднотермическая печь для процесса «Стерлинг»:
1 — печь; 2 — |
контейнер; 3 — |
электроды; |
4 — трансформатор; 5 - конденсатор; |
|
6 — зумпфы; |
7 — летки |
|
Загрузку |
ведут так, |
чтобы поддерживать постоянными от |
косы шихты, а выпуск продуктов плавки определяется допусти мым уровнем чугуна и шлака в ванне.
Применяемый для этого процесса конденсатор заметно от личается от описанного выше вакуумного конденсатора и в ос нову его положены иные принципы.
Конденсатор (рис. 75) представляет прямоугольную сталь ную камеру, футерованную огнеупорным кирпичом. Нижняя часть камеры заполнена расплавленным цинком. При помощи погруженного в ванну графитового импеллера, который пропу
скают: в конденсатор через торцовую |
наклонную стенку, цинк |
разбрызгивают так, что весь объем |
конденсатора пронизан |
мелкими капельками металла. Газ проходит через создаваемую таким образом завесу, охлаждается и пары цинка конденсиру ются на холодных каплях разбрызгиваемого металла.
Теплоотдача через стены в этом конденсаторе имеет подчи ненное значение и тепло отводится через цинковую ванну. Это
Рис. 75. Струйный конденсатор:
1 — вход газов и паров; 2 — выход газов; 3 — разбрызгива тель
способствует точному регулированию температуры в конденса торе и соответственно улучшает условия конденсации. Возмож ность быстро охладить «парогазовую смесь, «закалить» ее капля ми холодного цинка, уменьшает образование «химической» пусьеры и исключает образование пусьеры «физической».
Цинк, поглощающий тепло газов и тепло конденсации, ин тенсивно охлаждается в зумпфах, расположенных с обеих сто рон конденсатора. Между зумпфами и внутренней ванной кон денсатора циркулирует металл, а в зумпфы опущены охла ждаемые водой змеевики, глубина погружения которых (и со ответственно величина охлаждающей поверхности) автомати чески меняется в зависимости от количества поступающего в конденсатор тепла. Регуляторы обеспечивают поддержание тем пературы ванны на уровне 500° С.
Интенсивность конденсатора весьма велика и на 1 мъ его объема можно сконденсировать до 12 т цинка в сутки. Конден
сатор работает с высоким коэффициентом полезного |
действия, |
и количество цинка, уносимого отходящими газами, |
близко к |
теоретическому. Этот цинк извлекается из газов в скруббере в виде пусьеры. Поверхность цинка очищают от дроссов периоди
чески, по мере их накопления, через устроенные для этой цели окна.
В этом конденсаторе можно конденсировать и разбавленные
цинком газы без образования |
большого количества |
пусьеры. |
||
В течение некоторого времени |
его применяли |
на заводе |
Пал- |
|
мертон на вертикальных ретортах в период проведения |
опы |
|||
тов по вдуванию в них воздуха или кислорода |
для |
генерации |
тепла за счет сжигания кокса, содержащегося в раймовке. При этом содержание в газах цинка снижалось до 35% и несмотря на это в жидкий металл переходило 96,8 цинка, в дроссы 0,6% и в пусьеру 2,6%.
Основные технологические показатели плавки
Как и при дистилляции в ретортах, основной химической ре акцией, протекающей в электропечи, является взаимодействие окиси цинка с углеродом с образованием паров металлического цинка и двуокиси углерода. Реакция эта обратима и в услови ях реторты исключается большим избытком углерода, реаги рующего с двуокисью углерода с образованием окиси углерода.
В электропечи допустить значительный избыток углерода невозможно, так как это привело бы к загромождению печи коксом. Поэтому условия конденсации здесь хуже и недостаток углерода компенсируется повышением температуры отходящих газов до 1000° С, при этом реакция и быстрое охлаждение газов предотвращают получение пусьеры. Избыток углерода недопу стим и.потому, что при восстановлении компонентов пустой по роды и улетучивании некоторой их части резко ухудшаются условия конденсации цинковых паров.
Поэтому в печь загружают количество углерода, теоретиче ски необходимое для восстановления цинка, свинца, кадмия и некоторой части железа.
Плавку ведут таким образом, чтобы в шлаке оставалось от 1,5 до 6% Fe. Более полное восстановление железа приводит к восстановлению кремния, магния и кальция, а оставление боль шего количества железа в шлаке сопровождается обезуглеро живанием чугуна, повышением температуры его плавления и трудностями выпуска его из печи.
Содержание в шлаке окиси кальция и кремнезема поддержи вают в таких пределах, чтобы отношение этих компонентов рав нялось 0,8:1 -т- 1,4 1. При таком отношении текучесть шлаков при 1350° С достаточна, чтобы выпустить их из печи и отделить от чугуна и в то же время предупредить расплавление их до от гонки основной массы цинка из шихты.
При переработке цинкового концентрата, содержащего 50% Zn и 15% Fe, производительность печи равна 35 т чушкового' цинка при извлечении металла 95%.