книги из ГПНТБ / Циклонная плавка. (Теоретические основы, технология и аппаратурное оформление)

нием кусочка CU2S, который помещался на поверхности шлака в ло­

дочке. После расплавления штейн превращался в каплю, которая хорошо удерживалась на поверхности расплавленного шлака.

После помещения лодочки 10 с навеской шлака и штейна с уста­ новленными в нее молибденовыми электродами 6 в фарфоровую труб­ ку 9, система трижды вакуумировалась с наполнением аргоном. За-

Усм/мия л- лтт?0е?у

тем она заполнялась заданным составом смеси СО и СО2 при одновре­

менном включении печи и циркуляционного насоса 7. После выдерж­ ки при 1250° в течение 1 час отбирался газ для анализа на содержа­ ние в нем СО и СО2. Молибденовые электроды с помощью нихромовых

токоподводов, выведенных на фарфоровую трубку 9 через резиновые зажимы, подключали к цепи постоянного тока. Время нахождения расплава под током 0,5—3 мин.

Скорость и направление движения капли оценивались по ее пе­ ремещению от первоначально заданного положения. Вначале изучали зависимость скорости перемещения капли СигЭ в атмосфере аргона от градиента напряжения. Оказалось, что капля CuaS начинает переме­

штейновых частиц, кул/см; ср — потенциал штейновой частицы, меж­ фазное натяжение на границе раздела штейна и шлака убывает при:

120

смещении потенциала капли в обе стороны от некоторого потенциала огаах, являющегося потенциалом максимума электрокапиллярной кривой. С учетом сказанного и наших экспериментальных данных сле­ дует считать, что наименьшая устойчивость капель CU2S в шлаке 1 при газовой фазе, состоящей из 85% СО и 15% СО2. Действительно, при таком соотношении СО и СО2 заряд частицы штейна близок к нулю,

У Гм/чин /!/гс/nwify

Рис. 49. Зависимость перемещения капель штей­ на I состава (60% Си) по поверхности шлака 3 (кривая 1) и шлака 1 (кривая 2). Температура опытов 1250°. Градиент напряжения в первом случае 10 в/см , во втором — 2 в/см .

и капля остается неподвижной. При нарушении соотношения в сторо­ ну увеличения процентного содержания углекислого газа капля штей­ на приобретает положительный заряд и движется к катоду. С увеличе­ нием в газовой фазе окиси углерода (выше 85%) она заряжается отрицательно и движется к аноду.

Таким образом, полученные данные позволяют утверждать, что капли чистой CU2S, находящиеся в шлаке 1, малоустойчивы и склонны

к укрупнению в небольшой области изменения состава газа, ограничи­ вающейся от 80 до 90% СО и от 20 до 10% СО2.

Во второй серии опытов изучалась подвижность частиц штейна, содержащего Си — 57,7%; F e — 15,8; S — 26, по поверхности того же шлака 1. Из рисунка 49 видно, что характер зависимости переме­ щения капли штейна от изменения соотношения СО и СО2 при постоян­

ном градиенте напряжения .(10 в/см) аналогичен движению капель CU2S в шлаке 1.

Для сравнения были проведены опыты по перемещению капель штейна, содержащего ~60% Си в аналогичных условиях, но при гра­ диенте напряжения в 2 в/см на поверхности железистого шлака 2 с со­ держанием віОг — 25,6%; FeO — 52,2; CaO — 15; A I2 O 3 — 6,8. Сле­

дует отметить, что скорость перемещения капель штейна в железистом шлаке гораздо выше. Это, по-видимому, связано не только с уменыпе-

121

нием вязкости шлака, но и с увеличением поверхностного заряда штейновых капель. Так, при градиенте напряжения 2 в/см капля штейна в атмосфере 80% С02 и 20% СО перемещается в сторону анода со скоростью 7 см!мин. Увеличение содержания окиси углерода в газо­ вой смеси приводит к уменьшению скорости перемещения капли в сто­ рону анода, затем она становится постоянной (2,5 см/мин), начиная от содержания в газовой фазе 60% СО и 40% С02 вплоть до 100% СО.

Таким образом, в железистом шлаке 2 капля штейна наиболее устойчива и менее склонна к укрупнению, особенно в окислительной атмосфере.

В следующей серии опытов использовался промышленный шлак и штейн Карсакпайского завода. Состав шлака приведен

12 в/см каплю штейна сдвинуть с места не удалось. По-видимому, вяз­ кость шлака при 1250° была слишком высокой. Повышение до 1300° также не дало ощутимых результатов. Для снижения температуры плавления до 1200° и вязкости шлака приведенного выше состава к нему добавляли около 20% окиси кальция. При этом состав нового шлака по основным компонентам оказался близким к шлаку 1 и со­ держал: СаО — 26,7; Si02 — 48,4; FeO — 8,5; А120з — 10,6. После­ дующие опыты проводили с добавкой к заводскому шлаку 20% ок^с:" кальция при градиенте напряжения 12 в/см и температуре 1300°. (>

лишь в том, что скорость перемещения капли штейна меньше, и изме­ нение ее заряда наблюдалось при более высокой концентрации окиси углерода в газовой фазе. Положительный заряд капли во всем интер­ вале изменения соотношения СО и С02 оставался приблизительно по­ стоянным и лишь при 95% СО резко менялся, принимая отрицатель­ ное значение.

Точка перезарядки зависит не только от состава газовой фазы, но и от состава штейна и шлака (рис. 50). В частности, в железистом шлаке капля штейна, содержащего 60% Си, во всем интервале изме­ нения СО и С02 практически не меняет знака заряда, однако отрица­ тельное значение заряда также снижается с увеличением в газовой фазе процента окиси углерода.

Такое изменение величины и знака заряда капель штейна, нахо­ дящихся в шлаке, связано с окислительно-восстановительными про­ цессами. Окислительный потенциал газовой фазы определяет распре­ деление железа в штейне и в шлаке [187]. Поэтому при значительном

122

содержании его в .газовой смеси заряд капли штейна определяется пе­ реходом железа из шлака в штейн:

Femi, Fe2+ -f- 2e.

При малом же содержании СО2 имеем обратную картину.

В высокожелезистом шлаке (см. рис. 49, кривая 2), по-видимому, имеет место только переход железа из шлака в штейн независимо от

•соотношения СО и СО2 в газовой фазе.

опыты по отстаиванию шлака Карсакпайского медеплавильного заво­ да при температуре 1300° с добавкой к нему 20% окиси кальция и без нее. Для этого использовали графитовые тигли (рис. 51), стенки кото­ рых изолировали от расплава шлака фарфоровой трубкой.

Приведенные в таблице 8 результаты по отстаиванию шлака без добавки к нему окиси кальция свидетельствуют о невозможности сни­ жения содержания в нем меди независимо от длительности опыта. Разница между исходным содержанием меди в шлаке (0,7%) и содер­ жанием в полученном шлаке после опыта очень мала. Эта же законо­ мерность наблюдается для свинца и цинка. При добавлении к шлаку 20% окиси кальция получено значительное снижение в нем содержа­ ния меди (до 0,2—0,3%).

По-видимому, времени для полного отстаивания и в этом случае недостаточно. Поэтому нами была сделана попытка увеличить скорость осаждения частиц штейна путем увеличения электропроводности шла­ ка посредством добывки 2% сульфида после его расплавления.

123

Проведенные опыты показали лучшие результаты по остаточному содержанию в нем ценных металлов, особенно меди (см. табл. 8). В этом случае штейны получались относительно бедные медью (22— 24%) и богатые свинцом (3,4—4,8%).

В связи с тем, что в настоящее время почти все предложенные ме­ тоды по переработке шлаков основаны на применении электротермии, целесообразно заменить питание электропечи

меди, но и меди, начиная с плотности тока 0,5 а/см2. Снижение содержания меди в штейне до 40% путем ввода пирита практически полностью прекращало ее растворение при той же плотности тока. Поэтому небольшая добавка к шлаку пирита при осаждении частиц штейна под действием постоянного тока резко уменьшит или полностью прекратит анодное растворение меди из. осевшего на подину штейна.

Систематические опыты по отстаиванию шлака с наложением по­ стоянного тока проводили в тиглях (см. рис. 51). Ток к шлаку подво­ дили с помощью нихромового токоподвода 2 и графитового электро­ да 3, опускаемого в шлак сверху. Напряжение на ванне составляло

124

40—45 6, сила тока 5 а, а плотность тока, рассчитанная по сечению тигля, не превышала 0,4—0,45 а/см2.

Для сравнения проводились опыты с наложением на ячейку пе­ ременного тока и постоянного в обратном направлении от принятого (табл. 9). Данные показывают, что при наложении на ячейку перемен­ ного тока, а также постоянного в обратном направлении и тех же па­ раметров, снижение содержания меди, свинца и цинка в шлаке оказа­ лось менее значительным, чем при наложении постоянного тока, когда

Т аблица 10

Содержание свинца, меди и цинка в шлаке и в полученном штейне после отстаивания

(продолжительность 1 час, t 1300°)

Сдобавлением

подина служила анодом. По-видимому, при наложении на ячейку пе­ ременного тока возникающие конвективные потоки шлака ухудшали отстаивание, а при постоянном токе, когда подина служила катодом, затруднялось осаждение частиц штейна в результате их противопо­ ложного движения, вызванного действием тока. Почти полное осаж­ дение меди из шлака было и при простом отстаивании, однако содер­ жание в штейне свинца и цинка оставалось высоким.

Наименьшее количество свинца в штейне при наложении постоян­ ного тока, когда подина служит анодом. Очевидно, при протекании тока свинец и железо растворялись из штейна с последующим восста­ новлением и улетучиванием свинца на катоде (см. табл. 9).

Таким образом, опыты доказали целесообразность использования постоянного тока для достаточно полного извлечения из шлаков меди в богатый штейн, а свинца и цинка — в возгоны.

Для выявления оптимального количества вводимой в шлак окиси кальция проводились опыты с добавлением к нему 5, 10 и 15% СаО и 2% FeS2, подина служила анодом, плотность тока 0,4 а/см2(табл. 10).

125

ценных металлов, следует считать 20 %.

С целью установления возможности сокращения времени отстаи­ вания были проведены опыты с оптимальным количеством добавок в течение 15, 30, 60 и 120 мин. Подина тигля, как и в предыдущих опытах, служила анодом, плотность тока поддерживалась в пределах

0,38—0,4 а/см2(табл. 11).

Т аблица 11

Содержание меди, свинца и цинка в шлаке и в полученном штейне после отстаивания

Данные показывают, что за 15 и 30 мин медь из шлака почти пол­ ностью отстаивается, но снижение содержания в нем свинца и цинка невелико. Увеличение продолжительности опыта до двух часов позво­ ляет практически полностью осадить медь, как и в опытах при мень­ шем времени отстаивания, а также отогнать в возгоны свинец (до 0,1—0,07%) и цинк (до 0,02—0,05%). При этом содержание свин­ ца в штейне также снижается до 1,3%.

126

«Циклонно-электротермические способы переработки медного и полиметаллического сырья». Алма-Ата, 1968.

6. О н а е в И. А., К о ж а х м е т о в С. М. Некоторые особенности теории и перспективы применения циклонного процесса в цветной металлург™. В сб.: «Энер­ готехнологические циклонные, комбинированные и комплексные процессы», ч. II.

М., 1972.

7.Ш а X н о в с к и й М. А. Плавка медных сульфидных концентратов на кис­

стехиометрических и тепловых расчетов при кислородной плавке медных сульфид­ ных концентратов. «Цветные металлы», 1963, № 10.

13. Е г о р о в Ф. Г., Б о ч к а р е в Л. М., Б ы х о в с к и й Ю . А. Некоторые тер­ мохимические закономерности и стехиометрические соотношения процесса плавки медных сульфидных концентратов с кислородом. В сб.: «Металлургия цветных ме­ таллов и методы анализа». М., 1965.

Термодинамические исследования в области цветной металлургии. В сб.: «Обзор фи­ зико-химических и теоретических работ по цветной металлургии». М.— Л., 1937.

М., 1933.

25.A s h e r o f t E . А. — «Trans. Electrochem. Soc.», 1953, 63, 23.

127

лов. В сб.: «Металлургия цветных металлов и методы их анализа», № 7. М., 1962. 41. М а р г у л и с Е. В. Адсорбционно-диссоционная теория окисления сульфи­ дов. В сб.: «Фнзико-хнмичеокая основа металлургических процессов». (Теория про­

цессов обжига и плавки), № 17. М., 1968.

пирита при окислительном обжиге. «Вести. АН КазССР», 1959, № 11.

45.П е н з и м о н ж И. И. Воспламенение сульфидов тяжелых цветных метал­ лов. Алма-Ата, 1959.

46.П о л ы в я н н ы й И. Р. К вопросу кинетики окисления смесей сульфидов.

«Изв. АН КазССР, серия металлургии, обогащения и огнеупоров», 1958, вып. 1.

железа. «Изв. вузов, Цветная металлургия», 1959, № 11.

53.Ч у ф а р о в Г. Н., А в е р б у х Б. Д. Исследования по окислению сульфидов железа кислородом. «Ж. орг. хим.», 1949, т. XIX, вып. 5.

54.П и с к у н о в К. Н. Интенсификация окислительных процессов полупиритной печи. Автореф. дисс. Л., 1954.

55. М а л е ц А. И. Кинетика горения односернистого железа в кипящем слое.

Всб.: «Химическая наука в промышленности». М., 1957, № 4, т. II.

56.Ц е ф т А. Л., А б д е е в М. А. Об условных скоростях окисления сульфи­ дов цветных металлов. Тр. Уральского индустриального института им. С. М. Кирова.

59.А н д р е е в А. П. Обжиг колчедана во взвешенном состоянии с выпуском огарка из печей. «Химическая промышленность», 1947, № 8.

60.Д и е в Н. П., П а д у ч е в В. В. Изучение механизма и скорости окисле­

128

ния медных штейнов в расплавленном состоянии. «Ж. прикл. хим.», 1952, т. XXV, зып. 8.

61. С е м е н е н к о Н. А., С и д е л ь к о в с к и й А. Н., Ш у р ы г и н А. П, Ос­ новы применения высокоинтенсивного обжига колчедана при высоких температу­ рах по энерготехнологической схеме. «Химическая промышленность», 1956, № 3.

при кислородной взвешенной плавке медных сульфидных концентратов. «Цветные металлы», 1965, № 11.

65. Г р и ш а н к и н а Н. С. Исследования поведения сернистого железа приме­ нительно к условиям плавки медного сульфидного сырья в распыленном состоянии. Автореф. дисс. Алма-Ата, 1971.

66. П е н з и м о н ж И. И., Г р и ш а н к и н а Н. С. Изучение скорости окисле­ ния сернистого железа в расплавленном состоянии. В сб.: «Физико-химические иссле­ дования штейно-шлаковых систем». Алма-Ата, 1967.

67. П е н з и м о н ж И. И., Г р и ш а н к и н а Н. С. Изучение скорости окисле­ ния расплавленного сернистого железа. В сб.: «Циклонно-электротермические спосо­ бы переработки медного и полиметаллического сырья». Алма-Ата, 1968.

68. Г р и ш а н к и н а Н. С., А ш и м о в А., П е н з и м о н ж И. И? Об исследо­ вании метода планирования многофакторных экспериментов для исследования ско­

плавленного сернистого железа применительно к условиям циклонной плавки. В сб.: -«Энерготехнологические циклонные процессы и установки». М., 1970.

70. П е н з и м о н ж И. И., А ш и м о в А., Г р и ш а н к и н а Н. С. Исследование скорости окисления расплавленной полусернистой меди. ЦИНТИ, деп. № 1336—70,

рания серы из жидких сульфидов меди и железа. «Изв. вузов, Цветная металлургия», 1970, № 4.