Опыт переработки шлаков на АО «Миталл Стил Темиртау».

4. Переработка сталеплавильных и ферросплавных шлаков и использование продуктов переработки.

5. Теоретические основы обеднения шлаков. Роль энергетических воздействий на процесс разделения продуктов плавки. Обеднение шлаков цементацией, флотацией, промывкой сульфидами и т.д.

В практике цветной металлургии получают медные, медно-никелевые, никелевые и полиметаллические штейны. Они образуются в жидком состоя­нии и практически не смешиваются с жидкими шлаками, что позволяет отде­лять их друг от друга отстаиванием. Для успешного разделения штейнов и шлаков необходимо, чтобы разность их плотностей была не менее 1 г/см . Чем она будет больше, тем быстрее идет отстаивание.

Шлаки медной и никелевой промышленности, как и шлаки других ме­таллургических производств, представляют собой сложный сплав оксидов. Они формируются из оксидов пустой породы исходного сырья и специально вводимых флюсов и служат средой для концентрирования компонентов пус­той породы и их отделения от ценных металлов.

Роль шлаков в пирометаллургических процессах очень велика. В шла­ковых расплавах протекают важнейшие физико-химические превращения. Вследствие обычно низкого содержания ценных компонентов в исходном сырье и высокого содержания в нем пустой породы пирометаллургия меди и никеля характеризуется высоким выходом шлаков. Так, при шахтной плавке окисленных никелевых руд на штейн выход шлаков достигает 120-130 % от массы переработанной руды.

По этой причине свойства шлака фактически определяют все основные показатели металлургического производства - удельную производительность металлургических агрегатов, расход топлива или электроэнергии, эксплуата­ционные затраты и в конечном итоге себестоимость передела.

Помимо коллектирования пустой породы, шлаки в зависимости от ха­рактера применяемого пирометаллургического процесса могут служить за­щитной средой, предохраняющей полученный металл от окисления. В элек­тротермических процессах шлаковые расплавы выполняют функции элемен­тов электрического сопротивления.

В соответствии с законами распределения компонентов между продук­тами плавки, жидкие шлаки, контактирующие в ходе процесса со штейнами или черновыми металлами, всегда содержат некоторое количество извлекае­мых металлов. Хотя содержание меди, никеля и других сопутствующих ме­таллов в шлаках относительно невелико (0,1—1,5 %), вследствие большого выхода шлаков абсолютные потери ценных компонентов значительны.

Важнейшими оксидами, составляющими основу шлаков медной и ни­келевой плавок, являются SiO₂, FеО + Fi₃O₄, CaO, MgO и Al₂O₃. В значи­тельно меньших количествах в них могут присутствовать также ZnO, Сr₂О₃, MnO и др. В жидких шлаках растворяется значительное количество сульфи­дов, главным образом FeS. В связи с этим в шлаках часто содержится до 2 % и более серы.

Получающийся при плавке шлак должен удовлетворять требованиям технологии, иметь определенные температуру плавления, жидкотекучесть, электропроводность, поверхностное натяжение и так далее.

Физико-химические свойства шлаковых расплавов и их поведение в пирометаллургических процессах оказывают решающее влияние на процес­сы образования и разделения продуктов плавки. В свою очередь физико­химические свойства шлаковых расплавов являются функцией их химиче­ского состава и температуры. К важнейшим физико-химическим свойствам шлаков, имеющим большое практическое значение, в первую очередь следу­ет отнести температуру плавления (плавкость) шлаков, поверхностное натя­жение, плотность и вязкость.

В шлаки при шахтной плавки переходит более 80 % цинка, 20 % меди, 2-3 % свинца, а также германий (90 %) , индий (45 %), таллий (55 %), теллур (30 %), селен (30 %), кадмий, олово и благородные металлы. Шлак, получае­мый при плавке, содержит ценных металлов, %: 5-25 Zn; 1,5-2 Pb; 0,3-0,6 Cu; 0,05-0,1 Cd; 10-30 г/т Ag, редкие металлы.

Шлаки свинцовой плавки можно перерабатывать фьюмингованием, вельцеванием и электроплавкой.

В настоящее время наибольшее распространение получил метод фью- мингования, так как он обеспечивает высокое извлечение металлов в соот­ветствующие продукты, высокую производительность оборудования, неболь­шой расход угля или природного газа и возможность безотвальной техноло­гии переработки шлаков.

Процесс фьюмингования заключается в продувке расплавленного шла­ка воздухом в смеси с восстановителем (угольной пылью или природным га­зом). В восстановительной среде при температуре 1 200-1 300 °С оксиды цинка, свинца и других летучих металлов восстанавливаются, их пары возго­няются в газовую фазу.

Процесс вельцевания предназначен для переработки твердых шлаков. Для осуществления процесса шлаки измельчают до крупности 0,3-0,5 мм и смешивают с коксом. Шихту подают в трубчатую вращающуюся печь, где при температуре 1 100-1 200 °С оксиды цинка, кадмия и других металлов восстанавливаются печными газами и сразу же испаряются. Восстановлен­ные металлы в потоке печных газов снова окисляются и улавливаются в сис­теме пылеочистки газов, в виде возгонов (вельц-оксидов).

Химизм процесса вельцевания шлаков аналогичен химизму процесса фьюмингования шлаков .

Трубчатая вращающаяся печь (рис. 2) имеет длину 41-90 м и диаметр 2,6-4,5 м. Стальной барабан, внутри футерованный огнеупорным кирпичом, расположен под углом 3-5^о к горизонту, скорость его вращения 1-3 об/мин. Удельная производительность трубчатой печи составляет 0,1-1,2 т/м сут.

Рисунок 2- Схема трубчатой вельц печи:

1- нижняя головка печи, 2- опорные бандажи, 3- венечная шестерня на привод, 4- корпус печи, 5- верхняя головка печи, 6- слой шихты, 7- опорные ролики, 8- привод.

В печи реализуется принцип противотока. Верхний торец (головка) пе­чи служит для загрузки материала, нижний - разгрузочный. С нижнего раз­грузочного торца (головки) подают воздух напорным вентилятором. Обжи­говые газы отводят из верхнего торца печи.

Процесс вельцевания производят в непрерывном потоке. В барабане печи шихта перекатывается по его внутренней поверхности и нагревается за счет горения кокса и тепла экзотермических реакций. Для поддержания шихты в сыпучем состоянии в ее состав вводят кокс в количестве 45-55 % от массы шлака. Кокс при вельцевании служит тепло­носителем, восстановителем и уплотнителем шихты. Поэтому его вводят почти в десятикратном избытке от теоретически необходимого.

В процессе вельцевания в возгоны извлекается 90-93 % цинка, 90-92 % свинца и 99-99,9 % кадмия. Извлечение в клинкер (остаток перерабо­танной шихты) меди составляет 89-90 %, золота - 95-96 % , серебра - 85-87 %.

Клинкер, выход которого составляет 75-80 %, содержит, %: 0,5-0,8 Zn; 0,3-0,5 Pb; 0,5-0,8 Cu; 15-20 C; а также 200-300 г/т Ag и 0,5-0,8 г/т Au. В случае отсутствия в клинкере меди и благородных металлов его целесооб­разно использовать в качестве строительного материала.

Выход вельц-оксидов (возгонов) - 20-25 %. Их состав, %: 60-65 Zn; 11-15 Pb; 0,5-1 Cd; 0,5 S. Они направляются в цинковое производство на гид­рометаллургическую переработку. В процессе выщелачивания вельц-оксидов цинк и кадмий переходят в сернокислый раствор, а свинец остается в твер­дом остатке, возвращаемом в свинцовое производство.

К достоинствам процесса вельцевания шлаков можно отнести просто­ту осуществления процесса, небольшие эксплуатационные затраты, высокое извлечение цинка, кадмия и свинца в возгоны.

К недостаткам процесса относят низкую удельную производитель­ность печи; возможность переработки только твердых шлаков; большой рас­ход кокса; значительный выход газов; получение значительного количества клинкера, переработка которого связана с большими трудностями.

В настоящее время вельцевание - это эффективный процесс для пере­работки шлаков свинцового производства из отвалов, накопившихся за мно­гие годы.

Электротермическая переработка шлаков осуществляется в закры­той рудно-термической печи и позволяет в одну операцию получить жидкий металлический цинк и отвальный шлак. При электроплавке расплав реагиру­ет с находящимся на его поверхности коксом. При этом протекают химиче­ские реакции (2.64)-(2.72).

При температуре в печи 1 400 °С, расходе кокса 2-5 % от массы шлака, степень восстановления цинка достигает 80 %. В этих условиях восстанавли­вается до 25 % железа, содержащегося в шлаке. Восстановленное в расплаве железо образует тугоплавкий сплав - медистый чугун, который способствует образованию настыли в печи.

Впервые электротермия для переработки цинковистых шлаков свинцо­вой плавки была применена в промышленном масштабе на заводе «Геркуле- ниум» (США) в 1942 г. В 1958 г. на свинцовом заводе «Камиока» (Япония) также начала работать промышленная электропечь.

Шлак шахтной свинцовой плавки перед подачей в возгоночную элек­тропечь подогревают в нагревательной электропечи. В шлаковозгоночной электропечи цинк возгоняется в газовую фазу и уносится в конденсатор. Черновой цинк из конденсатора поступает в отражательную печь, отапли­ваемую мазутом. Здесь цинк путем ликвации отделяется от основной массы свинца и железа. В ликвационной печи получают товарный цинк следующего состава, %: 98,7 Zn; 1,1 РЬ; 0,15 Cd; 0,018 Fe.

Свинец в шлаковозгоночной печи частично восстанавливается до ме­талла, скапливающегося на дне печи, и частично уносится в конденсатор. Черновой свинец из шлаковозгоночной и ликвационной печей направляют на рафинирование.

Отвальный шлак содержит, %: 5-6 Zn; 0,4 Pb; 28 Fe; 19 CaO; 27 SiO₂. Общее извлечение металлов из шлака при электротермической переработке составляет, %: 77 Zn и 89 РЬ. Расход электроэнергии - 865 кВтч/т шлака, расход кокса - 2,1 % от массы шлака.

К достоинствам электротермического способа переработки шлаков свинцовой плавки относят: возможность получения в одну стадию металли­ческого цинка и свинца, штейна и отвального шлака; герметичность исполь­зуемого оборудования; отсутствие топочных газов; невысокий расход кокса; возможность полной механизации и автоматизации процесса.

Недостатки электроплавки - невысокая скорость отгонки цинка; по­лучение цинка низкого качества; образование в печи железистых настылей; высокий расход электроэнергии; сравнительно высокое содержание цинка в отвальном шлаке. Обеспечение более высокой степени очистки шлака от цинка приводит к восстановлению более 30 % железа, содержащегося в шла­ке. А это связано с увеличением расхода электроэнергии, обильным настыле- образованием и снижением производительности печи.

Контрольные вопросы:

1. Классификация шлаков и методы их переработки? Образование металлургических шлаков.

2. Рассказать о технологических особенностях переработки металлургических шлаков. Переработка сталеплавильных и ферросплавных шлаков и использование продуктов переработки.