Электротермия в металлургии меди свинца и цинка

валось 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

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

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»:

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

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

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

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%.