Металлургия и ее применение

Присутствующее в шихте олово, находящееся в сплаве с медью или в виде припоев без особых затруднений переходит в черную медь.

  Восстановление оксидов олова проходит ступенчато:

SnO_{2 2} Sn Sn

Условия восстановления этих оксидов  практически одинаково. Свободный  оксид олова (Sn²⁺) – неустойчивое соединение, которое диспропорционирует по реакции

2 Sn SnO₂ + Sn

Состав равновесных газовых  смесей для реакции восстановления оксида олова (Sn⁴⁺)  оксида (CO) характеризуется следующими данными:

t,                                           850         1000      1200

C_CO  в смеси CO + CO₂, %     20,9          8,0        4,0

Приведенные данные свидетельствуют о том, что оксиды олова до металлического олова восстанавливаются значительно труднее оксидов меди и свинца.

Еще с большими трудностями протекает  восстановление ошлакованных оксидов олова. Извлечению из них олова в черную медь способствует присутствие таких более сильных оснований, как CaO и FeO:

2SnOSiO₂ + 2CaO + 2C (CO) = 2 Sn + 2 CaO SiO +2 CO(CO₂)

2SnOSiO₂ + 2FeO + 2C(CO) = 2Sn + 2FeO SiO₂ + 2CO(CO₂)

Определенное значение при шахтной  плавке вторичного сырья, содержащего  химически связанное  олово, имеет  восстановление его за счет присутствующего в шихте металлического железа:

2SnOSiO₂ + 2Fe = 2Sn + 2FeO SiO₂

В шихте шахтной плавки значительная часть цинка(25-30 % от его общего содержания) представлена оксидами цинка. Это трудно восстановимые соединения. Протекание реакции

ZnO + CO = Zn + CO₂

Из-за низкой концентрации СО в газовой фазе маловероятно.

Оксиды цинка при шахтной  плавке восстанавливаются в основном металлическим железом при температурах выше 1000 :

ZnO + Fe Zn + FeO;

2ZnO SiO₂ + 2Fe 2Zn + 2FeOSiO₂ ;

ZnO Fe₂O₃ + Fe + CO Zn + 3FeO + CO₂

Из-за трудности восстановления оксидов  цинка и хорошей их растворимости  в жидких шлаках большая часть  поступивших в печь оксидов цинка  переходит в шлак.

В третьей зоне с температурой 1000-1300 заканчиваются процессы восстановления соединений цветных металлов, происходит плавление шихты с образованием черной меди и шлака, продолжается переход в газовую фазу цинка и других летучих компонентов, в частности оксидов свинца (11) и олова (11).

В четвертой зоне – зоне фокуса печи – развиваются температуры  около 1300 – 1400 . непосредственно в области фурм и несколько выше печь  заполнена раскаленным коксом, через который фильтруется жидкий продукт плавки. В зоне фокуса происходит интенсивная отгонка летучих компонентов.

Благодаря горению кокса и газификации твердого углерода в агрегате поддерживается необходимый температурный режим и восстановительная атмосфера.

В пятой зоне (внутренний горн) собираются жидкие продукты плавки, происходит отстаивание  и разделение составляющих расплава, если черная медь из печи выпускается  периодически. При наличии у печи наружного отстойника смешанные  продукты плавки непрерывно выходят  из печи и  окончательно разделяются по плотности в наружном отстойнике. Во внутреннем горне температура составляет 1200 – 1250 и поддерживается за счет энтальпии поступающего в него расплава.

Из практике работы шахтных печей следует, что оптимальными являются шлаки состава, %: 24-26 SiO₂,  35-40 FeO и 8-12 CaO. При работе на таких шлаках сокращаются потери меди и достигается удовлетворительная отгонка цинка, содержание меди в шлаке в этом случае не превышает 0,9%.

В качестве флюсов при шахтной плавке вторичных  материаллов используют бимитал, иногда кварц и известняк. Железо беметалла  востанавливает силикаты цветных металлов и обеспечивает получение шлака  с заданным содержанием закиси железа:

2МеО Si + 2Fe  2FeO Si + 2Me.

На заводе установлены печи с сечением в  области фурм 8,35 . Печи полностью кессонированы, имеют по 26 фурм диаметром 130 мм каждая. Шихту загружают в печь вагонетками через окна, расположенные вдоль боковых стен на колошниковой площадке. Загрузочные окна закрыты водоохлаждаемыми заслонками, поднимаемыми и опускаемыми с помощью пневмоцилиндра.   Расплав из внутреннего горна печи выпускают в передний электрообогреваемый горн-отстойник, снабженный графитированными электродами диаметром 300 мм, погруженными в шлак, и трансформатором мощностью 900 кВА. Использование внешнего горна-отстойника исключает простои печи при выпуске черной меди из внутреннего отделения. Колошник и газоход печи кессонированны. Компания печи достигает двух лет.

Профиль  поперечного сечения печей завода неоднократно подвергали изменению. Вначале  печи имели расширяющееся кверху рабочее пространство, затем кессоны  были установлены вертикально, что  несколько уменьшило образование  настылей, которые возникают при плавке мелкой шихты. В настоящее время проводится дальнейшая реконструкция печей, предусматривающая небольшое расширение печи книзу в верхней части и создание заплечиков в нижней. Таким образом, профиль реконструированных печей будет несколько напоминать профиль доменных печей черной металлургии. Это должно свести настылеобразование к минимуму.

При плавке вторичных материалов в  шахтную печь сначала загружают  кокс, затем латунный лом и стружку  и в последнюю очередь флюсы  и прочие компоненты шихты. Шихта  по возможности должна иметь одинаковую крупность. Плавку ведут на низкой сыпи, следя за тем, чтобы высота столба шихты не превышала 4 – 4,5 м от плоскости  фурм.

Черная медь выдается из внешнего горна через шпуровое отверстие  в ковш, шлак непрерывно сливают  с поверхности ванны в шлаковые чаши. На 1 т расплава расход электроэнергии составляет 30-50 кВт .ч, графитированных электродов 3-4 кг.

Технологические газы очищаются от грубой пыли и охлаждаются до температуры 250 в циклоне с испарительным охлаждением. Грубую пыль в качестве оборотного продукта перерабатывают в конвертере или возвращают в шахтную печь. Тонкую пыль, представляющую собой возгоны цинка и других летучих компонентов, улавливают в рукавных фильтрах (общая фильтрующая поверхность 10500 м²). Запыленность газов после фильтрации не превышает 0,04 г/м³.

 Воздух подают  в печь под  давлением от 4 до 10 кН/. Расход воздуха составляет около 60 в 1 мин на 1  сечения печи в области фурм. При таком воздушном режиме обеспечивается форсированный устойчивый ход плавки. Шахтная плавка вторичного медьсодержащего материала характеризуется очень высокой удельной производительностью, достигающей 80 – 100 т/( сут).

Шахтная плавка вторичного медьсодержащего  сырья характеризуется следующим  выходом  продуктов плавки,  % от массы шихты: черная медь 30 – 33, шлак отвальный    55 – 56, грубая пыль 3 – 4 и тонкая пыль 5 – 10.

Состав продуктов плавки приведен в таблице 2.

Таблица 2.1.

Химический состав продуктов плавки вторичного сырья, %

Продукты плавки	Cu	Zn	Sn	Pb	Ni	SiO2	CaO	FeO	Al2O3
Черная  медь	82-87	5-8	1,2-2,2	1-2	0,5-1,5	-	-	1,5-3,0	-
Шлак	0,7-0,8	6-9	0,1-0,2	0,2-0,5	0,03-0,2	23-29	8-14	35-40	9-13
Оборотный шлак	1,0-4,0	5-8	0,2-0,5	0,2-0,6	0,05-0,2	20-26	8-14	33-38	5-10
Грубая пыль	10-15	25-30	0,2-0,3	3,0-4,0	-	15-20	2-3	10-12	3-5
Тонкая пыль	0,5-3,0	60-63	0,3-0,7	4-5	-	-	-	-	1-2

 

 В результате плавки основная часть меди (97,0-97,6%) шихты переходит в черную медь, небольшая часть ее (1,5 – 3,0 от общего содержания) – в шлак и совсем незначительная часть (0,2 – 0,4% общего содержания) – в газы в виде тонкой пыли. В шлаках медь теряется в виде механически запутавшихся корольков черной меди и в  ошлакованном виде. Цинк на 45- 55% отгоняется  с газами и извлекается в виде оксида цинка, 12-15%  цинка остается в черной меди, 30-35% - переходит в шлаки. Потери цинка составляют 15%. Свинец на 60-65% извлекается в черную медь. При шахтной плавке 65-70%  всего олова переходит в черную медь, 25-30% - в шлак и 2-4% -в пыль и газы.

 Усовершенствование  процесса плавки  идет по пути  увеличения металлов, сокращение  расхода дорогого и дефицитного  кокса в результате применения  воздуха, обогащенного кислородом, и подогрева дутья.

Подача горячего дутья стабилизирует работу печей  при изменяющемся составе загружаемой  шихты, облегчает обслуживание самой  печи (полностью исключена прочистка  фурм) и электрообогреваемого отстойника, снижается на 50-80 температура газов в колошнике.

Использование подогретого воздуха сокращает  расход кокса с 13-15% до 8,8-11%, повышается удельная производительность до 90-100 т /(м2 .сут).

Технико-Экономические  показатели шахтной плавки повышаются также при использовании дутья, обогащенного кислородом. Обогащение подаваемого воздуха кислородом до 25% позволит увеличить проплав  на 15-20%, сократить расход кокса на 10-15%, уменьшить пылевынос.

 

технологическая часть.

Технологические расчеты, составление материального и теплового балансов.

Таблица 3.1.

Химический состав шихты

Мате-риалы	Содержание, %
	Cu	Zn	Pb	Sn	Fe	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	Проч.	Сум-ма
Лом и струж-ка	65,0	26,0	1,0	1,13	3,26	-	-	-	-	3,61	100
Несор-тные мате-риалы, прово-да	42,3	6,85	5,6	1,43	22,17	-	-	-	-	21,65	100
Шлаки рафии-ниро-вочных произ-водств	31,0	11,55	1,8	3,3	16,2	12,61	4,64	4,26	0,8	13,84	100
Сора	13,85	22,4	0,85	0,15	15,8	26,22	6,3	1,4	0,15	13,14	100
Шлаки обо-ротные	1,05	7,8	0,22	0,1	42,8	24,4	-	6,7	-	16,93	100

 

Количество компонентов в шихте следующее, кг

1. Лом и стружка                                                      25
2. Внесортные материалы и провода                     10
3. Шлаки рафинировочных производств               10
4. Сора                                                                       10
5. Шлаки оборотные                                                        45

                                                                                      100 кг

            Расчет рационального состава лама и стружки

Распределение меди в ломе и стружке  следующее, %

В металлической – 96 ;

В Cu₂O                 – 4,0                         

            100%

Таблица 3.2.

Рациональный состав лама и стружки

 

Вещества		Сумма	Cu	Zn	Pb	Sn	Fe	O	Проч.
Cu		62,4	62,4	-	-	-	-	-	-
Cu2O		2,92	2,6	-	-	-	-	0,32	-
ZnO		26,0	-	26,0	-	-	-	-	-
Pb		1,0	-	-	1,0	-	-	-	-
Sn		1,13	-	-	-	1,13	-	-	-
Fe		3,26	-	-	-	-	3,26	-	-
Проч.		3,29	-	-	-	-	-	-	3,29
Всего	Кг	100	65,0	26,0	1,0	1,13	3,26	0,32	3,29
	%	25	16,25	6,5	0,25	0,28	0,81	0,08	0,83

 

            Расчет рационального состава  внесортных материалов и проводов

Распределение меди и железа следующее, %

Меди                                                                                                    железа

В металлической – 93 ;                                   в Fe мет             -              45

В Cu₂O                 –7,0                                     в Fe₂O₃              -              55

            100%                                                                     100%