Переработка медьсодержащих шлаков

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Институт металлургии и материаловедения

Кафедра металлургии цветных металлов и химической технологии

Реферат

По дисциплине «Металлургические технологии переработки техногенного и вторичного сырья»

На тему: «Переработка медьсодержащих шлаков»

Выполнила: студ. МВ-10

Мительская Е.А.

Проверила: к.т.н., доцент

Полях О.А.

г. Новокузнецк, 2013



Введение

Шлак-- расплав (после затвердевания -- стекловидная масса) в металлургических, плавильных процессах, покрывающий поверхность жидкого металла, состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами. Шлак предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси. Шлак применяется для изготовления стройматериалов (кирпич, черепица), как удобрение. Также шлаки -- твёрдые отходы некоторых химических производств и спёкшаяся зола от сжигания твёрдого топлива (например, каменного угля).

Обычно шлак -- побочный продукт или отход от производства металла, после очистки от остатков ценных компонентов (обеднения) отправляемый в отвал. Однако в некоторых случаях основным продуктом плавки, содержащим наиболее ценный компонент сырья, является именно шлак.

Шлаки медной плавки представляют собой расплав силикатов с неболшой примесью других оксидов. Шлаки близко отвечают бинарной системе FeSiO2. По результатам фазового анализа медь в шлаках находится на 80 % в халькозине нестехиометрического состава, халькопирите, борните и пирротине, а также в виде оксидов и металла. В связи явно выраженной тенденцией вовлчения в переработку бедного полиметаллического природного сырья с высоким содержанием свинца, цинка и мышьяка, происходит увеличение содержания этих элементов в шлаках.

На стадии электролитического рафинирования меди ежедневно из оборта выводят значительные объемы отработанного электролита, нейтрализацию которого в настоящее время проводят металлическим скрапом.

Цель реферата: рассмотреть способы переработки медьсодержащих шлаков.



1. Производство вторичной меди и ее сплавов

Вторичная металлургия меди слагается из двух, четко разделяющихся технологических направлений - производства чистой меди и производство вторичных сплавов на медной основе.

Производство вторичной меди из лома и отходов возможно как пиро-, так и гидрометаллургическими способами. Основным способом переработки вторичного низкосортного медьсодержащего сырья на чистую медь в настоящее время является плавка в шахтных печах.

Пирометаллургическая технология получения вторичной меди состоит из следующих переделов:

подготовки вторичного сырья к плавке;

плавки на черную, сильно загрязненную примесями медь;

конвертирования черной меди с получением конвертерной (черновой) меди;

рафинирования черновой меди огневым и электролитическим способами.

Для производства вторичной меди, как правило,используют наиболее низкосортные лом и отходы меди и медных сплавов. Такое сырье практически не поддается предварительной подготовке, или она обходится чрезмерно дорого. По этой причине несортированное медьсодержащее сырье отличается большим разнообразием поступающих в плавку материалов и исключительным непостоянством состава и часто полной его неопределенностью.

Крупный лом и отходы представляют собой несортированное и неразделанное сырье с большим содержанием железа и других примесей, а также крупногабаритные отходы литейного производства - выломки из ковшей, печные ''козлы” и т.п. Такое сырье очень часто просто разбивают копром или подвергают резке на куски, размер которых допускает их загрузку в шахтные печи. Мелкий несортированный лом и отходы, значительно загрязненные железом, синтетическими материалами, лакокрасочными покрытиями и т.д., направляют в плавку без предварительной разделки.

При наличии во вторичном сырье военного лома (главным образом гильз различных видов огнестрельного оружия) перед плавкой он должен быть подвергнут пиротехническому осмотру и в случае необходимости обезврежен.

Латунный лом и отходы в виде высечки, обрези, стружки, бракованных изделий и т.п., если они не могут быть переработаны на соответствующий сплав, плавят в конвертерах рудной технологии при получении черновой меди.

Шлаки литейного производства, содержащие корольки меди и ее сплавов, оксиды и другие химические соединения, предварительно дробят и подвергают грохочению. Мелочь с крупностью частиц до 15 мм перед плавкой желательно укрупнить методом агломерации или грануляцией (окатыванием). Предварительному укрупнению подвергают также мелкие сыпучие материалы - формовочные земли, мелкие шлаки, наждачную пыль и т.п.

Плавка медьсодержащих лома и отходов в шахтных печах ставит своей основной целью расплавление меди и восстановление ее соединений до металлического состояния, ошлакование железа и пустой породы шихтовых и флюсовых материалов, а также возгонку летучих компонентов.

Шахтная плавка вторичного медного сырья относится к числу восстановительных процессов. Ее проводят при расходе кокса, равном 12... 18 % от массы твердой шихты. Количества выделяющейся при горении кокса теплоты в этом случае вполне достаточно для расплавления шихты, перегрева продуктов плавки, а также отгонки цинка, свинца и других летучих компонентов. Флюсами при плавке являются, загружаемые в печь известняк и кварц, а также железо, содержащееся в исходных сырьевых материалах в достаточном количестве.

Химические процессы шахтной плавки вторичного медьсодержащего сырья сводятся к целому комплексу взаимодействий.

Созданию в печах необходимых температур (до 1500 *С) и восстановительной атмосферы способствуют реакции горения твердого углерода и газификации его диоксидом.

Металлы, присутствующие в шихте в окисленном состоянии, восстанавливаются за счет взаимодействия с оксидом углерода и частично с металлическим железом шихты, описываемого в общем виде уравнениями: MeО + CO = Me + CO2 и MeO +Fe = Me + FeO, где Me - медь, олово, цинк, свинец и т.д.

Расплавленная медь собирается в нижней части общей массы расплава. Вследствие растворения в расплаве меди значительных количеств примесных металлов (до 20 %) получающийся металлический продукт в отличие от первичной черновой называют черной медью. Состав черной меди шахтной плавки вторичного сырья колеблется в очень широких пределах. Она может содержать, %: Cu 82...87; Zn 5...8; Sn до 2,2; Pb до 2; Fe 1,5...3; Ni до 3.

Оксиды шихты и флюсов образуют при плавке силикатные шлаки, содержащие, %: SiO2 23 ... 29; FeO 35 ... 40; CaO 8...14; Zn 6... 9; Cu до 1,5.

Значительные количества цинка и других летучих компонентов возгоняются с газами. Обычно возгоны состоят в основном из оксида цинка (60... 63 % Zn) и направляются для дальнейшей переработки на цинковые заводы.

Распределение основных компонентов вторичного медного сырья по продуктам шахтной плавки характеризуется следующими данными, % от исходного количества:

Металл Cu Zn Pb Sn

Черная медь До 98 12...15 60...65 65...70

Возгоны 0,2...0,4 45...55 15...20 2...4

Шлак 1,5...2,0 До 30 15...20 25...30

Для плавки вторичного медного сырья применяют шахтные печи небольших размеров с поперечным сечением в области фурм от 3 до Юм2, аналогичные по конструкции применяемым при производстве первичной меди. Отстаивание шлака от черной меди на некоторых заводах ведут в электрообогреваемых передних горнах с тремя погруженными в шлак графитовыми электродами.

Черная медь не пригодна не только для непосредственного использования, но и для прямого рафинирования по технологическим и экономическим соображениям. По этим причинам черную медь перед рафинированием дополнительно подвергают продувке в конвертерах с целью максимального удаления примесей путем их окисления в шлак или пыли и получения черновой меди.

В основе процесса конвертирования черной меди лежит окисление примесных металлов по экзотермическим реакциям: 2Me + O2 = = 2МеО. Основное количество теплоты, обеспечивающей полную автогенность процесса, выделяется при окислении железа и цинка. Часто при продувке черной меди развиваются чрезмерно высокие температуры (до 1350 "C). В таких случаях конвертеры используют как плавильные агрегаты для дополнительной переработки вторичного сырья в качестве холодных присадок.

Примеси черной меди в процессе конвертирования в зависимости от их физико-химических свойств переходят преимущественно в возгоны (например, цинк) или в оборотный конвертерный шлак (железо, свинец, олово и др.). Частично они остаются в черновой меди, вызывая тем самым необходимость обязательного ее глубокого рафинирования.

Конвертирование черной меди и сопутствующую ему дополнительную плавку лома и отходов проводят в обычных горизонтальных конвертерах вместимостью 40- 60 т.

Вторичную черновую медь (часто совместно с первичной) подвергают огневому и электролитическому рафинированию по технологиям, описанным в гл.7.

Рассмотренная технология переработки вторичного медного сырья весьма несовершенна. Основным ее недостатком является низкая комплексность использования перерабатываемого сырья.

Наиболее рациональным вариантом использования лома и отходов меди и ее сплавов является их переработка на вторичные сплавы. Такой метод переработки вторичного сырья позволяет извлекать в товарную продукцию все ценные составляющие исходных материалов при минимальных их потерях. Однако для прямого получения вторичных сплавов необходимо применять кондиционное (сортовое) сырье.

В нашей стране при переработке лома и отходов меди и медных сплавов преимущественно получают вторичные бронзы и латуни. На их долю приходится около 95 % общего выпуска вторичных сплавов на медной основе.

Переработка вторичного медного сырья в настоящее время проводится в основном пирометаллургическим способом (плавкой). Гидрометаллургические способы во вторичной металлургии меди имеют ограниченное применение. В промышленной практике для выщелачивания меди из лома и отходов применяют сернокислотное, аммиачное или электрохимическое растворение. Конечной товарной продукцией гидрометаллургических технологий чаще всего являются медные порошки или электролитическая фольга [1].

2. Шлаки цветной металлургии

Производство цветных металлов сложный, дорогой и трудоемкий процесс. Для получения 1 тонны меди, никеля, олова необходимо переработать от ста до трехсот тонн руды. Количество шлаков при выплавке 1 тонны цветного металла достигает 15-25т. Это обстоятельство объясняется тем, что цветные металлы в природе встречаются только в виде соединений, рассредоточенных в горных породах и содержание окислов меди, никеля, цинка, олова в руде не превышает 3-5%, остальное пустая порода: пирит, кварц, карбонаты и силикаты кальция и магния. Шлаки цветной металлургии отличаются от шлаков черной металлургии повышенным содержанием закиси железа (до 20-40%).

Шлаки цветной металлургии отличаются большим разнообразием, их удельная масса по сравнению со шлаками черной металлургии, если считать на единицу выплавленного металла, значительно больше. Если при выплавке чугуна и стали образуется 0,2--1 т шлака на 1 т металла, то при выплавке никеля его количество достигает 150 т, меди не менее 10-30 т.

Кроме оксидов кремния, алюминия, кальция, магния, железа и марганца в шлаках содержится значительное количество таких ценных компонентов, как медь, кобальт, цинк, свинец, кадмий, редкие металлы.

В связи со специфическим составом шлаков цветной металлургии общим перспективным направлением в решении проблемы их использования является принцип комплексной переработки, включающий три основные стадии: 1) предварительное извлечение цветных и редких металлов; 2) выделение железа; 3) использование силикатного остатка шлака для производства строительных материалов. Однако, как показывает практика, чаще всего переработка шлака заканчивается первой или второй стадией.

Способ переработки медьсодержащих шлаков позволяет разделить их на ценные компоненты путем обработки шлаковой пульпы соляной кислотой до значения pH 5,5 - 6,5 и последующей фильтрации. Введение кислоты в пульпу позволяет получить из шлака ценные продукты и исключает образование отходов.

При получении меднокальциевого сплава электролизом хлорида кальция образуются донные шлаки, содержащие медь. Для обеспечения нормальной работы ванны шлак периодически удаляют, что приводит к интенсивному взаимодействию с кислородом воздуха. Таким образом возникают отходы, содержащие графит, оксид кальция, железо и до 30% оксида меди.

В настоящее время используют различные способы переработки шлаков, содержащих медь. Однако известные способы восстановительной плавки, при которых происходит взаимодействие оксидов меди с углеродом или окисью углерода ,не пригодны для указанного продукта. Это связано с наличием в шлаке оксида кальция, который не восстанавливается углеродом (до 1800oC) и имеет высокую температуру плавления. Таким образом, получение слитка меди таким способом возможно лишь при температуре более 2000oC.

Известный способ переработки шлаков, содержащих медь, путем сернокислотного выщелачивания с последующим электровыделением катодной меди из сульфатных растворов также непригоден из-за образования гипса на поверхности частиц шлака.

Известен также электролитический способ извлечения меди из гидроксидных шлаков в электролите, содержащем хлорид натрия. Недостатком здесь является получение рыхлого осадка. И, если шлак содержит до 20% гидроксида щелочноземельного металла, то полученная медь оказывается низкого качества по примесям.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ вскрытия отвальных медно-никелевых шлаков. По данному способу в предварительно нагретую до 55 - 90oC 15 - 20%-ную соляную кислоту загружают шлаки и после выдержки проводят фильтрацию. Недостатками данного способа являются большой расход кислоты, необходимость подогрева раствора, использование дорогостоящей кислотостойкой аппаратуры и отсутствие промышленного опробования данной технологии (масса загрузки не более 50 г)[2].



3. Обогащение техногенных образований

 Предприятия металлургической промышленности являются крупнейшими производителями отходов, среди которых основной объем приходится на шлаки, золу, горелые земли и огнеупорные материалы, причем в последние годы использование отходов существенно отстает от их образования. Вместе с тем образующиеся на металлургических предприятиях отходы являются ценным сырьем и могут быть использованы для получения товарной продукции.

Среди различных видов промышленных отходов одно из первых мест по объему занимают шлаки, образующиеся при выплавке металла (металлургические шлаки). На предприятиях черной металлургии России ежегодно образуется около 80 миллионов тонн шлаков, а общее количество металлургических шлаков, находящихся в отвалах, достигает 500 миллионов тонн.

Химический состав металлургических шлаков зависит от марки выплавляемой стали, состава используемой руды и флюсов. Они содержат от 35 до 47% оксида кремния, 9-16% оксида алюминия, 30-50% оксида кальция, 2-14% оксида магния, ~ 3% оксида марганца и до 0,7% оксида железа. Шлаки цветной металлургии помимо этих веществ содержат оксиды меди, кобальта, никеля, цинка, свинца, кадмия и редких металлов.
Металлургические шлаки, образующиеся при выплавке цветных металлов, отличаются по химическому составу и свойствам. Ежегодно в цветной металлургии образуется до 10 миллионов тонн шлаков, уровень использования которых не превышает 15%. В шлаках медной промышленности содержится от 0,3 до 1,1% меди, около 5% цинка, свинец, золото, серебро и другие ценные металлы.  

Перспективы применения центробежно-ударной техники для переработки металлургических шлаков

Металлургические предприятия относятся к числу наиболее крупных народнохозяйственных объектов, в значительной степени определяющих уровень экономического развития России. Из всего многообразия техногенных образований, получаемых в металлургическом производстве, основной объем 80% от общего количества твердых промышленных отходов (ТПО) составляют шлаковые отвалы. Переработка шлаков определяет практическую сущность организации безотходного металлургического производства.

В России, в шлаковых отвалах накоплено 800 млн. т. шлаков черной и цветной металлургии. Ежегодно образуется более 95 млн.т. шлаков в т.ч. около 79 млн.т. шлаков доменного, сталеплавильного, литейного и ферросплавного производств. Расположенные в городской черте шлаковые отвалы нарушают ландшафт территорий, для размещения отвалов отчуждаются земельные угодья, вследствие протекания процессов естественного выщелачивания и выветривания ухудшается экологическая обстановка региона. Средний уровень использования промышленных отходов по стране равен всего лишь 53%. Доля использования отходов производства в качестве вторичного сырья не превышает 11%. В настоящее время в большинстве высокоразвитых стран использование силикатной продукции металлургических предприятий достигает 90%. В строительной индустрии используются главным образом их вяжущие свойства.

Способов извлечения металла из жидких шлаков, опробованных в промышленных условиях, нет, поэтому металл на предприятиях извлекается только из твердых шлаков при первичной переработке их в шлаковых отделениях и при вторичной -- на дробильно-сортировочных установках. Переработка жидких шлаков с точки зрения возможности максимального извлечения металла имеет неоспоримые преимущества перед технологией переработки твердых шлаков. Специальное оборудование для переработки шлаков не разработано, поэтому используют стандартное, предназначенное для горнорудной промышленности или производства строительных материалов.

Наряду с пуском технологических линий по переработке текущих шлаков необходимо создавать рациональные способы разработки отвалов с максимальным извлечением металла и эффективным использованием силикатной части.

На выбор оборудования для механической переработки твердых металлургических шлаков в товарную продукцию основное влияние оказывает способ их специфические свойства, отличающиеся от свойств горных пород. Металлургические шлаки в процессе охлаждения и длительного хранения на открытом воздухе подвержены различного рода структурным превращениям, которые сопровождаются изменением объема, формы, массы и других физических свойств.

Отличительной особенностью металлургических шлаков является наличие в них металлических включений в виде сростков металла и шлака, корольков и скардовин. Армированный металлом шлак обладает качественно новыми свойствами по сравнению с его составляющими. Наличие металла в шлаке повышает его объемную массу, изменяет механическую прочность. Вместе с этим в поверхностных слоях шлака происходит стабилизация стекловидной и мелкокристаллической фазы, которая обладает высокой поверхностной твердостью и абразивностью.

Выбор аппаратов и способов механической дезинтеграции (дробления и измельчения) шлаков необходимо осуществлять учитывая сложность процесса раскрытия металлических включений и особенности физико-механических свойств шлаков. Данные о дробимости, хрупкости, крупности минералов, форме и пространственном распределении минеральных включений и их агрегатов определяют их поведение под влиянием вешних усилий - нагрузок и позволяют оценить возможность эффективной переработки в тех или иных аппаратах.

С целью снижения затрат на перевозку исходного материала стационарные комплексы для переработки текущих шлаков располагаются вблизи отделений первичной переработки. Установки открытого типа размещают обычно в зоне отвалов.

Выбор дробильного оборудования производится из расчета крупности шлака, необходимой производительности, качества товарной продукции и наличия металлических включений. В настоящее время наиболее широкое распространение при переработке твердых шлаков получили щековые дробилки со сложным качанием щеки типа СМ16 (ЩДС 6x9) на первой стадии дробления и СМ741 (ЩДС 4X9) --на второй. Однако особенность сложного качания играет и негативную роль в процессах дробления. Дробящие усилия у этих дробилок полностью передаются на эксцентрик коленчатого вала и при попадании в дробилку металла валы ломаются. При таком движении щеки в дробимом материале возникают не только раздавливающие, но и истирающие усилия, которые передаются материалу щеки и приводят к более быстрому износу оборудования.

Таким образом, применение операции термодробления приводит к образованию большой поверхности мелкокристаллических зерен, обладающих повышенной абразивностью. По методике ВНЙИСтройдормаша конвертерные шлаки после термодробления относятся к 10 категории абразивности. Из сказанного можно сделать вывод, что на первой стадии дробления при переработке текущих шлаков, прошедших операцию термодробления, использовать щековые дробилки не целесообразно.

Отличительной особенностью отвальных шлаков являются меньшие значения абразивности по сравнению со шлаками текущего выхода. По-видимому, острые кромки, которые имел материал после термодробления или охлаждения в ковше или коробке со временем под действием атмосферных условий распадаются и сглаживаются. Показатель абразивности у отвальных шлаков в 1,5--2 раза ниже, чем у шлаков текущего выхода. Однако при попадании недробимых металлических включений в камеру дробления происходит простой оборудования. Безаварийная работа стандартных дробилок, особенно щековых и конусных, при дроблении сталеплавильных шлаков возможна в условиях тщательно организованной системы удаления металла. При этом основная часть металла должна быть извлечена во время первичной обработки шлака, а оставшаяся -- магнитными сепараторами, установленными перед дробилкой, что значительно удорожает переработку шлаков.

Распад шлаков текущего выхода, их высокая абразивность и высыхание поверхности кусков шлака после операции термодробления приводит к образованию большого количества пыли в процессе переработки. Известные способы аспирации не обеспечивают требуемых санитарных условий в основных технологических узлах шлакоперерабатывающих установок.

Для предприятий с относительно небольшим выходом шлака (до 200 тыс. т) наиболее целесообразно получать фракционированный щебень. Шлак после первичной переработки через приемный бункер с решеткой поступает в узлы дробления и сортировки по фракциям. При этом он трижды подвергается магнитной сепарации. Схемой предусмотрено осуществлять дробление роторной дробилкой. Опыт эксплуатации показал, что она неплохо работает при попадании металла, однако требует больших затрат на восстановление бил ротора. Роторные дробилки менее чувствительны к попаданию недробимых кусков, но при этом не приспособлены к дроблению абразивных материалов, а металлургические шлаки в 4 - 5 раз абразивнее гранита.

Опыт внедрения аппаратов центробежно-ударного дробления на участке переработки металлургических шлаков ОАО ММК позволил увеличить полноту извлечения железа в магнитный продукт с 33,4% до 59% и увеличить массовую долю железа в магнитном продукте крупностью 10-0 мм с 40% до 58%. При этом ежегодный выпуск магнитного продукта крупностью 10-0 мм увеличился с 120000 т до 290020 т, а продукта крупностью 90-10 мм с 60000 т до 80380 т.

Замена конусно-инерционной дробилки третьей стадии дробления алюминиевых шлаков на центробежно-ударную дробилку ДЦ в условиях ООО «Реметал-С» (г. Самара) обеспечило увеличение содержания алюминия в готовом продукте с 15% до 25%. Повторные додрабливание и плавка повышают содержание алюминия в готовом продукте до 55% без снижения извлечения.

В основу процесса положен избирательный размол шлака с последующим разделением на тяжелую металлическую и легкую дисперсную фракции.

Основные показатели процесса:

степень извлечения меди из шлаков 90-92%;

коэффициент использования медьсодержащих шлаков - 90%.

Из однородной силикатной массы тонкого, сливного, стекловатого строения шлаков медной плавки с содержанием меди 0,31% при помоле на центробежно-ударной мельнице был получен продукт крупностью -60 мкм с обособленными зернами вторичных сульфидов меди и магнетита. Отсев на сите 40 мкм позволил выделить продукт, выход которого составил 4.5%. Сухим магнитным способом выделены магнетитовые продукты с содержанием железа 9-11%, хвосты магнитной сепарации содержат до 3,71% меди. Кроме того, центробежно-ударное измельчение способствует обнажению силикатных связей медного шлака, что обеспечивает его вяжущие свойства и расширяет возможности применения в стройиндустрии.



Заключение

Мною рассмотрена и изучена схема возникновения и переработки медьсодержащих шлаков.

вторичная медь шлак переработка



Список использованных источников

Производство вторичной меди и ее сплавов [Электронный ресурс]:.- Режим доступа: http://metal-mega.com/articles/proizvodstvo-vtorichnoy-medi-i-ee-splavov, Металлоизделия в Луганске и области, 02.11.2013г.

ШЛАКИ: виды и процессы образования [Электронный ресурс]: Москва, 10 Июня 2008г.- Режим доступа: http://b2blogger.com/pressroom/12008.html , 02.11.2013г.

Способ переработки медьсодержащих шлаков [Электронный ресурс]:.- Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/211/2117059.html , 02.11.2013г.

Размещено на Allbest.ru