Исследование процесса извлечения компонентов медных сплавов из меднолитейных шлаков и разработка технологии их переработки методом индукционной плавки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.04, кандидат наук Шаньгин, Евгений Андреевич

• Шаньгин, Евгений Андреевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Шаньгин, Евгений Андреевич

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Образование меднолитейных шлаков

1.2 Анализ методов переработки меднолитейных шлаков

1.2.1 Механическая переработка шлаков

1.2.2 Гидрометаллургическая переработка шлаков

1.2.3 Пирометаллургическая переработка шлаков

1.2.3.1 Шахтная плавка вторичного сырья

1.2.3.2 Электротермическая переработка шлаков

1.3 Восстановление шлаковых расплавов

1.3.1 Общие сведения о процессах твердофазного 31 восстановления

1.3.2 Взаимодействие жидкого шлака и твердого углерода

1.4 Краткие выводы и задачи исследования

2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объект исследования

2.2 Методика проведения лабораторных плавок

2.3 Методика расчета компонентов шихты для восстановительных плавок

2.4 Методика проведения промышленных экспериментов

2.4.1 Методика плавок шлака оловянных бронз

2.4.2 Методика плавок латунного шлака

2.5 Методика проведения химических анализов

2.6 Методика обработки экспериментальных данных

2.6.1 Методика статистической обработки экспериментальных данных

2.6.2 Методика обработки результатов исследования

3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ

МЕДНОЛИТЕЙНЫХ ШЛАКОВ В ИНДУКЦИОННОЙ ПЕЧИ

3.1 Выбор компонентов плавки

3.2 Обоснование температурных режимов проведения плавки

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ

КОМПОНЕНТОВ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ИЗ БРОНЗОВЫХ

ШЛАКОВ

4.1 Экспериментальная оценка влияния технологических факторов на эффективность разделительных плавок бронзового шлака

4.2 Экспериментальная оценка влияния технологических факторов на эффективность восстановительных плавок бронзового шлака

4.3 Исследование закономерностей восстановления компонентов бронзы Бр05С25 из оксидной составляющей бронзового шлака

4.4 Исследование закономерностей восстановления меди из

окиси меди

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ

КОМПОНЕНТОВ МЕДНЫХ СПЛАВОВ ИЗ ШЛАКОВ

ЛАТУНИ

5.1 Экспериментальная оценка влияния технологических факторов на эффективность разделительных плавок латунного шлака

5.2 Экспериментальная оценка влияния технологических факторов на эффективность восстановительных плавок латунного шлака

6 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОЕ ОПРОБОВАНИЕ МЕТОДА ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНОЛИТЕЙНЫХ ШЛАКОВ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНОЛОГИИ РАЗДЕЛИТЕЛЬНО-

ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАВКИ

6.1 Переработка латунных шлаков

6.2 Переработка латунной пыли

6.3 Переработка бронзовых шлаков 97 ВЫВОДЫ 102 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А

Приложение Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование процесса извлечения компонентов медных сплавов из меднолитейных шлаков и разработка технологии их переработки методом индукционной плавки»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

При плавке медных сплавов активно развиваются процессы окисления и испарения компонентов шихты, а также взаимодействия расплавов с материалом футеровки плавильных агрегатов. Продукты окисления и межфазного взаимодействия совместно с различными неметаллическими компонентами шихты, случайно, но систематически попадающими в него, образуют шлаки сложного состава. Особенно процесс шлакообразования получает развитие при использовании в качестве шихты большого количества низкокачественных отходов в виде стружки. Применение в последние годы по экологическим причинам безфлюсовой технологии плавки сопровождается большим образованием шлака.

Образующиеся шлаки плохо отделяются от металлического расплава. При удалении шлака из печи часть металлической составляющей в виде отдельных корольков и конгломератов запутывается в нем. Поэтому в меднолитейных шлаках содержится от 25 до 50 %1 металлической составляющей.

Таким образом, общие потери металла при плавке включают безвозвратные потери, связанные с испарением компонентов сплава, и потери со шлаком в виде металлической и неметаллической (окисленной) части. Они зависят в основном от характеристики шихты (доли в ней стружки, малогабаритной и крупногабаритной фракций), от наличия флюса и древесно-угольного покрова. Согласно литературным данным, общие потери металла при плавке составляют 4 - 8 % и более. Поэтому извлечение металлов из этих шлаков является весьма актуальной задачей.

Обычно в цветной металлургии для переработки шлака широко применяют гидрометаллургический метод. Он основан на растворении шлака в кислотных и щелочных растворах с последующей экстракцией полезных

1 Здесь и далее содержание компонентов в сплавах, шлаках, смесях и т.п. приводится в массовых долях, %. Слова «массовая доля» опущены.

компонентов электролизом, цементацией и др. Метод позволяет извлечь из шлака полезные компоненты, находящиеся в шлаке как в свободном (металлическом) состоянии, так и в химически связанном состоянии. Но он эффективен при переработке большого объема однотипных шлаков и малопригоден для переработки меднолитейных шлаков, которые характеризуются широкой разновидностью шлаков и небольшими объемами каждого вида.

Для переработки меднолитейных шлаков более подходят пирометаллургические методы, которые основаны на расплавлении шлака и проведении восстановительной плавки. Для реализации этого метода используют, главным образом, шахтные и электродуговые печи. Плавка в шахтных печах хорошо освоена, но требует окускования и упрочнения окускованного шлака, а также применения дефицитного кокса. Электродуговая плавка позволяет эффективно извлекать из шлака медь, но при этом легколетучие компоненты медных сплавов (цинк, свинец и др.) большей частью возгоняются из-за высокой температуры в зоне горения электрической дуги.

В связи с отсутствием доступной технологии (в меднолитейных

производствах редко применяют шахтные и электродуговые печи, а в

основном используют индукционные печи) на большинстве заводов

применяют механический метод переработки. Его осуществляют путем

дробления и последующей сепарации шлака с отделением металлической

составляющей в виде отдельных частиц (корольков) и их конгломератов. Но

при этом удается извлечь из шлака лишь часть (50 - 70 %) металлической

составляющей. Остальная часть металлической составляющей в виде

мелкодисперсной фракции вместе с неметаллической (оксидной)

составляющей образует пылевидные отходы. Эти отходы являются

техногенными, так как при попадании в отвал загрязняют окружающую

среду тяжелыми металлами (Си, 8п, Ъп, РЬ и др.). Причем, зона загрязнения

существенно увеличивается из-за того, что пылевидная фракция разносится

6

ветрами на большие расстояния. В то же время, пылевидные отходы содержат до 20 - 50 % меди и прочих компонентов медных сплавов, которые в основном находятся в окисленном состоянии. Поэтому её утилизация представляет собой важную техническую и экологическую задачу.

Для меднолитейных производств целесообразно переработать собственные шлаки на месте их образования с использованием имеющегося плавильного оборудования. При этом желательно получить в результате переработки вторичный металл, пригодный в качестве полноценного шихтового материала.

До настоящего времени отсутствует соответствующая требованиям технология переработки медных шлаков. Эта технология должна отвечать нескольким требованиям:

- быть эффективной с точки зрения обеспечения высокой степени извлечения из шлака компонентов медных сплавов;

- быть мобильной с точки зрения быстрого перехода с переработки одного типа шлака на другой, что весьма важно для условий меднолитейных производств с широкой номенклатурой выплавляемых сплавов;

- доступной с точки зрения возможности реализации на имеющемся плавильном оборудовании - индукционных печах;

- экономически оправданной.

Цель работы.

Исследование процесса извлечения основных компонентов медных сплавов из меднолитейных шлаков и разработка технологии их эффективной переработки методом индукционной плавки.

Научная новизна.

1. Показано, что эффективность экстракции меди, олова, свинца и цинка зависит от технологических факторов, при этом она возрастает при переработке шлака совместно с восстановителем, активатором и затравкой, а

также по мере увеличения длительности и повышения температуры обработки.

2. Установлено, что процесс восстановительной экстракции меди, олова и свинца протекает во времени по/- образному закону, начальная (первая) и завершающая (третья) стадии характеризуются малыми скоростями, а вторая активная стадия реализуется с высокой скоростью, которая при температурах 1100, 1200 и 1300 °С составляет: у меди - 3,84, 10,38 и 8,13 %/мин; у олова - 0,53, 1,09 и 0,84 %/мин; у свинца - 1,68, 1,86 и 1,70 %/мин соответственно.

3. По экспериментальным данным получены аналитические зависимости выхода меди, олова и свинца от длительности восстановительной плавки для различных температур (1100, 1200 и 1300 °С) в виде эмпирических уравнений У = А • агй£ (В • 1 + С) + Б.

4. По максимальной скорости выхода меди, олова и свинца определены энергии активации процесса их восстановления, кДж/моль: Еси = 138,4; Е8п = = 95,9; Ерь = 20,2, что свидетельствует о протекании процессов восстановления в диффузионной области.

Практическая значимость.

1. Разработан способ переработки меднолитейных шлаков с низкой электропроводностью в индукционной печи, который включает плавку с применением графитового или графитсодержащего тигля и введение в печь вместе с шихтой индукционного разогревателя в виде графитового стержня или графитовых кусков.

2. Разработана технология двухстадийной переработки меднолитейных шлаков, включающая на первой стадии разделительную плавку исходных шлаков совместно с флюсом, позволяющую отделить металлическую составляющую шлака от неметаллической части, а на второй стадии -восстановительную плавку неметаллической части в присутствии восстановителя, активатора процесса восстановления, затравки и

стеклообразователя с целью максимального извлечения компонентов медных сплавов и получения вторичного шлака в компактном стекловидном состоянии.

3. Разработана технология совмещенной разделительно-восстановительной плавки, в которой процессы разделения металлической составляющей от неметаллической части и восстановления компонентов медных сплавов из неметаллической части реализуются совмещено во времени и пространстве.

4. Технология совмещенной разделительно-восстановительной индукционной плавки опробована в производственных условиях и внедрена в литейном цехе ООО НПП «Элмет», где успешно перерабатывают шлаки от плавки различных марок литейных оловянных бронз с полным использованием извлеченного металла при плавке сплавов, при этом экономический эффект от внедрения составил 7778,20 руб/т литья (Акт внедрения в Приложении А).

5. На технологию переработки меднолитейных шлаков в индукционной печи получено свидетельство о регистрации Ноу-Хау № 57-104-2013 ОИС НИТУ «МИСиС» от «5» сентября 2013г (Приложение Б).

Апробация работы.

Основные материалы работы представлялись на международных конференциях: «Прогрессивные литейные технологии», Москва, МИСиС (Октябрь 2011); «Asian Pacific Conference on Chemical, Material and Metallurgical Engineering», Пекин (Май 2013); на одиннадцатом съезде литейщиков России, Екатеринбург (Сентябрь 2013); на научных семинарах кафедры технологии литейных процессов НИТУ «МИСиС»(2010-2013).

Достоверность научных результатов.

Представленные в диссертации оригинальные результаты получены

лично диссертантом непосредственно в условиях лабораторных и

промышленных плавок. Достоверность полученных результатов

9

подтверждается большим количеством экспериментов, сходимостью результатов, полученных в ходе лабораторных и промышленных плавок, использованием аттестованных измерительных установок и приборов (спектрометр Thermo Fisher Scientific Inc iCAP 6300 Radial View, спектрометр Niton XL2 GOLDD). Текст диссертации и автореферат проверен на отсутствие плагиата с помощью программы "Антиплагиат" (http://antiplagiat.ru).

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Образование меднолитейных шлаков

В современном производстве плавку сплавов на основе меди осуществляют в основном в электрических печах: индукционных тигельных и канальных, а также дуговых. Не утратили своего значения пламенные отражательные и тигельные топливные печи. При выборе типа плавильной печи особое внимание уделяют величине потерь металла на угар и со шлаком.

Тигельные печи применяют в фасоннолитейном производстве при сравнительно невысокой потребности жидкого металла. Наибольшее распространение для плавки медных сплавов получили графито-шамотные тигли. В промышленности выпускаются тигли вместимостью до 2,5 тыс. марок (1 марка равна 1 кг меди). Тигли до 50 марок устанавливаются в индукционные или топливные печи и вынимаются из печи с расплавленным металлом клещами или специальными приспособлениями для последующей заливки форм. Более крупные тигли заделываются в поворотную тигельную печь. Металл сливается в разогретые тигли или ковши и заливается по формам. Перед установкой новых тиглей в печь их подогревают и затем прокаливают. Плавку деформируемых медных сплавов проводят в индукционных канальных печах с кварцитовой или высокоглиноземистой футеровкой [1].

Плавка медных сплавов в пламенных отражательных печах ведется в тех случаях, когда требуется большое количество металла для отливки крупных деталей (например, гребных винтов). В этих печах целесообразно плавить отходы медных сплавов для получения литейных сплавов в чушках. Отражательные печи футеруют шамотным кирпичом [1,2].

Продукция цветной металлургии, в частности, изделия из меди и медных сплавов, очень востребованы в различных отраслях промышленности: в строительстве, электротехнике и электронике,

машиностроении и др. Наблюдается непрерывный рост производства и потребления продукции из меди и медных сплавов [3 - 11]. Спрос на продукцию из меди и её сплавов удовлетворяется за счет первичной меди, полученной переработкой минерального сырья, а также использования вторичного металла в виде лома и отходов. Технологические отходы составляют важную часть медных ресурсов, которая напрямую, как возврат собственного производства, используется в производственном процессе [12].

Продукт производства (изделия) также возвращается в производственный процесс в виде лома, но через период амортизации, который может составлять для изделий из меди от 4 лет (для потребительских товаров) до 30 лет (для изделий машиностроения и электротехники). При этом в виде лома медный ресурс возвращается не только через десятки лет, но далеко не полностью. Поэтому при нарастающем объеме производства медной продукции дефицит ресурса меди является постоянно действующим фактором.

В глобальном масштабе эта проблема решается за счет увеличения производства меди из рудного и вторичного сырья. Однако, увеличение производства меди из рудного сырья сопряжено со многими трудностями: ограниченностью и невосполнимостью запасов медных руд и снижением содержания в них меди; большими капитальными затратами на разработку новых месторождений, строительство рудников, обогатительных фабрик и металлургических заводов; большими топливно-энергетическими затратами при производстве меди, а также возрастанием капитальных и эксплуатационных затрат на природоохранные мероприятия [13].

Поэтому получение меди из вторичного сырья становится основным направлением наращивания производства продукции. О преимуществе этого направления свидетельствуют данные таблицы 1.

В локальном масштабе, на каждом предприятии эту проблему решают путем снижения технологических отходов и технологических потерь.

Однако, эти возможности уже в основном исчерпаны.

12

Вместе с тем, остается не использованным в полной мере ресурс меди, который содержится в медеплавильных шлаках. Их при плавке медных сплавов образуется немало (до 5 — 13 % от массы выплавляемого сплава) и в них содержится много меди и компонентов медных сплавов (до 30 - 60 %). В связи с этим они представляют собой низкосортные, но весьма ценные отходы [13].

Таблица 1 - Основные показатели производства меди из рудного и вторичного сырья [13].

Показатели Вариант производства меди

Из рудного сырья Из вторичного сырья

Среднее содержание меди в сырье, % 0,76 75

Извлечение в готовую продукцию, % 80 95

Расход условного топлива, кг/т готовой продукции 1300 200

Количество отходящих газов, тыс. м3/т готовой продукции 40 4

При плавке медных сплавов активно развиваются процессы окисления и испарения компонентов шихты, а также взаимодействия расплавов с материалом футеровки плавильных агрегатов. Продукты окисления и взаимодействия с футеровкой совместно с неметаллическими включениями низкосортного лома образуют шлаки сложного состава. Особенно процесс шлакообразования получает развитие при использовании в качестве шихты большого количества низкокачественных отходов в виде стружки [1].

В последние годы по экологическим причинам применяют безфлюсовые технологии плавки цветных металлов, в том числе и сплавов на основе меди. В этом случае окисление компонентов сплава усиливается и, соответственно, образуется ещё больше шлака.

Образующиеся шлаки плохо отделяются от металлического расплава. Поэтому при съеме шлака с расплава перед разливкой часть металлической составляющей в виде отдельных корольков и конгломератов запутывается в шлаке и также теряются вместе со шлаком.

Общие потери металла при плавке включают безвозвратные потери, связанные с испарением компонентов сплава, и потери со шлаком в виде металлической и неметаллической (окисленной) части. Они зависят в основном от характеристики шихты (доли в ней стружки, малогабаритной и крупногабаритной фракций), от наличия флюса и древесно-угольного покрова. Оценка по данным [14, 15] показывает, что общие потери металла при безфлюсовой плавке превышают 6 %. При этом, определяющими являются потери металла со шлаком. Поэтому извлечение металлов из этих шлаков является весьма актуальной задачей [16]. Эти отходы могут стать вторичным медным сырьём, если повторное использование их технически возможно и экономически целесообразно [13].

Предпринимались неоднократные попытки извлечь медь и компоненты медных сплавов из шлаков. Но до настоящего времени для утилизации меднолитейных шлаков применялась в основном механическая переработка, обеспечивающая извлечение только кусковой металлической фракции. Недостатком процесса является неполное извлечение металлической составляющей, а также интенсивное пылеобразование. При этом отходы образуются в виде пыли. Это является проблемой, потому что пылевидные отходы являются неликвидным материалом и в то же время они не могут быть отвальными отходами, так как содержат достаточно много тяжелых металлов в виде меди, свинца, цинка и др.

1.2 Анализ методов переработки меднолитейных шлаков

Для извлечения металлических компонентов из медного шлака применяют три метода его обработки [14]:

1) механический метод, который основан на размоле шлака и последующем выделении из него металлической фракции;

2) гидрометаллургический метод, который основан на переводе меди и других компонентов медных сплавов из всех форм состояния в раствор путем обработки в кислотных или аммиачных растворах и последующем извлечении этих элементов из раствора электролизом или жидкостной экстракцией.

3) пирометаллургический метод, который основан на экстракции меди и других компонентов медного сплава путем расплавления и обработки жидкого шлака;

Гидрометаллургический метод позволяет извлекать медь и прочие компоненты медных сплавов, как из металлического, так и из окисленного состояния. Для этого исходный материал подвергают сернокислотному растворению или аммиачному выщелачиванию и далее применяют различные виды обработки - фильтрация, осаждение, центрифугирование, электролиз и др. [14, 16, 17]. Причем, чем сложнее по составу перерабатываемый материал, тем более сложные технологические схемы необходимы, требующие больших затрат энергии. Кроме того, в результате переработки образуются новые экологически небезопасные промышленные отходы и стоки. Ввиду низкой технико-экономической эффективности и экологической опасности производственного процесса и образующихся отходов, этот метод связан с большими организационными сложностями в практическом применении.

Пирометаллургический метод позволяет извлекать из шлака медь и прочие компоненты медного сплава, как из металлического, так и из окисленного состояния. Металлическая часть, находящаяся в шлаке в виде отдельных фракций, расплавляется и коллективизируется, а химически связанная (оксидная) часть восстанавливается и также формирует жидкометаллическую фазу. При этом не образуются вредные промышленные

стоки, а отходы в виде шлака уменьшаются в объеме и содержат мало тяжелых металлов [14, 16, 17].

Но известные технологии пирометаллургического метода переработки медных шлаков недостаточно совершенны. Они не обеспечивают высокую степень извлечения металлических компонентов из шлака, связаны с формированием вторичных шлаков с повышенным содержанием тяжелых металлов и получением их в экологически небезопасной (растворимой в воде) форме.

В то же время пирометаллургический метод утилизации медных шлаков имеет большой потенциал совершенствования. Он связан с разработкой и реализацией комплексных научно-обоснованных решений, направленных на активизацию процесса экстракции полезных элементов из шлака и формирование отходов плавки в малорастворимой в воде стекловидной форме [19-21].

1.2.1 Механическая переработка шлаков

Механическую переработку медных шлаков осуществляют путем их дробления и последующей сепарации с целью отделения металлической составляющей [14]. Последняя состоит из отдельных частиц или их конгломератов в виде запутавшихся в шлаке корольков металла. Они имеют такой же состав, что и выплавляемый сплав. Поэтому, если шлаки разделяются по видам сплава, то корольки могут быть вновь использованы при плавке такого же сплава без дополнительной подготовки. Но если шлаки при плавке не разделяются по видам сплава, то металлическую составляющую приходится переплавлять и проводить дополнительную рафинирующую обработку. Это связано с тем, что элементы, которые являются в одних сплавах легирующими компонентами, в других сплавах являются примесями.

Типовая технология механической переработки медных шлаков, образующихся при плавке и литье меди и медных сплавов, представлена на рисунке 1.

Готовая продукция

I металл

мпмд <= чшшл

/

/ / / /

У

шлак

/

/

/

/ • О • »

V ; у у х у

Механическая сепарация

/У

'-'Металлическая часть

>

у / / / /а

л/Чч !

V

отвал

Рисунок 1 - Схема механической переработки медного шлака

Пыль, отходы

В плавильной печи осуществляется плавка меди и медных сплавов. Готовый расплав разливают и получают литые заготовки для последующей обработки давлением. Образующийся при плавке шлак разливают в изложницы и затем подвергают механической переработке. В результате из шлака извлекают металлическую часть в виде кусковой фракции (корольков) размером более 0,5 - 3 мм. Корольки переплавляют и используют как компонент шихты. Переплав корольков необходим для удаления из металлической части неметаллической составляющей, количество которой может составлять 10 % и более. Отсев в виде пылевидной фракции, хотя и имеет некоторые потребительские свойства (так как содержит до 20 - 50 % меди и компонентов медных сплавов), но считается неликвидным. Как отвальный отход он является техногенным, поэтому количество отсева на заводах ОЦМ продолжает накапливаться, что создает потенциальную угрозу для окружающей среды. Шлак, снимаемый плавильщиком в ходе технологического процесса плавления, подлежит переработке с целью

извлечения возвратных отходов (сплёсы, корольки), и вовлечения их в производство. Пыли, образующиеся при переработке шлаков, являются неликвидами и вовлечению в производство не подлежат.

Отделение крупных фракций осуществляют на вибрационных грохотах. Виброгрохот позволяет отделять крупногабаритные составляющие размером свыше 35 мм. Его используют как при переработке бронзовых, так и латунных шлаков.

Агрегатом для механической переработки медных шлаков является мельница. Основным рабочим органом мельниц является барабан, который представляет собой полый стальной цилиндр, выложенный внутри плитами, предохраняющими его от износа. Шлаки размалываются на мельнице с металлической или резиновой броней, у которой внутренняя полость барабана частично заполнена стальными шарами диаметром 75 — 100 мм.

При механической переработке удается выделить из шлака лишь часть (50 - 70 %) металлической составляющей. Остальная часть металлической составляющей в виде мелкодисперсной фракции вместе с неметаллической частью образует пылевидные отходы. В них содержание металлов достигает 30 - 50 % и более.

При механическом методе переработки химически связанная часть меди и прочих компонентов медного сплава не извлекается и полностью остается в пылевидных отходах переработки. Последние в случае попадания в отвал будут загрязнять окружающую среду тяжелыми металлами. Причем, зона загрязнения существенно увеличивается из-за того, что пылевидная фракция разносится ветром на большие расстояния.

Несмотря на высокое содержание меди в пыли её считают

неликвидным материалом. Вместе с тем, в техническом решении [22]

предлагается после выделения медного концентрата с размером частиц более

3 мм пылевидную фракцию дополнительно классифицировать

гравитационным способом с получением мелкодисперсного медного

концентрата и породных отходов. Достоинством данного технического

18

решения является дополнительное извлечение из пылевидной фракции металлической составляющей.

Близким к изложенному выше является техническое решение [23], согласно которому латунный шлак после самоизмельчения сначала подвергают грохочению. При этом получают латунный концентрат из частиц размером свыше 3 мм, а более мелкую фракцию обесшламливают путем дополнительной классификации для выделения частиц размером свыше 2030 мкм, которые также считаются латунным концентратом.

Изложенные технические решения [22-24] не обеспечивают извлечения полезных компонентов из химически связанной части, доля которых составляет 20 - 30 %. Поэтому она остается в породных отходах, следовательно, они сохраняют потенциальную опасность для окружающей среды из-за высокого содержания тяжелых цветных металлов.

Пылевидную фракцию медных шлаков можно переработать вальцеванием в трубчатых вращающихся печах путем обработки их с 40 — 50 % коксика при температуре 1150 - 1200 °С в течение 4,6 час [25]. При этом в возгоны переходит 96 - 97 % цинка, 80 - 82 % свинца, 99 - 100 % кадмия и 58 - 59 % олова. Медь и железо практически полностью переходят в клинкер, который можно переплавить и использовать как лигатурный сплав. Недостатком технологии является то, что в результате переработки вновь образуется пыль (возгонная), которая требует своей технологии дальнейшей переработки. В частности, возгоны подвергают сернокислотному выщелачиванию и последующему выделению после многостадийного процесса свинцового кека, кадмиевой губки, цинкового купороса и медно-арсенатного кека. /

Таким образом, потенциал совершенствования механического метода переработки медных шлаков ограничен, так как не позволяет извлечь из шлаков полезные компоненты медных сплавов, находящиеся в них в химически связанном состоянии, а также получить не пылевидные экологически безопасные отходы.

1.2.2 Гидрометаллургическая переработка шлаков

Гидрометаллургические процессы все шире применяются при переработке различного медьсодержащего лома и отходов. Это обусловлено высоким извлечением цветных металлов, гибкостью технологии и возможностью организации производства при его относительно небольших масштабах.

Для гидрометаллургической переработки вторсырья могут быть использованы сернокислые, азотнокислые, солянокислые, аммиачно-сульфатные и аммиачно-карбонатные растворители, методы прямого электролиза. За рубежом для извлечения цветных металлов из вторсырья все чаще стали применять технологические схемы, одной из стадий которых является жидкостная экстракция [26-30].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шаньгин, Евгений Андреевич, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1 Производство отливок из сплавов цветных металлов: Учебник для вузов / A.B. Курдюмов, В.Д. Белов, М.В. Пикунов, В.М. Чурсин и др. 3 - е изд., доп. и перераб. -М.: МИСиС, 2011. -515 с.

2 Пикунов, М.В. Плавка металлов, кристаллизация сплавов, затвердевание отливок: Учебное пособие для вузов / М.В. Пикунов - М.: МИСиС, 2005.-416 с.

3 Global Copper consumption. -http://www.copper.org/resources/marketdata/homepage.html. -1 p.

4 The World Copper Fastbook 2010. International Copper Study Group. -http://www.icsg.org. - 54 p.

5 U. S. Copper Markets -2010/ Copper Development Association Inc. -http://www.copper.org/resources/market data/homepage.html. - 1 p.

6 U.S. Copper and Copper Alloy Consumption by Functional Use-2010/ Copper Development Association Inc. -

http://www.copper.org/resources/market data/homepage.html. - 1 p.

7 U.S. Copper and Copper Alloy Consumption / Copper Development Association Inc. - http://www.copper.org/resources/market_data/homepage.html. — lp.

8 The World Copper Factbook 2010 / International Copper Study Group. 2011.-53 p.

9 Copper Market Forecast 2011-2012 / International Copper Study Group. Press release, 4th October 2011. - 1 p.

10 Copper Supply & Consumption. 1990-2010 / Copper development Association, Annual Data 2011.

11 Copper Development Association. Copper Supply & Consumption. 1990-2010. Annul Data 2011.

12 Guirco D., Stewart M., Suljada T. and Petrie J. Copper Recycling Alternative: An environmental analysis / 5th Annual Enviromental Engineering Research Event, 20-23 October, Noosa, QLD.

13 Бредихин, B.H. Сбор и обработка вторичного сырья цветных

104

металлов. / В. H. Бредихин, А.Г. Колобов, В.М. Чернобаев - М.: Металлургия. 1993.-288 с.

14 Стрельцов, Ф.Н. Повышение эффективности использования сырья при производстве проката на заводах ОЦМ / Медь. Латунь. Бронза. Под ред. Ю. Н. Райкова. - М.: ОАО «Институт Цветметобработка», 2006. С. 228 - 240.

15 Абишева, З.С. Гидрометаллургическая переработка пылей медного производства / З.С. Абишева, А.Н. Загородня, А.С. Шарипова и др. // Цветные металлы. - 2004. - № 1. - С. 30-35.

16 Дорошкевич, А.П. Комплексное использование сырья при переработке лома и отходов тяжелых цветных металлов / А.П. Дорошкевич, C.B. Карелов, И.Ф. Худяков. - М.: Металлургия, 1985. - 160 с.

17 Купряков, Ю.П. Шахтная плавка вторичного сырья цветных металлов / Ю. П. Купряков. - М.: ЦНИИцветмет экономики и информации, 1995. - 164 с.

18 Задиранов, А Н. Рафинирование металлического расплава меди парогазовой смесью / А.Н. Задиранов, В.А. Брюквин, В.Г. Леонтьев // Цветная металлургия.-2003.-№5.-С. 18-21.

19 Тен Э.Б., Шаньгин Е. А. Исследование эффективности утилизации медного шлака методами разделительной и восстановительной плавок / Труды VI международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». - М.: МИСиС. - 2011. С. 108 - 110.

20 Тен Э.Б., Шаньгин Е. А. Исследование эффективности утилизации медного шлака метод разделительно-восстановительной плавки / Труды VI международной научно-практической конференции «Прогрессивные литейные технологии». - М.: МИСиС. - 2011. С. 110 - 111.

21 Тен, Э.Б. Переработка бронзоплавильного шлака с получением металлического сплава и стекловидного отхода / Э.Б. Тен, Е.А. Шаньгин // Цветные металлы. - 2012. - № 7. - С. 20 - 24.

22 Пат. 2104794 Российская Федерация, МПК В03В9/04, В03В7/00,

С22В7/04. Способ выделения меди из шлаков, получаемых при выплавке

лигатуры «Медь-Марганец» в индукционных печах / Николайчук В.Ф.,

105

Щербатов А.И., Мочалов Н.А., Шохин В.Н., Новгородцев Ю.П., Денисов Г.А., Шинкоренко С.Ф., Мочалов С.Н.; ОАО «Дирекция Межправительственной инновационной рудной программы» (Россия), - № 97116208/03; заявл. 03.10.1997; опубл. 20.02.1998. -2 с.

23 Пат. № 2104795 Российская Федерация, МПК В03В9/04, В03В7/00, С22В7/04. Способ разделения медных шлаков / Николайчук В.Ф., Щербатов А.И., Мочалов Н.А, Шохин В.Н., Новгородцев Ю.П., Денисов Г.А., Шинкоренко С.Ф., Мочалов С.Н. ОАО «Дирекция Межправительственной инновационной рудной программы» (Россия), - 97116210/03; заявл. 03.10.1997; опубл. 20.02.1998.-2 с.

24 Патент № 2104797 Российская Федерация, МПК В03В9/04, В03В7/00, С22В7/04. Способ разделения латунных шлаков / Николайчук В.Ф., Щербатов А.И., Мочалов Н.А, Шохин В.Н., Новгородцев Ю.П., Денисов Г.А., Шинкоренко С.Ф., Мочалов С.Н. ОАО «Дирекция Межправительственной инновационной рудной программы» (Россия), - 97116212/03; заявл. 03.10.1997; опубл. 20.02.1998.-2 с.

25 Купряков, Ю.П. Производство тяжелых цветных металлов из лома и отходов. / Ю.П. Купряков, - Харьков: Изд-во «Основа» при Харьковском государственном университете. -1992. - 399 с.

26 J. Chem // Technol. and Biotehnol, 1979. - v.29, № 4 - p.251-272.

27 Burzynska, L. Mechanism of the anodic dissolution of Cu70-Co4-Fel4-Pb7 alloy originated from reduced copper converter slag in an ammoniacal solution Recovery of copper and cobalt / Burzynska Lidia, Gumowska Wanda, Rudnik Ewa, Partyka Jaroslaw // Hydrometallurgy. - 2008 v. 92 № 1-2. - p. 34 - 41.

28 Subrata, R. Flotation of copper smelter slag with alkyl xanthate and alkyl hydroxamates / Roy Subrata, Rehani Sandeep, Datta Amlan // 26 International Mineral Processing Congress (IMPC 2012), New Delhi, 24.09.1975 - 28,2012: Book of Abstracts. Vol. 1.-2012.-p. 172.

29 Hydrometallurgical recovery of copper and cobalt from reduction-

roasted copper converter slag / Rudnik Ewa, Burzynska Lidia, Gumowska Wanda //

Minerals Engineering: An International Journal Devoted to Innovation and

106

Developments in Mineral Processing and Extractive Metallurgy. - 2009 т. 22 № 1 .P. 88-95.

30 Investigation of effect of colemanite addition on copper losses in matte smelting slag / Ru§en A., Geveci A., Topkaya Y. A., Derin B. // Canadian Metallurgical Quarterly.-2012 т. 51 № 2.-P. 157-169.

31 Molynewx F. // Brit. Chem. Engng. - 1961, v. 6, № 2, - P. 98-103.

32 Akira Y., Yoichi Y., equilibrium relations between liquid copper and calcium ferrite slag.// Trans. Jap.Inst.Met. - 1982. - Vol.23. - № 6. - P. 328 - 333.

33 Iohansen F., Stochaus H. // Z. Errbergbau und Metallhuttenwes. - 1963. Bd 16, № 5. - p. 227-239.

34 Iacobi I.S. // Miner, and Environ. - 1975. - p. 291-301.

35 J. inst. Eng. (India) Mining and Met. Div. - 1980, v. 61, № 2. - p. 25 - 29.

36 Дорошкевич, А.П. Технология вторичных цветных металлов / И.Ф. Худяков, А.П. Дорошкевич, С.Э. Кляйн, и др. М.: Металлургия, 1981. - 280 с.

37 Patent № 3 744 990 United States. Int. CI. C22b 7/04, 3/00, 15/10. Process for the Beneficiation of Waste Copper slag by removal and recovery of its content of Copper and Zinc / Harold W. Wilson (US). Golden Cycle Corporation (US), - 80,754; Oct. 14, 1970.

38 Patent № 3 868 440 United States. Int. CI. COlg 1/10, C22b 15/08. Recovery of Metal values from Copper slag / Kenneth O. Lindblad, Ralph E. Dufresne. (US). The Anaconda company (US), - 365,243; May 30,1973.

39 Pat. № 4 022 686 United States. Int. CI. B03D 1/06. Flotation process for Copper ores and Copper smelter slags / Akira Arakatsu, Hajime Nakazawa, Hiroshi Naruse (Japan). Sumimoto Metal Mining Co., Limited (Japan), - 20.02.1976.

40 Пат. № 2156315 Российская Федерация. МПК С22В 7/04. Способ переработки медных никельсодержащих шлаков / Мироевский Г.П., Попов И.О., Козырев В.Ф., Демидов К.А., Голов А.Н., Шкондин М.а., Шаньгин О.В., Хомченко О.А., Белова Т.С. (Россия). ОАО «Кольская горно-металлургическая компания» (Россия), - 2000100830/02; заявл. 17.01.2000; опубл. 20.09.2000-2 с.

41 Occurrence and speciation of copper in slags obtained during the

pyrometallurgical processing of chalcopyrite concentrates at the Huelva smelter

107

(Spain) / Fernández-Caliani J. C.,RJlos G., Mart_H~Jlnez J., Jiménez F. // Journal of Mining and Metallurgy. B. Metallurgy: An International Journal - 2012 т. 48 № 2. -p. 161.-171.

42 Деев В.И., Дорошкевич А.П., Смирнов В.И. // Бюллетень НТИ. Цветная металлургия. - 1970. - № 4. — С. 30-33.

43 Соколов А.Е., Мазаник В.Н., Деев В.И. и др. // Цветные металлы. -1973.-№9.-С. 26-28.

44 Байков A.A. Восстановление и окисление металлов // Металлург. — 1926. -№ 3. — С.5 -24.

45 Герасимов А.Д., Беляев А.И. // Изв. вузов. Цветная металлургия. -1958. -№ 5. -С.50.

46 Лисняк С.С., Чуфаров Г.И. // ЖФХ. - 1959. - 33. - С.1940.

47 Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности. Т.П. М.: ИЛ, 1963.-275 с.

48 Грань Н.И., Петрова З.Н., Сб. трудов ин-та «Гипроникель». Ленинград, 1964. - № 21.

49 Липин Б.В. // Изв. Вуузов. Цветная металлургия. - 1964. - №2. - С.57.

50 Григорян Г.Б., Цейдлер A.A. // Бюлл. ЦИИН. Цветная металлургия. - 1966. -№ 8 - С. 23.

51 Шаврин C.B., Захаров И.Н., Куликов Г.С. // Изв. АН СССР. Металлургия и топливо. - 1964. - № 1 - С.26.

52 Кондаков В.В. и др. // Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1960. -№4.-с. 19-22.

53 Кондаков В.В., Рыжонков Д.И. // Изв. Вузов. Черная металлургия. -1963.-№1.-с. 23-28.

54 Вольский, А.Н. Теория металлургических процессов / А.Н. Вольский, Е.М. Сергиевская -М., Металлургия, 1970. - 344 с.

55 Есин, О. А. Физическая химия пирометаллургических процессов ч. 1 / О. А. Есин, П. В. Гельд. Металлургиздат, 1962. - 672 с.

56 Гельд, П. В. Процессы высокотемпературного восстановления /

П. В. Гельд, О. А. Есин. - Металлургиздат, 1957. - 646 с.

108

57 Ванюков, A.B. Шлаки и штейны цветной металлургии / A.B. Ванюков, В.Я. Зайцев. -М.: Металлургия, 1969. - 408 с.

58 Ванюков В.А., Лисовский Д.И. // Цветные металлы. — 1935. - № 9. —

С.79.

59 Волкова М.Е. и др. // Изв. АН СССР. ОТН. - 1964. - № 4. - С. 25.

60 Окунев А.И. и др. // Изв. АН СССР. Металлы. - 1966. - № 4. - С. 35.

61 Внедоменное получение железа за рубежом./ А.Н.Похвиснев, И.Ю.Кожевников, А.Н.Спектор, Е.Н.Ярхо. -М.: Металлургия, 1964. - 367 с

62 Дорошкевич, А.П. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов / А.П. Дорошкевич, C.B. Карелов, И.Ф. Худяков. - М.: Металлургия. -1987.-528 с.

63 Пат. № 2180692 Российская Федерация. МПК С22В 7/04. Способ переработки медьсодержащих шлаков / Мейзель С.Г. (Россия), - 95114793/02; заявл. 07.09.1995; опубл. 20.03.2002 -2 с.

64 Купряков, Ю.П. Шлаки медеплавильного производства и их переработка / Ю.П. Купряков - М.: Металлургия. - 1987. - 200 с.

65 Авторское свидетельство № 1457410 СССР / Купряков Ю.П., Захаров В.А. Приоритет от 01.06.1987 г.

66 Пат. № 2061069 Российская Федерация. МПК С22В 7/00. Способ переработки шлаков медеплавильного производства / Ковган П.А., Панфилов B.C., Катаев Ю.А., Ранский О.Б., Мельников A.B., Косач Ю.Э., Козырев В.В., Волков В.А., Голубев И.Н. (Россия). ТОО «Кировоградский медеплавильный комбинат» (Россия), - 93006065/02. заявл. 03.02.1993; опубл. 27.05.1996 -2 с.

67 Патент № 2195508 Россия. МПК С22В 7/04. Способ комплексной переработки шлаков медеплавильного производства / Руденко Б.И. (UZ), Мироненко В.Н. (UZ), Прохоренко Г.A. (UZ), Аранович В.Л. (UZ), Самков Г.Е. (UZ), Ситдиков Ф.Г. (Россия). ЗАО «Производственно-творческое предприятие «Резонанс» (Россия), - 2001114946/02. заявл. 31.05.2001; опубл. 27.12.2002-4 с.

68 Patent № 4 032 327 United States. Int. Cl. C22B 15/00, C21B 3/04.

Pyrometallurgical recovery of Copper from slag material / John W. Donaldson,

Sheree N. Sharma, Nicolas John Themelis (US). Kennecott Copper Corporation, -

109

604,123. Aug. 13,1975.

69 Тен Э.Б., Шаньгин Е.А., Стадниченко Д.В., Краснов В.Н. Переработка бронзоплавильных шлаков в индукционных печах // Литейщик России. № 10. 2013. С. 42-45.

70 Ноу-Хау № 277-004-2008 ОИС от 03.03.2008. Э.Б. Тен, И.Б. Бадмажапова, A.C. Дрокин, Н.С. Сморчков. Способ извлечения меди из пылевидных отходов механической переработки латунного шлака.

71 Ноу-Хау № 279-004-2008 ОИС от 07.03.2008.

Э.Б. Тен, И.Б. Бадмажапова, A.C. Дрокин, Н.С. Сморчков. Способ пирометаллургической переработки пылевидных отходов латунного шлака.

72 Ноу-Хау № 280-004-2008 ОИС от 07.03.2008. Э.Б. Тен, И.Б. Бадмажапова, A.C. Дрокин, Н.С. Сморчков. Способ переработки пылевидного латунного шлака методом восстановительной плавки.

73 Ноу-Хау № 281-004-2008 ОИС от 07.03.2008. Э.Б. Тен, И.Б. Бадмажапова, A.C. Дрокин, Н.С. Сморчков. Способ активации процесса извлечения меди при переработке пылевидного шлака восстановительной плавкой.

74 Ракипов, Д.Ф. Извлечение никеля из черновой меди при плавке с оксидом железа / Д.Ф. Ракипов, Г.П. Харитиди, Н.Б. Третьякова // Цветные металлы. - 1982. - № 2. - С. 26 - 27.

75 Демидович, В.П. Численные методы анализа, приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения / В.П. Демидович, В.П. И.А. Марон, Э.З. Шувалова. - М.: Наука, 1967. - 368 с.

76 Гопкинс, Б. Окисление металлов и сплавов / Б. Гопкинс, О. Кубашевский, пер. с англ. Э.Г. Раков., 2 изд. - М.: Металлургия, 1965. - 428 с.

77 Белянчиков, Л.Н. Теоретические основы электросталеплавильных процессов / Л.Н. Белянчиков, В.А. Григорян, А.Я. Стомахин М.: Металлургия, 1987.-272 с.

78 Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Вып.

Первый: Двойные системы. / В.П. Барзаковский, И.А. Бондарь, H.A. Топоров,

Ю.П. Удалов. -М.: Наука, 1970. - 545 с.

110

79 Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник., Вып. Второй: Металл-кислородные соединения силикатных систем / В.П. Барзаковский, H.A. Топоров, В.В, Лапин, H.H. Курцева. - М.: Наука, 1970. — 371 с.

80 Куликов, И.С., Физико-химические основы процессов восстановительных окислов / И.С. Куликов, С.Т. Ростовцев, Э.Н. Григорьев. -М.: Наука, 1978.-С. 1361.

81 Куликов, И.С. Термодинамика оксидов: Справ, изд. / И.С. Куликов. -М.: Металлургия, 1986. - 344 с.

82 Gadalla, А.М.М., , Trans. Brit. Ceram. Soc. / A.M.M. Gadalla, W.F. Ford, J. White - 1963. - 62, № 1. - p. 45.

83 Kracek F.C., Journ. // Phys. Chem. - 1930. - 34. - p. 1583.

84 Grund A., M.M. Pizy // Acta crystallogr. - 1952. - 5, № 6. - p. 837-840.

85 Теоретические основы сталеплавильных процессов / P.C. Айзатулов, Л.Ю. Назюта, Е.В. Протопопов, П.С. Харлашин, М.: МИСиС, 2002.-с. 320.

86 Лакерник, М.М. Электротермия в металлургии меди, свинца, цинка / М.М. Лакерник. -М.: Металлургия, 1971. - 283 с.

87 Березкина, Л.Г. Физико-химические основы производства стали / Л.Г. Березкина, Д.М. Чижиков. -М.: АН СССР, 1961.-245 с.

88 Цветков, Ю.В. Металлургия, металловедение, физико-химические методы исследования. Труды ин-та металлургии им. A.A. Байкова / Ю.В. Цветков, Д.М. Чижиков - вып. 4. - Изд-во АН СССР. - 1959. - С. 84.

89 Чуфаров Г.И., Лохвицкая А.П. // ЖФХ. - 1934. - T.V, № 8, С. 1103.

90 Чуфаров Г.И., Авербух Б. Д. // ЖХФ. - 1934. - T.V, № 9, С. 1292.

91 Чуфаров Г.И., Татиевская В.П. // ЖХФ. - 1936. - Т.VIII, № 6, С.933.

92 Чуфаров Г.И., Татиевская В.П. // ЖХФ. - 1937. - Т.Х, № 4 - 5, С.747.

93 Коростелев, П. П. Реактивы для технического анализа. Справочник / П.П. Коростелев - М.: Металлургия, 1988. - 384 с.