Термодинамическая оценка системы цинк-железо-кремний-кислород с целью оптимизации состава шлаков медно-цинкового производства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.03, кандидат технических наук Белов, Валерий Маркович

• Белов, Валерий Маркович
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белов, Валерий Маркович

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР ЖТЕРАТУРЫ . И

1.1. Краткая характеристика медьсодержащего сырья.•. И

1.2. Краткая характеристика методов металлургической переработки медного и медно-цинкового сырья с позиций современных требований к металлургическому процессу

1.2.1. Пирометаллургические способы

1.2.1.1. Традиционные способы плавки

1.2.1.2. Новые и разрабатываемые способы

1.3. Физико-химическая сущность металлургических плавок 22.

1.4. Равновесия в металлургических системах

1.4.1. Шлаковые системы .2.

1.4.1.1. Цинксодержащие шлаки.

1.4.1.1.1. Фазовые равновесия

1.4.1.1.2. Термодинамические характеристики

Выводы по разделу

2. МЕТОДИКИ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАБОТЕ . ЗР

2.1. Синтез исследуемых шлаков . ЗР

2.1.1. Синтез фаялита . З1?

2.2. Хроматографическш метод определения состава газовой фазы

2.3. Методы, использованные для определения термодинамических характеристик компонентов расплавов

2.3.1. Метод динамического равновесия между газовой и '"конденсированными Фазами (постоянного потока)

2.3.2. Метод электродвижущихл (э.д)

2.3.3. Сравнение взаимной достоверности опытных данных по активностям 2п0 , полученных двумя методами.

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ НАСЫЩЕНИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЖЕЛЕ30--СИЛЙШНЫХ РАСПЛАВОВ ОКИСЬЮ ЩЕКА . 5а

3.1. Влияние структурных изменении железо-силикатных расплавов на предельную растворимость окиси цинка 51?

3.1.1. Методика расчета приведенной суммарной мольной доли кислорода По(£)

3.1.2. Влияние компонентов исследованной системы на поведение цинка

3.2. Термодинамическая оценка взаимодействия окислов железа и цинка при насыщении гомогенных расплавов1 :окисью цинка

Выеоды по разделу

4. АКТИВНОСТЬ ОКИСИ ЦИНКА В РАСПЛАВАХ СИНТЕТИЧЕСКИХ ШЛАКОВ ??

4.1. Влияние состава железо-силикатных расплавов на активность окиси цинка

4.1.1. Активность окиси цинка в расплавах системы 2п0 - РеО - р€01,5 - ¿¡Д, . ??

4.1.2. Активность окиси цинка в железо-силикатных расплавах в присутствии А^Оз.

4.2. Влияние добавок типичных компонентов промышленных шлаков на активность окиси цинка . 95"

4.2.1. Окись кальция

4.2.2. Закись меди. ^

Выводы по разделу . 4 °

5. ВОЗМОЖНОСТИ ОПТИМИЗАЦИИ ТЕШОЛОГИЧЕСКИХ РЕЕИМОВ НА ПРИМЕРЕ ПЛАВКИ МЕДНО-ЦИНКОВОГО СЫРЬЯ СПОСОБОМ ПЖВ

5.1. Оптимизация шлакового режима . ^

5.1.1. Выход шлака и расход кварцевого флюса . НО

5.1.2. Переход цинка и меди в шлаки . М

-45.2. Взаимосвязь шлакового режима и теплового баланса плавки.

5.3. Расчеты оптимального распределения цветных металлов между гомогенными продуктами плавки . 4^

5.3.1. Влияние состава штейнов на потери (извлечение) цветных металлов

5.3.2. Влияние состава шлаков на потери цветных металлов . I

Выводы по разделу

ОБЩЕ ВЫВОД! ПО РАБОТЕ. *

СПИСОК ШТЕРАШЫ . ио

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термодинамическая оценка системы цинк-железо-кремний-кислород с целью оптимизации состава шлаков медно-цинкового производства»

Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1981-85 годы и на период до 90-го года, утвержденными ХХУ1 съездом КПСС, поставлена задача: ". В цветной металлургии. повысить комплексность и полноту использования минерального сырья, ускорить внедрение автогенных. и других эффективных технологических процессов" Д/.

В решениях съезда намечено ".увеличить производство меди на 20-25$, никеля и кобальта не менее, чем в 1,3 раза, наращивать производство цинка, свинца, . драгоценных металлов".

Задача повышения комплексности переработки сырья наиболее актуальна для металлургии тяжелых цветных металлов, использующей различные виды полиметаллических руд, вещественный состав которых постоянно усложняется. Это связано с истощением старых месторождений и разработкой новых. Среди разновидностей потребляемого промышленностью сырья особое место занимают медно-цинко-вые руды, переработка которых существующими методами приводит к потерям для народного хозяйства больших количеств цинка, свинца, серы, железа, других элементов-спутников.

Основная цель современных технологий - эффективное и полное вовлечение в народное хозяйство компонентов исходного сырья-в металлургии тяжелых цветных металлов решается на основе:

- достижения максимально высокой степени извлечения и комплексности использования всех ценных компонентов перерабатываемого сырья;

- высокой удельной производительности оборудования;

- высокой производительности труда;

- максимального использования теплотворной способности сульфидов и сокращения потерь тепла с продуктами переработки сульфидного сырья;

- максимальном использовании вторичных энергоресурсов;

- наименьшем отрицательном воздействии на окружающую среду;

- возможности полной механизации и автоматизации технологических процессов.

Технологические режимы большинства промышленных процессов пока еще не соответствуют оптимальным условиям равновесия сосуществующих фаз. Технологические схемы переработки медно-цинко-вого, медно-свинцово-цинкового и других видов полиметаллического сырья не обеспечивают качественного извлечения и высоких технико-экономических показателей, что приводит к значительным потерям целого ряда сопутствующих меди металлов - извлечение цинка из модно-цинковых руд Урала не превышает 40$, элементов-спутников - 20-40$.

Положение усугубляется из-за истощения старых месторождений. Вовлекаемые в производство новые виды сырья, такие как концентраты Николаевского месторождения и другие, имеют сложный вещественный и минералогический состав, неблагоприятную для существующих технологических схем тенденцию к постоянному увеличению содержания цинка и соотношения содержаний цинка к меди. Это приводит к росту содержания цинка в продуктах плавки, гетероге-низации шлаков, нарушениям технологического процесса и дополнительному снижению извлечения ценных компонентов.

Несмотря на определенные успехи в интенсификации существующих процессов (СУШ, КУМЕС, КМЗ, Иртышский завод и т.д.), технология действующих предприятий не удовлетворяет большинству требований к современному металлургическому процессу.

Практикующееся до сего времени проведение плавки на бедные штейны и кремнистые шлаки (> 28-32% 5«.О*) снижает производительность единичных агрегатов и технологических цепочек, требует больших, но малоэффективных затрат на топливо и флюсы, приводит к потерям значительных количеств цветных металлов с относительно бедными шлаками.

Это привело к накоплению на заводах, перерабатывающих медно-цинковое сырье, огромных запасов отвальных шлаков, содержащих медь, цинк и другие элементы в количествах, сопоставимых с содержанием их в рудах. Переработка отвалов практически не проводится. Аналогичная картина на других предприятиях отрасли.

Новые разработки, в различной степени исключающие недостатки существующей технологии (КИЕЦ.ЭТ, КФП, ПЖВ и ряд других) пока не имеют широкого промышленного применения и результаты полупромышленных испытаний сегодня не являются законченными.

Решение этих вопросов, даже частичное, позволит научно обоснованно предсказывать поведение ценных компонентов в процессе переработки полиметаллического сырья, создаст предпосылки для организации современного металлургического цикла, позволяющего наиболее рационально распределять ценные компоненты сырья по соответствующим продуктам, обладающего высокой степенью комплексности, возможностью автоматического управления технологическими параметрами.

Предлагаемая работа не касается всех проблем пирометаллургии медно-цинкового производства, а направлена в основном на определение возможностей оптимизации шлаковых режимов различных технологических процессов с учетом резкого изменения состава сырья.

Шлаки являются средой, в которой происходит большинство взаимодействии между компонентами перерабатываемого сырья. От состава и физико-химических свойств этой среды, а также от состава штейновой (или металлической) и газовой фаз, температуры и давления зависит степень завершенности превращений.

Воздействие на технологический процесс путем регулирования состава шлака с целью получения оптимальных технико-экономических показателей и рационального распределения исходных компонентов сырья между продуктами плавки, может явиться весьма эффективным приемом. Обязательным условием получения таким способом высокого извлечения цветных металлов, и, в частности цинка, является наличие достоверных данных по значениям активности его в шлаках различного состава, границам фазовых равновесий и других термодинамических характеристик, полученных при различных температурах и составах фаз.

Для интерпретации термодинамических данных весьма полезны достижения в исследованиях структур расплавов при высоких температурах, однако для нужд цветной металлургии это направление разрабатывается недостаточно широко.

В предлагаемой работе сделана попытка связать полученные экспериментальные данные по поведению цинка в шлаках со структурами расплавленных шлаков.

Проблема оптимизации шлаковых режимов актуальна как для большинства традиционных пирометаллургических процессов, так и для новых, внедряемых в промышленное производство.

Среди существующих металлургических процессов наиболее отвечает комплексу современных требований способ "плавки в жидкой ванне", прошедший достаточно длительные промышленные испытания на медном и никельсодержащем медном сырье, показавшие высокую удельную производительность плавильных агрегатов, возможность работы в автогенном режиме при широком интервале варьирования составами продуктов, малые количества отходящих газов при высоком содержании сернистого ангидрида, возможность получения богатых по содержанию меди штейнов и снижение общих потерь цветных металлов с отвальными шлаками и т.д.

Б применении к переработке цинксодержащего медного сырья необходима отработка технологических режимов и конструкции плавильного агрегата в условиях полупромышленных испытании.

Для термодинамического обоснования технологических параметров шлаковых режимов при переработке различных видов медно-цинкового сырья на этом этапе испытании предпринята данная диссертационная работа.

Б процессе выполнения работы изучены:

- зависимости изменения термодинамических характеристик (активностей, коэффициентов активности) окиси цинка от состава шлаков в условиях, характерных для различных пирометаллургиче-ских процессов;

- пределы насыщения шлаков окисью цинка;

- влияние структурных изменении в расплавах на поведение цинка.

Полученные экспериментальные данные сопоставлены с литературными сведениями.

Проведена статистическая обработка результатов полупромышленных испытании способа ШИВ за период 1975-82 гг.

Предложена система уравнений, моделирующая процессы плавки, позволившая в сочетании с данными лабораторных и полупромышленных испытаний рекомендовать режимы плавки различного медноцинкового сырья.

Полученные в работе результаты прошли проверку на полупромышленной установке ШВ РОЭШа, послужили исходным материалом

I для проектирования строящейся на СУМЗе опытно-промышленной установки, могут быть использованы при усовершенствовании других металлургических процессов; предложенные зависимости и закономерности представляют интерес в инженерных расчетах, при разработке физико-химических теорий и при построении более сложных математических моделей ведения металлургических процессов.

-и

I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Заключение диссертации по теме «Металлургия цветных и редких металлов», Белов, Валерий Маркович

Выводы по разделу

1. Методом э.д.с. в интервале температур 1200-1300°С определены значения изменения активности и коэффициента активности окиси цинка в синтетических железо-силикатных расплавах, содержащих (%): ¿м0 - 1,9-33,3; РеО - 25,8-63,4;Ре^- 0,7-18,7 ;

18,3-38,7. Установлена корреляция полученных данных с результатами экспериментов по границам насыщения железо-силикатных расплавов окисью цинка (соответствовавших = I).

2. Методом постоянного потока (динамического равновесия между конденсированной и газовой фазами) при температуре 1300°с определены значения изменения активности и коэффициента активности окиси цинка в синтетических шлаках, усложняющихся введением в железо-силикатные расплавы исследованных составов окислов

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белов, Валерий Маркович, 1984 год

1. Кубашевский 0., ЭЕанс Э. Термохимия в металлургии, изд-во иностранной литературы. М., 1954, 422 с. с илл.

2. Крестовников А.Н., Владимиров А.П. Гулянищшй B.C., Фишер А.Я. Справочник по расчетам равновесий металлургических реакций. М., Металлургиздат, 1963, 416 с. с илл.

3. Киреев В.А. Методы практических расчетов в термодинамике химических реакций. М., "Химия", 1975, 536 е., 43 рис., 164 табл., 1300 наш.лит.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУПРОШШШНЫХ ИСПЫТАНИЙ ПЛАВКИ ЮТО-ЩЖОБОГО СЫРЬЯ Б ЖИДКОЙ ВАННЕ НА УСТАНОВКЕ ПЖВ РОЭШа

5. Гудима Н.В., Шейн Я.П. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. М., Изд-во "Металлургия", 1975, 536 с.с илл.

6. Гудима Н.В., Карасев Ю.А., Кистяковский Б.Б., Колкер П.Е., Равданис Б.И. Технологические расчеты в металлургии тяжелых цветных металлов под ред.Гудимы Н.В.,М., "Металлургия", 1977, 255 с. с илл.1. ПРШЮЖЕНИЕ 4

7. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ ПРИВЕДЕННОЙ СУММАРНОЙ МОЛЬНОЙ ДОЖ КИСЛОРОДА ДЛЯ ОПЫТНЫ}: СОСТАВОВ ШЛАКОВ

8. Отношение содержаний {% мае.) катионоЕ в расплаве к их атомному весу и значения связанных с этими катионами приведенных мольных долей кислорода в железо-силикатных расплавах, насыщенных окисью щшка

9. Отношение содержаний {% мае.) катиопробы нов в расплаве к их атомному весу сЕязанные с катионами 1

10. ПРег+ ПА€3+ по(гпг+; по(де3+; 1 П0&)12 3 4 5 6 7 8 9 ю II 12 13100 0,0262 0,7724 0,0039 0,1404 0,4607 0,0570 1,6767 0,0128 0,4571 2,0 4,2035 3,4213

11. ПО 0,2299 0,3832 0,0516 0,1340 0,5998 0,3833 0,6388 0,1290 0,3351 2,0 3,4862 2,9492

12. I 0,1919 0,4275 0,0584 0,1340 0,5923 0,3241 0,7219 0,1479 0,3393 2,0 3,5332 3,0205

13. Отношение содержаний {% мае.) катионов в расплаве к их атомному весу и значения связанных с этими катионами приведенных мольных долей кислорода в шлаках, содержащих добавки закиси медипробы

14. Отношение содержаний {% мае.) катионоЕ в расплаве к их атомному весу

15. Приведенные мольные доли кислорода, связанныес катионами