RU2847160C1 - Способ производства оксида цинка - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии. Способ производства оксида цинка включает подачу во вращаемую вельц-печь цинксодержащей пыли электродуговых печей, углеродсодержащего и шлакообразующего материалов при контролировании их концентрации и грануляции. В качестве углеродсодержащего материала используют антрацит, а в качестве шлакообразующего материала в зону шлакообразования вельц-печи подают СаО в количестве, обеспечивающем основность шлака больше 1,5. Восстановление оксида цинка осуществляют при контролируемом по концентрации и грануляции добавлении антрацита с обеспечением полного сгорания в нем углерода за один цикл переработки и вращении вельц-печи с частотой 0,8-1,2 об/мин. Обеспечивается получение вельц-оксида за один цикл переработки в вельц-печи при регулировании процесса в каждой зоне в вельц-печи за счет изменения концентрации и грануляции антрацита и шлакообразующего материала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Description

Область техники

Изобретение относится к металлургическим технологиям, в частности к переработке цинкосодержащей пыли электродуговых печей методом вальцевания.

Предшествующий уровень техники

Известен патент RU 2340403 С2 от 20.06.2007 «Способ переработки цинкосодержащих пылей и шламов металлургического и горного производства», где переработку шламов в золошламонакопителях и их переработку осуществляют путем дезинтеграции исходного сырья в ротационно-пульсационно-кавитационном аппарате непрерывного действия при соотношении твердого к жидкому как 1:4 и при избыточном давлении 5 атмосфер на входе в аппарат и дальнейшей подачи материала во флотомашину с выделением цинка, как вредной примеси в пенный продукт и камерного продукта, направляемого на гравитационную классификацию, при которой осуществляют выделение мелкой и крупной фракции, направляемых по отдельности на мокрую магнитную сепарацию в сепараторах с постоянными магнитами с получением концентрированного железосодержащего концентрата, очищенного от цинка и отвальных хвостов.

Недостатком данного способа является то, что отсутствует технология дальнейшего извлечения цинка из пенного продукта.

Известен патент RU 2588218 С2 «Способ гидрометаллургической переработки цинкосодержащих пылей металлургического производства», где переработку цинкосодержащей пыли осуществляют выщелачиванием раствором серной кислоты с растворением соединений цветных металлов в виде сульфатов, отделение железосодержащего осадка с получением раствора, содержащего цветные металлы, отличающийся тем, что выщелачивание ведут в автоклавных условиях, при температуре от 140 до 200°С, с концентрацией серной кислоты от 220 до 250 г/л и временем выдержки 2 часа, обеспечивая извлечение в раствор цинка и кадмия до 95-98%.

Недостатком данной технологии является ее неактуальность применения в промышленных масштабах из первичного сырья (металлургической пыли), из-за необходимости использования значительных объемов серной кислоты в качестве расходного материала и обеспечения всех требований его хранения, транспортировки, эксплуатации.

Известно авторское свидетельство SU 789619 от 23.12.1980 г «Способ переработки цинкосодержащих пылей доменного и сталеплавильного производства»., где с целью упрощения получения металлического железа и исключения загрязнения его серой, восстановление ведут на поверхности железоуглеродистого расплава при весовых отношениях цинка к сере в пылях в пределах (2-20):1, пылей к железоуглеродистому расплаву в пределах (0,01-0,1):1 и расплав продувают газом в течение 1-5 мин.

Недостатком данного способа является то, что из цинкосодержащей пыли не предусмотрено извлечение цинка из пыли.

Известен патент RU 2653394 С1 «Способ переработки цинкосодержащих пылей электродуговых печей»., где операции смешения, окатывания, вельцевания, гидрометаллургической переработки цинксодержащего клинкера, отличающийся тем, что пыль электродуговых печей смешивают перед окатыванием с материалом, содержащим оксид кальция в количестве, обеспечивающем добавку оксида кальция в количестве 70-110% от содержания в пыли оксида железа (Fe₂O₃), находящегося в составе феррита цинка (ZnO×Fe₂O₃), и коксиком в количестве 1-2% к весу упомянутой пыли.

Недостатком данного изобретения является то, что введение оксида кальция в объеме 70-110% от содержания в пыли оксида железа (Fe₂O₃), повлияет на получение основности недостаточной для требуемого снижения жидкой фазы.

Известно авторской свидетельство SU 831833 «Способ переработки цинкосодержащих пылей и возгонов», где производят обжиг совместно с серосодержащими материалами и последующее выщелачивание сернокислыми растворами, и для снижения концентрации фтора и хлора в огарке и снижения температуры процесса, обжиг вельц-оксидов ведут при расходе сульфидного материала 5-15% от веса вельцоксилов в присутствии водяного пара при температуре дутья 500-600°С.

Недостатком данного способа является то, что способ не раскрывает процесс получения самого вельц-оксида, а лишь его дальнейшее прокаливание, а также, что использование перегретого пара, при указанных температурах приводит к коррозии на химическом уровне, что существенно снижает ресурс элементов вельц-печи.

Известен патент WO 9804755 A1⋅1998-02-05 «Procede "Waelz" de traitement de materiaux bouletes contenant du zinc», где производится шихта из цинксодержащего материала, порошкообразного компонента твердого топлива и активатора в соотношении 8-12:2,5-7:0,8-1,5. Шихта смешивается и гранулируется. Производимые пеллеты диаметром 1-30 мм и влажностью 16-18% и остальное твердое топливо, необходимое для процесса, дозируются по заданному технологическому режиму, в соотношении 3:1 и подаются в печь Вельца. Кислород в количестве 3-12 м³/т обработанной шихты вдувается в разгрузочный конец печей. Газы, выходящие из печей и содержащие цветные металлы, охлаждаются и проходят двухступенчатую фильтрацию в фильтрующем оборудовании. Пылевая нагрузка выхлопных газов после первой ступени составляет до 350 мг/Нм³ а после второй ступени - ниже 10 мг/Нм<3>. Оксиды металлов, собранные в фильтрах, гранулируют, гранулы диаметром 2-6 мм и влажностью 13,6-16% и после этого отправляют на термическую обработку в трубчатую печь, на выходе которой продувается кислород в количестве 5-12 м³/т оксидов. Полученные обожженные оксиды металлов подвергаются дальнейшей гидрометаллургической переработке, охлаждаются печные газы, пропускаются через фильтрующее оборудование, а собранные оксиды металлов направляются на дополнительную очистку и восстановление, где отходящие газы содержат 4-8 мг/Нм³ пыли.

Недостатком данного способа является то, что для обеспечения данной технологии требуется наличие дополнительного очистительного оборудования с двумя независимыми циклами обработки.

Согласно описанию в источнике Маткаримов С.Т. Технология переработки пылей сталеплавильного производства / С.Т. Маткаримов, Б.Р. Угли Каримджонов, М.С. Эргашева, З.С. Хмад Кизи Назарова // Интеллектуальный капитал XXI века. - №11-6(92) - 2021. - С. 26-28, где сам процесс восстановления железа из оксидов протекает ступенчато по следующей схеме: при температурах выше 560°С Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe, ниже 560°С магнетит восстанавливается до металлического железа, минуя вюстит Fe₂O₃→Fe₃O₄→Fe.

Недостатком данного способа является отсутствие извлечения из цинка тяжелых металлов, также образование высокого давления паров цинка, что не исключает их выход в атмосферу, также, в качестве восстановителя использовался бурый ангренский уголь, за счет низкой концентрации углерода в котором сложно регулировать полный процесс восстановления и полного сгорания углерода.

Прототипом (самым близким аналогом) для предлагаемого изобретения является патент Японии JP 2002241850 A, где удаление цинка из цинксодержащего оксида железа производится с использованием вращающейся печи, с помощью которой предотвращается образование кольца и твердое восстановление оксида железа выполняется путем отделения цинка от цинксодержащего оксида железа за более короткое время, чем в обычном методе, и производительность может быть улучшена. В способе удаления цинка из цинксодержащего оксида железа с использованием вращающейся печи 12, с помощью которой цинксодержащий оксид железа нагревают в печи 24 вращающейся печи 12 и цинк отделяют от цинксодержащего оксида железа и далее оксид железа восстанавливают с получением железосодержащего материала 25, Смесь сырья 11, состоящая по существу из цинксодержащего оксида железа и углеродистого материала для восстановления оксида цинка в цинксодержащем оксиде железа и оксиде железа. Смесь сырья 11 загружается в печь 24 вращающейся печи 12, имеющую ≥1100°С температуры воздуха в печи и оксида цинка в цинксодержащем оксиде железа восстанавливают углеродистым материалом и далее испаряют с получением железосодержащего материала 25, загружаемого в восстановительную печь.

Недостатком данного изобретения является то, что оксид цинка перед сушкой испаряют, а в процессе испарения возможно также наличие в газе печи тяжелых металлов, что приводит к сложности их дальнейшего извлечения.

Раскрытие изобретения

Технический результат на достижение которого направлено предполагаемое изобретение является: получение продукта (вельц-оксида), за один цикл переработки в вельц-печи, а также возможность регулирования процесса в каждой зоне за счет изменения концентрации и грануляции углесодержащих продуктов и шлакообразующих смесей.

Настоящее изобретение относится к способу производства оксида цинка, включающему подачу во вращающуюся вельц-печь цинксодержащей пыли электродуговых печей, а также углеродсодержащего и шлакообразующего материалов при контролировании их концентрации и грануляции, характеризующемуся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют антрацит, причем процесс восстановления оксида цинка в вельц-печи осуществляют при контролируемом по концентрации и грануляции добавлении антрацита с обеспечением полного сгорания углерода в антраците за один цикл переработки в вельц-печи и вращении вельц-печи с частотой 0,8-1,2 об/мин, при этом в качестве шлакообразующего материала в зону шлакообразования вельц-печи подают СаО в количестве, обеспечивающем основность образующегося в данной зоне шлака, составляющую больше 1,5, а полученный во вращающейся вельц-печи вельц-оксид имеет следующий состав, %:

цинк 40-60

свинец 3-9

кальций 1-5

кремний 0,1-1,5

железо 0,1-3

сера 0,1-2

кадмий 0,1-1

марганец 0,1-5

калий 0,1-2

натрий 0,1-2

хлор 3-8

фтор 0,1-0,5

кислород остальное.

В некоторых вариантах осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением для регулирования основности шлака дополнительно к СаО подают MgO, при этом (СаО + MgO) / SiO₂ > 1,5.

В некоторых вариантах осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением полученный вельц-оксид подвергают прокаливанию в печи закалки с получением концентрата следующего состава, %:

цинк 55-70

свинец 0,5-1,5

кальций 1-5

кремний 0,1-1,5

железо 0,1-3

сера 0,1-2

кадмий 0,1-1

марганец 0,1-3

калий 0,1-2

натрий 0,1-2

хлор 0,1-0,3

фтор 0,1-0,3

кислород остальное.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежом, где:

- на ФИГ. 1 Зоны вельц-печи;

Осуществление изобретения

Технический результат достигается благодаря тому, что вращающаяся вельц-печь имеет 5 зон (ФИГ. 1):

1. Зона сушки, где удаляется влага и частично кристаллизованная вода из грануллированного оксида-вельца (температура зоны 750-850°С).

H₂O(ж) ↔ H₂O(г)

2. Зона предварительного нагрева, где происходит эндотермическая реакция с полусгоранием антрацита, при этом в атмосфере печи за счет реакции происходит образование тепловой энергии (температура зоны печи 850-1000°С).

СО + ¹/₂O₂ ↔ CO₂ + Q

3. Зона предварительной реакции, где летучие оксиды испаряются, а некоторые устойчивые оксиды железа, начинают восстанавливаться (температура зоны печи 1000-1300°С).

CdO + CO ↔ Cd + СО₂

CuO + СО ↔ Cu + CO₂

Fe₂O₃ + СО ↔ 2 FeO + CO₂

Fe₃O₄ + СО ↔ 3 FeO + CO₂

С + CO₂ ↔ 2 СО

СО + ¹/₂ O₂ ↔ CO₂ + Q

4. Зона основной реакции, где происходит восстановление цинка и оксида свинца до металлического цинка и свинца. Оставшиеся оксиды железа, в виде вьюстита (FeO - Fe_0,83O) восстанавиливается до металлического железа, (температура зоны печи (около 1200°С)

ZnO + СО ↔ Zn + CO₂

PbO + СО ↔ Pb + CO₂

FeO + СО ↔ Fe+CO₂

С + CO2(g) ↔ 2 CO(g)

ZnO⋅Fe₂O₃ + СО ↔ 2 FeO + ZnO + CO₂

ZnO⋅SiO₂ + СО ↔ Zn + SiO₂ + CO₂

Для повторного окисления металлического свинца, цинка и железа, сконденсированных в атмосфере печи, воздух продувается из головки печи на твердый вельц-шлак с помощью окислительной фурмы.

Zn + ¹/₂ O₂(g) ↔ ZnO

Pb + ¹/₂ О₂ ↔ PbO

СО + ¹/₂ O₂ ↔ CO₂+Q\

Металлический свинец и цинк окисляются и конденсируются в виде облака пыли оксида свинца и оксида цинка в атмосфере печи и возвращаются в пыль.

Для дальнейшего охлаждения и отвердевания подается вода распылением. (температура снижается до 300-350°С). Затем в теплообменнике на выходе газ охлаждается до 150°С и в виде оксида вельца собирается в фильтре.

Тяжелые металлы, такие как диоксин, фуран, ртуть, микрозагрязнители и газы Cl, SO_X в отходящих газах, проходя через реактор с активированным углем и второй фильтр для абсорбции, фильтруются и не выбрасываются в атмосферу, куда выходит чистый воздух.

5. Зона шлакообразования, где восстановленное железо в основной реакционной зоне соединяется с кислородом из окислительной фурмы, снова становится оксидом железа и смешивается со шлаком. Воздух, подаваемый из фурмы для окисления, сводит к минимуму температуру, возникающую при сгорании антрацита, заставляя шлак покидать печь при температуре 900-800°С. Для повышения основности шлака подается негашеная известь с расчетом (СаО + MgO) / SiO₂ > 1,5.

Для оптимизации работы печи и полного прохождения восстановления (полное сгорание углерода в антраците) используется частота вращения n=0,8-1,2 об / мин.

Также после проведения всего процесса, возможно дополнительно проведение прокаливания вельц-оксида с получением концентрата с более высоким содержанием в нем чистого цинка за счет удаления свинца и хлора.

Таким образом, обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в получении вельц-оксида за один цикл переработки в вельц-печи, с оптимальным режимом работы по темпертаурно-временным параметрам, позволяющем как производить контролируемое восстановление с полным сгоранием углерода, так и получения оптимальной жидкотекучести шлака, за счет контролируемой основности с добавлением CaO+MgO.

Использование предлагаемой технологии позволит:

- За счет контролируемой температуры печи, расхода концентрации и гранулировки антрацита создать максимально эффективный процесс восстановления в печи, с полным сгоранием углерода.

За счет оптимизации вращения печи, создать согласование между режимами работы печи в зонах печи.

За счет контролируемой подачи извести, проводить контроль основности и жидкотекучести шлака для его полного удаления.

За счет использования контролируемых тепературно-временных параметров получить максимальную производительность при полном проведении процесса.

Claims (5)

1. Способ производства оксида цинка, включающий подачу во вращающуюся вельц-печь цинксодержащей пыли электродуговых печей, а также углеродсодержащего и шлакообразующего материалов при контролировании их концентрации и грануляции, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего материала используют антрацит, причем процесс восстановления оксида цинка в вельц-печи осуществляют при контролируемом по концентрации и грануляции добавлении антрацита с обеспечением полного сгорания углерода в антраците за один цикл переработки в вельц-печи и вращении вельц-печи с частотой 0,8-1,2 об/мин, при этом в качестве шлакообразующего материала в зону шлакообразования вельц-печи подают СаО в количестве, обеспечивающем основность образующегося в данной зоне шлака, составляющую больше 1,5, а полученный во вращающейся вельц-печи вельц-оксид имеет следующий состав, %:

цинк 40-60 свинец 3-9 кальций 1-5 кремний 0,1-1,5 железо 0,1-3 сера 0,1-2 кадмий 0,1-1 марганец 0,1-5 калий 0,1-2 натрий 0,1-2 хлор 3-8 фтор 0,1-0,5 кислород остальное

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для регулирования основности шлака дополнительно к CaO подают MgO, при этом (CaO+MgO)/SiO₂>1,5.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученный вельц-оксид подвергают прокаливанию в печи закалки с получением концентрата следующего состава, %:

цинк 55-70 свинец 0,5-1,5 кальций 1-5 кремний 0,1-1,5 железо 0,1-3 сера 0,1-2 кадмий 0,1-1 марганец 0,1-3 калий 0,1-2 натрий 0,1-2 хлор 0,1-0,3 фтор 0,1-0,3 кислород остальное