Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

На последней, четвёртой стадии, получают чистый металл восстановлением соответствующего химического соединения или путем очистки «чернового» металла.

Разнообразные операции, которые осуществляют на различных стадиях металлургического передела (указанные на схеме на с. 74), в зависимости от особенностей их проведения можно разделить на три группы:

- пирометаллургические, протекающие при высоких температурах (700- 2000°С): обжиг, восстановительные и окислительные плавки, возгонка, дистилляция;

- гидрометаллургические, когда проводят обработку рудного сырья водными растворами кислот, щелочей или солей, при которой извлекаемый металл переводится в раствор, а пустая порода остается в виде твердого остатка, Обработку ведут при относительно невысоких температурах: 20-300°С;

- электрометаллургические, при которых используют электрический ток для проведения окислительно-восстановительных процессов в водных растворах или расплавленных солях, в результате чего на одном из электродов выделяется целевой металл.

В большинстве технологических схем получения металлов используются комбинации указанных выше трех методов.

Технологические схемы получения металлов оказываются тем сложнее, чем меньше концентрация данного металла в сырье и чем больше в нём примесей, чем ближе физико-химические свойства примесей к свойствам извлекаемого металла, чем чище по содержанию примесей требуется получить металл или его химическое соединение.

Во многих случаях для получения данного металла разработано по нескольку вариантов технологических схем на отдельных стадиях передела:

- в зависимости от того, в виде какого рудного минерала присутствует металл в руде;

- какую конечную цель преследовали разработчики схем: добиться максимальной простоты или экономичности схемы, получить металл с минимальным содержанием примесей.

Конечной продукцией металлургического производства могут быть чистые металлы, их сплавы с другими элементами, а также химические соединения (например, оксиды). При этом металлы и их сплавы получают в большинстве случаев в виде расплава, который разливают в различной величины и формы слитки. Но тугоплавкие металлы получаются в виде порошков или пористой массы - губки, которые превращают в компактные образцы либо с помощью дуговой или электронно-лучевой плавки, либо методом порошковой металлургии.

 

5.2.  Руды, подготовка руд к металлургическому переделу

Рудой называется горная порода, содержащая металл в такой форме и в таком количестве, что его экономически выгодно извлекать на данном уровне развития техники.

Металлы в рудах, за исключением нескольких самородных (золота, платины, меди), присутствуют в виде химических соединений с другими элементами: кислородом, серой, мышьяком, углеродом, кремнием. В зависимости от типа рудного минерала руды называются окисленными, сульфидными, арсенидными, карбонатными, силикатными. При этом частицы рудных минералов (размером от нескольких миллиметров до тысячных долей миллиметра) перемешаны с другими минералами, не содержащими данного металла. Эта часть руды получила название вмещающей или пустой породы. Практически всегда в рудах кроме рудного минерала и пустой породы присутствуют минералы других металлов. В ряде случаев содержание этихминералов-примесей настолько велико, что становится рентабельным их извлечение. Такие руды называют комплексными. Примерами комплексных руд могут служить медно-свинцово-цинковые, медно-никель-кобальтовые, вольфрам-молибденовые, титан-ниобий-тантал-РЗЭ, уран-ванадиевые, литий-цезиевые, цирконий-ниобиевые, титано-магнетиты, содержащие ванадий и др.

Металлургическая ценность рудного материала, которая определяет затраты в цехе на его металлургическую переработку (прежде всего - энергетические затраты), зависит в основном от химико-минералогического состава подготовленной руды: содержания металла, пустой породы, вредных и полезных примесей, способности обеспечивать высокую скорость химических процессов.

 

     

 

 

 

 

 

 

       Рис 4.2. Влияние содержания металла

  в рудном  материале на стоимость   руды (С),

             энергетические затраты (Сэн),

           себестоимость металла (Смет )

     

 

 СОДЕРЖАНИЕ МЕТАЛЛА  В РУДЕ

 

           Чем полнее осуществляют подготовку руды к металлургическому переделу, тем меньше оказываются энергетические затраты на ее переработку, но тем дороже получается такой подготовленный рудный материал. На рис. 4.2 приведен характер изменения указанных параметров, а также конечной себестоимости металла только в результате одной операции по подготовке - обогащения руды.

При увеличении содержания металла в руде от α до β сравнительно небольшие затраты на ее обогащение +∆Ср существенно перекрываются экономией в энергетических затратах при металлургическом переделе (на плавление меньшего количества шлака, на меньший расход химических реагентов и др.) -∆Сэн. Очевидно, что для каждого типа руды должна быть найдена оптимальная глубина обогащения, при которой получается минимальная себестоимость металла.

Предварительная подготовка значительно расширяет запасы рудного сырья, так как становится рентабельным извлекать металлы из таких горных пород, которые в «сыром» - естественном - состоянии непригодны для металлургического передела по экономическим соображениям.

Из различных операций по подготовке руды главной является обогащение, в результате которого значительно (в несколько раз) уменьшается содержание в рудном материале пустой породы и резко повышается концентрация полезного элемента.

Однако обогащение руд возможно только после предварительного дробления и измельчения. Как правило, эти операции сопровождаются разделением дроблёных и измельчённых материалов на фракции методами грохочения и классификации.

В ряде случаев значительно удешевляет металлургический передел предварительное удаление из руды гидратной влаги, СO2 карбонатов, серы в результате обжига.

На рудоподготовительных фабриках руду и концентрат подвергают усреднению с целью повышения однородности по химическому составу.

В случае плавки в шахтных печах рудный концентрат окусковывают.

Таким образом, в общем случае подготовка руд к металлургическому переделу представляет следующий комплекс операций:

1. дробление                                                      5)обжиг
2. измельчение                                          6) обогащение
3. грохочение                                          7)усреднение
4. классификация                                          8) окусковывание

 

 

5.2.1 Дробление и измельчение руд.

 Машины, которые применяют для дробления, дробилки, могут уменьшать размер кусков до 5-6 мм. Более мелкое дробление называют измельчением, его осуществляют в мельницах.

Хотя принципиально возможно дробление в одном агрегате от 1500 до 1-2 мм и меньше, практика показывает, что это экономически не выгодно. Поэтому на дробильно-обогатительных фабриках дробление осуществляют в несколько стадий, используя для каждой стадии наиболее подходящий тип дробилки. Обычно дробление осуществляют в три стадии: крупное - от 1500 до 250 мм, среднее - 250-50 мм, мелкое - 50-5 мм; измельчение - от 5 мм до нескольких микрометров. Таким образом, степень дробления, т.е. отношение максимальных размеров кусков до и после дробления для каждой стадии дробления составляет 5-10.

Большинство применяемых дробилок работает по принципу раздавливания кусков руды между двумя стальными сближающимися поверхностями. Для дробления руд применяются щековые дробилки (крупное и среднее дробление).

Щековая дробилка (рис. 4.3) состоит из трёх основных частей: неподвижной вертикальной стальной плиты, называемой неподвижной щекой; подвижной щеки, подвешенной в верхней части, и кривошипно-шатунного механизма, сообщающего подвижной щеке колебательные движения. Материал в дробилку загружают сверху. При сближении щёк происходит разрушение кусков. При отходе подвижной щеки от неподвижной раздробленные куски опускаются под действием собственного веса и выходят из дробилки через разгрузочное отверстие.

 

 

 

 

Рис. 4.3. Схема щековой дробилки:

1 – подвижная  щека; 2 – неподвижная щека

3 – разгрузочное  отверстие; 4 – привод;

5 – распорные  плиты;

6 – регулировочные  пластины.

 

 

 

 

Кроме того применяются конусные дробилки (крупное, среднее и мелкое дробление), валковые и молотковые дробилки (среднее и мелкое дробление) и др.

Для измельчения руд обычно используют шаровые или стержневые мельницы, представляющие собой вращающиеся вокруг горизонтальной оси цилиндрические барабаны диаметром 3-4 м, в которых вместе с кусками руды находятся стальные шары или длинные стержни. В результате вращения с относительно высокой скоростью (около 20 об/мин) шары или стержни, достигнув определённой высоты, падают или скатываются вниз (рис. 4.5), осуществляя измельчение кусочков руды между шарами или между шарами и поверхностью барабана. Мельницы работают в непрерывном режиме: загрузка рудой происходит через одну пустотелую цапфу, а разгрузка - через другую.

 Как правило, измельчение производят  в водной среде, благодаря чему  не только устраняется пылевыделение, но и повышается производительность  мельниц. В процессе измельчения  происходит автоматическая сортировка  частиц по крупности: мелкие переходят  во взвешенное состояние и  в виде пульпы (смеси частиц  руды с водой) выносятся из  мельницы, а более крупные, которые  не могут находиться во взвешенном  состоянии, остаются в мельнице  и измельчаются дальше.

 

 

Известны случаи  применения так называемых мельниц самоизмельчения, которые работают по такому же принципу, что и шаровые с той только разницей, что измельчающими  телами служат крупные куски руды. Из-за  отсутствия  шаровой загрузки удельный расход  электроэнергии  оказывается  в  таких  мельницах ниже, чем в шаровых, но при этом оказывается ниже и        производительность.

 

 

5.2.2  Грохочение и классификация.

 Дробление и измельчение практически всегда сопровождаются грохочением и классификацией - процессами, цель которых - разделение раздробленного и измельчённого материала на фракции по крупности. Отличие грохочения от классификации заключается в том, что при грохочении производят сортировку кусков на ситах, а классификацией разделяют мелкие частицы (меньше 1-2 мм) в водной или, реже, в воздушной среде.

 

5.2.3 Обогащение руд.

Целью обогащения руд является повышение в них концентрации полезного элемента в результате удаления максимально возможного количества пустой породы. Эффективность обогащения железных руд иллюстрируется приведенными ниже данными:

Содержание железа в рудном материале, %                      45          65

Расход на выплавку 1 т чугуна, кг:

рудного материала                                    2089      1469

известняка                                                    605        155

Удельный выход шлака, кг/т чугуна                               1211        292

Еще больший технико-экономический эффект дает обогащение руд цветных металлов. Так, в результате обогащения медных руд, содержащих около 1% Сu, получают концентраты с 15-30% меди, т.е. удельный расход рудного материала для получения 1 т меди сокращается в 20-25 раз с соответствующим снижением затрат на топливо, электроэнергию и оборудование. Замена природной оловянной руды с 0,01-0,2% Sn на концентрат, содержащий 40-50% Sn сокращает удельный расход рудного материала на производство 1 т олова в 400-500 раз.

Обогащение делает более рентабельной переработку многих комплексных руд, когда из одной руды еще до собственно металлургического передела удается получать концентраты 2-4 металлов.

Обогащение является, по существу, механическим процессом разделения частичек руды, представляющих собой либо полезный минерал, либо пустую породу. Для разделения используют различия каких-либо свойств полезного минерала и пустой породы: цвета, блеска, твердости, плотности, оптических, электрических, магнитных и других характеристик.

Продуктами обогащения являются: концентрат - материал, содержащий полезного минерала больше, чем его было в исходной руде; хвосты - материал, состоящий в основном из пустой породы и содержащий небольшое количество полезного минерала. В сложных схемах обогащения получают продукт, занимающий по содержанию полезного элемента промежуточное положение между концентратом и хвостами - промпродукт, который подвергается дополнительному обогащению.

Способы обогащения. Наиболее распространенными являются: промывка, гравитационный, электромагнитный, электростатический, флотация.

Промывку применяют для обогащения руд с повышенным содержанием в пустой породе глины и песка.

В том случае, когда имеется существенное различие плотностей полезного минерала и пустой породы, применяют гравитационное обогащение.

Принцип статического гравитационного обогащения - в тяжелых суспензиях - заключается в том, что измельченную руду погружают в резервуар с жидкостью, имеющей плотность ∆ж, больше плотности пустой породы ρпп, но ниже плотности рудного минерала: ρп < ∆ж < ρм. В этом случае пустая порода всплывает на поверхность жидкости, а зерна полезного минерала опускаются на дно резервуара. В качестве такой тяжелой жидкости (около 3 г/см3) используют обычно смесь воды с тонкоизмельченным ферросилицием (ρ = 6,5 г/см3) или глетом Рb3О4 (ρ = 9,5 г/см3).

Динамические методы гравитационного обогащения, как и классификация, основаны на различии скоростей падения в жидкости твердых частичек различной массы. При классификации разделяют зерна различных размеров, но одинаковой плотности, а при гравитационном обогащении разделяют частички одинакового размера, но различной плотности. Для гравитационного динамического обогащения используют аппараты, аналогичные классификаторам.

Наиболее эффективным способом обогащения магнитных железняков является магнитная сепарация. Электромагнитные сепараторы различных типов работают по одинаковому принципу. Раздробленную руду вводят в магнитное поле, под действием которого частички, обладающие магнитными свойствами, какой-то транспортирующей системой направляются в одну сторону, а немагнитные частички выносятся из сферы действия магнитного поля в другую сторону либо силой тяжести, либо потоком воды. На рис. 4.6 показана схема барабанного электромагнитного сепаратора для обогащения тонко измельченной руды в водной среде. Электромагнит, закрепленный неподвижно внутри пустотелого барабана, создает магнитное поле на поверхности нижней и левой частей барабана. Магнитные частички концентрата притягиваются этим полем к поверхности барабана и извлекаются им из пульпы. Частички концентрата отделяются от поверхности барабана с правой стороны при помощи скребка и водяной форсунки. Немагнитные частички пустой породы удаляются из сепаратора потоком воды снизу.