Производство цинка и его сплавов. Способы обработки металлов давлением

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.6. Схема барабанно магнитного

   сепаратора для мокрого обогащения:

         1 – электромагнит; 2 – барабан;             

                   3 - водяные форсунки                                                                     

 

 

Главным методом обогащения многих руд цветных металлов является флотация - способ, основанный  на различии в смачиваемости поверхности частичек рудного минерала и частичек пустой породы.

Сульфиды  металлов  относятся  к  категории плохо смачивающихся водой - к гидрофобным материалам. Минералы  пустой породы (силикаты, оксиды, карбонаты)  хорошо  смачиваются  водой - являются гидрофильными.

  На рисунке 4.7 приведена схема механической флотационной машины.

  Флотационная ячейка представляет  собой камеру 1 объемом около 2 м3, заполненную водой. В нижнюю часть камеры подают пульпу и поток воздуха.

 

  В результате вращения импеллера 2 воздух диспергирует на мелкие пузырьки, которые сталкиваются с мелкими (0,2-0,3 мм) частичками руды. Пузырьки воздуха прилипают к гидрофобным частичкам и поднимают их на поверхность жидкости, где минерализованная пена вращающимися лопастями 3 перебрасывается через сливную перегородку в желоб. Гидрофильные частички не взаимодействуют с воздушными пузырьками и под действием силы тяжести опускаются на дно, а затем удаляются из машины через отверстие в стенке.

С целью усиления различия смачиваемости отдельных минералов и для улучшения других условий процесса обогащение флотацией  производят  не  в  чистой  воде,  а  в  во-

   о - пузырьки воздуха; • - рудный минерал;          де со специальными веществами-реагентами.     

                        ▲- пустая порода

 

Обезвоживание концентрата. Для осуществления последующих технологических операций: дозирования, смешивания, окомкования - в концентратах не должно содержаться влаги более 10-12%. В то же время в результате мокрого обогащения получается пульпа, содержащая до 80% воды. Влажность концентратов снижают в два этапа: сгущением (до 40-50% воды) и фильтрацией (до 9-20%).

 

 Сгуститель-отстойник представляет собой невысокий (~2м) железобетонный или металлический бак или чан 1 диаметром до 30 м с коническим днищем. Пульпа после обогащения подается в сгуститель по желобу 2. В центре сгустителя находится подвесной вал, к нижнему концу которого прикреплены гребки 3. В результате медленного вращения вала с гребками осевшие твердые частицы концентрата перемещаются  к      центральному  разгрузоч-

Рис. 4.8. Схема отстойника-сгустителя    ному  отверстию  4.  Осветленная  вода сливается

                                                                           через край сгустителя в кольцевой  желоб 5 и воз-

                                                                           вращается в технологический  процесс.

На ряде фабрик сгущение пульпы производят в гидроциклонах, в барабанных вакуум- фильтрах, в дисковых вакуум-фильтрах и др.

 Электрическое обогащение основано на  различии  электрических  свойств  разделяемых минералов.  Применяется  для обогащения зернистых сыпучих (подсушенных) материалов крупностью  0,05-0,3  мм  в  тех  случаях,  когда другие способы обогащения оказываются малоэффективными. Принцип обогащения состоит в том, что в электрическом поле происходит разделение частичек, имеющих различные электрические свойства: частички-проводники тока и частички-непроводники (изоляторы).

Перед собственно процессом разделения частички должны получить электрические заряды. Для этой цели используют три метода: касание заряженного электрода, индукцию и ионизацию (с помощью коронного разряда). На рисунке 4.9 приведена схема коронного сепаратора барабанного типа. При вращении барабана 2 частицы руды поступают в зону «а-б», где приобретают электрические заряды в результате бомбардировки газовыми ионами от коронирующего электрода 3.

 

 

 

 

 

Рис. 4.9. Схема барабанного коронного

     сепаратора:

1 - бункер с рудой; 2 - заземлённый  барабан;

  3 - коронирующий электрод;

4 - отклоняющий электрод; 5 – устройство

     для очистки барабана;

Н - бункер для непроводников;

ПП - бункер для полупроводников;

П - бункер для проводников

 

 

Частицы-непроводники сохраняют полученный заряд до точки «е», а частицы-проводники получают электрический заряд того же знака от барабана и отталкиваются от него. На коронирующий электрод подается напряжение до 50 кВ. Электрическая сепарация применяется в схемах «доводки» - титано-циркониевых, танталониобиевых, оловянно-колумбитовых, вольфрамито-касситеритовых концентратов.

 

5.2.4   Обжиг руд.

 Обжиг – это химическая обработка мелких твёрдых рудных зёрен газом при умеренных температурах - 700-1000°С. Обычно обжиг рудных материалов применяется как подготовительная операция перед последующими этапами металлургического (пирометаллургического или гидрометаллургического) передела.

В зависимости от существа протекающих процессов различают следующие виды обжига: окислительный, восстановительный, сульфатизирующий, хлорирующий и фторирующий, сульфато-хлорирующий и др.

Окислительный обжиг получил наибольшее распространение при переработке сульфидных и арсенидных (мышьяковистых) руд и концентратов. Целью обжига является полное или частичное удаление серы и мышьяка в газовую фазу с получением металлов в форме оксидов, иногда в виде сульфатов. При обжиге сера удаляется с газом в основном в виде SО2, а мышьяк - в виде летучего оксида As2О3.

При окислительном обжиге происходит также диссоциация карбонатов.

Восстановительный обжиг применяется при переработке железных руд: красных и бурых железняков. В результате частичного восстановления немагнитные оксиды Fe2О3 и Fe2О3•nH2О переводят в магнитит:

Fe2О3 + СО(Н2) Fe3О4 + СО2(Н2О),

благодаря чему становится возможным использовать самый эффективный способ обогащения железных руд - электромагнитный.

В настоящее время восстановительный обжиг применяют также для глубокого восстановления железорудных окатышей и их последующей переплавки на сталь.

Своеобразной разновидностью восстановительного обжига является вельцевание - процесс углетермического восстановления в твёрдых фазах оксидов некоторых металлов, которые при температуре процесса возгоняются - переходят в газовую фазу. Как видно из рис. 4.10, к группе относительно летучих металлов можно отнести Hg; Cd; Na; Zn; Mg. Наиболее часто вельцевание применяется при производстве цинка (tкип = 907°С). Вместе с цинком возгоняются кадмий и частично свинец. Уловленные возгоны подвергаются далее гидрометаллургической переработке.

 

Рис. 4.10. Упругости паров ряда металлов и оксидов

 

  Хлорирующий обжиг. В металлургии цветных металлов хлор и хлориды впервые начали применять для извлечения из руд золота, серебра (1786 г.), а затем меди (1844 г.).

Элементарный хлор обладает высокой реакционной способностью и может при относительно невысоких температурах (800-1000°С) превращать в хлориды очень прочные и трудно восстановимые оксиды (магния, титана, циркония).

Используя широкий температурный диапазон кипения хлоридов различных металлов - от 60 до 2000°С  (табл. 4.1), удаётся отделять хлориды цветных металлов от железа и пустой породы, а также осуществлять селективное разделение металлов-спутников (методом ректификации). Хлорирующий обжиг используют в технологиях получения Mg, Ti, Zr, Hf, Sn.

 

Таблица 4.1

Температуры плавления и кипения хлоридов металлов

 

В технологиях производства некоторых металлов (урана, бериллия) используют фторирующий обжиг, во многом сходный с хлорированием.

 

5.2.5   Усреднение.

Отдельные участки рудных месторождений значительно различаются по своей структуре. Поэтому добываемые руды даже в идущих друг за другом порциях имеют неодинаковый химический состав. Такие колебания состава руд вызывают соответствующие колебания режима плавки: температур, химического состава шлаков и металла - что снижает эффективность металлургического передела. С целью повышения однородности по химическому составу руды и концентраты должны подвергаться смешиванию. Для больших масс материала эта операция называется усреднением.

 

5.2.6   Окускование.

Получаемые после обогащения руд мелкие концентраты не могут быть направлены непосредственно в плавку в доменных и других шахтных печах, так как не обеспечивают хорошей газопроницаемости шихты.

Превращение мелких частиц рудных концентратов и некоторых других материалов в более крупные куски 20-40 мм и составляет основную цель процессов окускования. В металлургической практике применяют три способа окускования: брикетирование, агломерация и производство окатышей.

Брикетирование. Сущность брикетирования заключается в том, что мелкий сыпучий материал, увлажненный и тщательно перемешанный с небольшим количеством связующих добавок (5-10%) подается на брикет-прессы, где под давлением до 50-100 МПа формуются брикеты прямоугольной, цилиндрической или овальной формы размером от 20 до 150 мм. Необходимая прочность брикетов достигается в результате их сушки или тепловой обработки при температурах 150-500°С. В качестве связующих используют концентрат сульфитно-спиртовой барды, растворимое стекло, известь-пушенку, цементы и др. На рисунке 4.11 изображена схема одного из брикет-прессов, применяющихся в горно-рудной промышленности - валкового пресса.

 

На валки надеты сменные бандажи с ячейками в виде полуформ брикетов. Принцип работы пресса виден из рисунка: Брикетирование целесообразно применять при небольших масштабах производства и при необходимости сохранения в рудном материале серы, которая нужна в некоторых случаях при плавке меди, никеля и других руд (при агломерации и обжиге окатышей основное количество серы руды выгорает).

По большинству технико-экономических показателей брикетирование значительно уступает производству агломерата и окатышей.

Рис. 4.11. Схема валкового пресса:              Агломерация - это термический  способ  окуско-

1 - валки; 2- шнековый уплотнитель    вания.  Сущность  его  состоит в том, что слой, сложен-

            шихты; 3- брикеты                   ный из мелких рудных зерен, быстро нагревают до тем-

ператур плавления; при этом частички приплавляются друг к другу. В ходе последующего быстрого охлаждения образуется закристаллизовавшаяся пористая масса. Агломерационный процесс ведут в слое на колосниковой решетке. Тепло, необходимое для расплавления рудных зерен, образуется в результате горения твердых частиц топлива, смешанных с рудным материалом. В качестве топлива обычно используют измельченный до 3-5 мм кокс; в некоторых случаях для экономии кокса в шихту вводят измельченный каменный уголь. При агломерации сульфидных руд цветных металлов топливом служат сульфидные минералы FeS2; FeS; Cu2S, при окислении которых выделяется значительное количество тепла.

Агломерацию, как способ окускования, начали широко применять с 1911г., когда была построена агломерационная машина ленточного типа непрерывного действия (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Схема конвейерной агломерационной машины:

1 - вакуум-камеры; 2 - полеты; 3 - направляющие движения  полет; 4 - привод;

5 - загрузочное  устройство; 6 - зажигательный горн; 7 - дробилка агломерата;

8 - пылеуловитель; 9 - эксгаустер; 10- труба; 11 - виброгрохот; 12 - охладитель

 

Наиболее  целесообразным способом окускования тонкоизмельченных концентратов (-0,07 мм) является получение окатышей - шариков диаметром 15-20 мм, обладающих достаточно высокой прочностью на раздавливание 2-3 кН/окатыш.

Технология производства железорудных окатышей состоит из двух стадий: 1) получение сырых окатышей из концентрата; 2) упрочняющего обжига.

Шихта для получения окатышей включает три компонента: рудный концентрат; бентонит (особый сорт глины, повышающей пластичность влажных окатышей и их прочность в сухом виде; содержание в шихте около 0,5%) и известняка (около 5%). Бентонит и известняк предварительно должны быть измельчены до крупности концентрата.

Приготовленную шихту после тщательного смешивания направляют в грануляторы барабанного или тарельчатого типа (рис. 4.13), в которых при влажности до 8,5-9,0% формируют окатыши требуемого размера.

Для обеспечения прочности, удовлетворяющей требованиям доменной плавки, окатыши подвергаются упрочняющему обжигу при температуре около1300°С в течение 5-10 мин чаще всего на конвейерных машинах, подобных агломерационным.

 

Упрочнение окатышей при их обжиге достигается е результате припекания мелких рудных частичек друг к друг) либо без жидкой фазы (расплава), либо при ее минимальном количестве. В процессе обжига окатышей происходит диссоциация известняка удаление большей части серы образование новых минерала (силикатов, ферритов кальция и др.).

На рисунке 4.14 приведена схема фабрики по производству окатышей, которая во многом подобна схеме агломерационной фабрики.

Сложная  система  газопотоков  на обжиговой  машине обусловлена  стремлением  в  максимальной  степени использовать  тепло отходящих газов (снизить удельный расход топлива).

 

6. Основы технологии производства важнейших металлов и сплавов

 

6.1.  Производство железа – чугунов и сталей

 

В соответствии с приведенной в разделе 4.1 схемой металлургического производства, производство железа, а точнее – стали включает в себя следующие четыре стадии:

I стадия:      механическое обогащение и окускование железных руд,

II стадия:    восстановление оксидов железа и отделение железа от пустой породы пи-