Вельцевание цинковых кеков

ockquote>

            1-CO₂  ; 2-O₂ (состав газового потока);

3-температура в шихте; 4-температура в

  газовом  потоке.

Характерное соотношение этих параметров представлено на рис. 3                                        

    Из  рис. 3.  видно, что в потоке воздуха, поданного в печь, энергично расходуется кислород на экзотермические реакции. За счет этого и частично за счет раскаленной шихты резко разогревается газовый поток, но на расстоянии 12 мот загрузочного торца печи практически расходуется весь кислород (остаточная концентрация кислорода < 3 %). Далее газ служит лишь носителем тепла (сушка и разогрев шихты) и возгонов (выгрузка через пылеуловитель). Теплообмен между газом и шихтой снижает их температуры на выходе из печи.

    Так как возгоны содержат компоненты с разной способностью к окислению (Zn окисляется значительно легче, чем PbS, Cd , CdS), то для полноты окисления возгонов, что повышает их качество, приходится повышать с_п в отходящих газах путем подачи подсосом "вторичного" воздуха на выходе газов из печи. Для интенсификации горения коксика и возгонов, а также для повышения СO₂ в отходящих газах может быть использовано обогащение "первичного' воздуха кислородом.

      Промышленные испытания показали, что повышение концентрации кислорода в воздухе, проходящем через печь, до 25,7 % повышает производительность печи на 20 %, повышает максимальную температуру шихты на 100-150°С, улучшает качество возгонов, отпадает надобность в подтопке печи горелкой.

    Вельц-печь (Рис.4.) представляет собой стальной вращающийся барабан, расположенный под углом 3—5° к горизонту, чтобы шихта могла двигаться в печи от верхнего ее конца к нижнему при вращении барабана. Печь внутри футерована огнеупорным кирпичом. Самые малые вельц-печи, применяемые сейчас в промышленности, имеют в длину 35— 45 м и диаметр 2,5—3,5 м при числе оборотов барабана около 1 в минуту. Все шире применяют большие печи, имеющие в Длину 90—95 м при диаметре 4—4,5 м. Так, в ПНР размеры печей достигают 90 м/4,5 м. Имеется возможность регулировать угол наклона печей.

      Печь опирается на катки, причем используют преимущественно трехопорные печи. Одна из опорных станций совмещается с приводом от электродвигателя и редуктора через венечную шестерню, опоясывающую барабан печи. Вельц-печи работают по принципу противотока и газы отводятся через верхнюю головку печи, откуда в печь загружают кеки. Газы охлаждают и очищают от пыли в рукавных фильтрах. Остатки вельцевания разгружают через нижнюю головку печи, в которую при разогреве печи, а иногда при нормальной ее эксплуатации, вводят форсунку для сжигания мазута.

    

       Рис.4 – Схема печи для вельцевания.

А – загрузочный конец; B – загрузка; C – устройство для спиральной подачи; D – уплотнение; E – выгрузка; F – горелка; G – привод; H – гидравлическое устройство для изменения наклона печи. 

    Место процесса в технологической схеме  указано на рисунке 1 в пункте 1.2.

2 Металлургические  расчеты

2.1 Усовершенствование процесса вельцевания

    При изучении процесса вельцевания цинковых кеков основной акцент делали на изучение поведения их главных компонентов: цинка и железа. Поведение шлакообразующих (кремнезема и оксида кальция) изучено недостаточно.

    Исследования  показали, что при вельцевании цинковых кеков в зоне формирования клинкера протекают следующие реакции восстановления:

    ZnO*SiO₂ + Fe → FeO*SiO₂ + Zn↑;                                                (1)

    ZnO + Fe → FeO + Zn↑.                                                                  (2) 

    Образующийся  фаялит (FeO∙SiО₂) в условиях вельц-процесса переходит в расплав, вызывая коррозию огнеупоров. Ранее в работе  было установлено, что при взаимодействии силиката цинка с оксидом кальция в процессе вельцевания цинксодержащих шлаков химических производств образуется тугоплавкий ортосиликат кальция.

    В настоящей работе изучали влияние  оксида кальция на извлечение цинка при переработке цинковых кеков. Опыты проводили с клинкером, образующимся в зоне его формирования и содержащим, %: 11,2 Zn; 24,1 Fe_o6щ, в том числе 20,3 Fe²⁺; 9,2 SiO₂. К этому материалу добавляли оксид кальция до соотношения CaO/SiO₂ в интервале 0,3 - 1,0.

      Исследования проводили при температурах 1100, 1200, 1300 °С. Расход углерода составлял 200 % от теоретически необходимого для восстановления цинка . Для изучения кинетики вельцевания была использована общепринятая для таких процессов методика непрерывного взвешивания в атмосфере инертного газа. Состав исходных образцов и продуктов восстановления определяли методами химического и фазового анализов. Изданных рис. 5 видно, что во всем температурном интервале с повышением отношения CaO/SiO₂ степень восстановления цинка увеличивается. Характер кинетических кривых показывает, что рост степени восстановления максимален в течение первых 30 мин, далее он замедляется. Последнее свидетельствует о диффузионном характере процесса.

    Если  при температуре 1300 °С с увеличением силикатного модуля от 0,3 до 1,0 полнота отгонки пинка увеличивается в 4,1, то при 1100 °С — в 2,5 раза.

    Необходимо  было выяснить влияние содержания закиси железа в клинкере при постоянном отношении CaO/SiO₂ на степень восстановления цинка из клинкера. Опыты проводили при температуре 1200 °С (наиболее характерная температура для зоны формирования клинкера) и силикатном модуле, равном 1,0. Расход углерода составлял 200 %. Из данных рис. 6 видно, что из более железистых клинкеров отгонка цинка протекает более полно. Так, при повышении содержания железа на 5,3 % извлечение цинка в возгоны повышается на 7—12 %. Экспериментальные данные можно объяснить следующим образом. При добавке оксида кальция в зоне формирования клинкера происходит разрушение структуры фаялита. Косвенным доказательством этого служит повышение температуры размягчения клинкера с 1250 до 1350 °С. Закись железа в условиях вельцевания должна разложиться с образованием Fe₃О₄ и металлического железа, которое восстанавливает цинк по реакциям (1), (2).

    Кроме того, в присутствии коксика происходит восстановление оксидов железа до металлического железа. На основании изложенного можно заключить, что добавка оксида кальция в вельц-печь приводит к повышению активности железа в клинкере, интенсификации процесса вельцевания, к снижению расхода энергоресурсов. Как показали результаты промышленных испытаний, расход  коксика сократился на  10-15 %, а кислорода - на 50-70 %. Увеличение содержания оксида железа в присутствии восстановителя — коксика приводит к увеличению образования металлического железа и  повышает отгонку цинка. Таким образом, оксиды железа служат катализатором процесса отгонки цинка.

Выводы.

    1. Показано, что при увеличении силикатного модуля с 0,3 до  1,0 степень извлечения цинка за 30 мин   повышается   в   интервале температур   1100-1300  °С  в 2,5~4,1 раза.

    2. Добавка оксида кальция в вельц-процесс приводит к повышению активности железа, в результате снижается расход энергоресурсов.

    3. Увеличение содержания оксидов  железа в клинкере в присутствии  восстановителя (коксика) увеличивает отгонку цинка.

2.2 Расчеты

2.2.1 Расчёт выхода и состава вельц-окиси

    Примем, что влага кека не содержит сульфатов цинка и марганца.

Принимаем на основе практических данных извлечение цинка в вельц-окись – 94 %, свинца – 92,5 %, кадмия – 95 %. С учётом механических потерь кека – 2 % ( =0,02) общее извлечение указанных компонентов из кека в вельц-окись составит: цинка – 92,12 % ( ), свинца – 90,65 % ( ), кадмия – 93,1 % . На основе практических данных  примем распределение Zn, Cd, и Pb в вельц-окислах:

Zn                  окись: 97,438 %  ( );

                      сульфат 1,562 % ( );

                      сульфид 1,0 %  ( );

Pb                  окись: 95,3116 %  ( );

                      сульфат 2,6884 % ( );

                       труднорастворимые ферриты и  алюмосиликаты 

                       (упростим, примем PbО×SiО₂) 2,0 %  ( );

Cd                 окись: 96,928 %  ( );

                      сульфат 2,072 % ( );

                      сульфид 1,0 %  ( ).

     Тогда цинка в виде ZnO перейдет в вельц-окислы

  кг

где - суммарное количество цинка в кеке (табл. 1).

     Тогда количество ZnO и кислорода в ZnO

     Свинца в виде PbO перейдет в вельц-окислы

 кг

где - суммарное количество цинка в кеке (табл. 1).

     Тогда количество PbO и кислорода в PbO:

    Кадмия  в виде CdO перейдет в вельц-окислы

  кг

где - суммарное количество цинка в кеке (табл. 1).

     Тогда количество CdO и кислорода в CdO:

     Количество ценных компонентов  в вельц-окислах за счёт механического уноса:

           В процессе вельцевания имеется значительный пылевынос. Суммарное количество ZnO, PbO и CdO составляет в зависимости от условий проведения процесса от 65 до 90 %. Принимаем, что эта сумма составляет 80 %. Количеством прочих летучих компонентов пренебрегаем. Тогда количество вельц-окислов составит

   За счёт механического уноса в вельц-окислах будет смеси соединений ценных компонентов

     Количество прочих в вельц-окислах за счёт механического уноса составит

2.2.2 Расчёт количества коксовой мелочи

     При наличии в шихте углерода  окись цинка восстанавливается  и превращается в пары цинка,  окисляющиеся затем вновь до  окиси цинка кислородом или  углекислотой. Происходящие при  этом основные реакции Гофман  изображает следующим образом:

                          

 

           Складывая уравнения, получим

.                                   

     Некоторые авторы (Барт, Гаррис, Стром) предпочитают обозначать основные процессы, происходящие в вельц-печи, несколько иным образом:

     

      

     

     Складывая все три уравнения,  получаем суммарный процесс:

.