УЛУЧШЕННЫЙ ШЛАК ОТ ПРОИЗВОДСТВА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
IMPROVED SLAG FROM NON-FERROUS METALS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к производству цветных металлов, таких как медь, из первичных источников, имея в виду свежую руду, из вторичного исходного сырья, также известного под наименованием перерабатываемых материалов, или из их комбинаций. Перерабатываемые материалы могут представлять собой, например, побочные продукты, материалы отходов и материалы, выработавшие свой ресурс. Говоря более конкретно, изобретение относится к улучшенному шлаку в качестве попутного продукта от такого производства цветных металлов.
Шлаковый попутный продукт от производства меди (Cu), в частности, является особенным с точки зрения композиции. Рабочие температуры медеплавильной печи обычно являются значительно более низкими в сопоставлении с соответствующими температурами определенных других плавильных печей. В целях обеспечения достаточной текучести шлака при пониженных температурах требуемыми или желательными являются конкретные ингредиенты, поскольку они могут иметь тенденцию, иногда в конкретных диапазонах концентраций, к подавлению температуры плавления шлака и, таким образом, к приданию способу пригодности к эксплуатации при отсутствии воздействия избыточно высоких температур, которые требуют очень больших затрат с точки зрения потребления энергии и, таким образом, с точки зрения эксплуатационных расходов.
Уровень техники
Материалы, доступные в качестве исходного сырья для производства цветных металлов, обычно содержат множество металлов. Вследствие потребности в высокой степени чистоты для цветных металлов в большинстве из их крупнотоннажных областей применения в способе производства различные металлы должны быть отделены друг от друга. Способы производства цветных металлов обычно включают по меньшей мере одну, а обычно множество стадий пирометаллургического процесса, на которых как металлы, так и оксиды металлов существуют в жидком расплавленном состоянии, и где оксиды металлов могут быть отделены под действием силы тяжести от фазы расплавленного металла в виде отдельной фазы жидкого шлака. Фазу шлака обычно отводят из способа в виде отдельного потока, и данное разделение может приводить к производству шлака в качестве попутного продукта от производства металла.
Цветные металлы могут быть произведены из свежей руды в качестве исходного материала, также называемой первичными источниками, или из перерабатываемых материалов, также известных под наименованием вторичного исходного сырья, или из их комбинации.
Извлечение цветных металлов из вторичного исходного сырья за прошедшие годы стало видом деятельности, имеющим первостепенное значение. Повторная переработка цветных металлов после использования стала ключевым элементом, вносящим свой вклад в промышленность, вследствие непреходящей настоятельной потребности в таких металлах и уменьшающейся доступности высококачественных свежих металлических руд. Также и переработка вторичного исходного сырья обычно задействует использование стадий пирометаллургического процесса, таких как в случае плавильных печей, которые производят шлак в качестве попутного продукта.
Шлак главным образом содержит оксиды металлов, которые являются жидкими при высоких температурах. В плавильных печах для цветных металлов, например, меде-, свинцово- или цинкоплавильных печах, оксиды металлов присутствуют в жидком состоянии и имеют меньшую плотность в сопоставлении с жидкими расплавленными металлами. После этого оксиды металлов могут быть отделены от металлов под действием силы тяжести. Шлаки обычно охлаждают и раздробляют/сортируют по размеру, и они могут быть использованы при производстве бетона, в качестве заменителя булыжников и гравия, в качестве заполнителя при дорожном строительстве, а при размалывании они благодаря своей необычной твердости также представляют интерес и для использования в качестве песка для обдувки или крошки для обдувки.
Некоторые из веществ, которые могут быть обнаружены в шлаковых продуктах, известных на современном уровне техники, считаются потенциально вредными для окружающей среды. Основными примерами таких нежелательных веществ являются главным образом свинец, но в некоторой степени также и цинк. Как цинк, так и свинец представляют собой металлы, которые обычно присутствуют в формах, которые являются выщелачиваемыми из шлака, и наличие их значительных уровней содержания заранее исключает множество вариантов использования шлакового продукта, в частности, в экономически более привлекательных областях применения, и может сделать утилизацию таких шлаков на свалках отходов намного более сложной и затруднительной, обычно при необходимости рассматривания их в качестве «опасных отходов». Приемлемость использования в определенных областях применения зачастую определяется в результате проведения испытания на поведение при выщелачивании шлаков. Обычно элементы, такие как Pb и Zn, подвержены выщелачиванию и могут стать причиной непрохождения конкретным шлаком таких испытаний на приемлемость.
Кроме того, уровень содержания Pb в продукте или композиции может накладывать ограничения на их использование, поскольку свинец создавал проблемы в качестве возможного токсина, воздействующего на репродуктивную систему. В некоторых юрисдикционных системах в настоящее время проводятся исследования ограничений по классификации для соответствующего регламента правил CLP (классификации, маркировки, упаковки), имеющие своей целью установление конкретного ограничения по классификации (SCL) для Pb и соединений, содержащих Pb. Ограничение, возможно, может быть задано на уровне всего лишь 0,03% (масс.) Pb. Коммерчески доступные шлаки от производства цветных металлов характеризуются уровнем содержания Pb, который обычно значительно превышает даже намного более высокий уровень в 0,3%. В случае вступления в силу данного регламента правил CLP данные современные шлаки от производства цветных металлов станут предметом дополнительных требований к маркировке, что делает коммерческое использование и приемлемость данных шлаков во множестве современных областей применения более затруднительными, если не невозможными, и что также может увеличить нагрузку на выбранные пути утилизации, такие как свалка отходов. В данном контексте необходимо отметить то, что конкретные варианты конечного использования, такие как применение шлака в качестве песка для обдувки, подразумевают то, что бросовый побочный продукт от операции обдувки, который включает шлак, обычно утилизируют в виде свалки отходов. Поэтому уровень содержания свинца в шлаке может серьезно ухудшить использование шлака в некоторых современных ценных областях конечного применения, таких как некоторые формы обдувки песком.
rd
2
В публикации S. Monosi et al., «Non Ferrous Slag as Cementitious Material and Fine Aggregate for Concrete», presented at the 3 CANMET/ACI International Symposium on Sustainable Development of Cement and Concrete, 2001 сообщалось о шлаке, содержащем 4,77% (масс.) Zn и 2,03% Pb, который подвергали испытанию в качестве ингредиента для бетона, заменяющего портландцемент и/или природный песок. Шлак также содержал 14,65% (масс.) SiO. Испытания на выщелачивание продемонстрировали высвобождение цинка и свинца, но при значениях, которые оставались ниже итальянского узаконенного стандарта 1998 года.
Однако, как это обнаружили изобретатели, присутствие цинка в шлаке при уровнях содержания, которые использовали в работе автора Monosi, приводит к значительному замедлению затвердевания бетона и других композиций строительных материалов, таких как цементы. Данное воздействие на скорость затвердевания представляет собой препятствие для использования шлаков, содержащих значительные количества Zn, в качестве цементирующего материала и/или в качестве заполнителя в бетоне или цементах.
Поэтому сохраняется потребность в шлаке от производства цветных металлов, который характеризуется пониженным риском выщелачивания металлов, в частности, в шлаке, который характеризуется уровнем содержания свинца и/или уровнем содержания цинка, которые являются достаточно низкими для того чтобы не создавать каких-либо проблем с выщелачиванием, таким образом, чтобы шлак мог бы оказаться приемлемым для его использования в экономически привлекательных областях конечного применения и мог бы быть модернизирован в результате данного использования.
В дополнение к этому, остается потребность в шлаке от производства цветных металлов, характеризующемся уровнем содержания Pb, составляющим менее, чем 0,03% (масс.), и который поэтому привносил бы преимущество, заключающееся в освобождении от дополнительных требований к маркировке согласно потенциально находящемуся на подходе регламенту правил CLP в определенных юрисдикционных системах.
Кроме того, сохраняется потребность в шлаке от производства цветных металлов, который не привносит недостатка, заключающегося в уменьшении скорости затвердевания бетона или цемента, содержащих такой шлак в качестве цементирующего материала или в качестве заполнителя.
2
В публикации US 5749962 описываются шлаковый побочный продукт от производства никеля из никелевой руды, при этом шлак описывается как представляющий собой «по существу FeO.SiO», и его использование после размалывания в качестве вяжущего вещества в смеси с быстротвердеющим портландцементом, относящимся к типу 3, для производства цементной смеси, например, для производства бетона. Шлак свободен от Zn и Pb, поскольку свободной от данных веществ также является и руда для производства никеля.
В публикации US 4,571,260 раскрывается способ извлечения частиц металлов, представляющих промышленную ценность, из материалов, содержащих олово и/или цинк, в частности, из материалов, содержащих свинец, в результате нагревания и плавления исходных материалов в конвертере Кал-До совместно с коксом в качестве восстановителя и большим количеством известняка и оксида железа в качестве флюса, и все это в рамках последовательности из следующих друг за другом периодических способов, начинающейся со стадии окисления. По меньшей мере на одной последующей стадии восстановления цинк и, в случае присутствия, олово могут быть возогнаны и извлечены из отходящих топочных газов. Большое количество флюса требуется для придания шлаку вязкой консистенции при выбранных температурах восстановления таким образом, чтобы кокс мог бы быть выдержан в виде суспензии в шлаке при интенсивных взбалтывании или перемешивании, в частности, на более поздней части периода восстановления. 8 тонн шлака, остающегося в виде остатка в единственном примере из публикации US 4,571,260, содержали 1,5% Pb и 1,0% Zn. Данный шлак все еще содержит количества цинка и свинца, которые могут создавать проблемы в отношении выщелачивания металла. Конечный шлак в публикации US 4,571,260 сбрасывают в отвал.
2
2
В публикации E. Hecker, B. Friedrich and J. Böhlke - «Treatment of lead and zinc slabs in hollow electrode DC-EAF in consideration of calculated phase equilibria and thermodynamics», in VII International Conference on Molten Slags Fluxes and Salts, 2004, The South African Institute of Mining and Metallurgy, pp. 377-384 раскрывается обработка шлаков от промышленности по производству свинца или цинка, говоря более конкретно, шлаков от процесса Кено-Шуманна-Лерджи (КШЛ) для выделения свинца и шлаков от процесса Империал Смелтинг (ИС) для выделения цинка. Пирометаллургические способы выделения свинца и цинка, как это известно, требуют более высоких рабочих температур в сопоставлении со способами выделения меди. В статье предлагается улучшенная обработка шлака в сопоставлении с обычным фьюмингованием шлака или его вариантом, известным под наименованием способа Аусмелт или Айзасмелт. Авторы работали при использовании полупромышленной электродуговой печи постоянного тока (ЭДП-ПТ), использующей систему газонепроницаемого полого графитового катода для загрузки буроугольного кокса в шлак. Для противодействия капиллярным силам между шлаком и внутренней поверхностью электрода используют только легкое течение газообразного азота. Таким образом, отходящий газ является обогащенным по СО - газу, который образуется в результате прохождения реакции восстановления оксида металла в обмен на окисление нагнетаемого углерода. Вводят определенное количество третичного воздуха в целях подачи достаточного количества кислорода над ванной для окисления испарившегося металла Zn в отходящем газе с образованием ZnO и для дожигания любого остающегося количества СО с образованием дополнительного количества СО. Внешний подвод тепла в печи ЭДП-ПТ представляет собой прямое нагревание, обусловленное электрической дугой, протянувшейся в шлаковой ванне между двумя электродами. Таблицы I и II в публикации предоставляют информацию относительно композиций шлаков до и после обработки. В случае отсутствия информации после обработки содержания могут быть рассчитаны исходя из коэффициента обогащения для совокупных концентраций Fe. Все шлаки свободны от каких-либо содержаний меди. В дополнение к этому, шлак процесса КШЛ после обработки содержит 0,11% (масс.) Pb и поэтому все еще может создавать проблему, заключающуюся в неприемлемом выщелачивании Pb. Шлак процесса ИС после обработки содержит 5,0% (масс.) MgO. В соответствии с представленным выше разъяснением в данном документе высокая концентрация MgO привносит недостаток, заключающийся в более высокой температуре плавления шлака, что увеличивает добавочную нагрузку с точки зрения температуры переработки, для чего требуются дополнительные капиталовложения и подвод энергии.
2
В публикации US 8088192 раскрывается переработка загружаемого в холодном состоянии шлака на основе Cu-Fe-Ni в электродуговой печи переменного тока. Исходный шлак все еще был обогащенным по меди при 8% (масс.) и содержал 5% (масс.) MgO. До обработки в печь также загружают высококонцентрированную медь (97,7% (масс.)). После этого нагревание до 1450°C, перемешивание при использовании N, дополнительное добавление шлака и негашеной извести, СаО, приводили к получению гомогенного шлака. Последующее восстановление проводят в результате нагнетания тонкодисперсного антрацита. Отстаивание фаз приводило к отделению фазы шлака, содержащей 3% MgO. Как это сообщается, в шлаке из публикации US 8088192 отсутствуют какие-либо оксиды щелочных металлов.
В публикации K. Koch and D. Janke, «Schlacken in der Metallurgie», ISBN 3-514-00254-1 на странице 157 раскрывается «обесцинкованный» шлак. Шлак представляет собой результат фьюмингования в восстановительных условиях медьсодержащего шлака, в ходе которой свинец и цинк восстанавливаются и испаряются сразу после выхода из реактора, будучи окисленными и осажденными в виде пыли. Документ умалчивает о каком-либо присутствии в шлаке оксида магния.
2
2
2
2
2
2
2
2
В публикации JP 2001 040431 A раскрывается то, как может быть улучшена подвижность шлакового побочного продукта от производства меди в результате добавления к шлаку СаО, SiO и Fe. В соответствии с раскрытием в таблице 1 в качестве исходных материалов рассматривался широкий спектр шлаков, при этом все они являются обогащенными по ZnO по меньшей мере при 2,4% (масс.), что соответствует 1,9% (масс.) Zn, и по меди по меньшей мере при 6,8% (масс.) при выражении через CuO, что соответствует по меньшей мере 6,04% (масс.) меди. Избранные шлаки из таблицы 1 подвергали воздействию дополнительной стадии восстановления в результате добавления железа и необязательно воздуха в целях восстановления их содержимого в виде CuO и извлечения большего количества меди. Данная стадия в результате приводила к получению композиций шлаков, раскрытых в таблице 2, которые содержали значительно большее количество FeO, и у которых содержание SiO было разбавлено до, самое большее, 20,8% (масс.) SiO. В одном рабочем примере из публикации JP 2001 040431 A, где к шлаку 15 из таблицы 1 добавляли последующие количества SiO во время стадии восстановления при использовании железа при одновременном нагнетании воздуха, были раскрыты три промежуточные композиции шлаков, из которых одна содержала 0,7% (масс.) CuO, 0,9% (масс.) ZnO и только 21,5% (масс.) SiO.
2
В публикации WO 2014/046593 A1 раскрывается способ извлечения испаряемых металлов и/или соединений металлов из расплавленного шлака при использовании погруженной струи высокоэнергетического горячего плазменного газа. Преимущество заключается в том, что высокие скорости фьюмингования могут быть достигнуты намного ниже ранее требуемых средних температур шлака. Это привносит преимущество, заключающееся в уменьшенной потребности в энергии, уменьшенной потребности в шлакообразователях или флюсах и поэтому также уменьшенном конечном количестве шлака и уменьшенном износе оборудования. В примерах обработке подвергают смеси из 1000 кг пыли электродуговой печи (ЭДГ), 100 кг кокса и 100 кг песка для получения шлаков, содержащих только 1,3% (масс.) ZnO, что соответствует 1,04% (масс.) Zn, и, самое большее, 26,0% (масс.) SiO. Шлаки, произведенные в публикации WO 2014/046593 A1, все еще содержат достаточное количество цинка для того, чтобы создавать проблему в отношении выщелачивания металла. Из публикации WO 2014/046593 A1 также ничего неизвестно о возможных выгодных эффектах от ее шлаков при их использовании в конкретных областях конечного применения.
В публикации A. F. S. Schoukens, L. R. Nelson and N. A. Barcza, «Plasma-Arc treatment of steel-plant dust and zinc-containing slag - Theoretical and Practical Considerations», Mintek Paper 8128, at The International Lead and Zinc Study Group Conference in Rome, June 11-13, 1991 раскрыли плазменно-дуговой способ от компании «Mintek», предназначенный для обработки пыли сталеплавильного цеха и шлака свинцовоплавильной печи. Шлак свинцовоплавильной печи содержал 14% (масс.) ZnO и 2,8% (масс.) PbO. В качестве восстановителя использовали древесный уголь, который дозировали для селективного восстановления оксидов свинца и цинка при одновременном сохранении железа в виде оксида в шлаке. Шлак, который выпускали с обработки шлака свинцовоплавильной печи, имел температуру 1500°С, что, как это утверждается, необходимо для восстановления оксидов цинка и свинца в пыли (пункт 4, 2-ой параграф). Шлак, произведенный из шлака свинцовоплавильной печи, содержал только 20% FeO, но вплоть до 26% (масс.) СаО и 8% (масс.) MgO. Шлак имеет относительно высокую температуру плавления, что привносит недостатки, заключающиеся в высокой потребности в энергии для его переработки в жидком состоянии.
2
2
В публикации WO 2013/156676 A1 раскрывается способ переработки шлаков от цветной металлургии для их преобразования в порошкообразный материал, пригодный для вариантов использования, отличных от сбрасывания в отвал. Способ включает стадию восстановления, где железо в шлаке должно быть восстановлено в такой степени, чтобы фаза металла содержала бы достаточное количество железа для придания металлической фазе магнитных свойств. Способ включает достаточное смешивание с целью сохранения капель металла в расплавленном шлаке и недопущения отстаивания капель с их оседанием к нижней части печи. Способ, кроме того, включает испарение цинка, свинца, мышьяка и кадмия из смеси. Смесь шлак-металл, образовавшуюся и оставшуюся в восстановительной печи, выпускают и охлаждают. Охлажденную смесь раздробляют и размалывают до размера зерна в диапазоне 20 мкм - 15 мкм. Металлы и возможные сульфиды отделяют от шлака, например, в результате магнитного разделения. На примере проиллюстрирована переработка шлаков, содержащих либо 4% Zn, либо 2,4% Zn. Исходные шлаки подвергают обработке при использовании карбида кремния (примеры 1 и 2) или углерода (пример 3) в качестве восстановителей. В примере 3 через смесь после восстановления барботировали азот. Получающиеся в результате смеси из металлического сплава и шлака характеризовались высокими уровнями содержания Fe при менее чем 1,00% (масс.) Zn, только вплоть до 0,08% (масс.) Pb и либо по меньшей мере 45% (масс.) SiO, либо, самое большее, 1,3% (масс.) СаО. Шлаки, как это сообщается, содержат металлические включения, содержащие как медь, так и железо. Смеси шлак-металл из примеров 1 и 3 были преобразованы в порошкообразный материал и подвергнуты магнитному разделению для отделения металлов. Только для примера 3 сообщалось о композиции остаточного немагнитного конечного шлака, и данная композиция была на удивление подобной композиции, имеющей место согласно сообщению для смеси из металлического сплава и шлака до отделения фазы металла. Конечный шлак является обогащенным по SiO и содержал не более чем 1,4% СаО. В публикации WO 2013/156676 предлагается использование остаточного шлака в дорожном строительстве, в областях применения при организации свалок отходов или в качестве компонента бетона и цемента. Из публикации WO 2013/156676 ничего неизвестно о какой-либо потенциальной активной функции ее шлака в строительной промышленности и/или для неорганических полимеров.
Сохраняется потребность в модернизации шлакового попутного продукта от производства цветных металлов, произведенного в качестве попутного продукта при переработке первичного и/или вторичного исходного сырья, при использовании легкого и простого способа до качества, которое является приемлемым с точки зрения возможного выщелачивания металла и, в дополнение к этому, способным обеспечить активное, техническое и поэтому экономическое внесение своего вклада в имеющее место ниже по ходу технологического потока использование шлака при отсутствии разъясненных выше недостатков.
Настоящее изобретение имеет своей целью устранение или по меньшей мере ослабление описанной выше проблемы и/или получение улучшений в общем случае.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением предлагается шлак, способ производства шлака и варианты применения шлака в соответствии с определением изобретения в любом из пунктов прилагающейся формулы изобретения.
В одном варианте осуществления изобретение предлагает шлаковый попутный продукт от производства цветных металлов, содержащий при расчете на сухое вещество и при этом при выражении присутствия металла через совокупное значение для металла, присутствующего в виде металла в элементарной форме, и металла, присутствующего в окисленном состоянии, предпочтительно в форме оксида металла, в чистом виде и/или в комбинации с другими металлами:
а) по меньшей мере 7% (масс.) и не более 49% (масс.) железа, Fe,
b) не более, 1,3% (масс.) меди, Cu,
2
c) по меньшей мере 24% (масс.) и не более 44% (масс.) диоксида кремния, SiO, и
d) по меньшей мере 2,0% (масс.) и не более 20% (масс.) оксида кальция, СаО,
причем шлак содержит при том же самом расчете
е) по меньшей мере 0,10% (масс.) и не более 1,00% (масс.) цинка, Zn,
f) по меньшей мере 0,10% (масс.) и не более 2,5% (масс.) оксида магния, MgO, и
g) не более 0,100% (масс.) свинца, Pb.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает объект, содержащий в качестве вяжущего вещества и/или в качестве заполнителя шлак, соответствующий настоящему изобретению, причем данный шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn.
Как это обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, способен выполнять функцию вяжущего вещества в геополимерной системе. Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, также может представлять собой очень хорошо подходящий для использования заполнитель, предназначенный для использования в такой геополимерной системе, и его применение в качестве заполнителя, кроме того, вносит свой вклад в чрезвычайно хорошие свойства продуктов, произведенных при использовании такой геополимерной системы.
В сопоставлении с публикацией US 5749962 настоящее изобретение привносит преимущество, заключающееся в возможности переработки цинксодержащего исходного сырья в плавильной печи. Способ производства шлака, соответствующего настоящему изобретению, способен обеспечить удаление Zn, который присутствует в исходном сырье, содержание которого в шлаке понижается до уровня, который является приемлемым и создает мало или не создает вообще проблем с точки зрения здоровья, промышленной гигиены и окружающей среды, но все еще является достаточным для того, чтобы быть обнаруженным при использовании надлежащей аналитической методики, таким как по меньшей мере 0,10% (масс.).
Шлак, соответствующий настоящему изобретению, имеет как минимальное, так и максимальное содержание MgO в соответствии с указанием изобретения. Магний может поступать в шлак вследствие его присутствия в исходном сырье способа, но он также может и выщелачиваться. Как это обнаружили заявители, присутствие минимального количества MgO в шлаке способно обеспечить значительное уменьшение температуры плавления шлака. Однако как это также обнаружили заявители, более высокие количества MgO, с другой стороны, могут снова привести к значительному увеличению вязкости шлака и, таким образом, ослаблению или устранению наблюдаемого эффекта и могут даже, в конечном счете, привести к получению шлака, характеризующегося вязкостью, которая является большей в сопоставлении с вязкостью в отсутствие какого-либо количества MgO. Как это полагают заявители без желания связывать себя данной теорией, данный эффект обуславливается поступлением MgO из раствора, возможно, при образовании формы шпинели, что придает шлаку густой и маслянистый вид. Относительно малое присутствие оксида MgO, поступающего из раствора, как это полагается, приводит к легкому и значительному увеличению вязкости шлака, что делает переработку в жидком состоянии очень затруднительной. Поэтому шлак, соответствующий настоящему изобретению, как это указывается, также содержит не более верхнего предельного количества MgO. Благодаря присутствию MgO в указанном диапазоне шлак является более текучим при относительно низких температурах в печи, где образуется шлак, до проведения его плазменной обработки. Это привносит преимущество, заключающееся в возможности достижения лучшего разделения между компонентами в шлаке и компонентами в фазе жидкого металла таким образом, что могут быть получены более концентрированная фаза металла и в то же самое время более концентрированная фаза шлака, в обоих случаях с точки зрения желательных компонентов для этих двух фаз. Это приводит, с одной стороны, к более высокой степени извлечения желательных металлов в фазе металла, более высокой концентрации желательных металлов в фазе металла, а, с другой стороны, к более низкой концентрации содержаний ценных металлов в фазе шлака. Присутствие MgO в соответствии с указанием изобретения также привносит преимущество, заключающееся в уменьшении требований к расположенным ниже по ходу технологического потока, процессам в случае настоящего изобретения, к стадии переработки в результате плазменной обработки шлака в целях производства конечного шлака. Стадия плазменной обработки может осуществляться при более низкой температуре и все еще демонстрировать по меньшей мере желательную активность по фьюмингованию, но, что еще более важно, улучшенное разделение между различными фазами, жидкость-жидкость, а также пар-жидкость, вследствие лучшей текучести шлака, например, меньшей вязкости, и, таким образом, достижение по меньшей мере желательных скоростей переработки с точки зрения фьюмингования цинка и/или свинца из шлака и получение шлака, соответствующего настоящему изобретению. Поэтому уровень содержания MgO в шлаке в соответствии с настоящим изобретением представляет собой важный элемент настоящего изобретения.
Шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит минимальное количество MgO в соответствии с указанием изобретения. Выгоды и преимущества этого в сопоставлении с раскрытием в публикации K. Koch and D. Janke, «Schlacken in der Metallurgie», ISBN 3-514-00254-1 в соответствии с раскрытием на странице 157 и цитированием выше в настоящем документе уже были обсуждены в других местах в данном документе.
Шлак в соответствии с настоящим изобретением в сопоставлении со шлаком, подвергнутым обработке при использовании процесса КШЛ, из статьи авторов E. Hecker, B. Friedrich и J. Böhlke, процитированной выше в данном документе, привносит преимущество, заключающееся в меньшей проблеме в отношении выщелачивания Pb в области его применения, и, таким образом, создает мало или не создает вообще проблем с точки зрения здоровья, промышленной гигиены и окружающей среды.
Шлак в соответствии с настоящим изобретением в сопоставлении со шлаком, подвергнутым обработке при использовании процесса ИС, из статьи авторов E. Hecker, B. Friedrich и J. Böhlke, процитированной выше в данном документе, привносит преимущество, заключающееся в малом количестве MgO. Это привносит преимущество, заключающееся в уменьшении температуры плавления шлака и в результате этого в улучшении текучести шлака при одной и той же температуре. Это делает возможными уменьшение рабочей температуры и, таким образом, потребности в энергии и/или улучшенное разделение между фазой жидкого шлака и фазами жидких металлов на стадии способа, где шлак и металл отделяются друг от друга под действием силы тяжести, предпочтительно комбинацию из обоих преимуществ. Благодаря малому присутствию MgO шлак является более текучим при относительно низких температурах в печи, где образуется шлак, до проведения его плазменной обработки. Это привносит преимущество, заключающееся в возможности достижения лучшего разделения между компонентами в шлаке и компонентами в фазе жидкого металла таким образом, что могут быть получены более концентрированная фаза металла и в то же самое время более концентрированная фаза шлака, в обоих случаях с точки зрения желательных компонентов для этих двух фаз. Это приводит, с одной стороны, к более высокой степени извлечения желательных металлов в фазе металла, более высокой концентрации желательных металлов в фазе металла, а, с другой стороны, к более низкой концентрации содержаний ценных металлов в фазе шлака. Малое присутствие MgO также привносит преимущество, заключающееся в уменьшении требований к процессу, осуществляемому ниже по ходу технологического потока, в случае настоящего изобретения к стадии переработки в результате плазменной обработки шлака в целях производства конечного шлака. Стадия плазменной обработки может осуществляться при более низкой температуре и все еще демонстрировать по меньшей мере желательную активность по фьюмингованию вследствие лучшей текучести шлака, например, меньшей вязкости, и, таким образом, достижение по меньшей мере желательных скоростей переработки с точки зрения фьюмингования цинка и/или свинца из шлака и получение шлака, соответствующего настоящему изобретению. Поэтому низкий уровень содержания MgO в шлаке в соответствии с настоящим изобретением также представляет собой важный элемент настоящего изобретения.
3
Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, шлаки, содержащие довольно высокие концентрации железа, обычно в его оксидной форме, характеризуются превосходной текучестью сами по себе и поэтому требуют меньшего количества кальция в целях достижения тех же самых желательных эксплуатационных характеристик по разделению между шлаком и фазой металла и, таким образом, желательного низкого уровня содержания Pb и/или Zn в шлаке, но также и уменьшения уровня содержания других ценных металлов в шлаке, таких как Cu и/или Sn. Поэтому изобретатели предпочитают производить шлак, содержащий по меньшей мере 8% (масс.) Fe, предпочтительно по меньшей мере 10% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 15% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 20% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 25% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 30% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 35% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 37% (масс.) Fe. Поэтому, при пересчете на FeO, изобретатели предпочитают производить шлак, содержащий по меньшей мере 9% (масс.) оксида железа при выражении через FeO и вычислении в соответствии с разъяснением в других местах в данном документе. Предпочтительно шлак содержит по меньшей мере 10% (масс.) FeO, предпочтительно по меньшей мере 12% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 15% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 20% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 30% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 40% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 45% (масс.), еще более предпочтительно, по меньшей мере 50% (масс.) оксидов железа при выражении через FeO. Как это обнаружили заявители, данный признак делает возможным производство шлака, который является менее обогащенным по СаО, и что поэтому требует добавления меньших количеств СаСО в целях получения желательной хорошей текучести, низкой температуры плавления и, таким образом, хороших пригодности к эксплуатации и разделения при более низких температурах. Поэтому изобретатели предпочитают, чтобы шлак содержал не более 18% (масс.) СаО, предпочтительно не более 15% (масс.), более предпочтительно не более 12% (масс.), еще более предпочтительно не более 10% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 8,0% (масс.).
В еще одном варианте осуществления изобретение предлагает способ получения второго шлака, соответствующего настоящему изобретению, где шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО, при этом способ включает стадии
• обеспечения первого шлака, содержащего по меньшей мере один металл, выбранный из цинка, свинца и их комбинаций,
• введения первого шлака во фьюминговую печь,
• фьюмингования по меньшей мере одного металла, выбранного из цинка, свинца и их комбинаций, из первого шлака при использовании по меньшей мере одного плазменного факела для получения второго шлака и
• удаления второго шлака из фьюминговой печи.
Как это обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, легко может быть получен при использовании способа, соответствующего настоящему изобретению, в частности, способ способен обеспечивать легкое достижение желаемых низких уровней содержания Pb и Zn на одной и относительно простой стадии способа. Как это полагают изобретатели, данный способ привносит значительные преимущества в сопоставлении со способами, известными на современном уровне техники, такими как способ из публикации WO 2013/156676 A1, включающий сначала стадию восстановления в электрической печи с последующим тонким размалыванием материала плюс магнитное отделение частиц металла от остающегося шлака. Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, способ, соответствующий настоящему изобретению, не требует больших количеств флюса, необходимых для других способов, известных на современном уровне техники, где данные материалы разбавляли бы, а, возможно, даже подавляли бы технический вклад, который шлак в противном случае был бы способен внести в его применение в качестве вяжущего вещества в строительной промышленности.
Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, характеризуется достаточно низким уровнем содержания цинка и/или свинца таким образом, что шлак не создает проблем, заключающихся в выщелачивании металла, и, таким образом, может рассматриваться как приемлемый в экономически более привлекательных областях конечного применения.
Как это, кроме того, также обнаружили изобретатели, при использовании способа, соответствующего настоящему изобретению, мог бы быть произведен шлак, характеризующийся очень низким уровнем содержания Pb, который поэтому мог бы быть способен избегать дополнительных требований к маркировке, возможно, накладываемых регламентом правил CLP при получении в определенных юрисдикционных системах. Поэтому шлак также может сохраняться вполне приемлемым для использования во множестве современных областей применения, где обычные шлаки могут обнаруживать риск демонстрации неприемлемости или нежелательности. В дополнение к этому, в случае избыточной доступности шлака в сопоставлении с коммерческой потребностью в нем будут оставаться ограниченными нагрузка и расходы по организации свалок отходов для такого избытка шлака, соответствующего настоящему изобретению.
Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, в частности, полученной при использовании способа, соответствующего настоящему изобретению, характеризуется в особенности низким уровнем содержания цинка. Как это обнаружили изобретатели, при использовании шлака, соответствующего настоящему изобретению, в бетоне и/или цементе, скорость затвердевания композиции больше уже значительно не уменьшается, как это имеет место в случае шлаков, содержащих более значительные количества Zn.
В еще одном другом варианте осуществления изобретение предлагает широкий спектр вариантов применения шлака, соответствующего настоящему изобретению, в соответствии с указанием в нескольких пунктах формулы изобретения, относящихся к применению.
2 +
2
Как это обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, который содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО, может быть использован в качестве активного вяжущего вещества в строительной промышленности. Шлак может быть использован в качестве частичного заменителя портландцемента. Такая активность может быть названа «пуццоланической активностью», что определяют как меру степени прохождения реакции с течением времени или скорости реакции между пуццоланом и Са или Са(ОН) в присутствии воды. Скорость пуццолановой реакции зависит от собственных характеристик пуццолана, таких как удельная площадь поверхности, химический состав и уровень содержания активной фазы. Физическое адсорбирование на поверхности не рассматривается в качестве части пуццоланической активности, поскольку в данном процессе не образуется каких-либо необратимых молекулярных связей. Как это, например, обнаружили изобретатели, при добавлении шлака, соответствующего настоящему изобретению, в количестве, составляющем приблизительно 30% заменителя портландцемента, может быть использовано на 30% меньше портландцемента при одновременной возможности производства из данной смеси бетонного продукта, демонстрирующего предел прочности при сжатии, который только на 6% уступает пределу прочности при сжатии для того же самого продукта, произведенного при использовании 100% цемента. Как это полагают изобретатели без желания связывать себя данной теорией, данная способность становится возможной благодаря малому присутствию цинка, более низкому, чем уровень, при котором он может выполнять функцию яда или загрязнителя, создающих помехи реализации активности шлака. Как это обнаружили изобретатели, подобный шлак, содержащий приблизительно 8% (масс.) цинка, был неспособен продемонстрировать данную активность.
Поэтому в еще одном другом варианте осуществления изобретение предлагает применение шлака, соответствующего настоящему изобретению, в качестве ингредиента, выбранного из группы, состоящей из наполнителя, вяжущего вещества и их комбинаций, в строительной промышленности.
Как это обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, в частности, при размалывании, в случае использования данного второго шлака в качестве частичного заменителя портландцемента в качестве вяжущего вещества в композиции, проявлял эксплуатационные характеристики значительно лучше в сопоставлении с эквивалентом, произведенным из первого шлака, из которого шлак, соответствующий настоящему изобретению, производили при использовании способа, соответствующего настоящему изобретению, и который содержал приблизительно 8% (масс.) цинка, Zn, и в диапазоне 0,3-0,5% (масс.) свинца, Pb. Как это полагают изобретатели, данное различие эксплуатационных характеристик может быть обусловлено более низким уровнем содержания цинка исходя из наблюдения того, что цинк замедляет активность обычного цемента. Как это обнаружили изобретатели, данное различие эксплуатационных характеристик уже является значительным для шлака, содержащего не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО.
Как это обнаружили изобретатели, шлак, соответствующий настоящему изобретению, также может быть использован для привнесения и нескольких других технических эффектов.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, где шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере, 1,0% (масс.) СаО, может быть применен в варианте конечного использования, выбранном из получения слоя износа и/или нанесения покрытия для кровельной плитки или кровельного гонта, в качестве компонента песка для обдувки или крошки для обдувки, в качестве компонента пеноплитки, в качестве черного красителя, предпочтительно в строительной продукции, более предпочтительно в черной плитке, в качестве черных твердых крупных кусков, предпочтительно для декоративных целей, и в качестве высокоплотного балласта, предпочтительно для подводных областей применения, более предпочтительно для гидротехнического строительства, и для их комбинаций.
В еще одном другом варианте осуществления, при котором шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО, изобретение обеспечивает эффект, выбранный из уменьшения температуры спекания кирпича или необожженного кирпича, звукоизоляции, защиты от рентгеновского излучения и их комбинаций.
3
Как это обнаружили изобретатели, шлак характеризуется высокой плотностью материала, в диапазоне 2,9-4,0 тонна/м. Кроме того, шлак, как это было обнаружено, является непористым. Таким образом, шлак может привносить эффект хорошей звукоизоляции. Как это, кроме того, обнаружили изобретатели, в частности, высокая плотность материала делает шлак подходящим для использования и представляющим исключительный интерес для защиты от рентгеновского излучения.
Как это обнаружили изобретатели, шлак имеет очень темную черную окраску. Несмотря на довольно широкую распространенность черной окраски для фаялитного шлака, как это обнаружили изобретатели, данная окраска шлака, соответствующего настоящему изобретению, является чрезвычайно стабильной, в частности, в сопоставлении со множеством альтернативных красителей. Поэтому благодаря низкому уровню содержания цинка и низкому уровню содержания свинца шлак, соответствующий настоящему изобретению, может быть использован в качестве подходящего для использования красителя при производстве черной строительной продукции, такой как черные напольные плитки, которые в настоящее время являются исключительно популярными, и для которых в настоящее время используют оксид железа, FeO, но который представляет собой более дефицитный и довольно дорогостоящий сырьевой материал.
Осуществление изобретения
Настоящее изобретение в последующем изложении будет описываться в отношении конкретных вариантов осуществления, но изобретение ограничивается не ими, а только формулой изобретения.
Кроме того, термины «первый», «второй», «третий» и тому подобное в описании изобретения и в формуле изобретения используются для проведения различия между подобными элементами, а необязательно для описания последовательного или хронологического порядка. Термины являются взаимозаменяемыми в надлежащих обстоятельствах, и варианты осуществления изобретения могут быть пригодными к эксплуатации и в последовательностях, отличных от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.
Кроме того, термины «верхний», «нижний», «над», «под» и тому подобное в описании изобретения и в формуле изобретения используются для описательных целей, а необязательно для описания относительных положений. Таким образом использующиеся термины являются взаимозаменяемыми в надлежащих обстоятельствах, и варианты осуществления изобретения, описанного в настоящем документе, могут быть пригодными к эксплуатации и в ориентациях, отличных от описанных или проиллюстрированных в настоящем документе.
Термин «содержащий», использующийся в формуле изобретения, не должен интерпретироваться как ограниченный средствами, перечисленными после него; он не исключает других элементов или стадий. Он требует интерпретирования как указывающий на присутствие заявленных признаков, целых чисел, стадий или компонентов в соответствии со ссылкой на них, но не исключает заранее и присутствия или добавления одного или нескольких других признаков, целых чисел, стадий или компонентов или их групп. Таким образом, объем выражения «устройство, содержащее средства А и В» не должен ограничиваться устройствами, состоящими только из компонентов А и В. Это означает то, что в отношении настоящего изобретения единственными имеющими значение компонентами устройства являются А и В. В соответствии с этим, термины «содержащий» и «включающий» охватывают в большей мере ограничивающие термины «по существу состоящий из» и «состоящий из».
2
2
3
2
В данном документе, в случае отсутствия указания на другое, количества металлов и оксидов выражают в соответствии с обычной практикой в пирометаллургии. Присутствие каждого металла обычно выражают через его совокупное присутствие вне зависимости от того, присутствует ли металл в своей элементарной форме (степень окисления = 0) или в любой химически связанной форме, обычно в окисленной форме (степень окисления > 0). Для металлов, которые могут относительно легко восстанавливаться до своих элементарных форм, и которые могут существовать в виде расплавленного металла в пирометаллургическом способе, довольно широко распространенным является выражение их присутствия в переводе на их элементарную форму металла даже при приведении композиции шлака, где основная часть таких металлов фактически может присутствовать в окисленной форме. Именно поэтому для композиции шлака, такого как шлак, соответствующий настоящему изобретению, указывают уровень содержания Fe, Zn, Pb, Cu, Sb, Bi в виде металлов в элементарной форме. Менее благородные металлы в условиях цветной пирометаллургии восстанавливаются более трудно и в основном существуют в окисленной форме. Данные металлы обычно выражают в переводе на их наиболее широко распространенную форму оксида. Поэтому для композиций шлака обычно приводят уровень содержания Si, Ca, Al, Na, соответственно, при выражении в виде SiO, CaO, AlO, NaO.
Процесс Кал-До в соответствии с использованием в публикациях US 4,571,260 и WO 2013/156676 A1 является обычным пирометаллургическим процессом, в котором используют вращающийся конвертер с верхним дутьем (ВКВД - печь Кал-До или конвертер Кал-До), в котором расплавленный металл в качестве более тяжелой фазы и фаза расплавленного шлака в качестве более легкой фазы могут существовать одновременно. Тепло в данном процессе обеспечивают при содействии кислородно-топливного пламени и впоследствии в результате введения кокса или какого-либо другого подходящего восстановителя в уже расплавленную жидкость (жидкости). В плазменном способе, соответствующем настоящему изобретению, используют плазменный факел для фьюмингования некоторых металлов из шлака. Способ, соответствующий настоящему изобретению, демонстрирует более высокие эксплуатационные характеристики вследствие способности потока очень высокотемпературной плазмы при температурах, составляющих значительно более, чем 1500°С и с легкостью по меньшей мере 3000°С и даже 5000°С, вызывать появление локальных температур, которые являются намного большими, чем средняя температура в расплаве, и является более гибким в сопоставлении с системами обычных горелок, поскольку он делает возможным регулирование кислородного потенциала практически независимо от количества вырабатываемого тепла.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит по меньшей мере 8% (масс.) Fe, предпочтительно по меньшей мере 10% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 15% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 20% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 25% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 30% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 35% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 37% (масс.). В еще одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 48% (масс.) Fe, предпочтительно не более 47% (масс.), более предпочтительно не более 45% (масс.), еще более предпочтительно не более 43% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 41% (масс.). Уровень содержания Fe в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885.
2
2
2
2
2
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит по меньшей мере 22% (масс.) SiO, предпочтительно по меньшей мере 24% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 25% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 26% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 27% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 28% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 29% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 30,0% (масс.). В еще одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 42% (масс.) SiO, предпочтительно не более 40% (масс.), более предпочтительно не более 37% (масс.), еще более предпочтительно не более 33% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 32% (масс.). Уровень содержания SiO в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 12677. Уровень содержания SiO также может быть определен и опосредованно в результате определения сначала уровня содержания кремния, Si, при использовании метода, соответствующего документу DIN EN ISO 11885, а после этого пересчета данного результата на оксид SiO.
2
2
2
2
2
Как это обнаружили изобретатели, присутствие значительных количеств SiO в шлаке, соответствующем настоящему изобретению, в соответствии с указанием в формуле изобретения представляет собой веский фактор с точки зрения избегания взрывов в ходе гашения шлака при использовании воды во время выливания расплавленного шлака из его контейнера. Шлак неизбежно является обогащенным по железу в виде FeO. При достаточно высоких температурах FeO может выполнять функцию катализатора для реакции разложения воды на газообразный О и газообразный Н. Газообразный водород в смеси с воздухом и определенно с кислородом характеризуется очень широким диапазоном воспламеняемости и, таким образом, легко взрывается в смеси с воздухом или кислородом в присутствии источника воспламенения. Как это обнаружили заявители, присутствие достаточного количества SiO в шлаке способно подавлять каталитическую активность железа, присутствующего в шлаке, в отношении разложения воды на стадии гашения с образованием взрывоопасных смесей. Одно дополнительное преимущество присутствия большего количества SiO заключается в том, что это улучшает текучесть шлака таким образом, что меньшие температуры являются достаточными для достижения тех же самых степени и легкости разделения между фазами расплавленного шлака и расплавленного металла и, таким образом, для достижения желательного хорошего разделения с точки зрения желательного уровня содержания металла в этих двух фазах.
2
2
2
2
2
С другой стороны, поддерживание уровня содержания SiO в шлаке ниже верхнего предельного значения в соответствии с указанием изобретения привносит преимущество, заключающееся в сохранении меньшей температуры плавления шлака. При более высоких уровнях содержания SiO, как это обнаружили изобретатели, температура плавления шлака увеличивается. Температура плавления шлака зачастую также называется «температурой ликвидуса» шлака. Как это полагают заявители без желания связывать себя данной теорией, при высокой концентрации часть SiO может выделяться в виде отдельной фазы, которая может иметь высокую вязкость. Именно данная отдельная высоковязкая фаза может отвечать за проблемы с переработкой при высоких уровнях содержания SiO. Выдерживание уровня содержания SiO в шлаке ниже указанного верхнего предельного значения привносит дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении количества шлакового побочного продукта для одного и того же количества производимого основного металла. Это уменьшает нагрузку по переработке в целях модернизации данного шлака таким образом, как при использовании способа в соответствии с настоящим изобретением.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО, предпочтительно по меньшей мере 1,2% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 1,4% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 1,75% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 2,0% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 2,25% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 2,50% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 3,00% (масс.). В еще одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 18% (масс.) СаО, предпочтительно не более 15% (масс.), более предпочтительно не более 12% (масс.), еще более предпочтительно не более 10% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 8,0% (масс.). Уровень содержания СаО в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885.
3
3
Как это обнаружили заявители, уровни содержания СаО в соответствии с предписанием изобретения привносят, с одной стороны, в отношении более низкого уровня содержания преимущество, заключающееся в улучшении текучести шлака и уменьшении температуры плавления (или «температуры ликвидуса») шлака. Это привносит преимущества с точки зрения удобности эксплуатации переработки шлака в расплавленной форме и делает возможным улучшенное отделение от фазы расплавленного металла при более низкой температуре. Уровень содержания СаО в шлаке главным образом поступает от добавленного флюса, такого как СаСО. Как это обнаружили заявители, добавление СаО в способ, такое как в результате добавления материала СаСО, который после этого превращается в СаО, улучшает извлечение металла из шлака на имеющих место выше по ходу технологического потока стадиях способа по извлечению металла, облегчает достижение низких уровней содержания Pb и улучшает текучесть шлака. Как это также обнаружили заявители, материал СаО, кроме того, привносит преимущества при использовании шлакового продукта в геополимерах. Поэтому предписанные уровни содержания, в частности, верхнее предельное значение, также привносят преимущество, заключающееся в отсутствии потребности в получении и введении каких-либо избыточных количеств такого добавленного флюса. В дополнение к этому, данные уровни содержания также приводят к уменьшению количества шлакового попутного продукта, который производят, что уменьшает нагрузку по переработке шлака, в том числе нагрузки по утилизации сопутствующего потока отходов.
4
Как это, кроме того, обнаружили заявители, желание достичь конкретных уровней содержания СаО в шлаке делает возможной рациональную и частичную приемлемость, на имеющей место выше по ходу технологического потока стадии способа по извлечению металлов, исходного сырья, которое содержит различные типы представляющих интерес металлов, но которое может быть обогащенным по создающим помехи соединениям Са. Данное исходное сырье обычно представляет собой потоки отходов от других способов и обычно составляет высокую нагрузку по утилизации для его операторов. Примерами таких материалов являются шламы от обработки сточных вод, содержащие гипс (СаSO).
2
3
4
Учет верхнего предельного значения уровня содержания СаО привносит преимущество, заключающееся в том, что меньшее количество SiO может быть необходимо в целях сохранения СаО в растворе и что количество шлака может быть поддержано более низким. Более низкая потребность в СаО в шлаке привносит дополнительное преимущество, заключающееся в том, что может быть необходимо ввести меньшее количество СаСО и/или CaSO, что значительно уменьшает потребность в энергии в способе, поскольку плавление и разложение данных источников кальция являются исключительно энергоемкими.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 1,50% (масс.) Zn, предпочтительно не более 1,40% (масс.), более предпочтительно не более 1,30% (масс.), еще более предпочтительно не более 1,20% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 1,10% (масс.), предпочтительно не более 1,00% (масс.), более предпочтительно не более 0,90% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,80% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,70% (масс.). Уровень содержания Zn в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,10% (масс.) Zn, предпочтительно по меньшей мере 0,15% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,20% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,25% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 0,30% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 0,35% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,40% (масс.), а еще более предпочтительно по меньшей мере 0,50% (масс.). В то время, как, с одной стороны, заявители предпочитают опускать уровень содержания цинка ниже верхнего предельного значения в соответствии с указанием изобретения при получении преимущества, заключающегося в пониженном риске выщелачивания и отсутствии риска отнесения шлака к предмету опасной классификации, с другой стороны, заявители также предпочитают поддерживать уровень содержания цинка выше определенного нижнего предельного значения, поскольку в таком случае нагрузка и затраты по удалению цинка из шлака остаются приемлемыми.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 0,30% (масс.) Pb, предпочтительно не более 0,25% (масс.), более предпочтительно не более 0,20% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,15% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,100% (масс.), предпочтительно не более 0,050% (масс.), более предпочтительно не более 0,040% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,030% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,026% (масс.). Уровень содержания Pb в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,005% (масс.) Pb, предпочтительно по меньшей мере 0,010% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,015% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,020% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 0,025% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 0,030% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,035% (масс.), а еще более предпочтительно по меньшей мере 0,040% (масс.). В то время, как, с одной стороны, заявители предпочитают опускать уровень содержания свинца ниже верхнего предельного значения в соответствии с указанием изобретения при получении преимущества, заключающегося в пониженном риске выщелачивания и отсутствии риска отнесения шлака к предмету опасной классификации, с другой стороны, заявители также предпочитают поддерживать уровень содержания свинца выше определенного нижнего предельного значения, поскольку в таком случае нагрузка и затраты по удалению свинца из шлака остаются приемлемыми.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 1,30% (масс.) меди, Cu, предпочтительно не более 1,10% (масс.), более предпочтительно не более 1,00% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,90% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,80% (масс.), предпочтительно не более 0,75% (масс.), более предпочтительно не более 0,70% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,60% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,40% (масс.). Уровень содержания Cu в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в публикации DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 100 ч./млн. (масс.) Cu, предпочтительно по меньшей мере 0,05% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,10% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,15% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,20% (масс.), Cu. Предпочтительно шлак содержит по меньшей мере 0,30% (масс.), более предпочтительно, по меньшей мере 0,35% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,40% (масс.) Cu.
Присутствие малого, но измеримого количества меди, как может быть указано в формуле изобретения, делает возможной переработку медьсодержащих сырьевых материалов при производстве шлака, соответствующего настоящему изобретению. Заявители предпочитают поддерживать уровень содержания меди в шлаке ниже верхнего предельного значения в целях извлечения по возможности наибольшего количества меди из сырьевых материалов в более ценной металлической форме. В дополнение к этому, медь представляет собой металл, который зачастую существует в форме, которая может выщелачиваться из шлака. Медь оказывает неблагоприятное воздействие на жизнь водорослей в водной среде. Поэтому выщелачивание меди может создавать проблемы с экотоксичностью в некоторых из потенциальных областей применения для шлака в соответствии с настоящим изобретением. С другой стороны, заявители предпочитают поддерживать уровень содержания меди в шлаке выше нижнего предельного значения, поскольку усилия и соответствующие затраты по удалению дополнительных количеств меди из шлака увеличиваются во всевозрастающей степени. Поэтому сохранение уровня содержания меди в соответствии с указанием изобретения выше нижнего предельного значения снижает нагрузку по переработке исходного сырья и соответствующие ей эксплуатационные расходы.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 2,5% (масс.) оксида магния, MgO, предпочтительно не более 2,00% (масс.), более предпочтительно не более 1,50% (масс.), еще более предпочтительно не более 1,3% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 1,20% (масс.), предпочтительно не более 1,10% (масс.), более предпочтительно не более 1,00% (масс.). Уровень содержания MgO в шлаке от производства цветных металлов может быть определен в результате пересчета аналитического результата для магния, Mg, на MgO. Уровень содержания магния в таком шлаке предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,10% (масс.) MgO, предпочтительно по меньшей мере 0,20% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,30% (масс.). Предпочтительно шлак содержит по меньшей мере 0,40% (масс.) MgO, предпочтительно по меньшей мере 0,50% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 0,60% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 0,70% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 0,75% (масс.).
Преимущества указанных уровней содержания MgO в шлаке, соответствующем настоящему изобретению, в значительной степени разъясняются в других метах в данном документе.
В способе, описанном в документе DIN EN ISO 11885, используется атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно-связанной плазмой (АЭС-ИСП), также называемая оптико-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ОЭС-ИСП).
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 2,0% (масс.) серы, S, предпочтительно не более 2,00% (масс.), более предпочтительно не более 1,50% (масс.), еще более предпочтительно не более 1,25% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 1,00% (масс.), предпочтительно не более 0,50% (масс.), более предпочтительно не более 0,40% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,30% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,20% (масс.). Уровень содержания S в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют, следуя, главным образом, методу, описанному в документе ISO 15350. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,05% (масс.) S.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, дополнительно содержит по меньшей мере 9% (масс.) и не более 63% (масс.) оксида железа при выражении через FeO. Данный уровень содержания опять-таки выражают при том же самом расчете, что и в пункте 1 формулы изобретения, то есть при расчете на сухое вещество. Уровень содержания FeO легко может быть получен в результате пересчета уровня содержания Fe в элементарной форме в FeO. В данном контексте уровень содержания Fe выражают через совокупное значение для металла, присутствующего в виде металла в элементарной форме, и металла, присутствующего в окисленном состоянии. В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит по меньшей мере 10% (масс.) FeO, предпочтительно по меньшей мере 12% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 15% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 20% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 30% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 40% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 45% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 50% (масс.). В еще одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 60% (масс.) FeO, предпочтительно не более 58% (масс.), более предпочтительно не более 56% (масс.), еще более предпочтительно не более 54% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 53% (масс.).
2
2
2
2
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 5,0% (масс.) оксида натрия, NaO, предпочтительно не более 4,50% (масс.), более предпочтительно не более 4,00% (масс.), еще более предпочтительно не более 3,75% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 3,50% (масс.), предпочтительно не более 3,25% (масс.), более предпочтительно не более 3,10% (масс.), еще более предпочтительно не более 3,00% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 2,90% (масс.). Уровень содержания NaO в шлаке от производства цветных металлов может быть определен в результате перерасчета аналитического результата для натрия, Na, на NaO. Уровень содержания натрия в таком шлаке предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 1,00% (масс.) NaO.
2
2
2
2
2
Как это обнаружили заявители, присутствие натрия в исходном сырье способа, производящего шлак, несет по меньшей мере частичную ответственность за уровень содержания NaO в шлаке, соответствующем настоящему изобретению. Как это, кроме того, обнаружили заявители, присутствие NaO способно обеспечить значительное уменьшение температуры плавления шлака. Благодаря присутствию NaO шлак является более текучим при относительно низких температурах в печи, где образуется шлак, до проведения его плазменной обработки. Это привносит преимущество, заключающееся в возможности достижения лучшего разделения между компонентами в шлаке и компонентами в фазе жидкого металла таким образом, что могут быть получены более концентрированная фаза металла и в то же самое время более концентрированная фаза шлака, в обоих случаях с точки зрения желательных компонентов для этих двух фаз. Это приводит, с одной стороны, к более высокой степени извлечения желательных металлов в фазе металла, более высокой концентрации желательных металлов в фазе металла, а, с другой стороны, к более низкой концентрации содержаний ценных металлов в фазе шлака. Присутствие NaO также привносит преимущество, заключающееся в уменьшении требований к процессу, осуществляемому по ходу технологического потока, в случае настоящего изобретения к стадии переработки в результате плазменной обработки шлака в целях производства конечного шлака. Стадия плазменной обработки может осуществляться при более низкой температуре и все еще демонстрировать по меньшей мере желательные активность по фьюмингованию и скорость фазового разделения вследствие лучшей текучести шлака, например, меньшей вязкости, и, таким образом, достижение по меньшей мере желательных скоростей переработки с точки зрения фьюмингования цинка и/или свинца из шлака и получение шлака, соответствующего настоящему изобретению. Поэтому уровень содержания NaO в шлаке в соответствии с настоящим изобретением представляет собой дополнительный имеющий значение элемент в контексте настоящего изобретения.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, дополнительно содержит, при том же самом расчете, по меньшей мере 3% (масс.) и не более 12% (масс.) оксида алюминия, AlO. Предпочтительно шлак содержит по меньшей мере 3,0% (масс.) AlO, более предпочтительно по меньшей мере 4,0% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 5,0% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 6,0% (масс.), предпочтительно по меньшей мере 7,0% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 7,5% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 8,0% (масс.). В еще одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 11,5% (масс.) AlO, предпочтительно не более 11,0% (масс.), более предпочтительно не более 11,0% (масс.), еще более предпочтительно не более 10,5% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 10,0% (масс.). Уровень содержания AlO в шлаке от производства цветных металлов предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885 для определения уровня содержания алюминия и пересчета результата на оксид алюминия AlO.
2
3
2
3
Как это обнаружили заявители, сырьевые материалы способа, соответствующего настоящему изобретению, могут вводить в способ Al таким образом, как в результате введения бронзы. Элемент Al также может быть введен в виде металла намеренно, например, в качестве восстановителя, то есть, при окислении с образованием AlO алюминий может содействовать восстановлению, например, оксида более благородного металла с образованием его элементарной формы металла. Как это обнаружили заявители, металлический алюминий в качестве восстановителя может привносить в способ относительно большое количество энергии. Как это обнаружили заявители, присутствие указанных количеств алюминия может привносить преимущество, заключающееся в уменьшении температуры плавления шлака, при этом все сопутствующие выгоды уже были обсуждены в других местах в данном документе. Как это, кроме того, полагают заявители, присутствие указанных количеств AlO оказывает положительное воздействие на эксплуатационные характеристики шлака в качестве геополимера.
2
3
2
3
С другой стороны, заявители предпочитают учитывать верхнее предельное количество в соответствии с указанием изобретения для AlO, поскольку, как это они обнаружили, избыточные уровни содержания AlO могут увеличивать вязкость шлака и, таким образом, ухудшать переработку.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 1,50% (масс.) оксида цинка, ZnO, предпочтительно не более 1,40% (масс.), более предпочтительно не более 1,30% (масс.), еще более предпочтительно не более 1,20% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 1,10% (масс.), предпочтительно не более 1,05% (масс.), более предпочтительно не более 1,00% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,95% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,90% (масс.). Уровень содержания ZnO в шлаке от производства цветных металлов может быть определен в результате пересчета аналитического результата для цинка, Zn, на ZnO. Уровень содержания цинка в таком шлаке предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,25% (масс.) ZnO.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, содержит не более 0,323% (масс.) оксида свинца, PbO, предпочтительно не более 0,300% (масс.), более предпочтительно не более 0,250% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,200% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,100% (масс.), предпочтительно не более 0,050% (масс.), более предпочтительно не более 0,030% (масс.), еще более предпочтительно не более 0,028% (масс.), кроме того, более предпочтительно не более 0,020% (масс.). Уровень содержания PbO в шлаке от производства цветных металлов может быть определен в результате пересчета аналитического результата для свинца, Pb, на PbO. Уровень содержания свинца в таком шлаке предпочтительно определяют в соответствии с методом, описанным в документе DIN EN ISO 11885. В еще одном варианте осуществления шлак содержит по меньшей мере 0,005% (масс.) PbO.
2
4
В одном варианте осуществления шлака, соответствующего настоящему изобретению, железо, присутствующее в шлаке, главным образом присутствует в фаялитной структуре FeSiO, также называемой железистым хризолитом.
2
3
В одном варианте осуществления шлака, соответствующего настоящему изобретению, шлак характеризуется уровнем содержания аморфного вещества, составляющим по меньшей мере 30% (масс.), согласно определению при использовании количественного рентгеноструктурного анализа (РСА), использующего программное обеспечение Topas Academic Software V5 и использующего AlO в качестве внутреннего стандарта, предпочтительно по меньшей мере 50% (масс.), более предпочтительно по меньшей мере 70% (масс.), еще более предпочтительно по меньшей мере 80% (масс.), кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 85% (масс.), для уровня содержания аморфного вещества. Более высокий уровень содержания аморфного вещества в шлаке привносит преимущество для шлака, заключающееся в лучшей размалываемости шлака. Данное свойство, в частности, представляет интерес при желательности наличия маленьких частиц, например, при необходимости использования шлака в качестве вяжущего вещества. В еще одном варианте осуществления шлак является по меньшей мере значительно кристаллическим, таким как по меньшей мере на 30% кристаллическим, предпочтительно по меньшей мере на 50%, более предпочтительно по меньшей мере на 70%. Высокая степень кристалличности привносит преимущество, заключающееся в высокой твердости и высокой прочности, а также высокоинтенсивной темной черной окраске, что представляет особенный интерес в других вариантах конечного использования, таких как бутовый камень, и для других декоративных целей.
2
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, имеет зернистую форму, характеризующуюся средним диаметром частиц (d50 согласно вычислению при расчете на массу и возможности получения в результате просеивания через сита), составляющим по меньшей мере 0,5 мм и не более 5,0 мм, предпочтительно по меньшей мере 0,7 мм, более предпочтительно по меньшей мере 0,9 мм, и необязательно не более 3,0 мм, предпочтительно не более 2,0 мм. Тонина помола шлака также может быть выражена через его «тонину помола по Блейну», которая представляет собой число, широко использующееся для указания на тонину помола (площадь удельной поверхности) цемента. Тонину помола определяют в результате измерения воздухопроницаемости [см/г] в соответствии с документом DIN 1164 part 4. Тонина помола по Блейну для шлака в одном варианте осуществления, соответствующем изобретению, должна находиться в диапазоне 1800-6000, составлять предпочтительно по меньшей мере 2000, более предпочтительно по меньшей мере 2200, еще более предпочтительно по меньшей мере 2500, кроме того, более предпочтительно по меньшей мере 3000. В одном варианте осуществления тонина помола по Блейну для шлака составляет не более 5500, предпочтительно не более 5000, более предпочтительно не более 4500, а еще более предпочтительно не более 4000. Данные тонины помола по Блейну являются в особенности выгодными при использовании шлака в качестве вяжущего вещества.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, имеет порошкообразную форму, характеризующуюся средним диаметром частиц (d50), согласно определению в результате мокрого ситового анализа и поэтому среднего значения, вычисленного при расчете на массу составляющим по меньшей мере 10 мкм, и не более 500 мкм, предпочтительно по меньшей мере 20 мкм, более предпочтительно по меньшей мере 30 мкм, и необязательно не более 200 мкм, предпочтительно не более 100 мкм, более предпочтительно не более 50 мкм. Это привносит преимущества, в частности, при необходимости использования шлака в качестве вяжущего вещества.
В одном варианте осуществления шлака, соответствующего настоящему изобретению по меньшей мере 90% (масс.) частиц (d90) имеют диаметр, составляющий не более 200 мкм, согласно определению в результате мокрого ситового анализа, предпочтительно не более 150 мкм, более предпочтительно не более 100 мкм. Это привносит преимущество, заключающееся в том, что количество частиц, является очень ограниченным, так, что шлак является очень удобным в обращении и приводит к получению однородной пасты при использовании шлака в качестве вяжущего вещества.
В одном варианте осуществления шлак, соответствующий настоящему изобретению, имеет форму крупных кусков, характеризующихся средним диаметром частиц (d50 согласно вычислению при расчете на массу), составляющим по меньшей мере 4 мм и не более 200 мм. В одном конкретном варианте осуществления шлак характеризуется средним диаметром частиц в диапазоне 4-20 мм. Данная форма шлака является очень хорошо подходящей для использования в других областях применения, таких как в случае заполнителя. В еще одном конкретном варианте осуществления шлак характеризуется средним диаметром частиц в диапазоне 50-200 мм. Данная форма шлака может оказаться подходящей для использования, например, в качестве декоративных элементов, таких как бутовый камень.
В одном варианте осуществления объекта, соответствующего настоящему изобретению, объект дополнительно содержит заполнитель, причем указанный заполнитель предпочтительно содержит песок и/или шлак, соответствующий настоящему изобретению, который содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn. Как это обнаружили заявители, указанный шлак также является исключительно хорошо подходящим для использования в качестве заполнителя в строительной промышленности, индивидуально или в комбинации с другими заполнителями, такими как песок. Шлак в соответствии с изобретением может привнести улучшения прочности, а также улучшить эстетические характеристики конечного продукта.
В одном варианте осуществления объекта, соответствующего настоящему изобретению, шлак содержит по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО и присутствует в качестве вяжущего вещества, при этом объект дополнительно содержит активатор. Как это обнаружили заявители, шлак, соответствующий настоящему изобретению, может выполнять функцию активного вяжущего вещества, способного вступать в реакцию с подходящим активатором и, тем самым, демонстрировать сильную связывающую способность для заполнителей. Поэтому шлак может быть использован в качестве заменителя портландцемента или в качестве единственного вяжущего вещества в объекте, в случае которого он считается «геополимером», который, например, придает покрытиям, клеям, композитам и тому подобному характеристики огне- и теплостойкости.
Геополимеры обычно представляют собой аморфные материалы, обладающие каркасными структурами, содержащими повторяющиеся элементарные звенья, которые в данном случае содержат атомы Fe и Si, связанные общими атомами кислорода. Области применения для геополимера существуют в виде широкого спектра, множество из которых обуславливается огне- и теплостойкостью материалов.
2
3
2
3
В одном варианте осуществления, содержащем активатор, активатор выбран из группы, состоящей из гидроксида натрия, NaOH, гидроксида калия, КОН, силиката натрия, NaSiO, силиката калия, KSiO, и их комбинаций, при этом предпочтительно активатор представляет собой NaOH.
В одном варианте осуществления объект, соответствующий настоящему изобретению, представляет собой строительный элемент, предпочтительно элемент, выбранный из группы, состоящей из плитки, камня для мощения, блока, бетонного блока и их комбинаций.
Объект, соответствующий настоящему изобретению, возможно, может быть подвергнут спеканию, что может привнести преимущество, заключающееся в изменении окраски, таком как получение в результате красноватой окраски. Также может быть использована и стадия отверждения при меньшей температуре в сопоставлении со спеканием, но, например, при температуре в диапазоне 120-250°С, что может легко вносить свой вклад в механические свойства объекта, а также и в эстетические аспекты.
В одном варианте осуществления объект, соответствующий настоящему изобретению, обладает вспененной структурой. Это привносит преимущество, заключающееся в уменьшении проводимости тепла и звука таким образом, что объект может продемонстрировать характеристики тепло- и/или звукоизоляции и обнаружить увеличенную приемлемость в областях применения, в которых данные свойства являются желательными или требуемыми.
В способе, соответствующем настоящему изобретению, используют плазменный факел. В плазменном факеле генерируется электрическая дуга между двумя электродами, в промежутке между которыми проходит поток газа, такого как воздух или инертный газ. Электрическая дуга нагревает поток газа до очень высоких температур, и после необязательного смешивания с восстановителем, таким как природный газ, поток горячего газа затем нагнетают в расплавленную шлаковую ванну. Именно поток горячего газа, проходящий через шлаковую ванну, нагревает шлаковую ванну. На своем пути к поверхности поток газа захватывает фьюмингуемые металлы, такие как Zn и/или Pb. В альтернативном варианте, в шлаковую ванну может быть добавлен восстановитель, такой как форма твердого углерода или углеродсодержащего материала, предпочтительно нефтяной кокс. В данном случае плазменный факел привносит энергию, и именно восстановитель в ванне делает восстановление возможным.
Одно важное преимущество способа фьюмингования при использовании плазменного факела в сопоставлении со способом ЭДП-ПТ, обсуждавшимся выше в данном документе, заключается в намного меньших капиталовложениях и расходах на текущее обслуживание для оборудования по переработке. В частности, электрическое оборудование и оборудование для генерирования дуги являются намного более простыми, а печь, содержащая шлаковую ванну, не является частью электрического контура для генерирования электрической дуги. Одно дополнительное преимущество заключается в том, что способ с плазменным факелом является намного лучше подходящим для использования при фьюминговании, поскольку способ по самой своей природе включает пропускание значительного количества газа через шлаковую ванну, что в результате приводит к интенсивному перемешиванию ванны. В способе ЭДП-ПТ анод образует фаза расплавленного металла под расплавленным шлаком. В способе требуется сохранение явно раздельных и непрерывных двух жидких фаз, и поэтому он не может обеспечивать получение той же самой степени перемешивания в жидкой ванне, что и в способе с плазменным факелом. Поэтому способ с плазменным факелом является намного более эффективным при фьюминговании цинка и/или свинца из шлака в сопоставлении со способом ЭДП-ПТ.
Таким образом, способ ЭДП-ПТ, описанный в статье авторов E. Hecker, B. Friedrich и J. Böhlke, процитированной выше в данном документе, а также способ плазменно-дуговой обработки, раскрытый в публикации A. F. S. Schoukens, L. R. Nelson and N. A. Barcza, «Plasma-Arc treatment of steel-plant dust and zinc-containing slag - Theoretical and Practical Considerations», являются намного менее подходящими для использования при фьюминговании цинка и/или свинца в соответствии с настоящим изобретении.
Один подходящий для использования способ настоящего изобретения обсуждается в публикации K. Verschuere et al., «Continuous Fuming of Zinc-Bearing Residues: Part II, The Submerged-Plasma Zinc-Fuming Process», Metallurgical and Materials Transactions B, Vol. 38B, February 2007, pp. 21-33. Авторы использовали модель для исследования потенциальных воздействий множества рабочих параметров на температуру ванны, тепловые потери, концентрацию и уровень содержания Zn в шлаке, концентрацию и уровень содержания Cu в штейне. Шлак, произведенный в базовом случае, содержит 3,25% (масс.) ZnO в дополнение к 0,78% (масс.) ZnS, что совместно представляет уровень содержания Zn 3,13% (масс.) в шлаке. Во всех моделированиях концентрация Zn в остающемся шлаке составляет по меньшей мере 1,3% (масс.) Zn. Что касается количества MgO в подаваемом материале, то согласно изложению в документе на фигуре 12 в целях уменьшения уровня содержания Zn в шлаке осуществляют действия при подводе MgO/подаваемого материала (% (масс.)), составляющем по меньшей мере 3%.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, первый шлак вводят во фьюминговую печь в виде жидкости. Это привносит преимущество, заключающееся в отсутствии потребности в плавлении подаваемого материала во фьюминговой печи, так, что величина теплоподвода во фьюминговую печь остается ограниченной. Исключительно выгодным является объединение способа, соответствующего настоящему изобретению, с другими пирометаллургическими процессами на одном и том же производственном объекте, что может привести к получению первого шлака в жидкой форме, который легко может быть подан как таковой во фьюминговую печь в соответствии с настоящим изобретением.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, первый шлак нагревают во фьюминговой печи, предпочтительно при использовании плазменного факела.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению по меньшей мере часть первого шлака расплавляют при использовании плазменного факела во фьюминговой печи. Это привносит преимущество, заключающееся в возможности переработки в способе, соответствующем настоящему изобретению, также и твердого первого шлака.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, во время фьюмингования плазменный факел погружен в расплавленный шлак, присутствующий во фьюминговой печи. Это привносит преимущества, заключающиеся в интенсивном перемешивании расплавленного шлака при использовании течения горячей плазменной текучей среды, интенсивном контакте шлака с высокотемпературной плазменной текучей средой и очень эффективном фьюминговании металлов, которые подвержены фьюмингованию, таких как цинк и свинец.
2
3
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, в шлак во фьюминговой печи добавляют оксид, выбранный из СаО, AlO и их комбинаций, предпочтительно при температуре, составляющей по меньшей мере 1000°С, предпочтительно по меньшей мере 1050°С, более предпочтительно приблизительно 1150°С. Это привносит преимущество, заключающееся в возможности дополнительных оптимизации и стабилизации конечной композиции второго шлака после фьюмингования и придания шлаку большей пригодности для конкретных конечных вариантов использования в результате возможного воздействия также и на минералогический состав. Как это обнаружили заявители, добавление при высокой температуре, такое как указанное в изобретении, и в расплавленном состоянии, является более эффективным при получении желательных эффектов.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, второй шлак охлаждают для преобразования в твердое вещество, при этом предпочтительно второй шлак удаляют из фьюминговой печи в виде жидкости. Преимущество заключается в возможности высвобождения фьюминговой печи для дальнейшей обработки шлака при одновременном охлаждении второго шлака. Шлак может быть охлажден и/или отвержден в результате введения шлака в контакт с охлаждающей средой, такой как воздух, возможно, воздух окружающей среды.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, охлаждение шлака проводят в результате введения жидкого второго шлака в контакт с водой. Как это обнаружили заявители, охлаждение при использовании воды является очень эффективным и может быть использовано в широком спектре путей, приводящих в результате к относительно хорошо регулируемым скоростям охлаждения.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, второй шлак охлаждают при скорости, составляющей по меньшей мере 40 градусов Цельсия в секунду, предпочтительно по меньшей мере 50 градусов Цельсия в секунду, более предпочтительно по меньшей мере 60 градусов Цельсия в секунду. Как это обнаружили заявители, при использовании большей скорости охлаждения в соответствии с указанием изобретения может быть получен более высокий уровень содержания аморфного вещества в шлаке, что представляет интерес для конкретных вариантов конечного использования, таких как при предназначении шлака для использования в качестве вяжущего вещества.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, способ дополнительно включает стадию размалывания твердого второго шлака, предпочтительно размалывания шлака с образованием порошка.
В одном варианте осуществления способа, соответствующего настоящему изобретению, второй шлак охлаждают при скорости, составляющей не более 30 градусов Цельсия в секунду, предпочтительно менее, чем 30 градусов Цельсия в секунду, более предпочтительно не более 20 градусов Цельсия в секунду. Как это обнаружили заявители, при использовании меньшей скорости охлаждения в соответствии с указанием изобретения могут быть получены более низкий уровень содержания аморфного вещества в шлаке и, таким образом, более высокая степень кристалличности, что представляет интерес для конкретных вариантов конечного использования, таких как при предназначении шлака для использования в качестве заполнителя или для декоративных целей.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО и его используют в качестве вяжущего вещества для заполнителей, предпочтительно в качестве активного вяжущего вещества, предпочтительно в качестве вяжущего вещества, демонстрирующего пуццоланическую активность. Как это обнаружили заявители, шлак может выполнять функцию вяжущего вещества в качестве заменителя цемента, например, как при частичной замене цемента, такого как портландцемент, но также и вяжущего вещества для производства геополимерных композиций.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, где шлак используют в качестве вяжущего вещества для заполнителей, шлак используют в качестве заменителя портландцемента, предпочтительно в качестве частичного заменителя портландцемента.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения, где шлак используют в качестве вяжущего вещества для заполнителей, шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО и его используют в качестве вяжущего вещества в неорганической полимерной композиции, предпочтительно в комбинации с основанием, более предпочтительно в качестве основного вяжущего вещества в неорганической полимерной композиции, еще более предпочтительно в качестве единственного вяжущего вещества в неорганической полимерной композиции.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения применение дополнительно включает стадию вспенивания неорганической полимерной композиции. Результат представляет собой вспененную композицию, которая может быть желательной в связи со своими изолирующими свойствами в отношении тепла и/или звука.
В одном варианте осуществления, включающем вспенивание, шлак может быть использован для улучшения тепло- и/или звукоизоляции.
2
3
2
3
4
В одном варианте осуществления любого одного из вариантов применения, соответствующих настоящему изобретению, где шлак содержит не более 1,50% (масс.) цинка, Zn, и по меньшей мере 1,0% (масс.) СаО, его используют в комбинации с дополнительным оксидом или его предшественником, выбранным из оксида кальция, СаО, оксида алюминия, AlO, гидроксида кальция, Са(ОН), карбоната кальция, СаСО, сульфата кальция, CaSO, при этом предпочтительно шлак и дополнительный оксид или предшественник смешивают друг с другом до использования.
4
2
2
3
Как это обнаружили заявители, дополнительный оксид или его предшественник могут быть введены в качестве доменного шлака, в качестве подходящего шлака от производства цветных металлов, в качестве гипсосодержащих остатков, таким образом, содержащих CaSO.2HO, в качестве известьсодержащих композиций, таких как подходящая отфильтрованная тонкая известь (Са(ОН)), или в качестве известняка (СаСО). Как это, кроме того, обнаружили заявители, дополнительный оксид или его предшественник могут быть введены в жидкий расплавленный шлак до его затвердевания. Преимущество данного введения в жидкость заключается в возможности тщательного смешивания дополнительного оксида или его предшественника со шлаком, соответствующим настоящему изобретению.
Методика плазменной обработки материалов на современном уровне техники известна. В публикации WO 2011/136727 A1 раскрывается способ плазменной обработки материала отходов, который является текучим при комнатной температуре, такого как жидкости и взвеси, а, в частности, концентрат испарителя от ядерных энергетических установок. Назначение обработки заключается в сведении к минимуму объема отходов, подвергаемых обработке таким образом. В плазменный генератор подают окисляющий газ, а после этого сильно нагретый высокоэнтальпийный плазменный газ смешивают с материалом отходов в зоне смешивания. Исходный материал содержит приблизительно 15% органического и неорганического материала и приблизительно 25% солей. При обработке вода испаряется, и органические компоненты в совокупности разлагаются и частично сгорают, а неорганические материалы плавятся и окисляются. После зоны смешивания предусматривается сепаратор, в котором жидкие неорганические материалы отделяются от газового потока. Полученный продукт в виде стекломатрицы/шлака содержит металлы и оксиды и предпочтительно связывается в противодействующем выщелачиванию силикатном шлаке, и в зону смешивания или текучие отходы могут быть добавлены подходящие шлакообразующие материалы, такие как стеклянный бой, песок/кварц и тому подобное, для того, чтобы улучшить образование противодействующих выщелачиванию стекломатрицы/шлака. После этого стекло/шлак можно транспортировать с отправлением на конечное хранение, возможно, при отсутствии какой-либо дополнительной обработки.
Также и в документе WO 2014/046593, уже обсуждавшемся выше, описывается использование плазменного факела для производства горячего газа, имеющего температуру, составляющую более, чем 3000°С или даже более, чем 4000°С, в целях обработки шлака. В публикациях GB 2448556 и GB 2445420 раскрывается плазменный способ застекловывания ядерных отходов.
ПРИМЕР 1: Производство шлака в результате плазменного фьюмингования
Были проведены полупромышленные испытания в масштабе 3 метрических тонн, демонстрирующие возможность производства второго шлака из первого шлака при использовании погруженной плазменной системы.
Эксперименты проводили на оборудовании от компании Scanarc Plasma Technologies. Реактор запитывался при использовании плазменного факела на 1 МВт, погруженного ниже уровня жидкого шлака. Фьюмингование шлака проводили в результате нагнетания природного газа через факел и/или нефтяного кокса через запитывающее отверстие наверху реактора. Композицию шлака отслеживали через регулярные интервалы времени в результате отбора образцов через отверстие для отбора образцов. Композиция шлака с течением времени эволюционировала так, как это продемонстрировано в таблице 1, где данные выражаются в % (масс.) по отношению к совокупной композиции шлака.
Таблица 1
<b>Время отбора образца (мин) </b>
<b>15 </b>
<b>104 </b>
<b>151 </b>
<b>207 </b>
Fe
40,0
40,9
41,2
40,5
SiO<sub>2</sub>
28,2
30,2
30,6
31,9
Zn
7,5
4,1
2,7
0,7
Pb
0,25
0,064
0,029
0,024
Конечный шлак был проанализирован более исчерпывающим образом и, кроме того, продемонстрировал концентрации, показанные в таблице 2.
Таблица 2
<b>Компонент </b>
<b>% (масс.) </b>
СаО
3,0
FeO
52,1
Na<sub>2</sub>O
2,7
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
9,0
ZnO
0,9
PbO
0,026
2
3
Конечный шлак быстро охлаждали в результате гранулирования в холодной воде, что в результате приводило к получению уровня содержания аморфного вещества 72% (масс.) согласно определению при использовании метода РСА. Часть того же самого шлака медленно охлаждали в результате выливания его поверх металлической пластины, что в результате приводило к получению уровня содержания аморфного вещества 44% (масс.) согласно определению при использовании метода РСА. Использовавшаяся методика РСА представляла собой количественный рентгеноструктурный анализ, использующий программное обеспечение Topas Academic Software V5 и использующий AlO в качестве внутреннего стандарта.
Уровень содержания Zn в шлаке во время плазменной обработки явно уменьшался. Также во время обработки, кроме того, уменьшался уровень содержания Pb. По истечении приблизительно 200 минут достигали уровень содержания Zn, составляющий менее чем 1%, и уровень содержания Pb, составляющий менее чем 0,03% (масс.).
ПРИМЕР 2: Производство плитки из шлака
2
3
Прессованный неорганический полимерный образец производили при использовании быстро охлажденного шлака из примера 1 в качестве вяжущего вещества и при использовании медленно охлажденного шлака из примера 1 в качестве заполнителя. Для вяжущего вещества часть шлака тонко размалывали, и получающийся в результате порошкообразный шлак характеризовался распределением частиц по размерам, где 90% (масс.) частиц характеризовались диаметром частиц в диапазоне от 50 до 70 мкм. Шлак перетирали в центробежной мельнице (Retsch ZM100) при использовании отверстия сита 80 мкм. Распределение частиц по размерам (РЧР) измеряли при использовании влажного режима анализа при использовании лазерного рассеяния (Malvern Mastersizer S), и, как это было обнаружено, оно характеризовалось соотношением d90 ≤ 70 мкм. В качестве заполнителя другую часть шлака размалывали и из результата просеивания через сита и повторного смешивания производили смесь, характеризующуюся распределением частиц по размерам, что хорошо соответствовало распределению частиц по размерам для продукта Normsand или Norm Sand, соответствующего промышленному стандарту EN 196-1. Для достижения размера частиц шлакового заполнителя, сопоставимого с соответствующей характеристикой продукта CEN Norm sand (EN 196-1), медленно охлажденный шлак постепенно перетирали в дисковой мельнице (Retsch DM 200). После этого раздробленные частицы разделяли на фракции 0,08 мм - 0,16 мм, 0,16 мм - 0,5 мм, 0,5 мм - 1 мм, 1 мм - 1,6 мм и 1,6 мм - 2 мм. Это осуществляли при использовании колонны с ситами (Retsch type) при вышеупомянутых размерах ячеек сит на вибрационном механизме для встряхивания сит (Retsch AS 200 basic). В результате смешивания полученных фракций при процентных уровнях содержания в соответствии с указанием в документе EN 196-1 производили партии шлакового заполнителя при желаемых количествах отдельных фракций. Кроме того, использовали активирующий раствор, произведенный в результате смешивания при соотношении 50/50 (масс./масс.) коммерческого жидкого стекла (NaSiO), полученного от компании abcr GmbH, Karlsruhe (DE) в качестве силиката натрия, растворимого стекла при 39-40% силикатов в воде, с раствором NaOH в воде при 6 н. (6 моль/литр). Использовали следующие далее соотношения компонентов в смеси:
• Активирующий раствор/вяжущее вещество: 0,48/1,0
• Заполнитель/вяжущее вещество: 4,7/1,0
Для производства неорганического полимерного образца сначала при перемешивании к активирующему раствору медленно добавляли вяжущее вещество и результат смешивали в течение дополнительного 30-секундного периода времени. Затем заполнитель медленно добавляли в течение приблизительно 1 минуты времени при одновременном продолжении осуществления смешивания. После этого смешивание продолжали еще в течение совокупной продолжительности в 3 минуты. Использовали автоматический смеситель (Dispermat AE) при постоянной скорости смешивания 600 об./мин.
Получающуюся в результате сухую смесь спрессовывали при использовании гидравлического лабораторного пресса (MIGNON SSN/EA) при усилии прессования ~ 75 МПа в течение приблизительно 15 секунд в пресс-форме при 50 × 50 × 27 мм3 (длина × ширина × высота). Таким образом спрессованную плитку отверждали сначала в течение 24 часов при температуре 180°С в автоклаве высокого давления при манометрическом давлении, составляющем приблизительно 10 бар, и после этого в течение периода времени в 27 дней в регулируемой воздушной среде при температуре 20°С и 90%-ной относительной влажности.
ПРИМЕР 3: Испытание на эксплуатационные характеристики плитки
Во время испытания на эксплуатационные характеристики плитка из примера 2 давала следующие далее результаты.
Предел прочности при сжатии измеряли в направлении наибольшего размера образца при использовании машины для испытания на сжатие Schenck-RM100 (скорость прессования 1 мм/мин). Испытаниям подвергали четыре образца. Как это было обнаружено, предел прочности при сжатии для 28 дней составлял 102,4 ± 4,4 МПа. Как это было обнаружено, данный предел прочности при сжатии уже достигали по истечении 1-ого дня отверждения. Предел прочности при сжатии оставался одним и тем же по истечении дополнительного периода отверждения в 27 дней.
Для сопоставления производили подобную плитку при использовании продукта Norm sand, полученного от компании Normensand GmbH, Germany, в качестве заполнителя. Замену шлакового заполнителя на продукт Normsand осуществляли на равнообъемной основе для сохранения тех же самых размеров. Плитка на основе продукта Normsand достигала предела прочности при сжатии, составляющего только 35 ± 1 МПа.
В соответствии с документом ISO 10545-3:1995 измеряли водопоглощение плитки на шлаковой основе, и, как это было обнаружено, оно составляло приблизительно 4,8% (масс.). В результате визуального осмотра плитки по истечении полных 28 дней отверждения какого-либо выцветания наблюдать было невозможно.
Теперь после полного описания данного изобретения специалисты в соответствующей области техники должны понимать то, что изобретение может быть осуществлено в пределах широкого диапазона параметров, в рамках которого без отклонения от объема изобретения заявляются права на то, что определяется формулой изобретения.