СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЦИНКА ИЗ ГАРТЦИНКА И ПЕЧЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ZINC EXTRACTION FROM HARD ZINC AND FURNACE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к металлургической и машиностроительной промышленности и может быть использовано для получения химически чистого цинка из гартцинка, являющегося одним из двух основных отходов цинкования металлопродукции, с последующим возвратом цинка в основное технологическое производство.
Известен способ извлечения цинка из гартцинка, реализованный на АОЗТ «Сталь» («Переработка отходов ванны горячего цинкования», журнал «Сталь», 1995, №5, с.82-83) на колпаковой печи ОКБ-443, предназначенной для отжига рулонов металлической ленты. Этот способ включает отчерпывание гартцинка из ванны, заливку его в изложницы, добавку в гартцинк порошкообразного алюминия и раствора флюса, загрузку изложниц в печь, нагрев в течение 2 часов, выдержку и охлаждение в течение 10 часов при температуре 460-480°С в атмосфере защитного газа, содержащего 96% азота и 4% водорода с температурой точки росы -30°С, слив выделенного из гартцинка цинка в приемные изложницы. При отработке рассматриваемого способа перед плавкой в гартцинк добавляли алюминий в виде порошка - 1-2 кг/т и раствор флюса - 1,5-3,0%.
Здесь уместно отметить, что добавки алюминия и флюса при горячем цинковании металлопродукции позволяют улучшить качество поверхности изделий, снизить толщину покрытия, уменьшить угар и расход цинка. Применительно к извлечению цинка из гартцинка добавка порошкового алюминия воздействует как свободный окислитель, переводя часть примесного железа в сплав FeAl и частично восстанавливая цинкиды гартцинка.
Механизм действия флюсовой смеси состоит в том, что она, расплавляясь, офлюсовывает «запутавшийся» цинк, который под влиянием флюса рафинируется в каплях и стекает в приемную изложницу. По данным авторов, полученный таким образом цинк по содержанию железа соответствует маркам Ц2 и Ц3 ГОСТ 3640-79 и используется в собственном производстве продукции.
Однако длительность цикла реализации этого способа определяет его невысокую производительность и приводит к повышенным затратам электроэнергии и защитного газа. Кроме того, несмотря на соответствие выделенного цинка по указанному ГОСТу, имеется реальная возможность дальнейшего повышения химической чистоты цинка, выплавляемого из гартцинка без использования указанных добавок.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и назначению, а также по технической сущности и достигаемому результату является патент РФ №2188244 (C22B 7/00, C22B 19/30, опубл. 27.08.2002), в котором раскрыт способ извлечения цинка из гартцинка, а также раскрыта печь для осуществления этого способа. Способ реализован в фасонно-литейном цехе Новолипецкого металлургического комбината в электропечи сопротивления типа CAT 025В емкостью 650 кг. Этот способ включает загрузку затвердевшего слитка гартцинка в специальном тигле с крышкой в футерованную огнеупорным шамотом печь, под печь помещают сливную изложницу, установленную на специальной тележке. Печь разогревают до температуры, равной 1,0-1,12 температуры плавления гартцинка (710°С), и поддерживают эти значения температур в течение 0,25-0,5 ч, после чего отключают обогрев, снижают температуру в печи до 460-500°С и выдерживают в течение 0,3-1,2 ч. После окончания выдержки стопорный затвор тигля открывают и сливают выделенный цинк в приемную изложницу.
В отличие от аналога, где температура в печи составляет 0,657-0,686 температуры плавления гартцинка, в прототипе это соотношение равно 1,0-1,12, то есть температура в печи после нагрева и плавки равна или превышает температуру плавления гартцинка. Это позволяет сократить время выплавки, обеспечить уменьшение перехода примесей железа в цинк, снизить расход электроэнергии и повысить производительность процесса выплавки. Кроме того, в прототипе не используется защитный газ, а также добавки алюминия и флюса. Однако ведение процесса выплавки цинка из гартцинка при столь высоких температурах без использования защитного газа неминуемо приводит к существенному окислению выделенного цинка, а использование электроэнергии - к повышенным энергетическим затратам в стоимостном выражении. Также уместно отметить, что несмотря на видимую краткость цикла выплавки производительность печи, используемой для реализации этого способа, невелика из-за ограниченной емкости загрузочного тигля. В способе прототипа также используется печь электросопротивления типа CAT 025В, предназначенная для других технологических целей.
Технической задачей изобретения является повышение чистоты и количества цинка, выплавляемого из гартцинка, увеличение производительности установки, снижение энергетических затрат на выплавку.
Решение поставленной задачи достигается тем, что загрузку гартцинка производят в три этапа, при этом масса загружаемого гартцинка на втором этапе составляет 45-55%, а на третьем этапе - 65-70% от массы гартцинка, загружаемого первоначально на первом этапе. Выдержку расплава осуществляют при температуре 590-610°С в течение 4,5-5,5 часов на первом этапе, 1,5-2,5 часов - на втором и 2,5-3,5 часов - на третьем. Слив расплава цинка в приемные изложницы производят дважды - по окончании второго и третьего этапов, и перед сливом расплава цинка образовавшиеся на поверхности расплава в печи-ванне гартцинк осаждают на дно ванны, а оксид цинка удаляют с поверхности расплава.
Техническая задача достигается также тем, что печь для извлечения цинка из гартцинка, содержащая выполненный из термостойкого и теплоизоляционного материала корпус с крышкой и расположенную внутри корпуса ванну, согласно изобретения снабжена термопарой, газогорелочными устройствами и дымоходами, установленными соответственно в боковых и торцевых стенках корпуса на разных уровнях по высоте печи и разнесенными по ее длине, и сливным желобом, расположенным в нижней части ванны и сообщающимся с приемной изложницей. Кроме того, крышка печи выполнена теплоизолированной, съемной и со скобами.
На чертеже представлен поперечный разрез печи-ванны, предназначенной для извлечения химически чистого цинка из гартцинка. Печь содержит корпус 1, стальную ванну 2 с установленной в ней термопарой 3. Боковые и торцевые стены корпуса 1 выполнены из огнеупорного шамота - внутренний слой и шамота легковеса - внешний слой (на чертеже слои не показаны). Печь-ванна содержит два газогорелочных устройства 4 и два дымохода 5, установленные соответственно в боковых и торцевых стенках корпуса на разной высоте и разнесенные по длине печи. В качестве горелок могут быть использованы газогорелочные устройства института «Теплопроект» типа ГНП-3. Рабочее пространство печи закрыто съемной крышкой 6, корпус которой изнутри изолирован шамотоволокнистыми плитами марки ШВП. Крышка снабжена скобами 7 для ее съема и отверстием для установки термопары в ванну печи. Над дном ванны к одной из ее стенок приварен наклонный сливной желоб 8, содержащий заглушку 9, предназначенный для слива цинка в приемные изложницы 10, установленные вне рабочего пространства печи. При операциях слива цинка заглушку открывают.
Печь работает следующим образом. Вначале гартцинком в количестве 3,0 т загружают стальную ванну 2 при снятой посредством скоб 7 крышке 6, затем ее закрывают и производят розжиг горелок 4, например ГНП-3. Сжигание природного газа в горелках осуществляют с коэффициентами расхода воздуха, близкими к стехиометрическим значениям: 1,05-1,10. Продукты полного сгорания природного газа удаляют в дымоходы 5. Расположение газогорелочных устройств и дымоходов на разной высоте печи и разнесенных по длине печи позволяет обеспечить равномерный нагрев стенок корпуса ванны.
Разогрев и плавление гартцинка осуществляют до достижения температуры в ванне 590-610°С, выдержку расплава при заданной температуре осуществляют в течение 4,5-5,5 часов, затем горелки отключают и снимают крышку 6. Уровень заполнения ванны при плавлении гартцинка понижается, поэтому ее догружают второй порцией чушкового гартцинка в количестве 1,5 т и повторяют операции первого этапа с выдержкой расплава в течение 1,5-2,5 часов. Далее горелки отключают и печь опять вскрывают. В результате описанного процесса на поверхности расплава образуется сравнительно тонкая корка, содержащая гартцинк и оксид цинка, которую по всей площади пробивают специальными приспособлениями на всю глубину ванны. В результате этой операции куски корки, содержащие гартцинк, оседают на дно ванны и плавятся, а цинк и его оксид в виде пушонки всплывают. Оксид цинка специальным приспособлением размельчают до удаления из него цинка (определяется визуально). Затем оксид цинка в виде пушонки в течение 0,30-0,35 ч удаляют из печи и, снимая заглушку 9, начинают слив расплава цинка по желобу 8 в приемные изложницы 10. Здесь уместно отметить, что в дальнейшем оксид цинка утилизируют на другой специальной установке.
Выход цинка после первого слива составляет 50-60%. Содержание в нем железа составляет 0,0018-0,0060%.
Часть гартцинка оседает на дно ванны и в физически связанном виде остается на стенках, поэтому на третьем этапе в оставшийся расплав загружают новую партию чушкового гартцинка в количестве 2,0 т, которую после повторения описанных операций и достижения температуры в ванне 590-610°С плавят в течение 2,5-3,5 часов, затем согласно вышеописанным приемам осуществляют повторный слив химически чистого цинка. После этой операции оставшийся на дне и стенках выработанный гартцинк удаляют из ванны.
В результате выход цинка составляет не менее 60%, а его химический состав много чище, чем у описанных аналога и прототипа.
Технологические температуры в печи-ванне при выдержке на всех стадиях процесса составляют 0,831-0,859 от температуры плавления гартцинка, то есть их величины больше, чем у аналога, и меньше, чем у прототипа. В сопоставлении с аналогом более высокие температуры позволяют исключить использование лигатуры в виде порошкового алюминия и раствора флюса, а также защитного газа. В сопоставлении с прототипом более низкие температуры позволяют повысить чистоту и количество выплавленного цинка путем снижения его окисления с получением оксида цинка в виде пушонки.
Кроме того, предлагаемая установка отапливается природным газом. По ценам августа-октября 2007 г. цена 1 кВт·ч химической энергии природного газа с учетом транспортировки на Череповецком заводе ОАО «Северсталь-метиз» была в 7,2-8,1 раза ниже стоимости 1 кВт·ч электроэнергии. Это дополнительно определяет более высокую энергетическую эффективность использования природного газа по сравнению с электрической энергией в стоимостном выражении.