Восстановительно-флюсующая смесь для переработки вторичных свинецсодержащих материалов
REDUCING-FLUX MIXTURE FOR PROCESSING SECONDARY LEAD-CONTAINING MATERIALS

Изобретение относится к области производства цветных металлов и может быть использовано в технологии получения свинца чернового из вторичных свинецсодержащих материалов, в частности, отработанных аккумуляторных батарей, подвергаемых восстановительной плавке.
Из предшествующего уровня технических решений (Н.М. Барбин, С.В. Мамяченков, С.И. Холод. Металлургические технологии переработки техногенного и вторичного сырья. Часть 1. Свинец. Учебное пособие, Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2009 – аналог) известна восстановительно-флюсующая смесь (ВФС), включающая восстановители в виде углеродсодержащих (уголь, антрацит и т.д.) и железосодержащих (листовые отходы, стальная стружка, лом и т.д.) материалов, а также флюсующую (шлакообразующую) добавку в виде известняка и применяемая при восстановительной плавке свинецсодержащих материалов.
Эта смесь, ввиду отсутствия предварительной подготовки, характеризуется ярко выраженной неоднородностью гранулометрического состава компонентов. В частности, углеродсодержащий материал представлен в кусковом виде с размером кусков до 50мм, железосодержащий материал имеет размер до 200мм, известняк до 80мм. Такая разнородность компонентов по крупности в составе ВФС не обеспечивает их эффективного взаимодействия с расплавом и, тем самым, обусловливает снижение извлечения свинца в готовый продукт (свинец черновой) при неоправданно высоком расходе ВФС.
Кроме того, в случае применения железосодержащего материала в виде стружки при его загрузке в печь происходит заполнение значительного объема рабочего пространства печи, при этом практически мгновенно стружка окисляется с поверхности в газовом пространстве, медленно «усваивается» расплавом, что также ограничивает степень извлечения свинца в готовый продукт.
В качестве наиболее близкого аналога (прототипа) предлагаемое изобретение по совокупности существенных признаков принята восстановительно-флюсующая смесь для переработки свинецсодержащих материалов, раскрытая в SU 722974 A1, C22B 7/00, 25.03.1980.
Согласно прототипу, эффективность процесса достигается за счет сокращения пылевыноса и, как следствие, повышается извлечение свинца в свинец черновой.
Основной недостаток известной ВФС состоит в необходимости соблюдения строгого порционного дозирования каждого компонента ВФС, что лимитирует процесс подготовки и загрузки ВФС в печь и не обеспечивает однородности получаемой ВФС. При неравномерном распределении компонентов в составе ВФС образуются локальные очаги их воздействия на расплав в печи. Однородность расплава достигается только при перемешивании.
В результате, процесс переработки свинецсодержащих материалов затягивается, извлечение свинца в готовый продукт падает.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и, как следствие, сокращение потерь свинца со штейно-шлаковым расплавом и повышение степени извлечения свинца в готовый продукт, а также достижение экологического эффекта за счет вовлечения в переработку клинкера, являющегося отходом процесса вельцевания.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной восстановительно-флюсующей смеси, состоящей из компонентов на основе углерода, железа, оксидов кальция и кремния, в качестве компонентов смеси используют уголь каменный и клинкер вельцевания пыли электродуговых печей черной металлургии. Количество клинкера составляет 45-50% от общей массы смеси.
Наличие углерода и железа в клинкере благоприятно сказывается на протекании процесса угле– и металловосстановления, в том числе соединений свинца. Высокое содержание углерода в клинкере в ряде случаев может обеспечить полное восстановление железа без участия дополнительного восстановителя, что также важно для быстрого протекания процесса восстановления. Клинкер обладает хорошей флюсующей способностью, что позволяет полностью исключить из состава ВФС основной (известняк) и кислый (кварцит) флюсы.
Содержание в ВФС клинкера вельцевания в количестве 45-50% масс. является оптимальным с точки зрения достижения высокого показателя  по извлечению свинца. При запредельных значениях содержания клинкера в ВФС извлечение свинца снижается, в одном случае из-за ухудшения текучести штейно-шлакового расплава, в другом – по причине недостаточного количестве углерода в ВФС.
Технические решения, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, не выявлены, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна».
Заявляемые существенные признаки изобретения, обеспечивающие получения указанного технического результата явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».
Поскольку заявляемое изобретение обеспечивает технический результат, выражающийся в сокращении потерь свинца со штейно-шлаковым расплавом и, как следствие, повышение степени извлечения свинца в свинец черновой, а также в экономичности процесса в целом за счет исключения количества компонентов в составе восстановительно-флюсующей смеси, сокращения времени обработки расплава, то можно сделать вывод о том, что изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Подтверждением реализации заявляемого изобретения с достижением поставленной цели служат результаты сравнительных опытов, характеризующие показатели восстановительной плавки вторичных свинецсодержащих материалов с применением известной и предлагаемой (содержащей клинкер вельцевания) восстановительно-флюсующих смесей.
Сравнительные результаты опытов по прототипу и предлагаемому изобретению приведены в табл. 1.
В опытах 1–3, соответствующих прототипу, в качестве компонентов восстановительно-флюсующей смеси использовали:
углеродсодержащий материал в виде угля каменного марки ДО 25-50, класс сортовой, со средним содержанием примесей, % масс.: зола 10,2; сера 1,04 хлор 0,3; мышьяк 0,03, имеющий влажность 15,0,
железосодержащий материал в виде стружки стальной категории А марки №2 (шифр 1132),
известняк в виде муки известняковой, содержащей, % масс.: карбонаты кальция и магния (в пересчете на сухую массу) 97,97 и имеющей влажность 5,9%,
кварцит в виде боя стекла с содержанием, % масс.: диоксид кремния 71,2; оксид кальция 6,8; оксид магния 3,4; оксид алюминия 1,6.
В опытах 4-8, соответствующих заявляемому изобретению, в качестве компонентов восстановительно-флюсующей смеси использовали тот же уголь каменный, что и в опытах 1–3, и, взамен других компонентов ВФС, клинкер вельцевания пыли электродуговых печей черной металлургии, содержащий, % масс.: углерод 25,5; железо общее 37,4 (в т.ч. железо металлическое (Feмет) 16,8; оксид железа II (FeO) 15,9; оксид железа III (Fe2O3) 3,7); оксид кальция 27,7; диоксид кремния 14,6. Кроме этих компонентов клинкер содержал, % масс.: оксид магния 5,8; оксид марганца 3,6; серу 1,0, а также остаточные количества цинка (0,8%) и свинца (0,06%).
Важным показателем качества клинкера при использовании его в составе восстановительно-флюсующей смеси является степень металлизации железа, которая составляла 44,9%.
Выбранный предел крупности клинкера (5–40мм) позволяет обеспечить достаточно стабильный его состав при незначительных вариациях содержания в нем полезных веществ, что гарантирует выполнение им функций восстановления и офлюсовывания шлака.
Анализ данных табл. 1 (прототип) указывает на то, что применение известной многокомпонентной ВФС позволяет обеспечить извлечение свинца на среднем уровне 50,88%, при этом количество перерабатываемых свинецсодержащих материалов изменялось от 10,79 до 11,53т.
Вариации производительности объясняются качеством и пропорциями свинецсодержащих материалов, в качестве которых использовали продукт сульфатно-оксидный, металлосодержащую фракцию от разделки аккумуляторного лома, отходы аккумуляторного производства (брак пластин, паста, пыль и др), съемы рафинирования, шлак оборотный. Средний удельный расход ВФС на 1т свинецсодержащих материалов составил 186,9кг.
В случае использования предлагаемой двухкомпонентной ВФС, содержащей уголь каменный и клинкер, извлечение свинца, при прочих равных условиях, повысилось на 9,2% и при благоприятном составе свинецсодержащих материалов достигало 62,58%. Средний удельный расход ВФС на 1 т свинецсодержащих материалов составил 157,6кг.
В табл. 2 приведены данные, показывающие зависимость извлечения свинца от содержания клинкера в ВФС.
Таблица 2
Содержание клинкера в восстановительно-флюсующей смеси, % масс.
Выход продуктов плавки, % от массы свинецсодержащих материалов
Извлечение свинца в свинец черновой, %
Свинец черновой
Расплав штейно-шлаковый
Пыль оборотная
42,5
65,4
26,8
7,8
52,1
45,0
67,8
24,6
7,6
58,4
47,5
66,9
24,9
8,2
60,2
50,0
68,2
23,9
7,9
57,9
52,5
64,6
27,7
7,7
55,8
Данные табл. 2 наглядно показывают, что в зависимости от содержания клинкера в восстановительно-флюсующей смеси изменяется извлечение свинца в свинец черновой:
- при содержании менее 45,0% (42,5% масс.) качество штейно-шлакового расплава, в частности его текучесть, не обеспечивает требуемое разделение продуктов плавки, в результате чего извлечение свинца не достигает даже 55,0%,
- при содержании более 50,0% (52,5% масс.) возрастают потери свинца со штейно-шлаковым расплавом, из-за чрезмерного снижения содержания углерода в составе восстановительно-флюсующей смеси. Недостаток углерода ухудшает показатели по восстановлению свинца,
- при содержании клинкера 45-50% масс., рекомендуемым предлагаемым изобретением, среднее извлечение свинца в свинец черновой составило 58,8%, что на 12,8% отн. и на 5,4% отн. выше, чем при запредельных значениях по извлечению соответственно.
На основании полученных данных можно утверждать, что клинкер вельцевания пыли электродуговых печей черной металлургии является эффективным компонентом восстановительно-флюсующей смеси для переработки вторичных свинецсодержащих материалов и позволяет при его содержании в смеси 45–50% повысить степень извлечения свинца в свинец черновой более чем на 5%.