СПОСОБ ОЧИСТКИ ОТХОДОВ ЦИНКА ОТ ПРИМЕСЕЙ И ПЕЧЬ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА
PROCEDURE FOR REFINING WASTES OF ZINC FROM IMPURITIES AND FURNACE FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Предлагаемое изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для очистки отходов цинка, содержащих не менее 90% металлического цинка, с получением цинка, который может быть использован для горячего цинкования стального проката, получения различных сплавов на основе цинка, цинковых белил, оксида цинка, порошкообразного цинка высокого качества.
Известен способ получения цинка из цинкового дросса, выбранный в качестве прототипа, включающий загрузку цинкового дросса в печь, его расплавление при температуре 700-800°С, выдержку при данной температуре 0,25-0,5 ч, охлаждение расплава до температуры 460-500°С, выдержку при данной температуре в течение 0,3-1,2 ч и затем слив расплава цинка в изложницы (Патент РФ 2188244, БИ №24, 27.08.2002 г., с.303).
Недостатками известного способа являются:
- низкий выход очищенного цинка, годного для цинкования стального проката - 55%;
- образование настыля на огнеупорной футеровке печи, что приводит к частым остановкам работы печи для проведения ее чистки.
Известны способ очистки цинка от оксидов примесных металлов и печь для осуществления способа, включающий плавление цинка в расплаве натрия тетраборнокислого, содержащего 3-5 мас.% ангидрида борной кислоты, при температуре 700-800°С.
Печь для очистки цинка включает вертикально установленный тигель, который имеет пристенный карман, патрубок для слива очищенного цинка, встроенный в карман на уровне высоты слоя затвора из расплава цинка в кармане, предотвращающий слив расплава соли из тигля. Высоту слоя расплава цинка в затворе определяют по формуле
1
2
1
3
2
1
h=(h·q+h·q):q,
1
где h - высота слоя расплава цинка в затворе, м;
2
h - высота слоя расплава цинка на дне тигля печи;
3
h - высота слоя расплава натрия тетраборнокислого в тигле печи, м;
1
3
q - удельная масса расплава цинка, т/м;
2
3
q - удельная масса расплава натрия тетраборнокислого, т/м
(Патент РФ №2261925, 26.02.2004 г., БИ №28, 10.10.2005 г.).
Недостатками известного способа являются:
- высокая вязкость расплава тетраборнокислого натрия, что является причиной значительного выноса этого расплава из тигля печи вместе с клетью;
- высокая температура плавления тетраборнокислого натрия, что приведет к нагреву расплава цинка до этой же температуры и повышенному испарению цинка (парциальное давление паров цинка при температуре 788°С - 200 мм рт.ст.).
Задачами предлагаемого способа очистки отходов цинка от примесей и печи для осуществления способа являются устранение вышеприведенных недостатков известных способов и уменьшение капитальных и эксплуатационных затрат.
Решение указанных задач достигается следующим образом.
В тигель печи вначале загружают борную кислоту, массу которой рассчитывают по формуле
у=25,1(100-х),
где у - масса борной кислоты, приходящаяся на 1000 кг отходов цинка, кг;
х - содержание металлического цинка в отходах, %.
Затем в тигель печи загружают отходы цинка, масса которых позволит образовать в тигле печи расплав цинка высотой 800 мм.
После загрузки борной кислоты и отходов цинка в тигель печи его закрывают крышкой, включают в работу тупиковые газовые горелки, вмонтированные в камеры, которые имеют сообщение с тиглем печи через имеющиеся в кладке печи каналы.
При достижении в тигле печи температуры 400°С происходит термическое разложение борной кислоты на ангидрид борной кислоты и пары воды по схеме реакции:
3
3
2
3
2
2 НВО=BO+3HO
3
3
При этом на дне тигля печи образуется твердый слой ангидрида борной кислоты. При достижении в тигле печи температуры 419,5°С постепенно начинает плавиться цинк и каплями стекать на дно тигля печи, одновременно заполняя пространство камер, где расположены тупиковые газовые горелки. С этого момента передача тепла к расплаву цинка, находящемуся в тигле печи от тупиковых горелок, будет осуществляться через жидкую фазу расплава цинка. Передача тепла через жидкую фазу в 30 раз превосходит передачу тепла в газовой фазе. Это приведет к интенсивному нагреву нижних слоев расплава цинка на дне печи и интенсивному плавлению цинка в отходах, погруженных в расплав цинка. При достижении расплава цинка на дне тигля печи температуры 577°С произойдет расплавление ангидрида борной кислоты. В связи с высокой вязкостью расплава ангидрида борной кислоты, превосходящей в разы вязкость расплава цинка, а также значительно более низким удельным весом расплава ангидрида борной кислоты (1,844 г/см) по сравнению с расплавом цинка (6,92 г/см) расплав ангидрида борной кислоты будет подниматься вверх. При подъеме расплава ангидрида борной кислоты в среде расплава цинка будет происходить реакция ангидрида борной кислоты с оксидами примесных металлов, содержащимися в расплаве цинка по схемам реакций:
2
3
2
3
2
3
FeO+3BO=2Fe(BO)
2
3
2
3
2
3
AlO+3BO=2Al(BO)
2
3
2
2
PbO+BO=Pb(BO)
и т.д.
Удельная масса образующихся агрегатов метаборнокислых солей примесных металлов значительно ниже удельной массы расплава цинка и поэтому эти агрегаты вместе с расплавом ангидрида борной кислоты будут подниматься вверх в среде расплава цинка. При достижении температуры в тигле печи 700-750°С произойдет объемное плавление отходов цинка в тигле печи.
x
y
x
y
Расплав ангидрида борной кислоты медленно будет всплывать на поверхность расплава цинка и при этом переведет все примеси в виде оксидов металлов в метаборнокислые соли примесных металлов, которые также всплывут на поверхность расплава цинка. Расплав цинка выдерживают при температуре 700-750°С в течение 45 минут для разделения примесей: легкие (метаборнокислые соли примесных металлов) всплывут на поверхность расплава цинка, а тяжелые интерметаллические соединения (FeZn, CuZn и т.д.) осядут в нижнюю часть расплава цинка. После отстоя расплава цинка начинают снижать его температуру до 500-550°С. При достижении данной температуры крышку тигля печи снимают, метаборнокислые соли примесных металлов удаляют черпаком, выполненным из металлической сетки, и после этого начинают слив очищенного цинка через летку, расположенную на высоте 80 мм от дна тигля печи. Слив расплава цинка с отстоянными интерметаллическими соединениями или истинными растворами примесных металлов в цинке осуществляют через летку, расположенную на уровне дна тигля печи. При сливе расплава запорные вкладыши заменяют выпускной втулкой с отверстием. Расплав цинка подается на разливочную машину с помощью поворотного желоба.
Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа очистки отходов цинка от примесей и печь для осуществления способа имеют отличия от прототипа и не следуют явным образом из изученного уровня техники, поэтому способ и печь для осуществления способа являются новыми и имеют "изобретательский уровень".
Способ очистки отходов цинка от примесей и печь для осуществления способа позволяют снизить капитальные и эксплуатационные затраты, сократить и упростить технологические операции, повысить показатели экологической безопасности производственного процесса.
Печь для очистки отходов цинка от примесей представлена на чертеже.
Печь включает в себя следующие элементы:
- кожух печи (поз.1);
- футеровка печи огнеупорным кирпичом (поз.2);
- камеры для тупиковых газовых горелок (поз.3);
- тигель печи, выложенный огнеупорным кирпичом (поз.4);
- крышка тигля печи из жаропрочной стали с теплоизолирующим вкладышем (поз.5);
- кольца для строповки и съема или установки крышки (поз.6);
- каналы в кладке тигля печи для сообщения с камерами (поз.7);
- нижняя летка (поз.8);
- верхняя летка (поз.9);
- тупиковые газовые горелки (поз.10);
- штуцер для подачи природного газа в горелку (поз.11);
- штуцер для подачи воздуха в горелку (поз.12);
- штуцер для удаления продуктов горения природного газа из горелки (поз.13).
Способ очистки отходов цинка от примесей осуществляется следующим образом. Для осуществления способа очистки отходов цинка от примесей применяют печь специальной конструкции, представленный на чертеже.
x
y
x
y
Тигель печи (поз.4) выложен из огнеупорного кирпича. По всей высоте тигля оставлены каналы (поз.7) для протекания расплава цинка в камеры (поз.3) и обеспечения интенсивной теплопередачи от тупиковых горелок (поз.10) к загруженному отходу цинка в тигле печи. В то же время каналы будут способствовать устранению нагрузки на внутренние стенки тигля печи со стороны расплава цинка. Тупиковые газовые горелки (поз.10) помещены в камеры для исключения возможности поломки отражательных труб, которые выполнены из карбида кремния CSi. Для предотвращения испарения цинка из тигля печи и потерь тепла при нагревании отхода цинка на тигель устанавливают крышку (поз.5), выполненную из огнеупорной стали с прокладкой в средней части из огнеупорного материала, например минеральной ваты. В нижней части тигля печи встроены летки - верхняя (поз.9) для слива чистого цинка, нижняя (поз.8) для слива цинка, загрязненного интерметаллическими соединениями, например FeZn, PbZn, и т.д. или истинными растворами примесных металлов в цинке.
Кристаллическая решетка интерметаллических соединений уплотнена, поэтому удельная масса их превышает удельную массу цинка и способствует их оседанию на дно печи. Оседание на внутренних стенках тигля печи оксидов примесных металлов исключено, так как последние при взаимодействии с борным ангидридом образуют метаборнокислые соли, которые в результате адгезии друг к другу образуют агрегаты и вследствие их значительно меньшей удельной массы по сравнению с расплавом цинка будут всплывать на поверхность расплава цинка.
Вначале определяют, какую массу отхода цинка требуется загрузить в печь, чтобы его расплав имел высоту в тигле печи не менее 800 мм. Определяют содержание металлического цинка в отходах и по формуле, приведенной выше, определяют массу борной кислоты, которую нужно загрузить в печь.
Снимают крышку с тигля печи с помощью кран-балки. На дно тигля печи загружают борную кислоту, затем загружают отход цинка. Крышку устанавливают на тигель печи. Включают в работу тупиковые газовые горелки, устанавливают автоматическое поддержание в тигле печи температуры на уровне 700-750°С. При достижении данной температуры расплав отхода цинка в тигле печи выдерживают в течение 45 минут. Затем устанавливают автоматическое поддержание температуры в тигле печи на уровне 500-550°С. При достижении данной температуры снимают крышку с тигля печи. Агрегаты метаборнокислых солей примесных металлов удаляют с поверхности расплава цинка черпаком из металлической сетки. Крышку устанавливают на тигле печи и начинают слив очищенного расплава цинка через верхнюю летку (80 мм от дна тигля печи) в изложницы, затем слив расплава цинка, загрязненного интерметаллическими соединениями примесных металлов, через нижнюю летку, расположенную на уровне дна тигля печи, в изложницы.
После слива расплава цинка летки приводят в рабочее состояние для следующей операции очистки отходов цинка от примесей.
Данные технологических параметров известного (патент РФ №2188244, БИ №24, 27.08.2002 г., с. 302) и предложенного способов очистки отходов цинка от примесей представлены в таблице 1.
Пример.
Состав отходов цинка, мас.%:
цинк
98,50
алюминий
0,80
железо
0,40
свинец
0,15
интерметаллические соединения
0,15
Результаты технологического процесса предлагаемого способа очистки отходов цинка при указанных в формуле параметрах и граничных параметрах представлены в таблице 2.