СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ МЕДНЫХ ЦИНКОСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF PROCESSING ZINC-CONTAINING COPPER MATERIALS

Способ относится к цветной металлургии, в частности к процессам пирометаллургической селекции медно-цинковых материалов, и направлен на селективное разделение цветных металлов с переводом цинка в газовую фазу на стадии конвертирования штейна.
Известен способ переработки вторичного медно-цинкового сырья (Пат. №2058407, С22В 9/20, опуб. 20.04.1996), включающий его загрузку в шахтную печь в смеси с флюсующими добавками, плавку, обработку продуктов плавки в электрообогреваемом отстойнике с последующим конвертированием черной меди на черновую медь. Обработку продуктов плавки в отстойнике осуществляют плазменно-дуговым нагревом при 1400-1450°С с подачей углеродистого восстановителя. Недостатками данного способа являются использование больших производственных мощностей и высокий расход топлива (восстановителя).
Известен способ переработки медных цинксодержащих материалов (Пат. №1681550, С22В 15/00, опуб. 10.08.1999), включающий их плавку с образованием высокоосновного шлака, обработку шлака углеродсодержащим восстановителем с получением металлической меди и цинковых возгонов. С целью повышения качества металлической меди в процессе обработки шлака восстановителем шлак продувают газом. Также недостатками способа являются использование больших производственных мощностей и высокий расход топлива (восстановителя).
За прототип предлагаемого изобретения принят способ переработки медных цинкосодержащих материалов совместно с медным штейном на стадии конвертирования (Бабаджан А.А. Пирометаллургическая селекция. Изд-во «Металлургия». 1968, стр.12-13, рис.1). Способ заключается в заливке штейна и загрузке медных цинкосодержащих материалов в конвертер, продувке воздухом расплава с добавкой восстановителя и получении цинковых возгонов, богатого штейна (или черновой меди) и шлака.
В прототипе загрузку цинкосодержащих материалов осуществляют в жидкий штейн на первой стадии конвертерного процесса. Отгонка цинка из расплава на этой стадии практически не происходит, так как улетучивание цинка при недостаточном окислении и относительно низкой температуре расплава 1150-1200°С не может быть значительное. Вторая стадия - окисление ведется быстро и с максимальной подачей воздуха в конвертер. Сульфид железа при этом в значительной степени окисляется до магнетита, сульфид меди - частично окисляется, происходит достаточно большое улетучивание цинка (50-60%), свинца, кадмия и некоторых других металлов. Остальной цинк входит в состав шлаковой фазы расплава. Температура расплава к концу второй стадии повышается до 1350°С. Такая температура необходима для жидкотекучести ванны, т.к. присутствие магнетита увеличивает вязкость и малоподвижность шлака. Жидкотекучесть расплава в периоды плавления и окисления поддерживают периодическим вдуванием в конвертер углевоздушной смеси. Периодическая подача этой смеси во втором периоде необходима также для того, чтобы предотвратить вспенивание расплава в конвертере, которое может привести к выбросу содержимого конвертера через горловину. В третьей стадии через расплав в конвертере продувают смесью каменноугольной пыли с воздухом при расходе его меньше теоретически необходимого количества, благодаря чему происходит восстановление оксида цинка до свободного металла, его отгонка в виде пара, который затем снова в газовой среде окисляется до ZnO и уносится газовым потоком. При продувке магнетит восстанавливается до FeO, а оксид меди до свободного металла. В течение третьей стадии температура расплава должна быть порядка 1350-1450°С. По окончании отгонки цинка дутье останавливают. Жидкие продукты шлак и богатый штейн (или медь) расслаиваются, после чего их раздельно сливают и направляют на дальнейшую переработку (шлак на извлечение меди, штейн на конвертирование до черновой меди). Вместо углевоздушного дутья может быть использована мазутно-воздушная смесь или другой восстановитель.
На второй стадии процесса до 40-50% цинка уходит в виде оксида в шлак, для извлечения из которого цинка на стадии продувки расплава пылеуглевоздушной смесью следует вести процесс при весьма высоких температурах, расход пылеугля от массы медно-цинкового промпродукта достаточно высок (18-20%). Необходимость периодического вдувания в расплав пылеугольно-воздушной смеси на первой и второй стадиях тоже создает дополнительные трудности для обслуживания персонала. Трудности вызывает также работа с тугоплавкими вязкими ферритными шлаками.
Недостатками прототипа являются нерациональное использование производственных мощностей и высокий расход топлива (восстановителя).
Техническим результатом изобретения является снижение загрузки производственных мощностей и расхода топлива (восстановителя) при переработке медных цинкосодержащих материалов.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе переработки медных цинкосодержащих материалов, включающем заливку штейна в конвертер, его конвертирование продувкой воздухом в две стадии с подачей на второй стадии воздуха с добавкой топлива и загрузку медных цинкосодержащих материалов в конвертер и получение богатого штейна или черновой меди и цинковых возгонов в отходящих газах, согласно изобретению загрузку медных цинкосодержащих материалов осуществляют на второй стадии конвертирования после слива шлака и появления первых порций металлической меди.
Способ переработки медных цинкосодержащих материалов включает в первой стадии продувку воздухом жидкого штейна с получением сульфидного медного расплава, шлака и удаление последнего, а во второй стадии процесса продувка штейна воздухом с добавкой топлива совмещена с загрузкой медных цинкосодержащих материалов. Первая стадия процесса аналогична конвертированию медных штейнов и заключается в наборе ванны сульфидного медного расплава. Эта стадия протекает за счет тепла экзотермических реакций, введение дополнительного топлива не требуется. На второй стадии продувка воздухом сульфидного медного расплава сопровождается загрузкой медных цинкосодержащих материалов с подачей топлива (восстановителя). После загрузки медных цинкосодержащих материалов цинк возгоняется за счет взаимодействия сульфида цинка с металлической медью, а в сульфидно-металлическом расплаве происходит накопление части сульфида железа, для удаления которого осуществляют кратковременную продувку расплава воздухом с добавкой кварцевого флюса для перевода железа в шлак. При необходимости загрузка медных цинкосодержащих материалов, возгонка цинка, удаление из расплава железа повторяется, а затем процесс конвертирования ведут на богатый штейн или черновую медь.
Для поддержания требуемого температурного режима жидкой ванны 1250-1450°С, ликвидации дефицита тепла и создания нейтрально восстановительного характера газовой фазы в конвертер вместе с дутьем нужно подавать газообразное топливо (попутный газ от других производств, природный газ и др.). В случае необходимости снижения содержания кислорода в дутье на стадии загрузки в конвертер медных цинкосодержащих материалов дутье можно разбавить азотом, получаемым попутно при производстве кислорода из воздуха.
Загрузка цинкосодержащих материалов в начало второй стадии конвертирования с появлением первых порций металлической меди в отсутствии удаленного шлака первой стадии приводит к непосредственному контакту загружаемого материала с расплавом сульфидной и металлической меди, что определяет наиболее выгодные термодинамические условия прямого восстановления соединений цинка и снижение расхода восстановителя (топлива).
Пример 1: Проведен эксперимент по совмещенной плавке медного штейна и медного цинкосодержащего материала в индукционной печи с тиглем (ТГГ-100). Расплавленный медный штейн примитивно продували воздухом с помощью стальной трубки, вертикально установленной над расплавом. Во время продувки в течение 1 часа на поверхность расплава порционно загружали флюс, медный цинкосодержащий материал, восстановитель. Затем прекращали продувку, отстаивали расплав и сливали ферритный шлак. Во втором периоде богатый медный штейн продували воздухом до черновой меди. В результате плавки 40-45% цинка удалено в возгоны, получено 80% ферритного шлака.
Пример 2: Проведен эксперимент по совмещенной плавке расплава меди и медного цинкосодержащего материала в аналогичных условиях. В первом периоде во время продувки медного штейна порционно загружали флюс. За 0,5 часа получили жидкий шлак и белый матт. Расплав отстаивали и сливали жидкий шлак. Во втором периоде белый матт продували воздухом, с появлением первых порций металлической меди на поверхность расплава порционно загружали медный цинкосодержащий материал и восстановитель, получили черновую медь, ферритный шлак и цинковые возгоны в отходящих газах. В результате плавки 75-85% цинка удалено в возгоны, получено 12% ферритного шлака.
Таким образом, осуществление предлагаемого способа переработки медных цинкосодержащих материалов позволит достигнуть снижения загрузки производственных мощностей за счет рациональной подачи материалов, а именно загрузки материалов на второй стадии конвертирования на поверхность расплава к началу времени появления первых порций металлической меди, и уменьшения расхода топлива (восстановителя) благодаря преимущественному восстановлению соединений цинка металлической медью и меньшему количеству ферритного шлака, который требует восстановления.