СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛА ИЗ СОДЕРЖАЩЕГО ЭТОТ МЕТАЛЛ ШЛАКА
METHOD AND INSTALLATION FOR EXTRACTION OF METAL FROM SLAG CONTAINING THIS METAL

Изобретение относится к способу извлечения металла из содержащего этот металл шлака, при котором ожиженный металлсодержащий шлак нагревают в по меньшей мере одной электродуговой печи. Изобретение относится также к установке для извлечения металла из содержащего этот металл шлака.
При расплавлении медного концентрата получаются медный штейн и шлак. Шлак содержит медь как в растворенном виде, так и в виде механически превращенных включений штейна. Существуют два основных способа очистки шлака: флотация шлака после закалки, измельчения и размола и пирометаллургическое восстановление жидкого шлака.
Пирометаллургическая очистка шлака чаще всего реализуется в трех вариантах:
1) в электродуговой печи переменного тока путем восстановления коксом и электродами, предварительного нагрева шлака и отстаивания,
2) в горизонтальных цилиндрических вращающихся печах путем вдувания восстановителя, например в шлакоочистительной печи Тениенте,
3) в вертикальном конвертере с вдуванием восстановителя, например во вращающемся конвертере с верхним дутьем (TBRC, от англ. «Top-Blown Rotary Conventer») или по технологии «Isasmelt».
Очистка шлака требует восстановления магнетита с тем, чтобы высвободить суспендированные включения и обеспечить возможность их осаждения, а также допустить совместное восстановление медистого оксида.
Наиболее распространенная очистка медного шлака в электродуговых печах переменного тока требует относительно большой печи из-за необходимой длительности восстановления и отстаивания, которые составляют от 3 до 8 часов. Вследствие большого удельного влияния тепловых потерь это приводит к относительно большому удельному потреблению электроэнергии. Очистку шлака в электродуговой печи проводят как периодический или полунепрерывный процесс. Гибкость электродуговой печи при регулировании температуры позволяет правильно производить предварительное нагревание шлака. Однако образование диспергированных металлических включений меди в качестве продукта восстановления медистого оксида вместе с частью небольших включений медного штейна ограничивает разделение фаз и достигаемое извлечение меди.
Из US 4110107 известен способ извлечения металлов из металлсодержащих шлаков, в частности из железисто-медистого шлака, в плавильной печи. Расплавленный шлак загружают в электродуговую печь, в которой происходит расплавление. Чтобы доставить углерод в донную часть ванны расплавленного металла, применяется устройство вдувания углерода. В ванну необязательно добавляют также шлакообразователь, такой как, например, СаО. После восстановления металл отводят из печи.
Аналогичный способ извлечения, в частности, никеля и медно-никелевой смеси из шлакового расплава известен из US 4036636. Там магнетит в шлаке восстанавливают углеродсодержащими материалами. При этом во время протекания восстановления шлака осуществляется его перемешивание с помощью механической мешалки.
Из WO 01/49890 A1 известен способ получения конвертерной меди непосредственно из концентрата сульфата меди, при котором медь получают в реакторе из тонкоизмельченного и охлажденного медного штейна при обогащении кислородом. Обогащение кислородом производится путем подачи обогащенного кислородом воздуха, в котором содержание кислорода составляет 50%. Конвертерная медь, называемая также «пузыристой медью», представляет собой нерафинированную пузыристую медь. Медь в расплавленном состоянии обладает более высокой растворимостью газов, чем твердый металл. При остывании газы выделяются в меди в виде маленьких пузырьков (по-английски «blister»).
В US 4060409 представлена пирометаллургическая система, с помощью которой металл может удерживаться в расплавленном состоянии. Система включает в себя сосуд для приема материала, причем внутри этого сосуда образовано множество ячеек одинакового размера. Кроме того, предусмотрено множество механических мешалок с тем, чтобы расплавленный материал можно было перемешивать.
3
4
В US 6436169 раскрывается способ эксплуатации медеплавильной печи, при котором в печь добавляют железосодержащее вещество с более чем 80 массовыми процентами железа, плотность которого составляет от 3,0 до 8,0; при этом диаметр частиц находится в диапазоне между 0,3 и 15 миллиметрами. Железосодержащее вещество добавляют к железосодержащему медному шлаку. Тем самым проводят восстановление FeO до FeO.
Из ЕР 0487032 В1 известна установка для непрерывной выплавки меди. Она содержит плавильную печь для плавки и окисления медного концентрата с целью получения смеси штейна и шлака. Кроме того, предусмотрена разделительная печь для отделения штейна от шлака. В конвертерной печи отделенный от шлака штейн окисляется для получения черновой меди. Плавильная печь, разделительная печь и конвертерная печь соединены между собой желобами для выпуска расплава. Для рафинирования меди, полученной в конвертерной печи, предусмотрены анодные печи.
Соединение между конвертерной печью и анодными печами обеспечено с помощью желоба для черновой меди.
В ЕР 0487031 В1 раскрывается способ непрерывной выплавки меди. Здесь также предусмотрены плавильная печь, разделительная печь и конвертерная печь, которые соединены между собой проточными соединительными средствами. Кроме того, предусмотрены анодные печи, которые находятся в проточном соединении с конвертерной печью. Медный концентрат загружают в плавильную печь, где происходят плавка и окисление концентрата с получением смеси из роштейна и шлака. Затем эту смесь из роштейна и шлака подают в разделительную печь, в которой происходит отделение роштейна от шлака. После этого отделенный от шлака роштейн направляют в конвертерную печь, где он окисляется с получением черновой меди. Затем черновая медь перетекает в одну из анодных печей, где получают медь.
Другие решения частично аналогичного рода известны из US 5765489, из DE 2707578 A1 и из US 5479433.
Известные ранее способы извлечения металла из содержащего этот металл шлака в отношении их эффективности еще нуждаются в усовершенствовании. Поэтому в основу изобретения положена задача создания усовершенствованного способа извлечения, в частности, меди из шлака.
Решение этой задачи с помощью изобретения отличается тем, что металлсодержащий шлак нагревают в первой печи, выполненной в виде электропечи переменного тока, и расплав передают из первой печи во вторую печь, выполненную в виде электропечи постоянного тока.
Предпочтительно предусмотрено, что извлекаемым металлом является медь, находящаяся в медьсодержащем шлаке.
Таким образом, изобретение касается извлечения меди с помощью расплавления и преобразования медного шлака путем двухступенчатого восстановления шлака и отстаивания в электродуговой печи переменного тока и восстановительной канальной печи постоянного тока, предпочтительно, как это будет показано ниже, с использованием электромагнитного перемешивания.
Предложенный способ может быть также применен для извлечения таких металлов, как свинец, цинк, платина или никель, из соответствующих их шлаков.
В первой печи, выполненной в виде электропечи переменного тока, предпочтительно происходят предварительное восстановление шлака и осаждение металлического штейна, в частности медного штейна, причем затем во второй печи, выполненной в виде электропечи постоянного тока, происходят углубленное восстановление шлака и удаление включений.
Во второй печи, выполненной в виде электропечи постоянного тока, предпочтительно происходит электролитическое осаждение извлекаемого металла.
Существенного усовершенствования процесса извлечения удается дополнительно добиться в том случае, когда также предусматривают, что во второй печи, выполненной в виде электропечи постоянного тока, во время извлечения металла происходит электромагнитное перемешивания расплава. Для создания электромагнитного перемешивания на расплав, находящийся во второй печи, может оказывать воздействие по меньшей мере один электромагнит. Альтернативно, для этого может быть также предусмотрен по меньшей мере один постоянный магнит. Особенно предпочтительно этот по меньшей мере один магнит создает магнитное поле между 50 и 1000 гаусс, причем магнитное поле захватывает по меньшей мере часть поперечного сечения расплава и области электродов во второй печи.
В первую печь во время нагревания предпочтительно добавляют восстановитель, в частности кокс.
На поверхность расплава во второй печи может вводиться углеродсодержащий материал, в частности кокс, таким образом, что образуется слой с по существу постоянной толщиной, причем этот слой, действующий в качестве анода, находится в контакте с электрическим соединением.
В донной области под расплавом во второй печи может сохраняться слой из металлического штейна, в частности из медного штейна, с по существу постоянной толщиной, причем этот слой, действующий в качестве катода, может находиться в контакте с электрическим соединением.
Установка, которая выполнена, в частности, для осуществления способа согласно изобретению, отличается первой печью, выполненной в виде электропечи переменного тока, и второй печью, выполненной в виде электропечи постоянного тока, причем между первой и второй печами имеется соединительное средство для расплава, в частности проточный желоб.
Первая печь может иметь два электрода, которые погружаются в находящийся в первой печи расплав и подключены к источнику переменного тока. Вторая печь может иметь два выполненных пластинчатыми электрода, которые расположены простирающимися горизонтально в верхней области и в нижней области находящегося во второй печи расплава и подключены к источнику постоянного тока. Находящийся в верхней области электрод может быть выполнен в виде коксовой постели, которая соединена с электрическим контактом, в частности с графитовым электродом. Находящийся в нижней области электрод может быть выполнен в виде слоя из металлического штейна, в частности из медного штейна, который соединен с электрическим контактом, в частности с графитовым электродом. Вторая печь предпочтительно выполнена в виде канальной печи. Наконец, установка предпочтительно имеет магниты, в частности электромагниты, в боковых областях второй печи, магнитные силовые линии которых проходят по меньшей мере частично под прямым углом к направлению тока в по меньшей мере некоторых из этих токопроводящих элементов. Таким образом, может возникнуть сила Лоренца, создающая эффект электромагнитного перемешивания.
Таким образом, в изобретении предлагаются двухступенчатое восстановление шлака и извлечение меди в двух электродуговых печах. Первая печь - электродуговая печь трехфазного переменного тока - служит для предварительного восстановления шлака и осаждения медного штейна с последующими углубленным восстановлением шлака и удалением включений в восстановительной канальной печи постоянного тока с электромагнитным перемешиванием. Применение электромагнитного перемешивания, улучшающего массопередачу на поверхности восстановления и слияние включений, совместно с электролизом шлака и электрокинетическими явлениями обеспечивает эффективную очистку шлака и высокий уровень извлечения меди.
На чертежах представлен пример реализации изобретения, где изображены:
на фиг.1 - схематическое изображение электродуговой печи трехфазного переменного тока и находящейся ниже по технологической цепочке восстановительной канальной электропечи постоянного тока и
на фиг.2а и фиг. 2b - соответственно вид спереди в разрезе и вид сбоку в разрезе восстановительной канальной электропечи постоянного тока для углубленного восстановления шлака и удаления включений с использованием коксовой постели и жидкого медного штейна в качестве электродов.
На фиг.1 показана первая печь 1 в виде электропечи переменного тока, к которой подсоединена вторая печь 2 в виде электропечи постоянного тока. Приготовленный в печи 1 расплав медного шлака по соединительному средству 8 в виде желоба для расплава направляют во вторую печь 2.
В первую печь 1, а именно в находящийся в этой печи шлаковый расплав, опущены два электрода 9 и 10 в виде графитовых электродов, подключенных к источнику переменного тока 11.
Вторая печь 2 имеет шлаковый впуск 16, а также шлаковый выпуск 17 для шлака 15. Во второй печи находятся два электрода 4 и 5, которые образованы пластинчатыми по форме. Оба электрода 4, 5 через электрические соединения в виде графитовых контактных электродов 6 и 7 соответственно подключены к источнику 12 постоянного тока. Горизонтально расположенный верхний электрод 4 соединен с положительным полюсом источника 12 постоянного тока и служит анодом. Соответственно, также горизонтально расположенный нижний электрод 5 соединен с отрицательным полюсом источника 12 постоянного тока и служит, таким образом, катодом. Посредством электролитического процесса выделяют медь.
Как можно видеть из фиг.2, вторая печь 2 выполнена как канальная печь. По бокам установлены электрические катушки 13 и 14 на металлических сердечниках, которые образуют тем самым электромагниты 3. С помощью этих магнитов создается эффект электромагнитного перемешивания, в результате которого расплав во второй печи перемешивается (см. ниже).
В соответствии с процессом согласно изобретению жидкий расплав обрабатывается в основном в электродуговой печи 1 переменного тока. Магнетит и медистый оксид в шлаке реагируют с углеродом графитовых электродов 9, 10 и с добавленным коксом согласно уравнениям:
3
4
2
FeO+CO=3FeO+CO
2
2
CuO+CO=2Cu+CO
2
CO+C=2CO
Восстановление медистого оксида ограничивается совместным восстановлением магнетита. Условия совместного восстановления определяются равновесием следующей реакции:
2
шлак
шлак
металл
3
4
шлак
(CuO)+3(FeO)⇔2(Cu)+(FeO)
Содержание меди в расплавленном шлаке находится межу 2 и 10%, а содержание магнетита - между 10 и 20% в зависимости от способа выплавки и качества произведенного штейна.
Первый этап переработки шлака в электродуговой печи 1 переменного тока концентрируется на восстановлении магнетита до уровня от 7 до 8% и до содержания меди от 0,8 до 1,2%, что требует удельного потребления электроэнергии от 50 до 70 кВт·ч/т в зависимости от первоначального состава шлака. Вышеуказанная степень восстановления шлака позволяет сократить время восстановления примерно на 50%, что соответствует двукратному повышению производительности печи. Шлак выпускают непрерывно или с регулярными интервалами во вторую восстановительную канальную печь 2 постоянного тока.
Коксовая постель 4 на поверхности шлака, которую графитовый электрод 6 соединяет с источником 12 постоянного тока, выполняет функцию анода, а катодом в восстановительной канальной печи 2 постоянного тока является жидкий штейн 5 в контакте с графитовым блоком 7.
Со стороны впуска в печь в окне печного тигеля, а именно на половине высоты шлакового слоя, установлены два блока постоянных магнитов. Взаимодействие неоднородного горизонтального магнитного поля с неоднородным вертикальным постоянным электрическим полем создает градиент силы Лоренца, действующей на шлак.
Сила Лоренца, действующая в любом элементарном объеме токопроводящей жидкости, такой как, например, жидкий шлак, в накладываемых друг на друга постоянных электрических и магнитных полях, очевидно, изменяет относительную плотность жидкости:
А
γ=γ±j+B,
А
-3
где γ - кажущаяся относительная плотность в Н·м,
-3
γ - относительная плотность в Н·м,
-2
j - плотность тока в жидкости в А·м,
В - магнитная индукция в Тл.
2
При вышеупомянутой силе и плотности тока от 200 до 2000 А/м, а также при напряженности магнитного поля от 0,005 до 0,1 тесла скорость шлака является на 1-2 порядка величины большей по сравнению с естественными скоростями конвекции. Она приводит шлак в области магнита в интенсивное вращение, в результате чего улучшается перенос магнетита на поверхность кокса и ускоряется восстановление. Поскольку при высокой температуре восстановления шлака (1200-1300°С) реакции восстановления магнетита и совместного восстановления медистого оксида лимитируются массопереносом, перемешивание шлака существенно повышает скорость восстановления.
Кроме того, перемешивание шлака препятствует застою жидкости и гомогенизирует шлак. Перемешивание шлака на первом этапе способа имеет положительное значение для удаления включений, поскольку повышается вероятность их столкновения и их слияния.
Движение шлака увеличивает вероятность столкновения включений штейна и металлической меди, в результате чего улучшаются их слияние и осаждение. Вторая часть канальной печи 2 не испытывает никакого интенсивного движения шлака и обеспечивает спокойное осаждение включений.
Благодаря ионной структуре жидкого шлака постоянный ток вызывает электролиз шлака. Катодное восстановление и анодное окисление приводят к восстановлению магнетита, осаждению меди и образованию монооксида углерода на электродах в соответствии со следующими реакциями:
На катоде:
Fe<sup>3+</sup>+e=Fe<sup>2+</sup>
Cu<sup>+</sup>+e=Cu<sup>0</sup>
На аноде:
SiO<sub>4</sub> <sup>-4</sup>+2C=SiO<sub>2</sub>+2[CO]+4e
O<sup>2-+</sup>C=[CO]+2e
Катодные разложение магнетита и осаждение меди повышают общую скорость восстановления магнетита и извлечения меди. Выделение СО как анодного продукта дает дополнительные центры восстановления магнетита.
Дополнительная сила, действующая на металлические включения в результате кажущегося изменения относительной плотности шлака и взаимодействия тока в металле и магнитного поля, равна:
EMB
3
F=2πjBr,
EМВ
где F - подъемная сила в Н,
2
j - плотность тока в А/м,
В - индуктивность магнитного поля в Тл,
r - радиус включения в м.
Взаимодействие электрического поля с поверхностным электрическим зарядом на поверхности включений заставляет капли металла мигрировать вдоль силовых линий электрического поля; скорость такой миграции, известной как явление электрокапиллярного движения, описывается формулой Левича:
EM
-1
где V - скорость миграции в м·с,
-2
ε - поверхностный заряд в кулон·м,
-1
Е - напряженность электрического поля в В·м,
s
η - вязкость шлака в Па·с,
-1
-1
k - удельная проводимость шлака в Ом·м,
2
w - сопротивление границы раздела металл/шлак в Ом·м.
Исходя из плотности электрических зарядов скорость миграции металла или включений штейна согласно вышеприведенной формуле с увеличением радиуса капли падает. Скорость миграции у более мелких включений существенно выше, чем при осаждении под действием силы тяжести.
Обработка шлака в наложенных друг на друга электрическом и магнитном полях использует ряд явлений, под действием которых процесс очистки шлака становится очень интенсивным и эффективным. Электромагнитное перемешивание шлака усиливает массоперенос, в результате чего ускоряется восстановление шлака и улучшается слияние включений. Одновременный электролиз шлака с катодным восстановлением магнетита и оксида меди и с анодным образованием монооксида углерода действует как дополнительный восстановитель. Электрокапиллярная миграция включений благоприятствует их слиянию и способствует удалению включений из шлака.
Пример:
3
4
3
4
Шлак из расплава концентрата в пламенном плавильном агрегате содержит 4% Cu и 15% FeO. Шлак выпускают каждые 3 часа и транспортируют по желобу в электродуговую печь 1 трехфазного тока мощностью 9,5 МВт. Количество произведенного шлака составляет 30 т/ч, что соответствует переработке 90 т за каждый цикл. Расход кокса составляет примерно 8 кг/т, а потребление электроэнергии - примерно 70 кВт·ч/т, соответствующее средней потребляемой мощности 6,3 МВт. Через один час начинается выпуск шлака из электродуговой печи в течение двухчасового периода времени. Шлак с содержанием Cu 1,1% и 7% FeO по желобу 8 транспортируют в электродуговую печь 2 постоянного тока с камерой длиной 4 м и шириной 1 м. Восстановительная канальная печь для полунепрерывной очистки шлака изображена на фиг.2. Шлак в течение двух часов непрерывно течет через восстановительную канальную печь 2. При уровне шлака 1 м средняя длительность обработки составляет примерно 30 минут. При тепловых потерях в печи порядка 1 ГДж/ч удельное потребление электроэнергии составляет примерно 35 кВт·ч/т, а необходимая потребляемая мощность - 1 МВт. При оценочном напряжении 100 В сила тока составляет по порядку величины 10 кА. Оценочный расход кокса равен примерно 2 кг/т. Готовый шлак содержит 0,5% Cu и 4% магнетита. Общее потребление электроэнергии составдяет 105 кВт·ч/т, а расход кокса - 10 кг/т.
Таким образом, способ в соответствии с изобретением работает согласно примеру его реализации как двухступенчатая очистка медного шлака в электродуговых печах.
Загрузка шлака в первую электродуговую печь 1 может производиться периодически или непрерывно. В этой печи 1 в расплавленный шлак вводят графитовые или угольные электроды и по ним осуществляют подачу тока. На поверхность шлака подают кокс или какой-либо другой восстановитель. Регулирование температуры шлака в шлакоочистительной печи происходит за счет регулирования потребляемой мощности. Наконец, выпуск извлеченных металлов происходит в виде медного штейна и металлической меди.
Периодический или непрерывный выпуск шлака может производиться также и в канальной печи 2 постоянного тока. Постоянный ток подается между функционирующим в качестве анода слоем кокса на поверхности шлака и функционирующим в качестве катода жидким штейном. Наложенное, локально ограниченное магнитное поле, создаваемое электромагнитами или постоянными магнитами, используется для приведения шлака в движение. Для того чтобы толщина слоя кокса оставалась постоянной и чтобы поддерживались благоприятные условия электрического контакта с графитовым или угольным электродом, на поверхность шлака загружают кокс. Здесь также может производиться непрерывный или периодический выпуск готового очищенного шлака. Равным образом периодически может осуществляться выпуск медного штейна или медного штейна вместе с металлической медью. Кроме того, в качестве жидкого катода на дне печи сохраняется слой медного штейна (меди), причем этот катод находится в контакте с графитовым блоком.
Медный шлак может являться тем самым шлаком, который был получен при переплавке медного концентрата на медный штейн или прямо в конверторную медь, а также тем шлаком, который был получен при конверсии медного штейна.
В качестве первой электродуговой печи 1 может быть использована классическая электродуговая печь трехфазного переменного тока или электродуговая печь постоянного тока.
Индукция наведенного постоянными магнитами или электромагнитами магнитного поля предпочтительно находится в диапазоне от 50 до 1000 гаусс, причем постоянное магнитное поле перекрывает часть поперечного сечения жидкого шлака в области электрода или электродов в контакте с коксовой постелью.
В качестве электродов предпочтительно применяют графитовые или угольные электроды. Место расположения электродов позволяет линиям тока пересекать силовые линии магнитного поля. Оптимальное расположение электродов приводит к тому, что линии тока проходят перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.
Как было выяснено, слой жидкого металла или металлического штейна под шлаком контактирует с графитовым или другим электродом, который выполняет функцию катода; углерод или слой кокса на поверхности шлака контактирует с графитовым или другим электродом, который выполняет функцию анода.
Сила постоянного тока предпочтительно составляет в диапазоне между 500 и 50000 А в зависимости от величины шлакоочистительного агрегата, количества шлака и температуры.
Хотя предлагаемый способ препочтительно предназначен для извлечения меди, он может быть использован также и для других металлов, таких как свинец (Pb), цинк (Zn), платина (Pt) или никель (Ni).
Благодаря двухступенчатому восстановлению шлака и извлечению меди в двух электродуговых печах добиваются того, что первая электродуговая печь трехфазного тока может применяться для предварительного восстановления шлака и осаждения медного штейна с последующими углубленным восстановлением шлака и удалением включений в восстановительной канальной электропечи постоянного тока с электромагнитным перемешиванием. Использование электромагнитного перемешивания, улучшающего массоперенос на поверхности восстановления и слияние включений, совместно с электролизом шлака и электролитическими явлениями обеспечивает эффективную очистку шлака и высокую степень извлечения меди.
Список ссылочных позиций
1
первая печь (печь переменного тока)
2
вторая печь (печь постоянного тока)
3
электромагнит
4
электрод (анод)
5
электрод (катод)
6
электрическое соединение (графитовый электрод)
7
электрическое соединение (графитовый электрод)
8
соединительное средство
9
электрод
10
электрод
11
источник переменного тока
12
источник постоянного тока
13
электрическая катушка
14
электрическая катушка
15
шлак
16
впуск шлака
17
выпуск шлака