СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИНКА ИЗ ЦИНКОВОГО ДРОССА Российский патент 1997 года по МПК C22B7/00 C22B19/00 H05B7/00 

Изобретение относится к области получения чистых металлов, более конкретно получение цинка высокой чистоты из цинкового дросса (отходов горячего цинкования стальных полос).

Цинковый дросс, содержащий в своем составе до 93% цинка в основном в виде соединений его с железом (Fe_xZn_y), алюминием (Al_xZn_y), свинцом (Pb_xZn_y), окислов (ZnO), а также ряда других соединений (комплектов), из которых обычным расплавлением выделить его невозможно. Путем обычного нагрева удается выделить только свободный цинк, попадающий в определенных количествах из ванны цинкования вместе с дроссом, удаляемым с поверхности ванны путем обычного его съема вычерпыванием.

Известен способ гидрометаллургической переработки цинкосодержащего сырья, например шлаков горячего цинкования, заключающийся в измельчении шлака, классификации измельченного продукта, выщелачивания в растворе, фильтрации пульпы выщелачивания, сушке и осадке и переплавке металлического цинка [1] При этом выщелачивание ведется раствором аммиака под давлением 1,5-2,5 атм при температуре 118-135^oC. Недостаток способа заключается в большом количестве технологических операций и длительности процесса получения корольков металлического цинка для последующей переплавки. Применяется экологически вредный раствор аммиака. При этом не обеспечивается высокая чистота цинка.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ переработки отходов горячего цинкования [2] включающий нагрев и расплавление цинка в электропечи сопротивления с последующим введением алюминиевого лома для связывания избыточного железа в соединениях Fe_xZn_y и обработкой флюсом.

После снижения температуры производят добавление алюминиевого лома и обработку флюсом. При этом производят выдержку расплава под обработкой в течение 15 часов.

Способ обладает рядом существенных недостатков: применяемые флюсы экологически вредные, требуется дополнительное применение дорогостоящего алюминия, большая длительность обработки одной партии отходов (только процесс отстаивания расплава в течение 15 часов), и низкая чистота получаемого цинка
98,7% что не удовлетворяет требованиям к его чистоте для обеспечения высокого качества цинкового покрытия в агрегатах горячего цинкования (АГЦ).

Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является получение цинка высокой чистоты из цинкового дросса путем электронно-лучевой обработки.

Этот результат достигается тем, что воздействие электронным лучом осуществляется на среднюю часть массы дросса сфокусированным неподвижным пучком, выведенным в атмосферу, при этом начало обработки ведут с величиной мощности пучка в 1,3-1,5 раза больше технологической, плавно уменьшают ее до величины технологической мощности после проплавления пучком всей толщины дросса, дальнейшую обработку ведут пучком, мощностью равной технологической, заканчивают обработку с величиной мощности пучка равной 0,7-0,8 от технологической, при этом обработку ведут сканирующим пучком всей поверхности дросса.

При обычном расплавлении дросса (например в электропечи) цинкосодержащие комплексы Fe_xZn_y, Al_xZn_y, Pb_xZn_y и другие, а также znO не разрушаются, и цинк даже в расплаве находится в связанном состоянии. Повышение температуры выше 900-950^oC приводит к выгоранию цинка, а при более низких температурах, границей которой является температура плавления цинка, из дросса выделяется только свободный цинк, попадающий вместе с дроссом из ванны цинкования. Поэтому связанный цинк в комплексах Fe_xZn_y по известным способам получают путем удаления из них избыточного железа применением специальных флюсов.

Способ реализуется следующим образом.

Формованный, застывший слиток дросса, помещают в специальный тигель (например корундовый) и устанавливают на платформу под зону воздействия электронного пучка. Тигель имеет отверстие для выпуска готового цинка и крышку с отверстием для прохождения электронного пучка. При воздействии электронным пучком с величиной мощности в 1,3 1,5 раза больше технологической, происходит интенсивное проплавление всей толщины дросса. Избыточная энергия электронного пучка помимо быстрого проплавления дросса создает вдоль стенок образовавшегося канала в дроссе устойчивую зону расплавленного дросса, которая увеличивается к периферии по мере нагрева всей массы дросса. При взаимодействии электронного пучка с дроссом формируются распространяющиеся от оси пучка к периферии тигля радиационное и тепловое поля, вызывающее физико-химические процессы, которые приводят в разрыву связей атомов цинка с твердой структурой дросса. Освободившийся цинк стекает в нижнюю часть тигля и через выпускное отверстие тигля его непрерывно сливают в металлоприемник. Нижний предел мощности электронного пучка равный 1,3 величины технологической мощности определен из условия уменьшения времени проплавления канала в дроссе и обеспечения при этом интенсивного нагрева дросса от оси пучка к периферии тигля. При мощности пучка меньше 1,3 от технологической повышается интенсивность нагрева дросса от оси пучка к периферии тигля, но увеличивается время на проплавление всей толщины дросса, и стекающей по стенкам канала цинк, не имея возможности вытекать через выпускное отверстие, будет находиться под непосредственным воздействием электронного пучка, в результате чего происходит его выгорание и образование окиси цинка. При величине мощности пучка более 1,5 раза от технологической, начинается процесс интенсивного образования окиси цинка и выгорания (испарения) цинка в процессе проплавления канала в дроссе.

После проплавления пучком всей толщины дросса, мощность пучка плавно уменьшают до величины технологической мощности. В результате интенсивного нагрева дросса от канала к периферии тигля получают расплав дросса. Весь расплавленный в тигле дросс обрабатывают электронным пучком с величиной мощности равной 0,7-0,8 от технологической и сканированием пучка по всей поверхности расплава дросса до прекращения вытекания цинка в металлоприемник. Мощность пучка 0,7-0,8 величины технологической мощности определена экспериментальными исследованиями. Такая величина мощности пучка обеспечивает процесс освобождения цинка из комплектов дросса и поддержание температуры расплава дросса не выше 800^oC, что не приводит к выгоранию цинка. Чистый цинк через сливное устройство в тигле непрерывно, в течение всего процесса его образования, вытекает в металлоприемник и затем оправляется для загрузки ванны агрегата горячего цинкования.

Пример. Опробывание способа производилось на ускорителе электронов типа ЭЛВ-4 на АО "НЛМК". После горячего цинкования стальных полос марки 08Ю, 08пс в линии агрегата непрерывного цинкования (АГЦ) АО "НЛМК", дросс в виде сформированных слитков помещали в специально изготовленные тигли шамотный и корундовый. В центре дна тигля имелось сливное отверстие для выпуска жидкого цинка. Масса загружаемого дросса 100 кг. После наведения электронной пушки на середину массы дросса, удаленной на 50 см от его поверхности, производили воздействие на дросс электронным пучком энергией 1,5 МэВ, величина тока ускоренных электронов 1,2 мА, с последующим уменьшением энергии до 1,0 МэВ и величины тока до 0,8 мА, после проплавления пучком всей толщины дросса. После уменьшения энергии пучка до 1,0 МэВ наряду с плавлением дросса и стекания свободного цинка через центральный канал, под воздействием радиационного и теплового полей происходит разрыв связей атомов цинка с твердой структурой дросса и образования дополнительного чистого цинка. Полное расплавление дросса прошло через 20 мин, после чего мощность плавно уменьшили до 0,8 МэВ и величину тока до 0,8 мА. Затем расплав дросса обрабатывали сканирующим развернутым пучком со скоростью перемещения его 80 см/мин, развертка пучка - 100 мм. Обработка сканирующим пучком расплавленного дросса до полного выпуска всего цинка исключает застывание расплава и дополнительно идет процесс выделения чистого цинка из оставшихся частиц неразрушенных комплексных соединений цинка в расплаве и на его поверхности. Образующийся в процессе обработки дросса чистый цинк сливался в металлоприемник через сливное устройство в дне тигля, которое до полного расплавления всего дросса находится под воздействием электронного пучка, что предотвращает застывание цинка в сливном отверстии. Цикл обработки одного 100 кг слитка дросса составил 40 мин. Многократный анализ проб ванны цинкования показал, что чистота цинка в ванне составляет 99,5-99,6% а по прототипу 98,7% Чистота цинка, получаемая по предлагаемому способу, удовлетворяет требованиям к его чистоте для агрегатов горячего цинкования, обеспечивающих высокое качество покрытия.

Предлагаемый способ позволяет получать цинк высокой чистоты, процесс экологически чистый и высокопроизводительный. Экономический эффект от применения способа, в результате многократного выделения цинка из дросса составит только по агрегату горячего цинкования на АО "НЛМК" 1,2-1,5 млрд. руб. в год.

Использование: область получения чистых металлов, может быть использовано для получения цинка из цинкового дросса. Сущность: получение цинка из цинкового дросса осуществляют путем расплавления дросса, которое ведут сфокусированным неподвижным электронным пучком, выведенным в атмосферу на среднюю часть массы дросса, при этом начальную обработку ведут с величиной мощности пучка в 1,3-1,5 раза больше технологической до проплавления пучком всей толщины дросса, плавно уменьшают ее до величины технологической мощности, и обработку ведут до полного расплавления дросса, и затем дальнейшую обработку ведут с величиной мощности пучка, равной 0,7-0,8 от технологической, сканирующим пучком по всей поверхности дросса 1 з. п. ф-лы.

1. Способ получения цинка из цинкового дросса, включающий расплавление дросса и дальнейшую его обработку, отличающийся тем, что расплавление дросса ведут сфокусированным неподвижным электронным пучком, выведенным в атмосферу на среднюю часть массы дросса, при этом начальную обработку ведут с величиной мощности пучка в 1,3 1,5 раза больше технологической до проплавления пучком всей толщины дросса, плавно уменьшают ее до величины технологической мощности, при этом обработку ведут до полного расплавления дросса, а дальнейшую обработку ведут с величиной мощности пучка, равной 0,7 0,8 от технологической. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дальнейшую обработку ведут сканирующим пучком по всей поверхности дросса.