СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА ЦИНКА ВЕЛЬЦ-ПРОЦЕССОМ ИЗ ЦИНКСОДЕРЖАЩИХ ПЫЛЕЙ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ Российский патент 2024 года по МПК C22B19/34 C22B7/02 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно - к производству оксида цинка с использованием вельц-процесса.

Известно, что в процессе вельцевания цинксодержащих материалов в гранулы добавляют флюс для обеспечения требуемого силикатного модуля (до 3,0 ед.), влияющего на образование настылей во вращающейся трубчатой печи. В качестве флюсов используют известняк или известь. Известь, кроме добавки CaO (офлюсования), дополнительно улучшает способность шихты к грануляции [Козлов П.A. и др. Переработка цинксодержащей пыли электродуговых печей. Журнал "Цветные металлы", N7, Издательский дом "Руда и Металлы", 2009.]. Добавка оксида кальция также способствует повышению степени извлечения ценных компонентов в вельц-оксид и растворы [RU2484153].

Известен способ переработки пылей ЭДП по патенту RU2653394, согласно которому пыль ЭДП смешивают с флюсом - известняком в количестве 4÷5% от веса пылей, для обеспечения отношения CaO/SiO2= 0,9÷1,1 и коксиком (коксовая мелочь). Расход коксика 230-250 кг/т пыли. Шихту окатывают со связующим (известь, расход 1÷2%) и направляют на вельцевание I (температура в реакционной зоне печи 1250°С). Черновой вельц-оксид (смесь феррита и оксида цинка, с галогенидами цинка и свинца) направляют на вельцевание II (температура в реакционной зоне печи 900-1000°С). В процессе вельцевания II в возгоны переходят галогениды и свинец, а в клинкере остается смесь оксида и феррита цинка. Клинкер направляется на гидрометаллургическую переработку с извлечением цинка в раствор.

Недостатками указанного способа является:

- использование минерального сырья - известняка, или извести, получение которых требует затрат.

- низкая прочность гранул шихты при использовании известняка.

Известно решение по патенту RU2732817, в котором описывается переработка цинксодержащей пыли электродуговых печей, включающий операции смешения, окатывания, добавления коксовой мелочи, вельцевания, отличающийся тем, что пыль электродуговых печей смешивают и окатывают с материалом, содержащим оксид алюминия, обеспечивающим добавку оксида алюминия в количестве 8-12% от содержания в пыли оксида кальция, при этом в качестве материала, содержащего оксид алюминия, используют отход производства цинкалюминиевых сплавов в виде цинкалюминий содержащей изгари. В аналоге указано, что используется 8÷12% от содержания в пыли оксида кальция. В описании также указано, что может доходить до 14%. Недостатком этого решения является то, что добавка не способствует повышению прочности гранул - она не имеет свойств гидравлического вяжущего.

Bз уровня техники известно решение по патенту RU2104310, в котором действительная основность шлака CaO/SiO2=1,7, т.е. выше 1. Также из уровня техники известен способ извлечения металлов при сжигании твердого топлива на расплаве [RU2009204], в котором описано использование оксидов кальция, находящихся в минеральной смеси, которая содержит как активный СаО, так и минералах с кремнием и алюминием, при этом содержание SiO2+Al2O3 составляет 5 - 55%. Измельчение до уровня не менее 80% класс - 0,04 мм - известно в технике и не существенный признак для достижения заявленного результата.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является авт. св-во СССР №1731850А1, кл. С22В 19/38, 05.06.90. опубл. бюл. № 17 от 07.05.1992 г., в котором описана шихта, содержащая следующие компоненты, мас.%: цинксвинецсодержащий шлак - 32-46; - кальцийсодержащие хвосты от очистки сточных вод - 28-40; - твердый углеродистый восстановитель - остальное. Главным недостатком этого решения является то, что при его реализации вельц-возгоны (конечный продукт вельцевания) содержат в своем составе значительное количество свинца, который усложняет дальнейшую гидрометаллургическую переработку. Кроме того, кальцийсодержащие хвосты от очистки сточных вод не имеют свойств гидравлического вяжущего, и поэтому не могут улучшить прочность гранул. Соответственно, поскольку гранул получатся непрочными, при вельцевании шихты будет выделяться значительное количество пыли, что способствует повышенному расходу минерального сырья, к числу которого относится кальцийсодержащие хвосты.

Кальцийсодержащие хвосты не могут обеспечить повышение прочности гранул, поскольку оксид кальция в них находится в гидратированной (CaOH₂) или карбонатной форме (CaCO₃), которая не может улучшить грануляцию и повысить прочность гранул. Кальцийсодержащие хвосты сточных вод могут выступать в качестве флюса, но при этом не могут обеспечить высокого качества гранул шихты.

Задачей изобретения является решение указанных проблем.

Технический результат изобретения заключается в повышении прочности гранул шихты, что снижает выбросы пыли, а также способствует снижению затрат минеральных ресурсов - известняка и извести.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ получения оксида цинка, включающий смешение пыли электродуговых печей (ЭДП) с добавкой в виде пыли сталеплавильного производства в количестве, обеспечивающем добавку оксида кальция до основности всей шихты до заданного уровня 3 ед., и коксика в количестве 1-2% к весу пыли, а также включающий окатывание и вельцевание, отличающийся тем, что в состав шихты подают добавку пыли сталеплавильного производства, которая содержит оксида кальция не менее 20%, преимущественно в активной форме, основностью (CaO/SiO₂) выше 1, по содержанию SiO₂+Al₂O₃ выше 5%, причем не менее 80% объема пыли предварительно измельчают до уровня не менее 40 мкм.

Осуществление изобретения

Заявленный способ получения оксида цинка вельц-процессом из цинксодержащей пыли электродуговых печей, основан на смешении пыли электродуговых печей с добавкой, которая:

А) содержит оксид кальция в форме CaO для офлюсования в количестве не менее 20% и основностью (CaO/SiO2) выше 1 (для добавки СаО в шихту), при этом окисид кальция находится в форме активного CaO;

Б) является отходом производства (для снижения расхода минеральных ресурсов);

В) оксиды кальция находятся в минеральной смеси, которая содержит как активный СаО, так и минералах с кремнием и алюминием (для обеспечения связующих свойств добавки), при этом содержание SiO₂+Al₂O₃ не должно быть ниже 5%.

Г) измельчается до уровня не менее 80% класс - 40 мкм (для активации силикатов и алюмосиликатов кальция).

Реализация этих условий по отдельности не позволяет достичь эффекта. Так, если не выполняется условие А, то материал не может быть флюсоми не может обеспечивать повышение прочности гранул.

Если не выполняется условие использования отходов производства (Б), то в качестве флюса в шихту добавляется известняк, известь или другой СаО-содержащий материал, извлекаемый из недр.

Если не реализуется условие В, то материал не будет обладать связующими свойствами и гранулы не будут прочными достаточно длительно время. Это связано с тем, что силикаты и алюмосиликаты кальция при реакции с водой образуют твердеющую цементную смесь. Добавка такой смеси в состав сырья для вельцевания позволяет повысить прочность гранул (за счет твердения). Если содержание суммы оксидов SiO₂+Al₂O₃ будет ниже указанного продела, то содержание силикатов и алюмосиликатов кальция будет недостаточно для формирования прочности гранул.

Реализация условия Г требуется для активации соединений кальция, кремния и алюминия, которые будут связующими веществами в гранулах. Степень измельчения соответствует требованиям к цементной промышленности.

Таким образом, реализация заявленного способа возможна только в совокупности заявленных признаков. В качестве такой добавки возможно использование пыли сталеплавильного производства, которых соответствует всем этим условиям.

Процесс вельцевания ведут в одну стадию.

Способ осуществляется следующим образом.

Пыль ЭДП смешивают с добавкой (пыль сталеплавильного производства) в количестве, добавку оксида кальция до основности всей шихты до заданного уровня (до 3 ед.), и коксика в количестве 1-2% к весу пыли. Добавка перед использованием измельчается для активации связующих. Полученная шихта поступает на окатывание в тарельчатый гранулятор, в который подается вода для обеспечения влажности гранул 12-14%. Гранулы загружаются в вельц-печь. Вельцевание ведут при температуре в реакционной зоне 900-1000°С. Клинкер из печи выгружается с последующей транспортировкой на выщелачивание цинка.

Подача добавки позволяет:

- снизить расход известняка и извести;

- получить прочные гранулы и за счет этого - повысить эффективность вельц-процесса.

Снижение расхода известняка и извести позволяет снизить затраты минеральных ресурсов, а прочные гранулы позволяет эффективно осуществлять вельц-процесс с минимальными выбросами пыли. Эти отличительные признаки в совокупности и достигаемый ими эффект (который выражается в улучшении окомкования и снижении расхода кальцийсодержащих продуктов) составляют отличие от наиболее близкого аналога.

Так, в прототипе не достигается улучшение прочности гранул при окомковании шихты, и не реализуется эффект от вяжущих свойств добавки. Это связано с тем, что кальцийсодержащие хвосты очистки сточных вод содержат кальций в виде гидратов или карбонатов, и его добавка повышает основность шихты, но не способствует улучшению свойств гранул. Кроме того, ни один из близких аналогов не обеспечивает технический эффект от патентуемого способа - повышение прочности гранул шихты.

Пример реализации способа.

Для исследований использованы следующие материалы:

1) пыль ДСП ;

2) пыль сталеплавильного производства;

3) флюс (известь и смесь известняка с известью).

В таблицах 1 и 2 приведен химический и гранулометрический составы материалов, соответственно.

Таблица 1. Химический состав материалов. Наименование пыли W, % Химический состав, % B3 Fe SiO₂ Al₂O₃ CaO F MgO S Zn Cl Pb С Пыль ДСП 0,54 28,73 4,55 1,06 9,37 0,11 1,79 0,9 22,42 3,71 2,68 0,2 2,45 пыль сталеплавильного производства 0,48 19,2 7,25 3,09 22,26 0,04 26,99 1,79 3,27 0,19 0,16 0,2 6,79 Известковая пыль 0,45 2,29 3,45 83,49 3,04 Известково-известняковая пыль 0,09 3,04 0,32 66,14 3,15

Таблица 2. Гранулометрический состав пылей, %. № Размер частиц, мкм Пыль ДСП пыль сталеплавильного производства 1 < 1 0,00 0,00 2 1-2 34,35 33,60 3 2-3 21,20 20,65 4 3-5 13,10 12,55 5 5-10 5,95 6,05 6 10-15 8,55 8,60 7 15-20 3,60 3,60 8 20-30 2,35 2,20 9 30-40 0,55 0,60 10 40-45 0,25 0,25 11 45-50 0,45 0,45 12 50-56 0,70 0,80 13 56-60 0,40 0,50 14 60-70 0,80 1,25 15 70-71 0,00 0,05 16 71-80 0,55 0,95 17 80-100 1,40 2,00 18 100-150 3,85 4,05 19 150-200 1,60 1,50 20 200-250 0,35 0,35 21 250-300 0,00 0,00

Содержание частиц до 40 мкм (строки с 1 по 9 таблицы 1) в пылях ДСП и сталеплавильного производства составляет 89,65% и 87,85%, соответственно. Содержание активного оксида кальция в добавке (пыль сталеплавильного производства) составляет 11,2%.

Был проведен эксперимент по получению гранул из этих материалов. Основность шихты B3 была 3 единицы. Состав шихты исследования приведен таблице 3.

Таблица 3. № Пыль Опыт Состав шихты, % B₃ Пыль Коксик известь известково-известняковая пыль Сталеплавильная пыль 1 Пыль ДСП с известковой пылью 1 88,40 8,84 2,76 0 0 3,0 2 Пыль ДСП с известково-известняковой пылью 2 87,61 8,76 0 3,63 0 3,0 3 Пыль ДСП с пылью сталеплавильного производства 3 83,99 8,40 0 0 7,61 3,0

Расход флюса зависит от содержания в нем оксидов кальция. При этом, использование пыли сталеплавильного производства (опыт 3) позволяет отказаться от использования извести и известняка, полностью заменив их отходом производства. Этим подтверждается эффект экономии материальных ресурсов, и в частности, известняка и извести.

Эксперимент по грануляции был проведен в лабораторном чашевом грануляторе (угол наклона 48°град, ∅ = 0,8 м). Подготовка шихты состояла в дозировании материалов, смешивании и выдержки шихты в течение 15 минут для равномерного распределения частиц её составляющих. Вес шихты для каждого опыта составлял ~5 кг. Шихта загружалась в гранулятор и увлажнялась подачей воды в количестве, необходимом для формирования гранул. Полученные гранулы классифицировали на лабораторных ситах 2, 3, 4, 5 мм. Для определения физических характеристик окатышей использовали гранулы размером ~2-3 мм, 3-4 мм, 4-5 мм.

Скорость вращения окомкователя 22 об/мин в соответствии с ГОСТ 12764-73.

Прочность на сбрасывание сырых гранул определена путём сбрасывания на металлическую поверхность с высоты 1000 мм. Прочность на сжатие определялась на проборе ИПГ-1. Результаты приведены в таблице 4.

Таблица 4. Прочность гранул. №
опыта Прочность на сбрасывание (через 1 час), раз Прочность на сбрасывание (через 1 сутки), раз Прочность на сжатие (через 1 час), кг Прочность на сжатие (через 1 сутки), кг 1 5,1 6,1 0,042 0,056 2 4,9 4,2 0,035 0,051 3 5,1 6,3 0,045 0,055

Согласно полученным данным, опыт 3 показывает, что заявленный способ позволяет повысить прочность после вылеживания в течение одних суток за счет активации силикатов и алюмосиликатов кальция. Этим подтверждается эффект повышения прочности гранул.

Изобретение относится к производству оксида цинка с использованием вельц-процесса. Пыль электродуговых печей (ЭДП) смешивают с добавкой в виде пыли сталеплавильного производства в количестве, обеспечивающем добавку оксида кальция до основности всей шихты до заданного уровня 3 ед., и коксика в количестве 1-2% к весу пыли. При этом пыль сталеплавильного производства содержит оксид кальция не менее 20%, преимущественно в активной форме, основностью CaO/SiO₂ выше 1, по содержанию SiO₂+Al₂O₃ выше 5%, причем не менее 80% объема пылей предварительно измельчают до уровня не менее 40 мкм. После чего проводят окатывание и вельцевание. Способ обеспечивает повышение прочности гранул шихты, что снижает выбросы пыли, и снижение расхода минеральных ресурсов - известняка и извести. 3 табл.

Способ получения оксида цинка, включающий смешивание пыли электродуговых печей (ЭДП) с добавкой в виде пыли сталеплавильного производства в количестве, обеспечивающем добавку оксида кальция до основности всей шихты до заданного уровня 3 ед., и коксика в количестве 1-2% к весу пыли, а также включающий окатывание и вельцевание, отличающийся тем, что в шихту подают добавку пыли сталеплавильного производства, которая содержит оксид кальция не менее 20%, преимущественно в активной форме, основностью CaO/SiO₂ выше 1, по содержанию SiO₂+Al₂O₃ выше 5%, причем не менее 80% объема пылей предварительно измельчают до уровня не менее 40 мкм.