Способ огневого рафинирования металлов в термодинамически равновесной системе капельно-газовой среды
Изобретение относится к способам огневого рафинирования металлов и может быть использовано для получения металлов заданной химической чистоты. Способ огневого рафинирования металлов в равновесной термодинамической системе включает подачу металла тонким слоем в специальную камеру с наклонной подиной и копильником. Газы подаются в камеру через фурмы в передней стенке и подину и образуют с поступающим расплавом густой капельно-газовый туман, термодинамически равновесный за счет достаточного нагрева газов и металла до температур, обеспечивающих превышение температуры плавления металла в капельно-газовой смеси на весь период окисления - восстановления. Предложенный способ обеспечивает высокую производительность за счет быстрого доступа газов к каждой капле расплава и уменьшает материалоемкость агрегата. 1 ил.
Изобретение относится к способам огневого рафинирования металлов и предназначено для получения металлов заданной химической чистоты.
Известен способ огневого рафинирования металлов продуванием расплава металла в ванне печи различными газами, чаще всего воздухом (Аглицкий В.А. Пирометаллургическое рафинирование меди. - М.: Металлургия, 1971 г. стр.188-197). Процесс обычно делится на две стадии. Первая - раскисление расплава металла путем продува раскислителем в течение длительного времени. Вторая - восстановление переокисленного металла восстановителем. Кроме этого, производят удаление шлаков как до восстановления, так и после. Этот способ разделяется на подачу раскисляющих газов к поверхности расплава и внутрь расплава. Подача раскислителя внутрь расплава сложней, но значительно эффективней. Газ подается либо через фурмы боковые - ниже поверхности расплава, либо через погружные фурмы, доставляющие газ к дну ванны расплава. Этим достигается более интенсивное перемешивание, переходящее в барботаж, и более интенсивная доставка молекул раскислителя во всю толщу расплава. Чем больше перемешивание, тем эффективнее рафинирование.
Недостатком существующего способа является необходимость продувки толстого слоя жидкого расплава, что приводит к большим срокам продувки. Но даже увеличение сроков продувки не приводит к полному соприкосновению раскислителя и восстановителя с подавляющим числом атомов примесей и раскисляемого металла. Особенно это видно на примере меди. Огневое рафинирование вторичной загрязненной меди не приводит к получению меди - M1, продукта, необходимого для электротехнической промышленности. Соответственно после огневого рафинирования меди производят электролитическое, что приводит к увеличению ее стоимости. Кроме того, необходимость в длительной продувке требует увеличения размеров рафинировочных агрегатов при малой производительности. Это увеличивает затраты на проведение процесса.
Одним из аналогов предлагаемого способа огневого рафинирования является способ обработки алюминиевого расплава парами (В.Л.Найдек, А.В.Наривский. Технологии рафинирования алюминиевых расплавов газореагентными средами, журнал: Металл и литье Украины, 2004 г. №1-2). Основа этого способа вдувание паров CCL4 в смеси с инертным газом через плазмотрон, рабочая часть которого заглублена в расплав. Здесь достигаются высокие температуры диссоциированных парок и за счет этого процесс ускоряется и углубляется.
Недостаток этого процесса - необходимость продувки толстого слоя расплава, как в обычных барботажных процессах с погружной фурмой.
Наиболее близким по технической сущности и количеству совпадающих существенных признаков к заявляемому является способ огневого рафинирования металла (меди), в котором жидкий металлический расплав продувают подогретым в рекуператоре воздухом (В.А.Козлов. С.С.Набойченко, Б.Н.Смирнов. Рафинирование меди. - М.: Металлургия, 1992 г., стр.40-44.)
Недостатком этого способа по сравнению с предлагаемым также является необходимость продувки толстого слоя жидкого расплава, что приводит к большим срокам продувки. И также увеличение сроков продувки не приводит к полному соприкосновению раскислителя и восстановителя с подавляющим числом атомов примесей и раскисляемого металла, что возможно сделать в предложенном способе. Например, при огневом рафинировании вторичной меди недостатком этого способа по сравнению с прелагаемым является получение меди с минимальным содержанием суммы примесей не менее 0.3%, что соответствует марке М2. При этом для устойчивого получения меди М2 при использовании этого способа приходится добавлять в шихту ко вторичной меди дополнительно еще и катодную медь. Марку меди - M1, продукта, необходимого для электротехнической промышленности, этим способом получить из вторичной меди не удается. Поэтому после огневого рафинирования меди производят электролитическое, что приводит к увеличению ее стоимости за счет еще одного передела. Также остается необходимость в длительной продувке, что требует увеличения размеров рафинировочных агрегатов при малой производительности, что приводит к увеличению затрат на проведение процесса по сравнению с предложенным способом.
Задачей изобретения является наиболее быстрая доставка атомов раскислителей и восстановителей к максимально большему количеству атомов рафинируемого металла. На основе этого происходит наиболее полное удаление из расплава металла имеющихся примесей и своевременный вывод переработанных шлаков из процесса рафинирования. Решение указанных задач предлагаемым способом огневого рафинирования металла, включающим использование камеры с фурмами для подачи подогретых газов, отличается тем, что в камеру с фурмами для подачи подогретых газов подают металл в расплавленном виде тонким слоем с образованием густого капельно-газового тумана, термодинамически-равновесного за счет достаточного нагрева газов и металла до температур, обеспечивающих превышение температуры плавления металла в капельно-газовой смеси, на весь период окисления-восстановления металла позволяет получить технический результат изобретения, отличающий предлагаемый способ от аналогов.
Техническим результатом изобретения является достижение необходимой чистоты металла, то есть получение нужного качества без дополнительных циклов переработки. В частности, при огневом рафинировании меди получению меди - M1, продукта, необходимого для электротехнической промышленности, без дополнительного электролитического рафинирования. Главное условие устойчивости предлагаемого процесса - термодинамическое равновесие в камере огневого рафинирования. Подаваемые раскислители и восстановители должны быть не просто подогретыми, а нагретыми до температур, которые гарантируют от преждевременного остывания расплав рафинируемого металла. Сумма тепла, получаемого с вводимым веществом, и тепла от окисления должна быть не менее суммы тепла, теряемого в это время расплавом. Наиболее предпочтительна температура вводимого вещества не менее температуры плавления рафинируемого металла. Такой температурный баланс позволит дробить рафинируемый металл на мельчайшие капли и перемешивать его с подаваемыми раскислителями и восстановителями в взвешенном состоянии, доводя смесь капли - газ до густого тумана. При этом обеспечивается достаточно длительное прохождение капель металла через этот капельно-газовый туман. Глубокое соприкосновение газа с каплями металла позволит ускорить процесс рафинирования в несколько раз и значительно увеличить выведение примесей в шлак и возгоны. В предлагаемом способе соотношение секундной массы подаваемого тонкого слоя металла и соответствующего по массе секундного столба капельно-газовой смеси различается по объему не менее чем на три порядка. Газ будет реагировать на поверхности каждой мелкой капли, которая постоянно дробится до выхода из зоны действия упругого газа. В связи с этим теоретически возможный предел удаления примесей, основанный на термодинамическом анализе их поведения по сродству к кислороду, становится более достижимым.
Например, по меди минимальные теоретически возможные концентрации в предлагаемом способе значительно меньше, чем фактически достигалось в уже существующих аналогичных процессах. Величина концентрации окислов примесей в шлаке продолжает являться важным фактором воздействия на термодинамическое равновесие процесса. Для значительного уменьшения этого фактора предусматриваются присадки-флюсы. Применение недостаточно высоких температур в процессе приведет к уменьшению жидкотекучести металла и резкому уменьшению дробления и измельчения капель и падению эффективности реакции. В предлагаемом способе термодинамическое равновесие является условием ускоренного дробления капель расплава с процессом окисления-восстановления на поверхности каждой капли, приводящим к эффективному проведению реакций, и является важным признаком изобретения.
Металл, предназначенный для рафинирования, поставляется в расплавленном виде из печи или ковша - 1 в специальную камеру рафинирования - 6, показанную на чертеже. При непрерывном процессе металл можно подавать через миксер. Из емкости с расплавом металл подается в выемку лотка - 2. Лоток выполнен широким - по ширине камеры. Струя металла, попав в выемку лотка, переполняет ее и тонкой широкой полосой сливается в камеру - 6. Винт - 3 регулирует толщину полосы слива металла.
Жидкий металл, падая с лотка по всей его ширине, встречает газы, подаваемые боковыми фурмами - 4, расположенными в два ряда в шахматном порядке. Регулируя давление в боковых фурмах, регулируется относ металла в глубину камеры. Этим можно менять длительность процесса в камере.
Подина камеры исполнена с уклоном. Поэтому воздействие газов из подовых фурм - 5, расположенных также в шахматном порядке, на капли металла, при одинаковом давлении, несколько падает пропорционально уклону. Металл после падения на подину стекает в приямок - 9, где отслаивается с образованием шлака. Шлак через (не показанное на схеме) окно периодически снимается.
При необходимости, в приямке выполняется стенка, не доходящая до дна. Тогда в сливной лоток - 8 металл будет попадать только отстоявшийся, со дна, а шлак отсечется стенкой (стенка на чертеже не показана, так как камеру можно выполнять и без нее).
Газы в фурмы подаются в нагретом до термодинамического равновесия процесса состоянии. При необходимости в них добавляются присадки в виде пыли или расплава. Нагрев газов осуществляется через систему рекуператоров. Окончательный нагрев производится плазмотронами. При этом газы частично диссоциируют на ионы и становятся более активными. Выброс использованных газов происходит через окно - 7. Возможен кругооборот горячих газов с добавкой кислорода и присадок и стравливания полученных излишних газов.
В зависимости от рафинируемого металла, если нет возможности совместить процессы окисления и восстановления, потребуются две камеры. Одна для окисления, вторая для восстановления металла.
При быстром окислении металла и его восстановлении и где удаление шлака перед восстановлением не играет большой роли, эти процессы можно совместить в одной камере. Для этого необходимо увеличить длину камеры и разделить ряды подовых фурм на пакеты. Соответственно в первые пакеты подавать окислительные газы с необходимыми присадками, а в последующие восстановительные, также с необходимыми присадками. В результате предложенным способом по сравнению с аналогами достигаются следующие преимущества:
1. За счет полного перемешивания мелких капель металла с газами окислителя и восстановителя, расплавом и пылью присадок рафинирование ускоряется в несколько раз и извлечение примесей улучшается на порядок, имея за счет термодинамического равновесия устойчивость процесса.
2. Процесс рафинирования легко управляем за счет применения боковых фурм с изменяемым режимом дутья. При этом давление в подовых фурмах также можно менять.
3. Значительно уменьшается материалоемкость агрегатов по сравнению с существующими способами.
Способ огневого рафинирования металла, включающий использование камеры с фурмами для подачи подогретых газов, отличающийся тем, что в камеру с фурмами для подачи подогретых газов подают металл в расплавленном виде тонким слоем с образованием густого капельно-газового тумана, термодинамически равновесного за счет достаточного нагрева газов и металла до температур, обеспечивающих превышение температуры плавления металла в созданной капельно-газовой смеси на весь период окисления-восстановления рафинируемого металла.
