CC BY
125
© В.Н. Шохин, Н.А. Мочалов, А.Е. Шиманаев, 2002
УДК 622.7
В.Н. Шохин, Н.А. Мочалов, А.Е. Шиманаев
ИЗВЛЕЧЕНИЕ ЦЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
Л
итейные шлаки заводов по обработке цветных металлов (ОЦМ) являются основным источником загрязнения воздушного и водного бассейнов промышленных регионов страны, так как в своем составе содержат практически все цветные металлы: железо, хром, магний, кальций, марганец и др. Вследствие ухудшения качества сырья, направляемого в плавку, количество шлаков ежегодно увеличивается.
Шлаки в лучшем случае частично утилизируются, а в основном поступают в отвалы [1].
Из девяти заводов по обработке цветных металлов только три частично используют шлаки для металлургического производства это Кольчу-гинский, «Красный Выборжец» и Кировский, все другие заводы либо складируют, либо отправляют на Кировоградский медеплавильный завод для переработки с применением шахтной восстановительной и конвертерной плавок.
Содержание ценных компонентов в шлаках изменяется в широких пределах. Так, например, содержание меди в медных шлаках Кольчугинско-го завода изменяется в пределах от
27,0 до 47,0 %; в латунных - от 33,0 до 40,0 %; в бронзовых - от 45 до 50,0 %; в лигатурных - до 65 %.
Кроме того, содержание цинка в шлаках достигает 30,0 %.
Таким образом, шлаки могут явиться ценным сырьем для извлечения из них цветных металлов меди, цинка, никеля и др. ценных компонентов для повторного использования в металлургии, химической промышленности и производства строительных материалов.
Нами рассмотрено несколько технологических способов инженерной защиты окружающей среды заводов
по обработке цветных металлов при переработке литейных шлаков:
1. Снижение содержания ценных компонентов в шлаках путем подачи в шихту плавки щелочных и щелочноземельных элементов с восстановителем [6].
2. Облагораживание шлаков путем извлечения из них металлической части «корольков» содержащих ценные компоненты, с применением:
• процессов струйного измельчения и пневматической классификации [8],
• процессов самоизмельчения в мельницах типа «Аэрофол», грохочения, дешламации, гравитационных методов обогащения, брикетирования или агломерации [2, 3, 4, 5],
• технологий вибрационного дробления, вибрационного грохочения, классификации и магнитной сепарации [7],
• процессов грохочения и измельчения.
По первому способу путем применения щелочных и щелочноземельных реагентов в восстановительной среде, создаваемой коксиком или древесным углем, содержащаяся в шлаках двуокись меди, не извлекаемая механическими методами переработки, восстанавливается до металлической меди с последующим переходом в металлическую часть. Этот способ реализуется непосредственно в ванне металлургической печи.
Шлаки от плавки медного лома в отражательных печах содержат до 25 % закиси меди.
Расплав обрабатывается щелочными и щелочно-земельными реагентами, позволяющими снизить вязкость медьсодержащего шлака, обеспечив условия максимального контакта между закисью меди (Си20) и восстановителем (древесным углем или коксиком), при этом ускоряется про-
хождение реакции восстановления меди.
Обеднение шлаков заключается в обработке их кальцинированной содой (№2СОз) при повышенной температуре в присутствии восстановителя.
Карбонат щелочного металла и соединения щелочно-земель-ного металла при соотношении 1:(2^3) в смеси дозируются в печь под слой шлака, а восстановитель расходуется в количестве 20-30 % от массы полученной смеси карбоната щелочного металла. В качестве соединения щелочноземельного металла используется карбонат кальция или оксид кальция.
Карбонаты кальция и натрия разлагаются с выделением двуокиси углерода, которая в присутствии твердого восстановителя преобразуется в окись углерода С02 + С = 2СО.
Реакция восстановления закиси меди до металла в присутствии окиси углерода (СО) происходит на порядок быстрее по сравнению с твердым восстановителем, при этом из жидкоплавкого шлака металлическая медь уходит при простом отстаивании с выделением до 17 % меди в виде металла.
При применении рассмотренного способа для обеднения по меди других шлаков достигается также обеднение по цинку, свинцу, сурьме и др.
При втором способе облагораживание шлаков достигается извлечением из них металлической части («корольков») механической переработкой с применением обогатительных процессов.
На Кольчугинском заводе по обработке цветных металлов даже при сниженной мощности металлургического цикла образуется ежегодно до 300 т медного, 2000 т латунного, 200 т бронзового и 700 т медноникелевого шлаков.
Шлаки раздельно перерабатываются частично вручную, а в основном механизированно с применением процессов грохочения и измельчения до 3 мм на участке «соровой» завода (рис. 1). В результате переработки выделяются отдельно медные, латунные, бронзовые и лигатурные (медноникелевые и др.) «король-ки», возвращаемые в металлургические печи (медные - в отражательные, а все другие - в индукционные) в виде подшихтовочного материала или в каче-
стве основного сырья для получения соответствующего переплава.
Несовершенство технологии переработки шлаков на заводе приводит к образованию до 2000 т/год отсевов, содержащих до 30 % меди и до 30 % цинка. Отсевы отправляются на уральский Кировоградский медепла-
вильный завод, где подвергаются шахтной восстановительной плавке совместно с ломом, биметалломом, стружкой и «сорами» машиностроительных заводов с получением черновой меди до 80 %, которая плавится в конвертерах с получением медных слитков, содержащих до 98,5 % меди.
Указанная технология переработки мелкозернистых шлаков отличается сложностью, огромными энергозатратами и малой экономичностью.
Достаточно отметить то обстоятельство, что после шахтной восстановительной плавки образуется шлак подвергаемый возгоночной операции (фьюминго-ванию) в конвертерах с целью извлечения цинка, свинца, олова в отдельный продукт, с последующей селективной переработкой для получения каждого компонента. Эти операции весьма сложны, включают развитые схемы пылеулавливания и очистки газов. Концентраты отличаются сравнительно низким качеством и извлечением каждого компонента.
Наиболее рациональной признается технология, при которой переработка осуществляется на одной из обогатительных установок, позволяющих производить глубокое облагораживание шлаков до 20 (40) мкм. Потери ценных компонентов при этом не превышают 5 %. Отходы находят применение на цинковых заводах и при производстве строительных материалов.
На уровне изобретений разработана технология облагораживания шлаков с применением процессов струйного измельчения и пневматической классификации (рис. 2).
Измельчение шлака крупностью минус 3 (8) мм производится в струйной мельнице типа 3С-06-М под действием струй сжатого воздуха давлением 5,0-8,0 ати при температуре 20120 0С и скорости 50-150 м/сек в помольной камере во встречном столкновении частиц измельчаемого материала.
Металлические частицы «корольки» подвергаются оттирке от стекловидной массы, а цементирующая металл масса измельчается направляется в воздушный классификатор и далее в циклоны и рукавный фильтр.
Рис. 2. Схема цепей аппаратов струйного измельчения: 1 - бункер; 2 - питатель; 3 - приемный патрубок; 4 - стояк мельницы; 5 - струйная мельница; 6 - классификатор; 7 - течка мельницы; 8 - приемные камеры; 9 - струйные эжекторы; 10 - сопла; 11 - разгонные трубки; 12 - помольная камера; 13 - циклоны; 14 - бункер для тонкой фракции; 15 - затвор; 16 - разгрузочное устройство; 17 - разгрузочный патрубок для грубой фракции; 18 - циклон; 19 - приемный бункер для грубой фракции; 20 - отсечной клапан; 21 -рукавный фильтр; 22 - вентилятор высокого давления; 23 - вентилятор; 24 - затвор
Очищенный в рукавном фильтре воздух посредством вентилятора выбрасывается в атмосферу.
Измельчаемая масса подвергается 18-кратной циркуляции в помольном контуре с осаждением «корольков» и разгрузкой их из камер. Из циклонов и рукавного фильтра разгружается пыль крупностью до 20,0-160,0 мкм.
Результаты облагораживания шлаков оценивались по величине насыпной массы продуктов. Металлическая фракция крупностью менее 3,0 (8,0) мм характеризовалась насыпной массой на уровне 4,2-4,5 г/см3; пылевидная фракция - 1,5-2,0 г/см3; исходный шлак - 3,0-3,5 г/см3.
Конкурирующим способом облагораживания шлаков является способ с применением процессов самоиз-мельчения в мельницах типа «Аэрофол», грохочения, дешламации, гравитационных методов обогащения, брикетирования или агломерации (рис. 3 и 4).
С участием авторов разработаны технологии переработки медных, латунных, бронзовых, лигатурных
(медно-никелевых и др.) шлаков.
Новые технологии основаны на использовании специфических
свойств отдельных составляющих шлаков. Металлические «корольки» отличаются ковкостью и пластическими свойствами, а цементирующая часть в виде стекловидной массы отличается хрупкостью и сравнительно легкой разрушаемостью при внешнем воздействии. Плотность металлических «корольков» - до 8,96 г/см3, а стекловидной массы - 2,7 г/см3. С учетом различия физических свойств
составляющих шлаков для их разделения предложено: избирательное измельчение в мельницах самоизмель-чения типа «Аэрофол», грохочение,
дешламация и гравитационные методы - концентрация на столах или центробежных сепараторах.
При избирательном измельчении раскрываются сростки металла со стекловидной, породной массой. Таким образом измельченная масса до 80 мм разгружается из мельницы через специальные отверстия в решетке мельницы на грохот с размером отверстий сит 20,0 и 8,0 мм. Надрешет-ные продукты представляют собой корольки крупностью от 80,0 до 8,0 мм.
Мелкозернистая фракция менее
8,0 мм подвергается мокрому грохочению на сите с отверстием 3 мм. Продукт класса -8+3 мм присоединя-
ется к крупнозернистым «королькам», а класс -3 мм после дешламации по 20 мкм перерабатывается на концентрационном столе или центробежном сепараторе. Полученные продукты подвергаются: концентрат - обезвоживанию, фильтрации, а порода - отстаиванию в отстойнике с последующим использованием в производстве строительных материалов или на цинковых заводах. Концентраты перед плавкой направляются на брикетирование или агломерацию.
Рис. 4. Схема цепи аппаратов модульной установки для переработки медных шлаков: 1 - дробилка щековая ЩДП 6х9 (СМД - 110); 2 -грохот ГЖ-2 800х1600 мм; 3 - мельница самоиз-мельчения 2,1х1,7 м; 4 - бак для галечного продукта; 5 - бутара с отверстиями - 40 мм; 6 - двухситный грохот с размером отверстий сит 8 и 20 мм; 7 - грохот с размером отверстий сит 1.0 мм (3.0 мм) ; 8 - дешламатор (сгустительная воронка); 9 - концентрационный стол ЯСК-1; 10 - контейнер для обезвоживания концентрата; 11 - контейнер для обезвоживания концентрата; 12 - отстойник для шламов; 13 - бак оборотной воды
Предусматривается внутренний водооборот.
С учетом специфики переработки каждого шлака предложена модульная установка, позволяющая по графику перерабатывать раздельно шлаки. Установка содержит три блока оборудования, работающего как в общей комплексной схеме цепи аппаратов, так и индивидуально в каждом блоке.
Первый блок крупного дробления предназначен для дробления крупных кусков медных шлаков до 80 мм в щековой дробилке. Перед дробилкой на колосниковом грохоте удаляются куски металлические «корольки»
крупностью более 80,0 мм.
Второй блок включает оборудование самоизмельчения и грохочения,
предназначен для извлечения «корольков» крупностью -80,0+3 мм и мокрого грохочения по крупности 3,0 мм перед деш-ламацией.
Третий блок гравитационного обогащения оснащен конусным деш-ламатором, концентрационным столом или центробежным сепаратором, сгустителем или гидроциклоном и ленточным фильтром для обезвоживания концен-
трата. Шламовые воды поступают в отстойник. Чистая вода направляется в водооборот, а все шламы грейферным краном выгружаются на борт отстойника, дренируются и отгружаются потребителям.
Медные шлаки перерабатываются по полной схеме на оборудовании трех блоков.
Лигатурные медно-никелевые, медно-марганцевые шлаки перерабатываются по сокращенной схеме без первого блока, так как в них отсутствуют зерна крупнее 80,0 мм. С учетом сравнительно крупного до 0,5 мм вкрапления лигатурных «корольков» в стекловидную массу в особых случаях возможно исключить переработку на третьем блоке.
При переработке латунных и бронзовых шлаков используются второй и третий блоки.
Для организации поочередной переработки шлаков предусматриваются контейнерные площадки с размещением отдельно каждого шлака и отдельно продуктов переработки.
На рис. 1 изображена принципиальная схема переработки шлаков, а в таблице - качественно-
количественные показатели переработки шлаков Кольчугинского завода по обработке цветных металлов.
Рис. 5. Схема цепи аппаратов виброустановки: 1 - приемный бункер емк. 15 т с колосниковым грохотом; 2 - наклонный конвйер КЛС-0,4; 3 - виброщековая дробилка 150ДР;
4 - виброгрохот двухдечный ГИТ-11; 5 - виброподъемник 165ТС; 6 - виброконусная дробилка КИД-300; 7 - магнитный сепаратор 235СЭ; 8 - вибросито 344ДР; 9 - трубопровод отсева материала с приемными бункерами; 10 - бункер отсева емк. 5 т; 11 - конвйер ЭТ-8,5; 12 - конвйер ВЛК-8; 13 - контейнер емк. 5 т; 14 - передаточная тележка; 15 - бункер газоочистки; 16 - аппараты для газоочистки
Таблица 1
КАЧЕСТВЕННО-КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ПЕРЕРАБОТКИ ШЛАКОВ КОЛЬЧУГИНСКОГО ЗАВОДА ПО ОБРАБОТКЕ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ
№ Наименование Наименование Медный Латунный Лигатурный медно-
процессов по продуктов никелевый
схеме рис. 3 Вы- Со- Из- Вы- Со- Из- Вы- Со- Извлеч.
ход, % держ. меди, % влеч. меди, % ход, % держ. меди, % влеч. меди, % ход, % держ. меди, % меди, %
1. Самоизмельче- ние, кл.-80+3мм 23,5 89,5 76,8 51,69 42,0 64,6 86,2 72,9 95,6
Грохочение, кл.-3мм 76,5 8,3 23,2 48,31 24,6 35,4 13,8 20,9 4,4
020,8 мм,
Мокрое грохоче- исходный 100,0 27,4 100,0 100,0 33,6 100,0 100,0 65,7 100,0
ние,
03 мм
2. Дешламация, кл.-3+0,02мм 60,9 9,74 21,6 33,91 29,72 30,1 7,3 25,4 2,8
020мкм кл.-0,02мм 15,6 2,7 1,6 14,40 12,53 5,3 6,5 15,9 1,6
исх.кл.-3мм 76,5 8,3 23,2 48,31 24,6 35,4 13,8 20,9 4,4
3. Гравитационное Концентрат 7,2 64,2 16,8 22,30 42,0 27,9 3,9 36,0 2,2
обогащение отходы 53,7 2,44 4,8 11,61 6,2 2,20 3,4 13,2 0,6
исходный, 60,9 9,74 21,6 33,91 29,72 30,1 7,3 25,4 2,8
кл.-3+0,02мм
4. Обезвоживание концентрат 7,2 64,2 16,8 22,3 42,0 27,9 3,9 36,0 2,2
концентрата в вода - - - - - - - - -
сгустителе и исходный, 7,2 64,2 16,8 22,3 42,0 27,9 3,9 36,0 2,2
фильтре концентрат
5. Обезвоживание в отходы 69,3 2,5 6,4 26,01 9,7 7,5 9,9 14,9 2,2
отстойнике вода - - - - - - - - -
отходы 53,7 2,44 4,8 11,61 6,2 2,2 3,4 13,2 0,6
грав. шлам., 15,6 2,7 1,6 14,40 12,53 5,3 6,5 15,9 1,6
кл.-0,02 мм
Баланс
Корольки кл.- 23,5 89,5 76,8 51,69 42,0 64,6 86,2 72,9 95,6
80+3 мм
Концентрат 7,2 64,2 16,8 22,3 42,0 27,9 3,9 36,0 2,2
6. Общий концентрат 30,7 83,6 93,6 73,99 42,0 92,5 90,1 71,3 97,8
Отходы гравит. 53,7 2,44 4,8 11,61 6,2 2,2 3,4 13,2 0,6
шлам., кл.-0,02 15,6 2,7 1,6 14,4 12,53 5,3 6,5 15,9 1,6
7. мм Общие отходы* 69,3 2,5 6,4 26,01 9,7 9,7 9,9 14,9 2,2
Исходный шлак 100,0 27,4 100,0 100,0 33,6 100,0 100,0 65,7 100,0
*Примечание. Содержание цинка в отходах до 30,0 %
Из таблицы следует, что при переработке шлаков по схеме рис. 1 достигается извлечение «корольков» на уровне 92,5 - 97,8 % при выходе от 30,7 до 90,1 %. Качество концентратов по содержанию меди соответствует ориентировочно содержанию меди в сплавах латуни, бронзы и лигатуре. Наиболее богатые «корольки» по меди -медные, на уровне 83,6 %, и лигатурные - 71,3 %.
Отходы содержат от 2,5 до 14,9 % меди и до 30 % цинка. Такие отходы
находят применение на цинковых заводах.
Облагораживание шлаков с применением технологий вибрационного дробления, грохочения, классификации и магнитной сепарации предложено в 1993 году НПО «Экология» и ОАО «Кольчугцветмет» в сотрудничестве с институтом Механобр.
В отличие от традиционных методов разрушения материалов на установке с использованием вибрационной техники наблюдаются скалывание отдельных примазок стекловид-
ной массы к металлическим «королькам» по пути следования материала через дробилку, вибрационный грохот, виброподъемник и разрушение стекловидной массы, т.е. по существу происходит самоизмельчение.
Предложена вибрационная установка (рис. 5) производительностью
2,0 (5,0) т/ч для извлечения металлов из литейных шлаков, из отработанной кладки печей, а также для измельчения кварцита, шамота, магнезита и различных флюсовых материалов.
Установка включает три блока -крупного, мелкого дробления и блока утилизации мелкозернистого материала. В первом блоке установлен приемный бункер емкостью на 15 т; ленточный питатель типа КЛС-0,4; виброщековая дробилка 150 ДР со степенью дробления 12 для материала крупностью до 150 мм; вибрационный грохот типа ГИТ-11 двухситный; виброподъемник типа 165 ТС с высотой подъема груза 3 м; виброконусная дробилка КИД-300 с дроблением материала от 20 до 2 мм; магнитный сепаратор типа 235 СЭ; вибросито 344ГР с рассевом на пяти ситах материа-
ла крупностью от 14 до 0,05 мм и др. вспомогательное оборудование.: трубопроводы, ленточные конвейеры, контейнеры, самоходная тележка, бункера. Вся установка размещается на площади 15,0х3,5 м2, ее энергетическая мощность 45 кВт. Магнитный сепаратор использовался при переработке никелевых шлаков.
Из партии латунного шлака сплава ЛС 59-1 в количестве 24,8 т получено 11,71 т латунных «корольков». Извлечение металлической составляющей составило 55 %. Полученные «корольки» подвергались плавке на печи №30. Из латунных «корольков»
массой 236,7 кг получено 1167 кг металла в слитках, а количество шлака составило 1200 кг. Выход годного -49,3 %. Шлак после плавки направлялся на Беловский цинковый завод.
Таким образом, применение наиболее перспективных технологических схем обеспечит инженерную защиту окружающей среды, получение кондиционных продуктов для нужд металлургии и строительной индустрии и создаст благоприятные экологические условия на заводах по обработке цветных металлов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Исследования и переработка шлаков цветной металлургии. ЦНИИЦветмет экономики и информации. - М. 1968.
2. Патент №2104794 «Способ выделения меди из шлаков, получаемых при выплавке лигатуры «медь-марганец» в индукционных печах».
3. Патент №«2104795 Способ разделения медных шлаков.
4. Патент №2104796 Способ разделения медных шлаков.
5. Патент №2104797 «Способ разделения латунных шлаков».
6. Патент №210568 «Способ обеднения медьсодержащих шлаков».
7. Технология измельчения и классификации с использованием виброоборудования. Отчет НПО «Экология» и АО «Кольчугцвет-мет». г. Кольчугино, 1996.
8. Технологические испытания струйного измельчения с применением агрегата 3С-06-М для разделения шлаколатунных смесей Кольчугинского завода. Акт-отчет НТО «Цезий». г. Москва, 1992.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шохин В.Н.— Московский государственный горный университет. Мочалов Н.А., Шиманаев А.Е. — ОАО «Кольчугцветмет».
