способ переработки медьсодержащих отходов пирометаллургическим методом

Формула изобретения

1. Способ переработки медьсодержащих отходов пирометаллургическим методом, включающий подготовку и загрузку шихтовых материалов в печной агрегат, проведение восстановительного цикла, разливку, отличающийся тем, что в качестве шихтовых материалов используют отработанный медный хромсодержащий катализатор, анодный осадок и известь при соотношении компонентов, равном соответственно 1 : (0,35 - 0,55) : (0,25 - 0,4), температуру расплава во время восстановительного цикла доводят до температуры T_ликв. + 150^oС, сливают шлак, затем расплав медленно охлаждают до температуры T_солид. + 100^oС для полной кристаллизации и отстаивания феррохрома, после чего осуществляют дальнейшее охлаждение жидкого расплава для кристаллизации меди.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллизацию расплава осуществляют при охлаждении в утепленных изложницах до полного затвердевания феррохрома и меди с последующим их разделением механическим путем.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллизацию жидкого сплава феррохрома осуществляют в печном агрегате или в ковше, а после его затвердевания через выпускное отверстие или стопор разливают медный расплав в слитки или аноды, где T_ликв. и T_солид. - температуры, соответствующие линии ликвидус и солидус диаграммы состояния медь-хром.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии черных и цветных металлов и может использоваться при переработке и утилизации техногенных промышленных отходов, содержащих цветные и черные металлы, например медь и хром.

Известны способы гидрометаллургической переработки отходов медьсодержащих сплавов [1, 2], где утилизация извлекаемого металла осуществляется с использованием кислот и других растворов для выщелачивания, электролиза. Существующие технологические процессы сложны, не отвечают современным требованиям энергосбережения, экологии и степени извлечения металлов.

Известны способы пирометаллургической плавки медных сплавов [3] и переработки отходов цветной металлургии [4], из которых по технологическим приемам процесса, достигаемому результату наиболее близким является способ переработки отходов цветной металлургии, включающий подготовку и загрузку шихтовых материалов, расплавление, проведение восстановительного периода, разливку. Недостатком известного способа [4] является утилизация одного конкретно выбранного элемента, а для извлечения других полезных металлов необходимо разрабатывать специальные технологические приемы с дополнительными энергозатратами.

В данной заявке поставлена задача создать способ переработки, позволяющий утилизировать в одном технологическом процессе основные компоненты, содержащиеся в перерабатываемых техногенных отходах, с высокой степенью извлечения металлов без дополнительных энергозатрат.

Сущность предлагаемого изобретения и поставленная задача решаются тем, что в известном способе переработки отходов, включающем подготовку и загрузку шихтовых материалов в печной агрегат, проведение восстановительного цикла и разливку, в качестве шихтовых материалов используют отработанный медный хромсодержащий катализатор, анодный осадок печей АВЧ и известь при соотношении компонентов, равном соответственно 1 : (0,35-0,55) : (0,25-0,4), а температуру расплава шихтовых материалов в восстановительный период доводят до температуры T_ликв +150^oC, сливают бедный шлак, затем до температуры T_солид +100^oC расплав медленно охлаждают до полной кристаллизации и отстаивания феррохрома, после чего осуществляет дальнейшее охлаждение оставшегося жидкого расплава для кристаллизации меди.

Температуры T_солид и T_ликв являются характеристическими температурами, располагающимися соответственно на линии солидус и ликвидус для диаграммы состояния двойных сплавов [5]. В частности, исходя из диаграммы состояния системы медь-хром, в широком диапазоне изменения содержания компонентов температура, отвечающая началу кристаллизации (точки на линии ликвидус), и температура, отвечающая концу кристаллизации (точки на линии солидус), остаются практически постоянными. Эта закономерность использована при выборе температуры восстановительного периода в заявленном способе. В системе медь-хром хром является трудно растворимым элементом, поэтому для полного гарантированного растворения хрома из возможных соединений выбрана температура на 150^oC выше температуры ликвидус. После выдержки при температуре восстановительного периода жидкий расплав медленно охлаждают до температуры на 100^oC выше температуры солидус. Экспериментально установлено, что в этих условиях для системы медь-хром компоненты практически взаимно нерастворимы в твердом состоянии и не образуют друг с другом химических соединений, а идет интенсивная преимущественная кристаллизация феррохрома. Образующиеся кристаллы феррохрома из-за разницы по удельному весу "всплывают" и концентрируются в верхней части расплава. В условиях медленного охлаждения идет отстаивание и расслаивание феррохрома от других составляющих. Интенсивное образование центров кристаллизации и кристаллизация меди происходит при охлаждении "очищенного" от хрома расплава в интервале температур ниже температуры T_солид. В этом случае скорость охлаждения не лимитирует процесс кристаллизации меди.

Вместе с этим увеличение скорости охлаждения расплава в интервале температур T_ликв-T_солид выше критической приводит к изменению кинетики кристаллизации компонентов расплава, их взаимной растворимости в твердом состоянии, что позволяет при необходимости получать сплавы и лигатуры различного химического состава по хрому и меди.

Реализация способа переработки отходов, достижение поставленной задачи выполняется при соблюдении условий количественного соотношения компонентов шихтовых составляющих, равного 1 : (0,35-0,55):(0,25-0,4) соответственно по отработанному медному хромсодержащему катализатору, анодному осадку и извести. Оптимальность соотношения шихтовых материалов подтверждена опытами (см. таблицу).

В частном случае кинетические условия (критическая скорость охлаждения, температура) реализации заявленного способа могут быть выполнены на существующем металлургическом оборудовании. После восстановительного периода кристаллизацию расплава осуществляют при охлаждении в утепленных изложницах до последовательного затвердевания феррохрома, затем меди с последующим их разделением механическим путем.

По другому варианту кристаллизацию феррохрома из расплава осуществляют непосредственно в печном агрегате или в ковше, а после затвердевания феррохрома через выпускное отверстие или стопор разливают медный расплав в слитки или аноды, где медь затвердевает.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что предлагаемый способ выражается совокупностью существенных признаков, их последовательностью и условиями осуществления действий. По сравнению с известным способом признаки, характеризующие заявленный способ являются новыми существенными, это соответствует условию его патентоспособности по критерию "новизна".

Из известных источников патентной и научно-технической информации не выявлено использование порядка и совокупности новых существенных признаков предлагаемого способа по их функциональному назначению и достигаемому результату, что соответствует критерию "изобретательский уровень".

Пример осуществления способа.

Химический состав шихтовых материалов:

Отработанный медный хромсодержащий катализатор : 35 - 50% CuO; 10 - 15% Cr₂O₃; 10 - 12% ZnO; ост. Al₂O₃.

Анодный осадок печей АВЧ: 20-35% Cu; 6-12% Si; 5-15% Fe; ост. Al.

Кроме того, вместо катализатора в процессе могут использоваться другие материалы или отходы, содержащие по отдельности медь и хром, с совместным их плавлением в соотношениях, обеспечивающих получение медного и хромового сплавов аналогичных составов, и реализацией указанных приемов замедленного охлаждения.

В электродуговую печь емкостью 30 кг загружали порциями отработанный медный катализатор, анодный осадок печей АВЧ и известь, смешанные в различных соотношениях. После полного расплавления шихты сливали шлак и проводили раздельную кристаллизацию компонентов расплава, а именно металлический расплав выпускали в футерованную огнеупорным кирпичом изложницу, либо после застывания хромсодержащего сплава в печи (верхняя часть) через отверстие в нижней части печи выпускали медный сплав в изложницы. Результаты приведены в таблице. В опытах 1-3 варьировали состав шихты. При количестве осадка по отношению к катализатору 0,3 и извести соответственно 0,2 (опыт 1) не обеспечивается достаточное извлечение меди из катализатора (содержание CuO в шлаке более 2%) и шлаки содержат большое количество Al₂O₃ (более 55%) из-за чего они тугоплавки и требуют более высокой температуры процесса, следовательно повышенного расхода электроэнергии.

При количестве осадка и извести по отношению к катализатору соответственно 0,6 и 0,5 (опыт 2) в получаемом медном сплаве содержится избыточное количество алюминия (более 10%), увеличивается заметно кратность шлака (до 1,8), из-за чего растет расход электроэнергии.

Кроме того, отвальные шлаки с соотношением Al₂O₃/CuO менее единицы плохо утилизируются.

В случае, если температура материала в печи будет ниже 1500^oC (опыт 4) медный сплав засоряется непрореагировавшими окислами хрома, а получаемый хромовый сплав неоднороден по содержанию хрома (от 20 до 36%). Ведение процесса при температуре более 1600^oC нецелесообразно из-за повышенного расхода электроэнергии и разъедания футеровки в печи.

При оптимальных соотношениях шихтовых материалов кристаллизация получаемого расплава в металлической изложнице не обеспечивает разделение медного и хромового сплавов: в хромовом сплаве чрезмерно высокое содержание меди (22-32%). Раздельная кристаллизация обеспечивается при отливке расплава в утепленные футерованные изложницы (при этом содержание меди в хромовом сплаве снижается до технологически допустимого содержания 5%), либо при охлаждении хромового сплава в печи и последующем выпуске медного сплава с его разливкой (содержание меди в хромовом сплаве около 2%).

Таким образом, заявленный способ переработки медьсодержащих отходов может быть реализован на существующем промышленном оборудовании с использованием в качестве сырьевых материалов техногенных отходов цветной и черной металлургии с высокими технико-экономическими показателями технологического процесса и степени извлечения цветных и черных металлов.