способ алюминотермического переплава пылевидной фракции изгари цинка

Формула изобретения

1. Способ алюминотермического переплава пылевидной фракции изгари цинка, включающий расплавление алюминия, ввод шихты, перемешивание и разливку металла, отличающийся тем, что переплав изгари осуществляют при температуре 720 - 760^oC посредством ее замешивания в предварительно наведенный на поверхности алюминия жидкий флюс с температурой плавления, на 210 - 280^oC превышающей температуру плавления цинка, толщиной 0,2 ... 0,3 от высоты тигля, а перед разливкой производят отстаивание при температуре 430 - 500^oC в течение 0,4 - 12 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество алюминия определяют из соотношения М_А1 : Мизгари = 1 : (4 - 5).

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед отстаиванием во флюс загружают порцию алюминиевой стружки из расчета 1 - 3% от массы металлического расплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и металлургии цветных металлов и сплавов и может быть использовано в цинковальном производстве при переработке цинковой изгари.

Известен способ переработки изгари цинка, включающий плавку шихты при слабом перемешивании в объеме флюса при температуре 420-460^oC. В качестве флюса используют смесь NH₄Cl-ZnCl₂ [1].

Недостатком данного способа является то, что он позволяет извлекать из изгари только металлическую составляющую и не позволяет восстанавливать цинк из его соединений.

Известен также способ восстановления алюминием окислов в электропечи (метод Росси), включающий разогрев печи, расплавление алюминия, ввод смеси шихты с флюсом и выдержку полученного расплава под шлаком в течение 30 - 35 минут [2].

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому является способ производства лигатуры алюминий - титан, заключающийся в восстановлении титана из его оксида расплавленным алюминием в присутствии флюса (криолита) при 1000 - 1050^oC. Согласно данному способу в расплавленный алюминий вводят небольшими порциями хорошо перемешанную смесь тонко размельченного оксида титана и криолита. При введении каждой порции смеси расплав перемешивают. Готовую лигатуру разливают [3].

Недостатком указанных способов являются, во-первых, низкий выход годного, обусловленный повышенным угаром восстанавливаемого металла (до 50%) при высоких температурах процесса восстановления. Во-вторых, высокие затраты, связанные с повышенным расходом флюса (до 100 мас.% по отношению к шихте). В-третьих, невысокое качество полученного металла по содержанию металлических примесей и неметаллических включений.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении выхода годного, снижении затрат на осуществление процесса, а также в повышении качества получаемого металла.

Для решения поставленной задачи при осуществлении способа алюминотермического переплава пылевидной фракции изгари цинка, включающего расплавление алюминия, ввод шихты, перемешивание и разливку металла, переплав изгари осуществляют при температуре 720-760^oC посредством ее замешивания в предварительно наведенный на поверхности алюминия жидкий флюс с температурой плавления, на 210-280^oC превышающей температуру плавления цинка, толщиной 0,2... 0,3 от высоты тигля, а перед разливкой производят отстаивание при температуре 430-500^oC в течение 0,4-12 часов, причем количество алюминия определяют из соотношения M_Al: M_изгари = 1:(4-5), а перед отстаиванием во флюс загружают порцию алюминиевой стружки из расчета 1-3% от массы металлического расплава.

Выбор алюминия в качестве металла-восстановителя объясняется, с одной стороны, его высокой химической активностью, т.е. способностью восстанавливать большинство окислов, в том числе и окись цинка. С другой стороны - алюминий способен неограниченно растворять в себе цинк. Также алюминий способен отделять от цинка железо с образованием стабильных интерметаллических соединений.

Количество алюминия для получения металла с содержанием цинка 94-99% определяют из соотношения M_Al : M_изгари = 1:(4-5), что обусловленно восстановительной способностью алюминия. Уменьшение содержания алюминия менее M_Al : M_изгари = 1:5 приводит к увеличению затрат на осуществление процесса переплава, что обусловлено снижением производительности процесса, нерациональным использованием рабочего пространства тигля. Увеличение указанного соотношения более 1:4 приводит к необоснованно завышенному расходу восстановителя и не обеспечивает получение металла с содержанием цинка 94-99%.

Переплав изгари осуществляют посредством ее замешивания в предварительно наведенный на поверхности алюминия жидкий флюс. Замешивание изгари цинка в жидкий флюс позволяет существенно активизировать процесс восстановления цинка из его соединений за счет протекания ионообменных реакций между хлоридным расплавом и окисью цинка, а также способствует переходу металлической составляющей изгари в алюминиевый расплав.

Процесс алюминотермического восстановления окиси цинка - экзотермическая реакция, протекающая с большим термокинетическим эффектом, что, в отсутствие балласта реакции, приводит к значительному угару цинка. В данном способе флюс, с одной стороны, выполняет роль необходимого балласта и в значительной степени способствует снижению угара, а с другой стороны, является носителем продуктов реакции, образующихся при восстановлении соединений цинка.

Применение флюса с температурой плавления, на 210-280^o превышающей температуру плавления цинка, обеспечивает термическую устойчивость солевого расплава в интервале рабочих температур процесса алюминотермического восстановления пылевидной фракции изгари цинка.

Флюсы с температурой плавления ниже Т_пл +210^oC склонны, в данном случае, к интенсивному испарению (угару). Применение таких флюсов сопровождается необоснованным расходом реагентов и, следовательно, повышенными затратами на осуществление процесса.

Использование флюсов с температурой плавления выше Т_пл + 280^oC способствует увеличению потерь металла со шлаком, что обусловлено повышенной вязкостью и недостаточной активностью более тугоплавкой солевой композиции.

Слой флюса толщиной менее 0,2 от высоты тигля не обеспечивает поддержание требуемого режима переплава и быстро зашлаковывается, что приводит к нарушению процесса, ухудшению качества получаемого металла и снижению выхода годного. Увеличение толщины слоя флюса более 0,3 от высоты тигля не способствует повышению эффективности процесса и влечет за собой повышенный расход реагентов.

Замешивание изгари цинка в жидкий флюс при температуре ниже 720^oC нецелесообразно вследствие недостаточной активности алюминия и приводит к снижению выхода годного за счет накопления изгари цинка в объеме флюса и образованию шлака при торможении процесса восстановления. С другой стороны, увеличение температуры более 760^oC способствует повышенному угару цинка и флюса, а также связано с необоснованными энергозатратами.

Отстаивание при температуре 430-500^oC в течение 0,4-12 часов необходимо, во-первых, для очистки расплава от неметаллических включений посредством разделения металлической и шлаковой фаз, а во-вторых, способствует рафинированию полученного цинка от вредных металлических примесей, в частности железа.

Отстаивание расплава при температуре 430-500^oC в течение 0,4-1 часа необходимо для завершения процессов разделения металлической и шлаковой фаз. Отстаивание при температуре ниже 430^oC не способствует разделению металлической и шлаковой фаз из-за существенного повышения вязкости расплава вблизи температуры плавления цинка (419^oC). Увеличение температуры более 500^oC приводит к существенному возрастанию конвективного движения в расплаве и замешиванию продуктов реакции в жидкий цинк. Отстаивание менее 0,4 часа недостаточно для осуществления процесса разделения металлической и шлаковой фаз, а более 1 часа - неэкономично и нецелесообразно, поскольку не приводит к заметному повышению степени очистки.

Отстаивание полученного расплава при 430-450^oC в интервале от 1 до 12 часов осуществляется под слоем твердого флюса, служит для дополнительного рафинирования цинка от примеси железа и может применяться, по мере необходимости, для повышения качества металла. Слой твердого флюса при отстаивании расплава герметизирует металл и полностью защищает его от взаимодействия с атмосферой. В результате этого прекращается угар и окисление цинка, что способствует повышению качества и выхода годного металла. Повышение температуры более 450^oC также не обеспечивает необходимой степени очистки, т.к., с одной стороны, способствует повышению растворимости железа в цинке, а с другой стороны - конвективному перемешиванию расплава, препятствующему седиментации железосодержащих фаз.

Увеличение времени выдержки более 12 часов не приводит к существенному повышению чистоты расплава по примеси железа, связано с увеличением расхода электроэнергии, значительными трудовыми и материальными затратами.

Перед отстаиванием во флюс загружают порцию алюминиевой стружки из расчета 1 - 3% от массы металлического расплава. Ввод алюминиевой стружки необходим для извлечения остаточного цинка из флюса и повышения выхода годного металла. На заключительной стадии процесса переплава содержание цинка в образующемся расплаве достигает 99%. Дефицит металла-восстановителя (алюминия) приводит к значительному возрастанию содержания цинка в объеме флюса (до 24-29%). Ввод и плавление алюминиевой стружки в объеме флюса способствует переходу остаточного цинка в образующиеся на месте стружки капли алюминиевого расплава. При этом содержание остаточного цинка во флюсе снижается до 3-5%. Кроме того, дополнительный ввод алюминия способствует повышению степени очистки образующегося расплава от примеси железа за счет связывания его в интерметаллические соединения типа Al₃Fe, всплывающие при последующей термовременной обработке в шлак. Ввод порции алюминиевой стружки менее 1% от массы расплава недостаточен для вывода остаточного цинка из объема флюса. Увеличение порции алюминиевой стружки более 3% от массы расплава приводит к повышению концентрации интерметаллидов железа в объеме образующегося цинкового расплава и, следовательно, снижению качества очистки.

Способ осуществляют следующим образом. В тигле плавильного агрегата расплавляют алюминий из соотношения M_Al : M_изгари = 1:(4-5). После полного расплавления алюминия на его поверхность засыпают (заливают) флюс с температурой плавления, на 210-280^oC превышающей температуру плавления цинка из расчета создания слоя толщиной 0,2...0,3 от высоты тигля. После перегрева флюса до температуры 720-760^oC начинают ввод шихты (пылевидной фракции изгари цинка) посредством ее замешивания. По мере заполнения рабочего пространства тигля металлическим и флюсовым расплавами процесс ввода изгари заканчивают. Перед отстаиванием во флюс загружают порцию алюминиевой стружки из расчета 1-3% от массы металлического расплава с целью снижения остаточного содержания цинка во флюсе. Опускают температуру расплава до 430-500^oC и производят отстаивание в течение 0,4-1 часа, необходимое для окончательного разделения металлической и шлаковой фаз, при этом осуществляют контроль металла на содержание металлических примесей (железо, свинец и др.). В случае несоответствия полученного металла требованиям по его качеству время отстаивания под слоем твердого флюса при температуре 430-450^oC увеличивают до 12 часов. При этом слой твердого флюса герметизирует металл и полностью защищает его от взаимодействия с атмосферой. В результате этого прекращается угар и окисление цинка, что способствует улучшению качества и увеличению выхода годного металла. Полученный металл разливают в изложницы.

Способ осуществляли в печи сопротивления САТ - 0,16, оборудованной графитовым тиглем. При переплаве использовали:

- пылевидную фракцию изгари цинка Челябинского трубопрокатного завода следующего состава,%: Zn - 76,1, Cl - 10,8, Pb - 0,76, Fe - 0,56;

- флюс: NaCl - 45%, KCl - 45%, Na₃AlF₆ - 10%: температура плавления Т_пл = 640^oC;

- алюминий: переплав стружки сплава АК9;

- алюминиевую стружку сплава АК9.

После расплавления 20 кг алюминия на его поверхность заливали слой флюса толщиной, ориентировочно, 130 мм. Доводили температуру расплава до 750^oC и непрерывно, небольшими порциями засыпали шихту при интенсивном перемешивании графитовой мешалкой. В процессе ввода изгари температура расплава изменялась в пределах 720 - 760^oC. По ходу плавки флюсовой расплав подшихтовывали свежим составом. После ввода 90 кг изгари процесс прекращали. Во флюсовой расплав вводили 1,7 кг алюминиевой стружки, перемешивали и снижали температуру до 470^oC. Отстаивали при этой температуре в течение 1 часа. В процессе отстаивания контролировали содержание железа в металле (1,03%). Для снижения содержания железа проводили термовременную обработку расплава в течение 10 часов при температуре 430 - 440^oC. В процессе термовременной обработки расплавленный металл находился под слоем твердого флюса. После окончания обработки расплав сливали в изложницы. Проводили контроль химического состава сплава и металлографический анализ на содержание неметаллических включений.

Для получения сравнительных данных параллельно на той же печи проводили переплав пылевидной фракции изгари цинка по способам согласно [1] и [3].

Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР N 954470, кл. C 22 B 19/30, заявл. 1980, опубл. 30.08.82. Бюл. N 32.

2. Ю. Л. Плинер, Г.Ф. Игнатенко "Восстановление окислов металлов алюминием". М.: Металлургия, 1967, 247 с., стр. 133.

3. В. И. Напалков и др. "Лигатуры для производства алюминиевых и магниевых сплавов", М.: Металлургия, 1983, стр. 85.