способ очистки цинка от оксидов примесных металлов и печь для осуществления способа

Формула изобретения

1. Способ очистки цинка от оксидов примесных металлов путем плавления цинка и отделения твердой фазы оксидов примесных металлов от расплава цинка, отличающийся тем, что плавление цинка осуществляют в расплаве натрия тетраборно-кислого, содержащего 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты, при температуре 750-800°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что загрузку цинка в расплав натрия тетраборно-кислого осуществляют в клети из металлических прутков, обшитой металлической сеткой с размерами ячеек 10×10 мм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что оксиды примесных металлов, содержащиеся в цинке, взаимодействующие с натрием тетраборно-кислым и ангидридом борной кислоты с образованием метаборно-кислых солей примесных металлов, которые спекаются в пористую твердую массу, удаляют из расплава натрия тетраборно-кислого вместе с клетью после полного расплавления цинка и отекания его на дно печи.

4. Печь для очистки цинка от оксидов примесных металлов, содержащая вертикально установленный тигель, патрубок для слива в изложницы очищенного расплава цинка, отличающаяся тем, что тигель имеет пристенный карман, являющийся затвором из расплава очищенного цинка, а отводной патрубок для слива очищенного расплава цинка в изложницы встроен в карман на уровне высоты слоя затвора из расплава цинка в кармане.

5. Печь по п.4 отличающаяся тем, что высоту слоя затвора из расплава цинка определяют по заданным значениям высоты слоя расплава цинка на дне тигля печи и высоты расплава натрия тетраборно-кислого в тигле печи в соответствии с формулой:

h₁=(h₂·P₁ +h₃·Р₂):Р₁,

где h ₁ - высота слоя расплава цинка в затворе, м;

h₂ - высота слоя расплава цинка на дне тигля печи, м;

h₃ - высота слоя расплава натрия тетраборно-кислого в тигле печи, м;

P₁ - удельная масса расплава цинка, кг/м³;

P₂ - удельная масса расплава натрия тетраборно-кислого, кг/м³.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано для очистки отходов горячего цинкования стальных полос (цинкового дросса) от оксидов примесных металлов с получением цинка, который может быть использован для горячего цинкования стальных полос, получения сухих цинковых белил, получения различных сплавов на основе цинка.

Известен способ получения цинка из цинкового дросса, выбранный в качестве прототипа, включающий загрузку цинкового дросса в печь, его расплавление при температуре 700-800°С, выдержку при данной температуре в течение 0,25-0,5 ч, охлаждение расплава до температуры 460-500°С, выдержку при данной температуре в течение 0,5-0,7 ч и затем слив расплава цинка в изложницы (Патент РФ 2188244, 11.04.2001, БИПМ №24, 27.08.2002, с.303.) Недостатками известного способа являются:

- низкий выход очищенного цинка;

- низкая производительность печи;

- образование настыля на стенках тигля печи, что является причиной трудоемкой операции периодической чистки печи от настыля;

- образование значительной массы (больше 40%) вторичного отхода - гартцинка, имеющего высокое содержание примесей (до 10%);

- высокая себестоимость очищенного цинка, являющаяся следствием значительных энергетических затрат из-за частых остановок печей на чистку от настыля и низкого выхода очищенного цинка (до 55%). Известны печи для выплавки цинка из цинковых отходов, выбранные в качестве прототипа, содержащие тигли с выпускными отверстиями, снабженными затворами, обеспечивающими перекрытие выпускных отверстий и смонтированными на основании печей ограничителями места положения изложницы, а направляющие передвижения изложниц расположены параллельно продольной оси ряда нагревательных печей, при этом ограничители места положения изложницы связаны с механизмом перемещения платформы (Патент РФ 2189398, 16.08.1999, БИПМ №26, 20.09.2002, с.342).

Недостатками известных печей являются:

- сложное аппаратурное оформление;

- сложность в управление операциями в процессе очистки цинка от примесей.

Задачами предлагаемого способа очистки цинка от оксидов примесных металлов и печи для осуществления способа являются повышение коэффициента выхода очищенного цинка, производительности печи, устранение образования на стенках тигля печи настыля, уменьшение массы образующегося вторичного отхода в процессе очистки цинка, упрощение аппаратурного оформления печи и управления операциями в процессе очистки цинка от примесей, создание технологии очистки цинка от примесей и устройства печи, позволяющих вести процесс очистки цинка в непрерывном режиме, снижение себестоимости очищенного цинка.

Указанные задачи достигаются тем, что плавление цинка осуществляют в расплаве натрия тетраборнокислого, содержащего 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты, при температуре 750-800°С. Загрузку цинка в расплав натрия тетраборнокислого осуществляют в клети из металлических прутков, обшитой металлической сеткой с размерами ячеек 10×10 мм. Оксиды примесных металлов, содержащихся в цинке, взаимодействуют с натрием тетраборнокислым и ангидридом борной кислоты с образованием метаоборнокислых солей примесных металлов, которые спекаются в пористую твердую массу и которые удаляют из расплава натрия тетраборнокислого вместе с клетью после полного расплавления цинка и стекания его на дно тигля печи.

Реакции оксидов примесных металлов с натрием тетраборнокислым и ангидридом борной кислоты протекают по схемам:

МеО+Na ₂B₄O₇=Me(BO₂) ₂+2NaBO₂

Me₂O₃+Na ₂B₄O₇+2B₂O₃ =2Me(BO₂)₃+2NaBO₂

2NaBO ₂+B₂O₃=Na₂B₄ O₇,

где МеО и Me₂O₃ - оксиды примесных двух- и трехвалентных металлов.

Для осуществления способа очистки цинка от оксидов примесных металлов используют вертикальную печь с установленным в нее тиглем, который имеет пристенный карман для образования затвора из расплава цинка, препятствующий сливу расплава натрия тетраборнокислого из тигля и обеспечивающий непрерывность процесса очистки цинка от оксидов примесных металлов, а отводной патрубок для слива очищенного расплава цинка в изложницы встроен в карман на уровне высоты слоя расплава цинка в затворе. Высоту слоя затвора из расплава цинка определяют по заданным значениям высоты слоя расплава цинка на дне тигля печи и высоты слоя расплава натрия тетраборнокислого в тигле печи в соответствии с формулой:

h₁=(h ₂·P₁+h₃·Р₂ ):Р₁,

где h₁ - высота слоя расплава цинка в затворе, м;

h₂ - высота слоя расплава цинка на дне тигля печи, м;

h₃ - высота слоя расплава натрия тетраборнокислого в тигле печи, м;

P ₁ - удельная масса расплава цинка, кг/м³;

Р₂ - удельная масса расплава натрия тетраборнокислого, кг/м³.

Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа очистки цинка от оксидов примесных металлов и печи для осуществления способа имеет отличия от прототипов и не следует явным образом из изученного уровня техники, поэтому автор считает, что способ и печь для осуществления способа являются новыми и имеют изобретательский уровень.

Способ очистки цинка от оксидов примесных металлов и печь для осуществления способа позволяют повысить коэффициент выхода очищенного цинка, производительность печи, устранить образование на стенках тигля печи настыля, уменьшить образование вторичного отхода процесса очистки цинка, снизить себестоимость очищенного цинка, упростить аппаратурное оформление печи и управление операциями в процессе очистки цинка от примесей, создать технологию и устройство печи для непрерывного процесса очистки цинка от примесей.

Печь для очистки цинка от оксидов примесных металлов представлена на чертеже.

Печь включает в себя следующие элементы:

- корпус печи из огнеупорного и теплоизоляционного материала (поз.1.);

- тигель печи из огнеупорной стали (поз.2.);

- отводной патрубок для слива очищенного расплава цинка в изложницы, представляющий собой трубу из огнеупорной стали (поз.4.);

- опорная решетка из огнеупорной стали для установки на нее металлической клети с цинком (поз.5.);

- карман для затвора из расплава цинка, представляющий собой трубу из огнеупорной стали (поз.6.);

- крышка печи из огнеупорной стали, которая сдвигается в сторону во время загрузки в печь клети с цинком (поз.7.);

- расплав цинка, постоянно содержащийся на дне печи (поз.8.) и в кармане (поз.3.);

- расплав натрия тетраборнокислого, содержащий 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты (поз.9.).

На чертеже показаны высота слоя расплава цинка в тигле печи, образующего затвор (h₁), заданная высота слоя расплава цинка на дне тигля печи (h₂) и заданная высота слоя расплава натрия тетраборнокислого, содержащего 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты (h₃).

Совокупность признаков заявляемого технического решения - способа очистки цинка от оксидов примесных металлов и печи для осуществления способа - имеет отличия от прототипов и не следует явным образом из изученного уровня техники, поэтому автор считает, что способ и печь для осуществления способа являются новыми и имеют изобретательский уровень.

Способ очистки цинка от оксидов примесных металлов и печь для осуществления способа позволяют повысить коэффициент выхода очищенного цинка, производительность печи, устранить образование на стенках тигля печи настыля, уменьшить образование вторичного отхода процесса очистки цинка, снизить себестоимость очищенного цинка, упростить аппаратурное оформление печи и управление операциями в процессе очистки цинка от примесей,

создать технологию и устройство печи для непрерывного процесса очистки цинка от примесей.

Способ очистки цинка от оксидов примесных металлов осуществляют следующим образом.

Для осуществления способа очистки цинка от оксидов примесных металлов применяют печь специальной конструкции, представленной на чертеже. Тигель печи (поз.2) представляет собой обечайку, выполненную из огнеупорной стали и имеющей дно в нижней части также из огнеупорной стали, а в верхней части - поворачивающуюся крышку из огнеупорной стали (поз.7). В дно тигля печи вмонтирован патрубок с краном для опорожнения тигля на случай ремонта печи (не показан).

В тигель печи вмонтирован пристенный карман, представляющий собой трубу из огнеупорной стали (поз.6).

Между трубой и дном тигля печи имеется зазор 20-40 мм.

В трубу на высоте h₁, рассчитанную по заданным значениям высоты слоя расплава цинка на дне тигля печи (h₂) и высоты слоя расплава натрия тетраборнокислого (h₃), а также удельных масс расплава цинка (Р ₁) и расплава натрия тетраборнокислого (Р₂) согласно формуле

h₁=(h₂P₁ +h₃P₂):P₁,

встроен патрубок из огнеупорной стали (поз.4), необходимый для слива очищенного расплава цинка в изложницы.

На расстоянии 20-30 мм от поверхности расплава цинка, находящегося на дне тигля печи, встроена опорная решетка из огнеупорной стали (поз.5), необходимая для установки на нее клети с загружаемым в печь цинком.

Для разогрева печи и поддержания заданной температуры в печи применяют электрообогрев с автоматическим устройством (не показано).

Корпус печи (поз.1) выполнен из огнеупорного материала, облицованного металлическим кожухом.

В режиме готовности печи для очистки цинка от оксидов примесных металлов на дне тигля печи (поз.2) образуется слой расплава цинка (поз.8), постоянно имеющий заданную высоту h₂, в кармане (поз.6) образуется слой расплава цинка (поз.3), постоянно имеющий высоту h₁, и над расплавом цинка, находящимся на дне тигля печи, образуется слой расплава натрия тетраборнокислого (поз.9), постоянно имеющий заданную высоту h₃.

Первоначально печь приводят в рабочее состояние. Для этого в тигель печи (поз.2) загружают буру (Na ₂В₄O₇·10Н₂O) и борную кислоту в массовом соотношении в пересчете на натрий тетраборнокислый (Na₂B₄О₇) и ангидрид борной кислоты (В₂O₃) 97:3-93:7.

Загрузку смеси буры и борной кислоты производят до половины высоты тигля печи. Затем производят медленный нагрев печи до 450°С. После прекращения вспучивания буры температуру в тигле печи постепенно поднимают до 750-800°С и расплавляют натрий тетраборнокислый, содержащий 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты.

В расплав натрия тетраборнокислого продолжают загружать небольшими порциями смесь буры и борной кислоты до тех пор, пока из отводного патрубка (поз.4) начнет вытекать расплав натрия тетраборнокислого, который собирают в специальную емкость.

Затем на опорную решетку (поз.5) устанавливают клеть с такой массой загрязненного цинка, чтобы он был погружен в расплав натрия тетраборнокислого. После расплавления и стекания цинка на дно тигля печи клеть убирают из печи, а загрузку загрязненного цинка в тигель печи производят в другой клети. После остывания первой клети из нее убирают спекшуюся массу метаборнокислых солей примесных металлов.

Операции загрузки загрязненного цинка в печь повторяют до тех пор, пока из отводного патрубка от кармана печи начнет вытекать расплав цинка в изложницу.

С этого момента в тигель печи производят загрузку в клети собранного плава натрия тетраборнокислого, затем небольшими порциями продолжают загрузку в клети смеси буры и борной кислоты до тех пор, пока расплав натрия тетраборнокислого достигнет установленного уровня по высоте тигля печи, который равен сумме заданных высот h ₂ и h₃ (см.чертеж). После этого печь находится в режиме непрерывной очистки загрязненного цинка (дросса) от оксидов примесных металлов.

Периодически в тигель печи загружают определенную массу борной кислоты вместе с загрязненным цинком для восстановления заданного состава расплава натрия тетраборнокислого (содержание в расплаве натрия тетраборнокислого 3-7 мас.% ангидрида борной кислоты).

Данные технологических параметров известного (Патент РФ 2188244, 11.04.2001, БИПМ №24, 27.08.2002, с.303) и предложенного способов очистки цинка от примесей представлены в таблице 1.

Пример. Состав загрязненного цинка, мас.%:

цинк - 98,34;

примеси (сумма металлов алюминия, железа и их оксидов) - 1,66.

Результаты технологического процесса предлагаемого способа очистки цинка от оксидов примесных металлов при указанных в формуле изобретения параметрах и граничных параметрах представлены в таблице 2.

Таким образом, использование предлагаемого способа очистки цинка от оксидов примесных металлов и печи для осуществления способа позволяет выполнить поставленные задачи и получить положительные результаты технического решения.

Таблица 1.
Температура в печи, °С		Время выплавки загруженного цинка, ч		Суммарная масса примесей в очищенном цинке, %		Производительность печей, кг/м3·ч		Коэффициент выхода очищенного цинка
по известному способу	по предлагаемому способу	по известному способу	по предлагаемому способу	по известному способу	по предлагаемому способу	по известному способу	по предлагаемому способу	по известному способу	по предлагаемому способу
460-780	750	2,50	0,50	0,47	0,35	250	1000	0,55	0,98
460-780	780	2,50	0,45	0,47	0,40	250	1100	0,55	0,98
460-780	800	2,50	0,40	0,47	0,45	250	1250	0,55	0,98

Таблица 2.
№№ опыта	Наименование параметров процесса	Един. измерения	Значение параметра	Результаты технологического процесса
1.	Температура в печи	°С	750	Время выплавки загруженного цинка - 0,45 ч.
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве	%	5,7	Суммарная масса примесей в очищенном цинке - 0,40%
	натрия тетраборнокислого			Коэффициент выхода очищенного цинка - 0,98%
2.	Температура в печи	°С	800	Время выплавки загруженного цинка - 0,4 ч.
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве	%	5,3	Суммарная масса примесей в очищенном цинке - 0,45%
	натрия тетраборнокислого			Коэффициент выхода очищенного цинка - 0,98
3.	Температура в печи	°С	740	Процесс очистки цинка осуществить невозможно из-за
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве натрия тетраборнокислого	%	5,5	высокой вязкости расплава натрия тетраборнокислого
4.	Температура в печи	°С	850	Суммарная масса примесей в очищенном цинке - 0,55 мас. %
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве натрия тетраборнокислого	%	5,6	Ухудшение качества очищенного цинка.
5.	Температура в печи	°С	780	Суммарная масса примесей в очищенном цинке - 0,67%
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве натрия тетраборнокислого	%	2.1	Ухудшение качества очищенного цинка.
6.	Температура в печи	°С	780	Коэффициент выхода очищенного цинка - 0.93.
	Массовая доля ангидрида борной кислоты в расплаве натрия тетраборнокислого	%	8,3	Уменьшение коэффициента выхода очищенного цинка.