Введение к работе
Актуальность проблемы. На современном этапе развития цветной металлургии при разработке и внедрении новых технологий, в которых основополагающими являются вовлечение в производство некондиционного сложного сырья, расширение номенклатуры сырьевых источников, комплексности их использования, имеющийся банк данных по фазовым равновесиям металлургических систем является крайне недостаточным и на обеспечивает потребности технической науки и заводской практики. К числу актуальных проблем теории металлургических процессов относятся вопросы исследования фазовых преобразований в реальных металлургических системах новых технологических процессов по переработке сложного полиметаллического сырья.
данная работа посвящена исследованию фазовых состояний металлургических систем, характеризующих химизм и, фазовые преобразования пиропроцессов свинцово-цинкового производства: агломерации, шахтной- и автогенной плавки, огневого рафинирования, переработки промпродуктов. Исследования выполнены по целевым программам фонда развития науки Мшщветмета СССР, по планам НИР и хоздоговорам с УК СЦК и ЧСЗ в тематике разработок процессов КИЩЭТ, непрерывного обезмеживания чернового свинца, проблемы мышьяка (Ш-І6, Ш-20), усовершенствования процессов агломерации и шахтной свинцовой плавки.
Цель работы. Развитие нового направления физико-химических основ металлургических процессов:
получение новых данных по классам систем, характеризующих фазовое состояние и химизм процессов пирометаллургии свинца и пинка;
использование диаграмм состояния систем в качестве экспериментальных моделей фазовых преобразований и химизма реальных металлургических процессов для определения их .оптимальных технологических режимов и конструкций агрегатов.
Научная новизна. С учетом реальных условий технологических процессов пирометаллургии свинца и цинка (необратимости, образования промежуточных подвижных и метвстабильных состояний и фаз нногокомпонентности составов) впервые изучен класс систем, описывающих фазовые преобразования в материалах свинцово-цинкового производства при их пирометаллургической переработке:
свжнцово-силикатнне системы (ръо- sio2 - СаО - Рв„о3 -Pbso. - ZnO -'U.gO, и ее-образующие);
высокоцинковистые сульфидные и оксисульфиднне системы
(cu2_xS - PbS - PeS - ZnS; (Cu2S, ZnS) - FeS - (FeO, Саб, Pe)
и их образующие);
сульфидно-натриевые системы (cu2s - Na2S - PeS, PbS -Ha2S - FeS, Cu2S - PbS - PeS - NagS И ИХ образующие) ;,.
СуЛЬфИДНО-арсенИДНЫе СИСТемЫ (Cuyls - PbS - cu2s - Na2S, Cu3As - Fe2As - PbS - Na2S И ИХ образующие).
На основании цриципов подобия и необратимости процассов(на примере изученных систем) обоснован новый подход к использованию диаграмм состояния, их проекций и фрагментов в качестве экспериментальных моделей, процессов взаимодействия и фазовых преобразований, происходящих в многокомпонентных реальных системах металлургических переделов, что позволило применить полученные результаты исследования при усовершенствовании существующих.раз-работке и внедрении новых технологий получения свинца и цинка.
Данные по химизму процессов, происходящих в изученных сложных сульфидно-арсенидных системах, подтверждены термодинамическими расчетами.
С позиции обобщенной теории кислот и оснований М.И.Усанови-ча и принципа "жесткости-мягкости" кислот и оснований (ЖМКО)Пир-сона рассмотрено взаимодействие в системах Me s - Na„s. Для су-
. П Ш d
льфадов и тиосолей рассчитан условный потенциал ионизации,значения которого /могут служить мерой кислотно-основного взаимодействия тиосолей, что дает сравнительнуш характеристику типа связей ионов в расплавах тиосолей.
Практическая ценность работы. Использование результатов исследования систем в качестве экспериментальных моделей фазовых преобразований и взаимодействий, происходящих на стадиях металлургических пределов позволили:
- выяснить причины нарушений технологий агломерации, шахтг
ной свинцовой плавки, установить негативную роль сульфатов свин
ца, поступающих в шихту агломерации с оборотными материалами
свинцово-цинкового производства, что явилось основанием для от
работки рекомендаций по составу шихты и ее подготовке, обеспечи
вающих нормальные условия работы шахтной печи;
- разработать и внедрить оптимальные режимы технологии и
конструкцию печи непрерывного обезмеживания чернового свинца, выяснить природу и определить условия, механизм образования магнетитових и штейно-шпейзовнх настылей в электропечи, влияние на настылеобразование окислительно-восстановительного режима и щелочности шлакового расплава;
отработать, испытать в промышленном масштабе замкнутую технологию непрерывного обезмеживания чернового сивнца с повы-шенннмасодержаниями меди, мышьяка и других примесей по схеме: предварительное обезмеживание в электропечи, грубое и тонкое обезмеживание в котлах-миксерах центрофугированием с возвратом полученных шликеров в электропечь предварительного обезмеживания;
определить температурные и фазовые зоны по длине факела, которые легли в основу оптимальных геометрических размеров факельной части кивцэтного агрегата,в зависимости от состава по свинцу и цинку перерабатываемой шихты, а при переработке медно-цинковых концентратов обосновать рекомендации по снижению растворимости кислорода в штейне при электротермической доработке расплавов.
Результаты исследования использованы при освоении технологии на промышленной установке ОСЗ БЯИИцветмета и при проектировании промышленных агрегатов КИВЦЭТ-ЦС Иртышского медеплавильного завода и Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината.
При внедрении усовершенствованной технологии непрерывного обезмеживания чернового свинца на УК СЩ экономический эффект составил около двух млн.руб., а использование- рекомендаций по замкнутой схеме обезмеживания обеспечивает эффективность процесса в размере 5,92 руб.на т. свища (в ценах 1990 г).
Результаты исследования использованы в качестве справочного материала в химической и металлургической литературе,например: Index chemieus. Inst. Г.Scientific Information, Philadelphia,Pa., USA, 1964, 1968;
Диаграммы состояния силикатных систем. Справочник. Торопов Н.А. и др. М.-Л.: Наука, 1965, 1962 т.1;
Минералы. Справочиник, Диаграммы фазовых равновесий, под-ред. Чухрова Ф.В. и др.: Наука, 1974, В.2;
Растворимость неорганических веществ в воде. Справочник.Кир-гшщев А.Н. и др. Новосибирск: СО Наука, 1972;
Диаграммы состояния металлических систем.Справочник. М. ВИНИТИ, 1978, 1979, 1986, гг.
Основные положения, выносимые на зашиту.
результаты исследования диаграмм состояния систем.харак-теризующих фазовые преобразования в пирометаллургических процессах производства свинца и цинка;
концепция использования диаграмм фазового состояния систем, их фрагментов и проекций в качестве экспериментальных моделей взаимодействия и фазовых превращений, происходящих в сложных по составу реальных системах пиропроцессов цветной металлургии, и их применение для определения оптимальных режимов существующих и разработки новых технологических процессов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на:
ІУ Всесоюзном совещании по термическому анализу, Москва, 1969 г.;
IX Всесоюзном совещании по экспериментальной и технической минералогии и петрографии, г.Иркутск, 1973 rj
Всесоюзной конференции по физико-химическим и технологическим основам яирометаллургической подготовки руд к восстановительной плавке, г.Днепропетровск, 1973 г;
Всесоюзных совещаниях "Проблемы мышьяка в производстве цветных металлов и методы его удаления и обезвреживания", Новоси-, бирск, 1976, 1979 гг.;
Всесоюзном совещании по физико-химическому анализу, Москва
1976 г# J А,
Ш Республиканском научно-техническом семинаре рггстников экспериментальных служб предприятий цветной металлургии. Каз.ССР, г.Усть-Каменогорск - Алма-Ата, 1975 г.;
Всесоюзном семинаре "Термодинамические свойства сульфидных расплавов, их взаимодействия с газами, поведение сульфидно-оксидных систем в газовых средах при получении тяжелых цветных металлов, Москва, 1981;
П и ІУ Всесоюзных совещаниях "Химия и технология халькоге-нов и халькогенидов", г.Караганда, 1982, 1990 гг.;
Ш Республиканской конференции "Физико-химия и технология свинца", г.Чимкент, 1984 г.;
ІУ Научно-практической конференции по новым технологиям импульсной обработки материалов и созданию специального оборудования, г.Новосибирск, 1985 г.;
Республиканской научно-технической семинаре "Переработка промпродуктов свинцово-цинкового производства с целью извлечения редких металлов и вывода примесей. Проблемы использования мншьяксодержащих продуктов в народном хозяйстве", г.Усть-Каменогорск, 1978;
Ш Республиканской конференции "Комплексная переработка минерального сырья методами щелочной металлургии", Алма-Ата, 1987г.;
ХУ-ХУП научно-технических совещаниях "Ионно-электронные (полифункциональные) и ионные проводиники, их применение в современной технике и технологии", г.Киев, 1988, 1989, 1990 гг.
Структура и объем ддр.пвртр^ир, Диссертация состоит из введения, трех разделов (включающих II глав) и выводов. Материал изложен на 481 стр. машинописного текста, включая 138 иллюстраций, 18 таблиц и списка литературы 475 наименований. Приложения, включающие акты испытаний и внедрения занимают 27 машинописных страниц.