Введение к работе
Актуальность темы: Долгие годы основным процессом получения свинца из первичного сырья являлась технология, использовавшая агломерацию и шахтную плавку.
Однако, недостатки, присущие данной технологии - большой расход металлургического кокса, низкие экологические показатели, - привели к тому, что в настоящее время основной мировой тенденцией в металлургии первичного свинца является переход на плавку с использованием автогенных процессов.
В мировой практике модернизация технологий переработки рудного свинцового сырья основывается, как и в других отраслях металлургии, на энергосбережении (в первую очередь сокращении расхода кокса), малоотходное и экологической безопасности производства. Решению этих задач отвечает использование современных плавильных автогенных и электротермических технологий и оборудования, поэтому разработка усовершенствованной двухстадиальной технологии переработки свинцовых концентратов из руд крупного Горевского месторождения с использованием автогенной плавки шихты в печи с интенсивным перемешиванием расплава и обеднения плавильных шлаков в электротермических печах, несомненно, актуально. Для России это особенно злободневно, т.к. на территории страны в настоящее время нет подобных предприятий, а производимые свинцовые концентраты экспортируются.
Развитие методик термодинамического расчета процессов, позволяет сделать обоснованный выбор двухстадиальной аппаратурно-технологической схемы переработки свинцового концентрата, определить основные технологические показатели переделов плавки и обеднения шлаков. В основе метода расчета равновесных параметров лежит поиск минимума энергии Гиббса системы. Лабораторные эксперименты, проведенные для проверки адекватности термодинамических расчетов, показали высокую сходимость результатов и полностью подтвердили правильность расчетов. Эти исследования, а так же анализ коммерциализированных (т.е. доведенных до стадии промышленного освоения) процессов прямой плавки свинцового сырья, показали, что наиболее используемой технологией являются разновидности австралийского процесса TSL (Top Submerged Lance) - Ausmelt и Isasmelt.
Выполненные нами опытно-промышленные исследования показали возможность комплексной переработки свинцового сырья при использовании для обеднения плавильных шлаков электротермии с получением свинца и драгоценных металлов (в виде сплава Доре), а также с последующим выведением цинка в товарный продукт (цинковые возгоны).
Научная идея работы: теоретическое и экспериментальное обоснование технологии и аппаратуры для двухстадиальной переработки свинцового сырья с использованием автогенной плавки с перемешиванием расплава в качестве первой стадии процесса и электротермическом обеднением «тяжелого» (богатого) свинцового шлака на второй стадии.
Цель работы: разработка двухстадиальной аппаратурно-технологической схемы переработки сульфидного свинцового сырья, обеспечивающей высокие технико-экономические и экологические показатели его переработки.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
1. Термодинамическое моделирование процессов двухстадиальной перера
ботки свинцового сырья, включающих автогенную плавку свинцового сырья и обедне
ние шлака.
-
Экспериментальное исследование кинетических закономерностей процессов автогенной плавки шихты и электротермического обеднения.
-
Определение режимов ведения разрабатываемых процессов плавки и обеднения шлаков, обеспечивающих наилучшие технологические показатели.
-
Выбор и научное обоснование энергосберегающей и экологически безопасной аппаратурно-технологической схемы переработки свинцового сырья, с целью ее промышленного внедрения для переработки сульфидных свинцовых концентратов Го-ревского месторождения.
Предмет исследования: процесс переработки сульфидного свинцового сырья с получением чернового свинцового сплава и отвального шлака.
Методы исследований: Расчетное исследование термодинамики процесса плавки свинцового концентрата и оксисульфатной пасты в печи Ausmelt и обеднения образующегося шлака выполнено с помощью комплекса программного обеспечения и баз данных для термодинамических расчетов FactSage, разработанного Centre de Recherche en Calcul Thermochimique (Канада) совместно с GTT-Technologies (Германия). Комплекс позволяет рассчитывать равновесные состав и свойства систем, осуществлять построение фазовых диаграмм и диаграмм Пурбе, рассчитывать термодинамические характеристики протекания отдельных реакций. В основе метода расчета равновесных параметров лежит поиск минимума энергии Гиббса системы. В зависимости от постановки задачи, в составе комплекса или отдельно поставляются базы данных о свойствах индивидуальных веществ и реальных растворов; каждая база данных соответствует некоторой группе веществ (оксиды, соли, сплавы меди, благородные металлы и т. п.) или предметной области производства.
В настоящей работе использовался FactSage версии 6.1 (2009 год) и следующие базы данных:
Fact53 (2009 г.); FToxid (2009 г.); FTmisc (2009 г.); SGnobl (2008 г.); SGnobi (2008 г.).
В качестве основной модели металлического расплава (чернового свинца) использовался раствор Pb-liq из базы FTmisc, в качестве модели шлака - раствор ASlag из базы FTOxid. Кроме того, для учета шпинелей в составе шлака в виде отдельной фазы использовали модель ASpinel из базы FTOxid.
Научная новизна работы:
l.Ha основе термодинамических исследований окислительной стадии процесса переработки сульфидного свинцового сырья установлены зависимости распределения различных соединений свинца по продуктам плавки от расхода кислорода и температуры, которые позволяют рассчитать основные режимные параметры ведения процесса автогенной плавки, обеспечивающие максимальное извлечение свинца в металлическую фазу.
2. На основе термодинамических исследований восстановительной стадии процесса переработки свинцового сырья установлены зависимости распределения раз-
личных соединений свинца и цинка по продуктам плавки от удельного расхода твердого восстановителя и температуры, которые позволяют рассчитать основные параметры ведения процесса восстановления, обеспечивающие максимальные извлечения свинца в металлическую, а цинка в шлаковую фазы.
3.Экспериментальными исследованиями подтверждены результаты термодинамических расчетов, показывающие:
невозможность получения в одну стадию металлического свинца с низким содержанием серы и отвальных по свинцу шлаков;
распределение свинца и цинка между продуктами процесса двухста-диальной переработки сульфидного свинцового сырья.
4. Экспериментальными исследованиями кинетики процесса двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья определены зависимости скорости протекания процессов окисления и восстановления от интенсивности перемешивания расплавов на каждой стадии, что позволило дать рекомендации по выбору требуемой упругости дутья на первой стадии процесса и необходимости повышения интенсивности перемешивания расплава на второй стадии, например, за счет применения электротермии на постоянном токе. Эти данные необходимы для расчета агрегатов, составляющих аппаратурно-технологическую схему.
Достоверность научных положений обеспечена представительным объемом лабораторных и крупномасштабных исследований, достаточной сходимостью экспериментальных результатов с расчетными.
Личный вклад автора состоит в:
постановке задачи на выполнение термодинамических расчетов процессов двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья;
проведении экспериментальных исследований по изучению кинетики процессов двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья;
определении рациональных параметров, способствующих максимальной эффективности технологии двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья;
участии в опытно-промышленных испытаниях и промышленной эксплуатации технологии электропечного обеднения свинцовых шлаков;
участии в создании технологического регламента для свинцового завода по переработке сульфидного свинцового концентрата ООО "Новоангарский обогатительный комбинат", получаемого из руд Горевского месторождения.
На защиту выносятся следующие научные положения: 1.Результаты термодинамического моделирования процессов двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья автогенной плавкой с последующим обеднением «тяжелого» плавильного шлака, положенные в основу разработанной аппаратурно-технологической схемы.
2.Научное обоснование аппаратурно-технологической схемы двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья.
3.Технология двухстадиальной переработки сульфидного свинцового сырья с плавкой в печи "Ausmelt" и обеднением «тяжелого» плавильного шлака в электротер-
мических печах, с режимными параметрами, обеспечивающими максимальную экономическую и экологическую эффективность плавильного, рафинировочного и сернокислотного производств.
Практическая значимость работы:
разработана аппаратурно-технологическая схема и обоснован рациональный технологический режим эффективного и экологически безопасного двухстадиального процесса переработки сульфидного свинцового концентрата Горевского месторождения в смеси с вторичным свинцовым сырьем.
выполнен технологический регламент для строительства свинцового завода по переработке сульфидного свинцового сырья, по разработанной аппаратурно- технологической схеме.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1.1-м Международном конгрессе «Цветные металлы Сибири-2009» (Красноярск, 2009);
2. Международном научно-практическом форуме International Secondary Lead Conference, Macau, September, 2009;
3.6-й международной научно-практической конференции «Современные технологии в области производства и обработки цветных металлов» (в рамках «МЕТАЛЛ-ЭКСПО - 2009») (Москва, 2009).
Публикации: основное содержание работы изложено в 11 опубликованных научных работах (из них 3 публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК Ми-нобрнауки России).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы, включающего 114 библиографических источников, и содержит 147 страниц, включая 52 рисунка, 29 таблиц, 1 приложение.
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю работы, заместителю генерального директора ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» по научной работе, д.т.н. Парецкому В.М., заслуженному технологу РФ, д.т.н., профессору Бессеру А.Д., начальнику информационно-издательского отдела ФГУП «Институт «ГИНЦВЕТМЕТ» Быховской Е.Ю., зав. лабораторией пирометаллургии ООО «Институт Ги-проникель», действительному члену РАЕН, д.т.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ Цемехману Л.Ш., ведущему научному сотруднику ЛПМ ООО «Институт Ги-проникель», к.т.н. Серегину П.С. за помощь в доработке и подготовке диссертации к защите.
