Введение к работе
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1981-85 годы и на период до 90-го года, утвержденными ЛН. съездом КПСС, поставлена задача: "... В цветной металлургии... повысить комплексность и полноту использования минерального сырья, ускорить внедрение автогенных... и других эффективных технологических процессов" Д/.
В решениях съезда намечено "...увеличить производство меди на 20-25$, никеля и кобальта не менее, чем в 1,3 раза, наращивать производство цинка, свинца, ... драгоценных металлов".
Задача повышения комплексности переработки сырья наиболее актуальна для металлургии тяжелых цветных металлов, использующей различные виды полиметаллических руд, вещественный состав которых постоянно усложняется. Это связано с истощением старых месторождений и разработкой новых. Среди разновидностей потребляемого промышленностью сырья особое место занимают медно-цинко-вые руды, переработка которых существующими методами приводит к потерям для народного хозяйства больших количеств цинка, свинца, серы, железа, других элементов-спутников.
Основная цель современных технологий - эффективное и полное вовлечение в народное хозяйство компонентов исходного сырья-в металлургии тяжелых цветных металлов решается на основе:
- достижения максимально высокой степени извлечения и комплексности использования всех ценных компонентов перерабатываемого сырья;
- высокой удельной производительности оборудования;
- высокой производительности труда;
- максимального использования теплотворной способности сульфидов и сокращения потерь тепла с продуктами переработки сульфидного сырья;
- максимальном использовании вторичных энергоресурсов;
- наименьшем отрицательном воздействии на окружающую среду;
- возможности полной механизации и автоматизации технологических процессов.
Технологические режимы большинства промышленных процессов пока еще не соответствуют оптимальным условиям равновесия сосуществующих фаз. Технологические схемы переработки модно-цинкового, медно-свинцово-цинкового и других видов полиметаллического сырья не обеспечивают качественного извлечения и высоких технико-экономических показателей, что приводит к значительным потерям целого ряда сопутствующих меди металлов - извлечение цинка из медно-цинковых руд Урала не превышает 40$, элементов--спутников - 20-40$.
Положение усугубляется из-за истощения старых месторождений. Вовлекаемые в производство новые виды сырья, такие как концентраты Николаевского месторождения и другие, имеют сложный вещественный и минералогический состав, неблагоприятную для существующих технологических схем тенденцию к постоянному увеличению содержания цинка и соотношения содержаний цинка к меди. Это приводит к росту содержания цинка в продуктах плавки, гетероге-низации шлаков, нарушениям технологического процесса и дополнительному снижению извлечения ценных компонентов.
Несмотря на определенные успехи в интенсификации существующих процессов (СУМЗ, КУЖ, КШ, Иртышский завод и т.д.), технология действующих предприятий не удовлетворяет большинству требований к современному металлургическому процессу.
Практикующееся до сего времени проведение плавки на бедные штейны и кремнистые шлаки снижает производительность единичных агрегатов и технологических цепочек, требует больших, но малоэффективных затрат на топливо и флюсы, приводит к потерям значительных количеств цветных металлов с относительно бедными шлаками.
Это привело к накоплению на заводах, перерабатывающих медно-цинковое сырье, огромных запасов отвальных шлаков, содержащих медь, цинк и другие элементы в количествах, сопоставимых с содержанием их в рудах. Переработка отвалов практически не проводится. Аналогичная картина на других предприятиях отрасли.
Новые разработки, в различной степени исключающие недостатки существующей технологии (КИЩЭТ, КФП, ПЖВ и ряд других) пока не имеют широкого промышленного применения и результаты полупромышленных испытаний сегодня не являются законченными.
Решение этих вопросов, даже частичное, позволит научно обоснованно предсказывать поведение ценных компонентов в процессе переработки полиметаллического сырья, создаст предпосылки для организации современного металлургического цикла, позволяющего наиболее рационально распределять ценные компоненты сырья по соответствующим продуктам, обладающего высокой степенью комплексности, возможностью автоматического управления технологическими параметрами.
Предлагаемая работа не касается всех проблем пирометаллургии медно-цинкового производства, а направлена в основном на определение возможностей оптимизации шлаковых режимов различных технологических процессов с учетом резкого изменения состава сырья.
Шлаки являются средой, в которой происходит большинство взаимодействий между компонентами перерабатываемого сырья. От состава и физико-химических свойств этой среды, а также от состава штейновой (или металлической) и газовой фаз, температуры и давления зависит степень завершенности превращений.
Воздействие на технологический процесс путем регулирования состава шлака с целью получения оптимальных технико-экономических показателей и рационального распределения исходных компонентов сырья между продуктами плавки, может явиться весьма эффективным приемом. Обязательным условием получения таким способом высокого извлечения цветных металлов, и, в частности цинка, является наличие достоверных данных по значениям активности его в шлаках различного состава, границам фазовых равновесий и других термодинамических характеристик, полученных при различных температурах и составах фаз.
Для интерпретации термодинамических данных весьма полезны достижения в исследованиях структур расплавов при высоких температурах, однако для нужд цветной металлургии это направление разрабатывается недостаточно широко.
В предлагаемой работе сделана попытка связать полученные экспериментальные данные по поведению цинка в шлаках со структурами расплавленных шлаков.
Проблема оптимизации шлаковых режимов актуальна как для большинства традиционных пирометаллургических процессов, так и для новых, внедряемых в промышленное производство.
Среди существующих металлургических процессов наиболее отвечает комплексу современных требований способ "плавки в жидкой ванне", прошедший достаточно длительные промышленные испытания на медном и никельсодержащем медном сырье, показавшие высокую удельную производительность плавильных агрегатов, возможность работы в автогенном режиме при широком интервале варьирования составами продуктов, малые количества отходящих газов при высоком содержании сернистого ангидрида, возможность получения богатых по содержанию меди штейнов и снижение общих потерь цветных металлов с отвальными шлаками и т.д.
В применении к переработке цинксодержащего медного сырья необходима отработка технологических режимов и конструкции плавильного агрегата в условиях полупромышленных испытаний.
Для термодинамического обоснования технологических параметров шлаковых режимов при переработке различных видов медно-цинкового сырья на этом этапе испытаний предпринята данная диссертационная работа.
В процессе выполнения работы изучены:
- зависимости изменения термодинамических характеристик (активностей, коэффициентов активности) окиси цинка от состава шлаков в условиях, характерных для различных пирометаллургиче-ских процессов;
- пределы насыщения шлаков окисью цинка;
- влияние структурных изменений в расплавах на поведение цинка.
Полученные экспериментальные данные сопоставлены с литературными сведениями.
Проведена статистическая обработка результатов полупромышленных испытаний способа ІШВ за период 1975-82 гг.
Предложена система уравнений, моделирующая процессы плавки, позволившая в сочетании с данными лабораторных и полупромышленных испытаний рекомендовать режимы плавки различного медно -40 цинкового сырья.
Полученные в работе результаты прошли проверку на полупромышленной установке ШВ РОЭШа, послужили исходным материалом для проектирования строящейся на СУМЗе опытно-промышленной установки, могут быть использованы при усовершенствовании других металлургических процессов; предложенные зависимости и закономерности представляют интерес в инженерных расчетах, при разработке физико-химических теорий и при построении более сложных математических моделей ведения металлургических процессов.
