Научные и практические основы применения эгиринового концентрата - техногенного отхода ОАО «Апатит» в качестве комплексного флюса в пирометаллургии меди Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Орьпценко, A.C. Разработка жаростойких сплавов для элементов конструкции радиантной части змеевиков высокотемпературных установок нефтесинтеза [Текст] / A.C. Орьпценко // Вопросы материаловедения,— 2006. N° 1 (45).— С. 147-159.

2. Орьпценко, A.C. Влияние изменения микроструктуры при температурах 800—1100 °С на характеристики жаропрочности сплава 45Х26НЗЗС2Б2 [Текст] / A.C. Орьпценко, Ю.А. Уткин // Вопросы материаловедения,— 2009. N° 3,— С. 17—25.

3. Рыбин, В.В. Влияние легирования и способов получения литых изделий на механические свойства и структуру жаростойких сталей и сплавов [Текст] / В.В. Рыбин, A.C. Орьпценко, Ю.А. Уткин, Н.Б. Одинцов // Вопросы материаловедения,- 2004. № 3 (39).- С. 5-19.

4. Анастасиади, Г.П. Формирование химической микро-неоднородности в литейных сплавах |Текст| / Г.П. Анастасиади,— СПб.: Политехника, 1991,- 148 с.

5. Бокштейн, С.З. Структурная стабильность конструкционных материалов [Текст] / С.З. Бок-

штейн, С.Т. Кишкин, P.E. Шалин // Сб.: Авиационные материалы на рубеже XX—XXI веков,— М.: Изд-во ВИАМ, 1994,- С. 547-553.

6. Гудцов, Н.Т. Влияние ванадия на свойства железо-хромо-никелевого сплава с 12 % хрома и 35 % никеля [Текст] / Н.Т. Гудцов, Т.С. Марьянов-ская // Сб.: Исследования по жаропрочным сплавам. Т. IX,- М.: Изд-во АН СССР, 1957,- С. 3-9.

7. Орьпценко, A.C. Конструкционные материалы для радиантных змеевиков высокотемпературных установок нефтехимического комплекса |Текст| / A.C. Орьпценко // Металлург. 2008.— М? 2,- С. 66-68.

8. Масленков, С.Б. Стали и сплавы для высоких температур [Текст]: Справочник в двух книгах. Кн. 1 / С.Б. Масленков, Е.А. Масленкова,— М.: Металлургия, 1991,— 384 с.

9. Анастасиади, Г.П. О росте частиц новой фазы, лимитируемом диффузией одного компонента [Текст] / Г.П. Анастасиади // Физика металлов и металловедение,— 1979. Т. 47. Вып. 3,— С. 654-656.

УДК 669.33

И.О. Попов, Ю.А. Митрофанов

НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭГИРИНОВОГО КОНЦЕНТРАТА — ТЕХНОГЕННОГО ОТХОДА ОАО «АПАТИТ» В КАЧЕСТВЕ КОМПЛЕКСНОГО ФЛЮСА В ПИРОМЕТАЛЛУРГИИ МЕДИ

В современных плавильных пирометаллур-гических процессах получения меди из первичного и вторичного сырья широко применяются в качестве флюсов природные высококремнеземистые вещества, или кварцевые флюсы — КФ. Их основу составляет свободный и связанный в сложные силикаты диоксид кремния. Стоимость производства КФ, а также масштабы их отрицательного воздействия на окружающую среду влияют на конечную стоимость флюса. С помощью КФ реализуются главные плавильные технологии медного производства: разнообразные типы плавок на медный штейн (сульфид-

ные и смешанные медные руды и концентраты); конвертирование медных штейнов и расплавов вторичной меди на черновую медь; огневое рафинирование черновой меди [1—4, 7].

Выполненные с середины прошлого века комплексные исследования макрокинетических закономерностей плавок в производстве меди выявили ряд особенностей и ограничений, связанных с использованием в этом процессе КФ. К недостаткам использования КФ в данных технологиях можно отнести следующее:

сравнительно высокую температуру плавления КФ, которая близка к температуре плавле-

ния чистого диоксида кремния, и, как следствие , низкую массовую скорость образования первичных шлаков, растворения в них окисленных металлов медного сырья и получения конечных шлаков;

сравнительно высокую температуру ликвидуса и вязкость получаемых конечных силикатных медных шлаков, а как следствие, высокую долю содержащейся в них меди (механические потери);

ограниченную растворимость в наводимых шлаках ряда тугоплавких оксидов примесных металлов;

относительно низкую скорость массообме-на и химических превращений компонентов шихты в ванне печи (из-за повышенной температуры плавления и вязкости шлаков);

затраты на добычу и подготовку к плавке КФ, ухудшение экологии в местах карьерных разработок и добычи КФ.

Научные и практические основы применения эгиринового концентрата в качестве комплексного флюса в пирометаллургии меди

В последние годы на кафедре теоретических основ металлургии цветных металлов СПбГПУ исследовалась возможность использования хибинского эгиринового концентрата (ЭК) в качестве флюса в основных плавильных процессах металлургии меди с целью улучшения их основных технико-экономических показателей (при частичной или полной замене традиционного КФ). Характеристики ЭК — техногенного отхода ОАО «Апатит», выделяемого из хвостов переработки апатито-нефелиновых руд [6], — следующие (по данным ОАО «Апатит»):

Химический состав эгиринового концентрата

МпО М80 Прочие Р

сп-

Оксиды Содержание, % масс.

бю2 44,00-46,00

Ре203 15,50-17,50

РеО 8,00-10,50

№20 6,20-7,80

К20 0,70-1,20

СаО 7,20-9,00

РЮ2 4,50-9,00

Р20, 0,50-1,30

А1203 1,50-3,60

У20, 0,00-0,20

Влажность Н20

0,80-1,80 2,00-3,00 0,10-0,20 0,20-0,40

Минералогический состав эгиринового концентрата Минералы Содержание, % масс,

Эгирин №Ге|Б1206| 75,00-85,00 Нефелин К№31А1БЮ4|4 4,00-9,00 Ильменит ГеРЮ3 3,00-8,00

Сфен СаТЦБЮ4|(0,0Н,Р) 3,50-6,00 Апатит Са10|РО4|6(Р,ОН)2 12,0-3,70 Ританомагнетит (РеГе204-Ге2РЮ4) + + (РеРе204. РеРЮ3) Микроклин К|А1Б1308| Гидрослюды КА12(А1БГ,О10)(ОН)2х х пН20 Лепидомелан КРе31(А1,Ге)Б13О10|(ОН)2 Полевые шпаты Прочие

0,80-4,50 0,30-1,00

0,50-1,00

0,30-0,50

0,3-1,0

0,5-1,5

Методика комплексного исследования включала научное и экспериментальное обоснование (в лабораторных и промышленных условиях) возможности применения ЭК в качестве компонента комплексного флюса для ряда основных технологий медного производства (огневое рафинирование, конвертирование, плавка на штейн, обеднение шлаков).

Особенность вещественного состава ЭК как комплексного флюса для металлургии меди. Основными компонентами ЭК служат природные минералы, содержащие оксиды щелочных металлов (натрия и калия) и кремния: эгирин — МаГе[81206]; кристаллически связанный с ним в определенных соотношениях нефелин — К№3[А15Ю4]4; гидрослюды; микроклин и лепидомелан. Кроме того, ЭК содержит оксиды двух-и трехвалентного железа (эгирин, ильменит, ти-таномагнетит), оксиды кальция (сфен) и в примесных количествах другие минералы (см. приведенный выше состав) [1]. Таким образом, состав ЭК включает широко известные и применяемые в качестве флюсов в разных процессах металлургии меди оксиды: 8Ю2, СаО, Ге203, №20, К20. Поэтому ЭК можно отнести к ком-

плексному флюсу служащему для полной или частичной заменены традиционно используемых минеральных веществ: кварцита, известняка, железной руды, соды, поташа и др.

Плавкость ЭК в основном обусловлена его природным вещественным составом: сравнительно высоким содержанием в нем оксидов натрия и калия (суммарно на уровне 6,9—9,0 % по массе), определенным соотношением в нем оксидов щелочных металлов, кремния и железа. В эги-рине ионы натрия находятся между основаниями призм тетраэдров силикатных комплексов и этим ограничивают их пространственные размеры. Это обусловливает уменьшение в ЭК по сравнению с КФ энергии связи силикатных комплексов, сокращение их пространственных размеров, увеличение подвижности и плавкости.

Начальная температура плавления ЭК в первом приближении соответствует температурам плавления отдельных более легкоплавких силикатных эвтектик натрия и калия. Последние по данным бинарных диаграмм состояния для эвтектик Na20—Si02 и К20—Si02 соответственно составляют примерно 800 °С и 765 °С. В КФ, как известно, легкоплавкие компоненты практически отсутствуют. По результатам проведенных нами измерений температура ликвидуса ЭК для семи изученных его проб (от разных рядовых промышленных партий ЭК) составила 1140— 1155 °С, что близко к известным данным, ранее полученным ОАО «Апатит» и КНЦ РАН. По сравнению с КФ (температура ликвидуса около 1680—1720 °С) ЭК, очевидно, можно отнести к легкоплавкому силикатному флюсу Таким образом, по плавкости ЭК значительно превосходит КФ, и его плавление в металлургических печах при реальных температурах (1200—1350 °С) основных медеплавильных процессов в ванне печи характеризуется образованием жидкого расплава первичного шлака на основе ЭК. При этом, в отличие от КФ, исключается длительный период взаимодействия кремнезема в ванне печи для наведения в ней первичных шлаков.

Плотность ЭК по данным ОАО «Апатит» равна 3,25—3,6 г/см_\ что существенно ниже, чем плотность твердой (при 20 °С) и расплавленной меди (соответственно 8,94 и 7,96 г/см3), а также медных штейнов. Плотность последних, как известно, в зависимости от соотношения

в них основных компонентов — сульфидов меди (Си28) и железа (Ре8) — находится (в первом приближении) в интервале значений плотностей расплавов данных сульфидов (соответственно 5,7 и 4,8 г/см3).

Основы снижения температуры плавления и вязкости шлаков медного производства при использовании в качестве флюса ЭК. Особенность состава ЭК как легкоплавкого флюса — содержание в нем в определенном химически связанном виде (эгирин, нефелин и другие минералы) оксидов натрия и калия. Оксиды щелочных металлов, как известно, способны эффективно снижать температуру плавления и вязкость традиционных и тугоплавких силикатных шлаков медного производства, содержащих повышенное количество Ре304, гпО, МёО, Сг203, Ре203, А1203, N¡0, СоО, ТЮ2 и др., в результате модифицирования ими структуры — трехмерной сетки силикатных шлаковых расплавов — с образованием новых уменьшенных структурных единиц силикатов (см. рис. 1) и двухмерных комплексов [2, 4]. Последнее приводит к увеличению подвижности силикатных комплексов и соответственно к снижению их вязкости.

Вероятный механизм снижения температуры плавления и вязкости рядовых и тугоплавких шлаков медного производства при загрузке и расплавлении в них ЭК связан с изменением их силикатной структуры оксидами щелочных металлов, образованием более легкоплавких натрий- или калийсодержащих силикатных соединений и относительно более легкоплавких (по сравнению с тугоплавкими оксидами Ре304, ХпО и др.) новых химических соединений (ферритов — Ма20-Ре203, К20-Ре203, цинкатов— 2110-Ма20, 2п0-К20 и др.) [1, 4]".

Например, предлагаемое изменение структуры тугоплавкого силиката цинка (А) с образованием двух комплексов (А) и (В) с меньшей температурой плавления и вязкостью показано на рис. 1 [1].

Важное свойство ЭК, как уже отмечено, — это возможность снижения с его помощью вязкости шлаков медного производства. Уменьшение вязкости шлаковых систем способствует увеличению скорости осаждения полидисперсных частиц жидкого медного сплава (сульфидные и металлические) в донный (основной) продукт плавки, увеличивает подвижность ионов

- О - Ъъ - О - 81 -(А)

гп - - О -N3 I № - О - - Ъъ

(В)

О

ОО

Единичный силикатный комплекс

Рис. 1. Изменение трехмерной структуры силикатных комплексов (А) оксидами щелочных металлов (В)

в расплаве и соответственно массовую скорость химических реакций в ванне печи.

Рассмотрим физико-химические основы снижения вязкости и механических потерь меди со шлаками при использовании флюсов, снижающих температуру расплавления (ликвидус) шлаков. К этой категории флюсов относится ЭК.

Скорость движения (по вертикали) в расплавленных шлаках жидких частиц медных сплавов (металлические или сульфидные) описывается в первом приближении уравнением Стокса (1), которое включает ряд важных для оптимизации металлургических процессов параметров:

к=

к1(р1-р2)Г

(1)

Здесь Кс — скорость осаждения частиц сплава, см/сек; рх и р2 — плотности сплава и шлака, г/см3; г| — вязкость шлака, пуаз; г — радиус частиц, см; g — ускорение силы тяжести, г/см-сек2; кх — коэффициент формы, равный 2/9 для шарообразных частиц.

Значение скорости осаждения в шлаковом расплаве металлической и сульфидной жидкой частицы сплава (обозначена далее в тексте «второй» фазой) определяется по формуле (1) с учетом вязкости г| гетерогенной жидкости, состоящей из жидкой фазы шлака — «ш» — и расплавленной

частицы сплава — «сп», обладающих разной вязкостью (соответственно цт и г|сп). Численное значение г| гетерогенного раствора медного шлака, содержащего «вторую» фазу, находится экспериментально или расчетно по справочным данным с учетом известных эмпирических приближенных соотношений для определения вязкости двухфазной гетерогенной жидкости.

Шлаковые расплавы медного производства нередко содержат также «третью» фазу. Она образуется при ограниченной растворимости тугоплавких веществ в шлаковых расплавах, в частности оксидов — Ре304,2п0, А1203, СаО и др., а также химических соединений на их основе, и представляет собой диспергированные в шлаке твердые или жидкие частицы, например в виде твердых кристаллов шпинельной структуры или частиц оксидного расплава, образующегося при расслоении шлака на две жидкости. Образование в шлаках «третьей», более тугоплавкой фазы, особенно кристаллов твердой фазы, увеличивает вязкость шлаковых расплавов. О чем, в частности, свидетельствует известное установленное Эйнштейном правило, по которому вязкость гетерогенных растворов с увеличением содержания в них твердых частиц значительно возрастает и определяется по формуле г| = г|0 (1+2,540, где г|0 — вязкость исходной, гомогенной жидкости; ¥ — отношение объема диспергированных кристаллов к общему объему жидкости.

Зависимость вязкости жидкости от температуры Г, установленная Френкелем, имеет вид

Л = ВхеЕ/К1\ (2)

где В{ — коэффициент, зависящий от состава, постоянный для определенных жидкостей; Е — энергия активации вязкого течения жидкости, ккал/ моль.

Экспоненциальный вид зависимости (2) свидетельствует о сильном и нелинейном влиянии температуры жидкости на ее вязкость. По практическим данным наибольшее относительное уменьшение вязкости разных по составу и плавкости силикатных жидких шлаков медного производства наблюдается при превышении их температуры над точкой ликвидуса (всего на несколько десятков градусов). А при превышении температуры шлаков над точкой ликвидуса на первые сотни градусов их вязкость практически нивелируется: снижается до долей пуаз независимо от исходного состава и плавкости шлака. В этой связи большое значение для снижения механических потерь меди со шлаками имеют два параметра металлургического процесса: температура расплава шлака в печи (Гш) и температура ликвидуса шлака (Тл). От разницы данных температур при неизменном составе шлака зависит величина вязкости шлака.

Указанная общая качественная закономерность влияния температуры шлакового расплава на его вязкость имеет физико-химическое объяснение. Действительно, вязкость шлаков т^, а также значение энергии активации вязкого течения Ев соответствии с природой вязкого течения жидкостей сильно зависят от подвижности ионов расплава, степени их взаимной связи и, соответственно, от превышения в ванне печи температуры шлака над температурой его ликвидуса.

С учетом изложенных выше положений предложена эмпирическая формула (3), устанавливающая зависимость вязкости шлака г| от превышения температуры ликвидуса шлаков 8:

ц = В2/Е( 5), (3)

где В2 — коэффициент; Е— функция; 8 = (Тш — Тл).

При подстановке выражения (3) в (2) получено уравнение: В2/Е(8) = ВхеЕ^ш. В результате его решения определены значения В2 и Е(8):

В2 = ВХ\ Е{ b) = l/eE/RT. (4)

Соответственно, Е(5) зависит от энергии активации вязкого течения шлака Еи а Въ как и Вх в формуле (2), является функцией состава шлака.

Подстановкой (3) в (1) установлена эмпирическая связь скорости осаждения жидкой частицы медного сплава в расплаве шлака с превышением температуры расплава шлака над точкой его ликвидуса:

У = *i(PI~P2)Г2ЯЕ(Тш-Тл)^ (5) В2

В отличие от (1), выражение (5) свидетельствует о возможном увеличении Ус за счет снижения температуры плавления шлаков при неизменной температуре шлакового расплава в печи. Кроме того, оно не содержит в явном виде сложного для измерений и практического, в реальных процессах контроля параметра — вязкости шлака.

Лабораторные исследования применения ЭК в качестве комплексного флюса

Изучено влияние ЭК на температуру плавления (точка ликвидуса) промышленных полиметаллических шлаков медного производства, а также на остаточное содержание в них меди при расплавлении ЭК в этих шлаках.

Для испытаний использовались два вида промышленных медных шлаков: конверторный и анодный (огневое рафинирование, всего шесть образцов разных плавок) с различным содержанием в них тугоплавких оксидов (см. табл. 1).

Эксперименты проводились с шихтой, составленной из дробленого шлака (крупность 1—5 мм) и ЭК в количестве 0, 10, 20 и 30 % от массы исследуемого шлака. Плавки шихты вели в алундовых тиглях (в печи с карбидокремние-выми нагревателями). Получаемый расплав шлака перегревали над точкой ликвидуса на 70— 80 °С, выдерживали при данной температуре в течение примерно 20 минут, а затем охлаждали в тигле, сначала в печи до температуры 700 °С (при отключенной токовой нагрузке), а затем вне печи — на воздухе. Для сравнения свойств ЭК и КФ (влияния на плавкость получаемых шлаков и извлечения меди в донный — медный сплав)

Таблица 1

Составы полиметаллических шлаков а) конверторные шлаки

Оксиды Шлак N° 1 (черный) Шлак N° 2 (черный, темно-серый) Шлак N° 3 (темно-коричневый) Шлак N° 4 (светло-коричневый)

БЮ, 19,83 18,37 18,41 24,48

Ре, О, 21,98 25,31 6,32 2,47

РеО 10,14 11,48 14,51 21,84

МО, 8,15 7,91 2,65 11,1

СаО 6,91 7,4 5,3 6,53

МёО 2,2 1,84 3,24 2,47

N¡0 0,24 0,34 1,8 1,36

гпо 25,9 23,1 18,5 15,22

БпО 1,61 2,32 14,21 5,67

РЬО 3,04 1,93 15,06 8,86

Сумма 100,00 100,00 100,00 100,00

б) анодные шлаки

Оксиды Шлак N° 5 (красно-коричневый) Шлак N° 6 (серо-коричневый)

Си, О 9,17 7,4

510, 39,88 21,24

Ре, О, 8,46 13,85

РеО 7,62 8,31

СаО 6,12 11,68

МЙ0 2,44 2,98

гпо 11,04 18,38

БпО 1,12 3,8

РЬО 0,93 1,6

N¡0 0,75 0,95

А1,0, 12,47 9,81

Сумма 100,00 100,00

дополнительно проводились плавки шихты, составленной из исходных шлаков и КФ. После разбивки тиглей определяли полный химический и рентгеноспектральный микроанализ продуктов плавки (шлак и донная — металлическая — медная фаза), составляли баланс, определяли извлечение меди в сплав. Температура ликвидуса определялась термографическим методом.

На рис. 2 приведены результаты экспериментальных измерений температуры ликвидуса образцов конверторных и анодных шлаков известного состава (см. табл. 1) при разных, указанных

выше, содержаниях в шихте ЭК. Точка ликвидуса исходных конверторных шлаков № 1,2,3 и 4 соответственно составила 1260, 1230, 1060 и 1050 °С. Для исходных анодных шлаков № 5 и № 6 значения температуры ликвидуса соответственно 1070 и 1130 °С.

Относительно легкоплавкие конверторные шлаки (КШ) № 3 и № 4 (см. табл. 1) содержали меньшее количество оксидов цинка и трехвалентного железа в виде магнетита по сравнению с относительно более тугоплавкими шлаками № 1 и № 2. Относительно более легкоплавкий анодный

Рис. 2 Влияние флюсовой добавки ЭК на плавкость полиметаллических шлаков медного производства (составы соответствуют таблице 1; шихта составлена из ЭК и КШ или ЭК и АШ)

Рис. 3. Сравнительное влияние флюсовых добавок ЭК и КФ на плавкость полиметаллического конверторного (а) и анодного (б) шлаков медного производства (состав шлаков соответствует табл. 1; шихта составлена из ЭК и КШ или КФ и КШ (а), из ЭК и АШ или КФ и АШ (б)

шлак (АШ) № 5 также содержал меньшее количество оксидов трехвалентного железа и цинка в сравнении с более тугоплавким шлаком № 6 (см. табл. 1).

На рис. 3, а, б'даны для сравнения результаты экспериментальных измерений температуры ликвидуса шихт, составленных из образцов конверторного и анодного шлаков с ЭК и КФ.

На основе анализа и обобщения полученных экспериментальных данных по повышению плавкости полиметаллических конверторных и анодных шлаков медного производства установлено следующее:

увеличение загрузки ЭК в шлаки (до 30 % по массе в шихте) приводит к устойчивому нелинейному снижению температуры плавления исходных шлаков. При этом, как видно из рис. 2, ЭК более эффективно снижает температуру ликвидуса шихт, содержащих относительно более тугоплавкие конверторные и анодные шлаки;

ЭК значительно более эффективен в сравнении с КФ в плане снижения температуры ликвидуса конверторных и анодных шлаков (рис. 3, а, б);

устойчивое повышение извлечения меди (до 50 %) в донную — металлическую — фазу медного сплава (и обеднение шлаков по содержанию меди) при увеличении до 30 % по массе содержания ЭК в шихтах со шлаками.

Промышленные испытания применения ЭК в качестве комплексного флюса в процессах окислительного рафинирования меди

Проведены длительные промышленные испытания огневого рафинирования черновой и вторичной меди с использованием в качестве флюса шихты, состоящей из смесей ЭК и КФ (в виде кварцевого песка содержащего около 92 % Si02) с разным содержанием ЭК в общей массе флюса: 0; 15-17; 21-29; 45-50 и 95-100 % масс. Исследование велось на анодной печи МЕРЦ (емкость ванны по меди -180 тонн) непрерывно в течение 28 суток. Загрузка флюсовой смеси составляла 1,5—2,0 % от массы рафинируемой меди. Временные этапы испытаний различались в основном указанным выше уровнем содержания ЭК во флюсовой смеси.

Загружаемые в плавку материалы — черновая и вторичная медь, а также основные получаемые продукты — рафинированная (анодная) медь и скачиваемый (анодный) шлак каждого

ковша опробовались (для определения полного химического состава продуктов) и взвешивались. После расплавления всех загруженных в печь материалов осуществлялись: продувка расплава меди воздухом через боковые фурмы; скачивание шлака; продувка ванны через те же фурмы природным газом; розлив анодной меди в изложницы. По этапам испытаний фиксировали состав и количество образующихся пылей (с рукавных фильтров газоочистки), составляли материальный баланс плавок. В жидкой ванне печи (по ходу плавки) и при сливе шлака с помощью термопары погружения измеряли температуру расплавов шлака. Вели хронометраж технологических операций. Другие режимные параметры плавки фиксировали и поддерживали на одном уровне. Состав перерабатываемого медного сырья характеризовался таким рядовым соотношением: черновая (после конвертирования) медь — 40-60 %, вторичная медь — 60-40 %. Содержание меди в загружаемом сырье составляло: более 98,5 % в черновой, более 75 % во вторичной меди (остальное — Fe, Zn, Pb, Sn, Al, Ni и другие загрязняющие примеси).

В результате промышленных испытаний указанных выше смесей флюсов определен комплексный характер свойств ЭК. Установлен нормальный ход процесса огневого рафинирования при использовании ЭК. По сравнению с КФ зафиксировано снижение температуры плавления шлаков (включаятугоплавкие), уменьшение их вязкости, возможность более глубокого рафинирования меди, снижения механических потерь меди со шлаками, повышение производительности процесса (см.далее).

Снижение температуры плавления шлаков огневого рафинирования меди. Температура шлаков, скачанных из печи МЕРЦ, при использовании ЭК во флюсах составила 1180-1215 "С, а в варианте применения КФ (без ЭК) —1240—1300 °С; при этом с увеличением во флюсе отношения ЭК:КФ температура расплава шлаков в печи уменьшалась, поскольку достигалось эффективное их разжижжение при более низких температурах ванны печи.

Увеличение жидкотекучести анодных шлаков. Количество скачанных ковшей шлака при наклоне печи (без использования ручного труда на скачивание шлака с помощью скребка) при использовании Э К во флюсах составляло до 4 штук (всего набиралось примерно 5 ковшей), а в ва-

рианте с использованием КФ — 1 шт. Как следствие, при применении ЭК зафиксировано уменьшение временного периода скачивания шлака, а также снижение тепловых потерь при простоях печи на скачивание шлака, сокращение времени плавки и увеличение производительности печи.

Уменьшение содержания в шлаке металлического медного сплава (механических потерь меди). Приведен рациональный состав полученных с использованием ЭК анодных шлаков при огневом рафинировании меди:

Компонент %, масс.

Сич+Си20 7,85-19,77

Ре20,+Ре0 8,69-11,81

N¡0 0,43-0,77

РЬО 2,82-5,75

БпО 1,61-2,32

ХпО 3,61-7,37

бю2 21,9-35,1

А1203 5,4-8,7

СаО 3,1-6,0

М80 1,2-1,7

№20 2,1-3,1

К20 0,23-0,51

За период испытаний ЭК в смеси флюсов извлечение и среднее содержание меди в скачанные шлаки снизились по сравнению с этапом плавок с КФ (без использования ЭК). Уровень содержания меди в шлаках, полученных с использованием КФ, составил 12,3—33,6 %, что в 1,3—1,4 раза больше, чем за период плавок с ЭК. При этом методом рассева проб (с отделением корольков меди) и РСМА в шлаках плавок с ЭК установлено снижение содержания металлической фазы — сплавов на основе меди.

Испытание ЭК в качестве флюса в процессе конвертирования черновой меди из вторичного медного сырья во вращающемся тридцатитонном наклонном конверторе ТРОФ. Испытывалась флюсовая смесь ЭК и КФ с содержанием ЭК от О до 50 % по массе и удельной (на 1 т меди) загрузке флюса в сырье 4—5 %. Сырьем опытных плавок служила вторичная медь с содержанием Си более 50 % масс. Кроме того, в отличие от известного процесса, из традиционной флюсовой загрузки печи исключалась тугоплавкая железная руда, которая использовалась для наведения в процессе конвертирования железистых силикатных шлаков.

В результате испытаний ЭК в качестве флюсовой добавки установлен нормальный ход про-

цесса конвертирования черновой меди из вторичного сырья. Зафиксировано улучшение ряда основных показателей конвертирования: повышение производительности печи, улучшение свойств шлаков (уменьшение температуры плавления и вязкости), снижение содержания в шлаках меди на 35—55 %, уменьшение настылеобра-зования на футеровке.

На способ огневого рафинирования меди с использованием ЭК в качестве флюса получен патент РФ [5].

В лабораторных и промышленных исследованиях активное участие приняли бывшие студенты — выпускники кафедры теоретических основ металлургии цветных металлов СПбГПУ — Н.Ю. Паршин и Е.А. Мельниченко.

Выполнено комплексное (теоретическое и экспериментальное) исследование по обоснованию возможности использования эгиринового концентрата — техногенного отхода ОАО «Апатит» — в качестве легкоплавкого и комплексного флюса для ряда основных процессов металлургии меди: конвертирования и огневого рафинирования вторичной меди; снижения температуры плавления и вязкости тугоплавких шлаков, содержащих повышенное количество тугоплавких оксидов (магнетита, оксидов цинка и ряда других); обеднения по содержанию меди конверторных и анодных полиметаллических шлаков медного производства.

Установлена возможность эффективного снижения в результате применения эгиринового концентрата в качестве флюса температуры плавления и вязкости конверторных и анодных шлаков медного производства, содержащих повышенное количество тугоплавких оксидов — железа, цинка и ряда других металлов; уменьшения уровня механических потерь меди с конверторными и анодными полиметаллическими шлаками; повышения производительности процесса огневого рафинирования и конвертирования вторичной меди.

Впервые в практике огневого рафинирования и конвертирования вторичной меди в промышленных условиях испытан в качестве основного флюса эгириновый концентрат. При этом установлены в целом нормальный ход процессов и улучшение ряда их основных показателей. На способ огневого рафинирования меди с использованием эгиринового концентрата получен патент РФ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Попов, И.О. Технология внутрипечного обеднения конверторных и анодных шлаков медного производства [Текст] /И.О. Попов, С.М. Устинов, Б.Н. Бутырский // Материалы XII Всеросс. конф. по проблемам науки и высшей школы.— СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2008.— С. 252-254.

2. Davenport, W.G. Extractive metallurgy of Copper (fourth edition) [Текст] /W.G. Davenport, M. King, M. Schlesinger, A.K. Biswas.— Oxford, 2002.

3. Смирнов, В.И. Металлургия меди, никеля и кобальта [Текст] / В.И. Смирнов, А.А. Цейдлер, И.Ф. Худяков, А.И. Тихонов.— М.: Металлургия, 1964.

4. Ванюков, А.В. Теория пирометаллургиче-

ских процессов [Текст] / A.B. Ванюков, В.Я. Зайцев.— М.: Металлургия, 1973.

5. Патент № 2391420 Российская Федерация, МПК7. Способ огневого рафинирования меди [Текст] / Попов И.О., Устинов С.М., Бутырский Б.Н., Макаров A.M.- Заявлено 24.06. 2009.— № 2009124157.

6. Федоров, С.Г. Химическая переработка минеральных концентратов Кольского полуострова [Текст] / С.Г. Федоров, А.И. Николаев, Ю.Е. Бры-ляков [и др.].— Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2003.- С. 22-26.

7. Купряков, Ю.П. Производство тяжелых цветных металлов из лома и отходов [Текст] / Ю.П. Купряков.— Харьков: Основа, 1992.

УДК 621.791.14

К.А. Охапкин

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ТОЧЕЧНОЙ СВАРКЕ ТРЕНИЕМ

Точечная сварка трением — перспективный процесс соединения пластичных металлов в твердой фазе. Сварка в твердой фазе обладает рядом преимуществ по сравнению со сваркой плавлением (отсутствие сварочной ванны с жидким металлом, следовательно, отсутствие пор и трещин; возможность сварки разнородных металлов, не свариваемых традиционными дуговыми способами). При точечной сварке трением значительно снижается осевое усилие на инструмент по сравнению с холодной точечной сваркой, что облегчает реализацию технологического процесса (снижаются требования к оборудованию и оснастке).

4

Рис. 1. Процесс точечной сварки трением

Точечная сварка трением позволяет выполнять нахлесточные соединения. Областью применения данного способа может быть электротехническая промышленность, так как он хорошо подходит для сварки электротехнических шин, которые изготавливают из цветных металлов и сплавов, обладающих хорошей пластичностью.

Сварка выполняется цилиндрическим инструментом Д который под действием осевого усилия, вращаясь, погружается в металл верхней заготовки 7 на глубину, приблизительно равную толщине верхней заготовки, затем выдерживается в этом положении в течение некоторого времени, достаточного для образования качественного соединения (рис. 1).

В случае точечной сварки трением механическая энергия вращения инструмента, затрачиваемая на преодоление сил трения, рассеивается в форме тепла предположительно на площадках фактического контакта, которые в совокупности образуют поверхность фрикционного контакта. Выделяющаяся теплота затрачивается на пластифицирование прилежащих к источнику