CC BY
47
УДК 669.168
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОСИЛИЦИЯ ПРИ ЭЛЕКТРОПЛАВКЕ ЦИНКСОДЕРЖАЩЕЙ РУДЫ МЕСТОРОЖДЕНИЯ «ЖАЙРЕМ»
Б.А. Капсалямов, А.С. Колесников*
ТОО «Производственное объединение литейных заводов» *РГП на ПХВ «Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауэзова» E-mail: [email protected]
Актуальность работы обусловлена необходимостью промышленной переработки труднообогатимых цинксодержащих руд с целью вовлечения их в технологический цикл получения ферросилиция марок ФС20 и ФС45 и коллективных свинцово-цинковых возгонов. Цель работы - развитие, с позиции единого технологического сырья, физико-химических основ совместного восстановления Zn, Pb, Fe, Si, из поликомпонентных систем и разработка на этой основе технологий извлечения цветных металлов и получения ферросплавов из полиметаллического сырья. Основные экспериментальные данные получены с привлечением современных методов физико-химического анализа: химико-аналитического, масс-спектрометрического с индуктивно связанной плазмой. Определение оптимальных технологических параметров электроплавки проводилось с использованием математического моделирования методом рототабельного планирования экспериментов второго порядка. В результате определены оптимальные технологические параметры электроплавки цинксодержащих руд Жайремского полиметаллического бассейна с получением ферросилиция марок ФС20 и ФС45 и одновременным извлечением в возгоны до 99,8 % Zn и 98,6 % Pb.
Ключевые слова:
Цинксодержащие полиметаллические руды, ферросилиций, цветные металлы, математическое моделирование, оптимальные параметры, кремний, железо, электроплавка.
В настоящее время, несмотря на то что успехи фундаментальных наук открыли широкие возможности развития металлургии, реальная степень рационального комплексного использования сырья остается довольно низкой (не более 7-10 % извлечение сырья в продукцию). Во многом это связано с несовершенством современных технологий применительно к бедному, некондиционному и сложному нефлотируемому сырью, с недостаточно высоким уровнем режима экономии природных ресурсов, а также с тем, что в научно-производственной сфере преимущественно превалирует отраслевая идеология использования сырья, которая подчинена максимальному извлечению основного компонента. В условиях ускоряющейся тенденции добычи минерального сырья потребности мирового сообщества не могут быть удовлетворены только за счет природного минерального сырья, т. к. они не беспредельны. В связи с этим становится объективной необходимостью комплексное использование в качестве сырья отходов производств, которых в мире накопилось более 300 млрд т. К таким отходам производств относятся и труднообогатимые полиметаллические цинк-олигонитовые руды месторождения Жайрем (Республика Казахстан).
В виду отсутствия технологии их переработки не находят применение 612,2 млн т. труднообогатимых руд, содержащих 380 тыс. т Zn, 200 тыс. т Pb, 2,8 млн т Si, 0,8 млн т Fe [1].
В обобщенной работе [2] авторы обосновывают широкие перспективы использования электротермических методов при переработке сложных, трудноперерабатываемых продуктов в
Колесников Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова. E-mail: [email protected] Область научных интересов: металлургия, электротермия, комплексная переработка техногенного и минерального сырья, промышленная экология, нефтегазовое дело. Капсалямов Бауыржан Ауес-ханович, д-р техн. наук, доцент, директор по развитию ТОО «Производственное объединение литейных заводов». E-mail: [email protected] Область научных интересов: металлургия, электротермия, комплексная переработка техногенного и минерального сырья, промышленная экология.
производстве цветных металлов, что позволяет на современном этапе по-новому организовать процессы обогащения руд с получением промышленных продуктов с суммарным извлечением ценного металла. Основным преимуществом электротермии по сравнению с другими наиболее распространенными в мировой практике огневыми плавильными процессами являются малые объемы отходящих газов, определяющие возможность достижения норм предельно допустимых выбросов вредных веществ, и получение бедных шлаков, не содержащих растворимых соединений металлов, которые пригодны для использования в стройиндустрии.
В настоящей работе нами были проведены поисковые эксперименты по получению ферросилиция из труднообогатимых цинк-олигонитовых руд методом электротермической плавки с нахождением оптимальных условий получения ферросилиция методом математического моделирования рототабельного плана второго порядка с использованием системы МаШсаа-14 [3].
В качестве независимых факторов служили: количество кокса (от 0 до 25 % от массы руды - К) количество стальной стружки (от 10 до 50 % от массы руды - Ст) и количество Шу-баркульского угля (от 0 до 50 % от массы руды - У). Опыты проводили с рудой, содержащей: РЬО - 0,33 %, 2пО - 3,01 %, АЬОз - 8,5 %, 8102 - 44,5 %, СаО - 1,8 %, 8 - 0,03 %, МеО - 0,5 %, Н2О - 3,8 %, Ре0б - 5,7 %. Количество руды во всех опытах было неизменным и составляло 3 кг.
В качестве целевой выходной переменной выбрано содержание кремния в ферросилиции - 81ф, %.
На основе предварительных исследований выбраны следующие диапазоны изменения факторов (табл. 1).
Кодированный вид Натуральный вид
Х, Х2 Хз Ст К У
Нижний уровень -1 -1 -1 18 5 10
Верхний уровень +1 +1 +1 42 10 40
Нулевой уровень 0 0 0 30 7,5 25
Интервал варьирования д д д 12 2,5 15
Плечо +а +1,68 +1,68 +1,68 50,184 11,705 50
Плечо -а -1,68 -1,68 -1,68 9,816 3,295 0
В соответствии с матрицей планирования (табл. 1) было проведено 20 плавок с массой шихты 3,5-6,5 кг. Причем шесть плавок провели (в соответствии с матрицей планирования) с одинаковой шихтой для определения ошибки опытов.
Методика обработки результатов экспериментов была использована общепринятая [4-6]. Для автоматизации обработки результатов разработана специальная программа для персонального компьютера на базе систем MsExcel и Mathcad-14, используемая в среде системы MS Windows XP. Это позволило в ходе диалога практически мгновенно получать все необходимые результаты расчетов и обеспечить поиск оптимальных режимов проведения процесса.
Лабораторные опыты по электроплавке труднообогатимых цинк-олигонитовых руд проводили на установке, схема которой приведена на рис. 1
Рис. 1. Схема лабораторной установки для электротермической плавки труднообогатимых руд
Печным агрегатом, в котором происходил процесс переработки сырья, являлась однофазная электропечь, питающаяся от трансформатора ОСУ-80 (6). Футеровка электропечи (2) - хромомагнезитовая, подина (3) - углеграфитовая. Пространство между кожухом печи и футеровкой было заполнено листовым асбестом. На подине печи была уложена пастель из угле-графитовой пыли (5) фракции < 1 мм, на которую устанавливался графитовый тигель внутренним диаметром 15 или 20 см (4). Толщина стенок тигля 1,0-1,5 см, толщина дна тигля 1,01,5 см, высота 28 см. Пространство между кожухом печи и футеровкой было заполнено листовым асбестом. Пространство между футеровкой и графитовым тиглем было заполнено графитовым боем фракций 1-5 см (5).
В верхней части футеровки была установлена крышка из огнеупорного материала (17) с отверстиями: для засыпки шихты - два отверстия, для ввода электрода и для отвода отходящих газов (16). Электрод использовали графитированный, диаметром 7,5 см (8). Наращивание электрода происходило при помощи графитовых ниппелей. Механизм поддерживания электрода состоял из кольцеобразной опоры, в пространство между которой и электродом вставлялись железные конические клинья. Опора через изолятор соединялась со штангой механизма перемещения электрода (14). Выше кольцеобразной опоры находилось токоподво-дящее кольцо. В пространство между кольцом и электродом вводились медные конические клинья. Токоподводящее кольцо соединялось через гибкую короткую медную сеть с шиной, идущей от трансформатора ОСУ-80. Вторая шина от трансформатора через медную шпильку (9) соединялась с углеграфитовой подиной. Между трансформатором и электропечью было установлено терристорное устройство (7), позволяющее регулировать мощность от 0 до 40 кВт. Контролирующие устройства (амперметры и вольтметры) были установлены на входе и выходе из трансформатора (6). Газы из электропечи через коробчатый конденсатор - холодильник - отсасывались дымососом.
Перед проведением опытов кокс и кварцит дробились до фракции 0,5-0,8 см, а основное сырье - до 0,7-1,0 см. Шихта тщательно перемешивалась в противне. Розжиг печи осуществлялся при помощи дугового разряда между электродом и дном графитового тигля, на который предварительно засыпался коксик фракции 0,5-1,0 см. Розжиг печи осуществляли в течение 70-80 мин при силе тока 600-800 А и напряжении 40-45 В. После розжига печи в течение 12-17 мин через загрузочные отверстия загружали порциями шихту. Масса проплавленной шихты составляла 3,5-6,5 кг. Электроплавку проводили в течение 60 мин. При этом мощность, подаваемая в печь, регулировалась исходя из прогнозируемой марки ферросили-
ция. После плавки электрод поднимался из шихты. Тигель вместе с продуктами охлаждался естественным методом в течение 15-20 ч. Затем тигель извлекался из печи и разбивался. Продукты плавки взвешивались и подвергались анализу. Марка ферросилиция определялась стандартным пикнометрическим методом с пробой в 100г [7]. Кроме того, ферросилиций подвергался рентгенофазовому анализу на приборе ДРОН-3 и масс-спектрометрическому анализу.
Результаты плавок труднообогатимой цинк-олигонитовой руды Жайремского месторождения, проведенной по матрице планирования экспериментов, представлены в табл. 2.
Таблица 2. План и результаты экспериментов
№ опыта Ст К У й(экс), % 81(расч.), %
1 42 10,0 40 45,0 47,0
2 18 10,0 40 65,2 62,3
3 42 5,0 40 33,0 34,5
4 18 5,0 40 42,0 44,3
5 42 10,0 10 21,5 22,4
6 18 10,0 10 25,0 26,3
7 42 5,0 10 21,5 22,5
8 18 5,0 10 21,0 20,7
9 50 7,5 25 32,0 33,6
10 10 7,5 25 43,5 44,9
11 30 11,7 25 44,0 42,7
12 30 3,3 25 26,0 27,5
13 30 7,5 50 51,0 49,7
14 30 7,5 0 10,0 9,6
15 30 7,5 25 31,0 30,0
16 30 7,5 25 29,0 30,0
17 30 7,5 25 31,0 30,0
18 30 7,5 25 29,0 30,0
19 30 7,5 25 31,5 30,0
20 30 7,5 25 31,7 30,0
На основании данных таблицы получили следующие уравнения регрессии содержания кремния в получаемом ферросплаве, которые в кодированном и натуральном виде выглядят следующим образом.
Кодированный вид:
81(ф) = 30,6 - 3,14х + 4,78х2 + 12,06х + 3,4^2 + 1,88-Х22 -
- 0,08-х32 - 1,43^гх2 - 2,91хгх3 + 3,13- х2-х3. (1)
Натуральный вид:
81(ф) = 34,51 - 0,91-Ст - 3,21-К + 0,69-У + 0,023-Ст2 + 0,29-К2 -
- 0,0006ЬУ2 - 0,047-Ст-К - 0,016^СгУ + 0,083^У. (2)
Полученные уравнения регрессии в кодированном и натуральном видах содержания кремния в сплаве путем подстановки значений натуральных коэффициентов способствуют определению оптимальных параметров процесса.
На основании результатов опытов по матрице планирования экспериментов и полученных уравнений регрессии процесса изучено влияние количества стальной стружки, кокса, угля и руды на содержание Si в выплавленном ферросилиции.
Для определения границ составов шихты на содержание кремния в ферросилиции с использование системы МаШса^14 были выполнены вертикальные сечения поверхности с полу-
чением изолиний содержания Si в ферросилиции с шагом в 10 %, с проекцией линий на горизонтальную плоскость. Полученные результаты приведены на рис. 2, из которого следует, что при содержании стальной стружки в шихте 10 % возможно получение ферросилиция марки ФС65 в области составов 8 % кокса и 50 % угля от массы руды. ФС45 может быть получен в области составов 8 % кокса и 30 % угля от массы руды и в области составов 8 % кокса и 15 % угля от массы руды возможно получить ФС25.
Увеличение содержания стальной стружки до 18 % позволяет получать ферросилиций марок ФС20, ФС25, ФС45 соответственно при составах шихты 1-10 % кокса и 10% угля от массы руды, 2-8 % кокса и 15 % угля от массы руды, 3-6 % кокса и 42 % угля от массы руды (рис. 2).
4 6^4 б 8
Количество кокса, % Количество кокса, %
а б
Количество кокса, % в
Количество кокса, % г
4 б з 10
Количество кокса, % д
Рис. 2. Влияние количества стальной стружки, кокса и угля на форму изолиний содержания в ферросилиции: цифры на линиях - содержание (%) в ферросплаве; а - содержание стальной стружки 10 %; б - содержание стальной стружки 18 %; в - содержание стальной стружки 30 %; г - содержание стальной стружки 42 %; д - содержание стальной стружки 50 %
При 30%-м содержании стальной стружки в шихте от массы руды (рис. 2) ферросилиций марок ФС20, ФС25, ФС45 можно получать соответственно при составах шихты 1-10 % кокса и 15 % угля от массы руды, 2-6 % кокса и 25 % угля от массы руды, 3-8% кокса и 45 % угля от массы руды.
Дальнейшее повышение содержания железа до 42-50 % (рис. 2) снижает вероятность получения ферросилиция высоких марок. Здесь имеет место стабильное получение ферросилиция марок ФС20 и ФС25, причем большее содержание стальной стружки в шихте требует увеличения доли восстановителя в шихте в виде кокса
С экономической точки зрения необходимо выбрать такие составы шихт, которые содержали бы меньшее количество кокса и стальной стружки для получения ферросилиция большей марки. В связи с этим необходимо отметить, что наиболее оптимальной шихтой является шихта с содержанием 20-25 % железной стружки от массы руды, при плавке которой получается оптимальная марка ферросилиция с содержанием Si 45 %, что подтверждается рентгенофазовым анализом (рис. 3).
GO <U Рн
о °
UO^ <D т
W [LÖ
Рн
Л-..
GO
<и Рн
40
36
32
28
24
20
Рис. 3. Рентгенограмма ферросилиция, полученного из цинк-олигонитовой руды
Полный химический состав полученного сплава, проведенный на АО «Алюминий Казахстана» методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, приведен в табл. 3.
Таблица 3. Химический состав полученного ферросплава
Элементы % Элементы % Элементы % Элементы %
Si 45,0000 Ge 0,01 La 0,0002 W 0,0122
Fe 44,9021 Se 0,0021 Ce 0,0001 Re 0,0051
Ti 0,15820 Sr 0,0021 Pr 0,0001 Os 0,0001
V 0,97820 Y 0,0004 Hf 0,0010 Ir 0,0001
Cr 3,49890 Zn 0,006 Cs 0,1218 Bi 0,0001
Co 0,17520 Pb 0,002 Ga 0,0031 C 0,5131
Ni 3,59440 Cd 0,0003 Ta 0,0020 Прочие 0,6297
Из табл. 3 видно, что содержание кремния составляет 45 % в полученном сплаве, что соответствует марке ферросилиция ФС45.
Таким образом, лабораторные исследования в виде тигельных плавок в дуговой рудно-термической печи показали, что при переработке труднообогатимых цинксодержащих руд месторождения «Жайрем» методом электротермической плавки в руднотермической дуговой печи возможно получение ферросплава в виде ферросилиция марок от ФС20 до ФС45 и коллективных свинцово-цинковых возгонов. Необходимо отметить, что при электроплавке практически весь цинк на 99,1-99,8 % перешел в возгоны. Содержание его в ферросилиции составило
0.005-0,007 %. Свинец на 98,3-98,6 % переходит в возгоны. Концентрация его в ферросилиции не превышает 0,002 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алшанов Р.А. Казахстан на мировом минерально-сырьевом рынке: Проблемы и их решение. - Алматы, 2004. - 220с.
2. Современные тенденции применения электротермии в цветной металлургии / В.М. Парецкий, А.Д. Бессер, Б.Н. Ковалев, Б.А. Апарин // Электрометаллургия. - 2008. -№ 5. - С. 6-12.
3. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия. - СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 2009. - 512 с.
4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1985. - 327с.
5. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов. - М.: Химия, 1972.
6. Рузинов Л.П., Слободчикова Р.И. Планирование эксперимента в химии и химической технологии. - М.: Химия, 1980.
7. Дымов А.М. Технический анализ руд и металлов. - М.: Металлургия, 1949. - 483 с.
Поступила 06.05.2014 г.
