Шлаки цветной металлургии

По химическому составу они могут быть условно объединены в три группы. В первую группу входят шлаки никелевых заводов и часть шлаков медных заводов, отличающихся малым содержанием цветных металлов и железа. Извлечение ценных компонентов из таких шлаков экономически нецелесообразно, поэтому наиболее приемлемым путем их использования является переработка в строительные материалы и изделия. Вторую группу составляют медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием железа, малым содержанием меди и присутствием до 5 % цинка и свинца. Такие шлаки целесообразно перерабатывать лишь при комплексном извлечении из них цинка, свинца и железа с одновременной утилизацией силикатной части. Третья группа объединяет оловянные и свинцовые шлаки, а также некоторые медные шлаки, отличающиеся значительным содержанием цинка, свинца и олова, что делает экономически целесообразным их извлечение из шлаков даже без комплексной переработки последних.

Технология переработки шлаков цветной металлургии выбирается в зависимости от их состава и физико-химических свойств (вязкость, плавкость, фазовый состав, структура, энтальпия, электропроводность и др.).

В промышленности для переработки шлаков с целью извлечения ценных компонентов используются способы фъюмингования, вельцевания и электротермической обработки.

Фъюмингование. Через слой расплавленного шлака, находящегося в шахтной печи, продувают под давлением воздух с угольной пылью. При этом воздух подают в количествах, недостаточных для полного сжигания угля, что приводит к образованию оксида углерода, восстанавливающего содержащиеся в шлаке оксиды металлов. Образующиеся пары металлов окисляются над расплавом воздухом до оксидов, уносимых газовым потоком из печи и отделяемых затем в пылеуловителях. Процесс фъюмингования широко используется для переработки цинксодержащих свинцовых шлаков.

Работа шлаковозгоночной фъюминг-печи является периодической. Заливка жидкого шлака продолжается обычно 10-15 мин, затем в течение 1,5-2 часов производится подача в печь воздушной пылеугольной смеси. В расплав можно вводить добавки твердых шлаков. По окончании продувки в течение примерно 10 минут производится выпуск шлака из печи, после чего шлак гранулируют непосредственно или после отстаивания с целью выделения бедной фракции при наличии в шлаке меди и серебра. Шахтные фьюминг-печи позволяют перерабатывать 250-700 т шлаков в сутки.

Вельцевание. Переработка шлаков вельцеванием проводится в горизонтальных наклонных трубчатых вращающихся печах в присутствии восстановителя при температурах 1100-1200 °С. В таких условиях при непрерывном перемешивании реакционной массы протекают реакции восстановления цинка, свинца и редких элементов до металлов. Возогнанные пары металлов окисляются над шихтой до оксидов, уносимых из печи и улавливаемых в системах очистки газов. При вельцевании используют частицы с размером 3-5 мм и кокс (50-55 % от массы шихты) с размером зёрен 15 мм. Шихту непрерывно загружают в печь, через которую она проходит в течение 2-3 часов. При недостатке тепла в разгрузочном конце печи устанавливают газовую (мазутную) горелку. В этом случае к технологическим газам добавляют топочные.

Присутствующий в шихте сульфид свинца сплавляется с сульфидами других металлов и образует штейн, стекающий к разгрузочному концу печи. Содержащиеся в шихте благородные металлы и медь в условиях процесса вельцевания не возгоняются и практически нацело остаются в твёрдом остатке вельцевания - клинкере, который при значительном содержании этих металлов затем перерабатывают с целью их извлечения. Степень извлечения свинца и цинка в возгоны при вельцевании составляет ≥ 90%.

Электротермическая переработка. При электротермической переработке можно обрабатывать как жидкие (в отличие от вельцевания), так и твёрдые (в отличие от фъюмингования) шлаки. При переработке отвальных шлаков плавку ведут в руднотермических печах. Электроды печи погружаются в шлак, служащий телом сопротивления. Электротермическая переработка шлаков представляет восстановительный процесс взаимодействия расплава с находящимся на его поверхности коксом. В результате протекания при 1250-1500 °С окислительно-восстановительных процессов происходит восстановление цинка, возогнанные пары которого направляются в конденсатор, где цинк превращается в жидкий металл, подвергаемый ликвации. Его рафинируют или отливают в чушки для отправки потребителям. Несконденсированный в металл цинк улавливается в виде пыли в пылеуловителях.

После возгонки цинка шлак сливают из печи и передают в отвал или на извлечение железа с одновременным использованием его силикатной части. Отделяемый штейн с достаточной концентрацией меди передаётся в медеплавильное производство, а свинец, отделяемый от цинка при ликвидации, вместе с черновым металлом, образующимся в электропечи, отправляется на рафинирование.

Перечисленные шлаковозгонные процессы не обеспечивают полного извлечения всех ценных компонентов перерабатываемых шлаков. Фъюмингование и вельцевание позволяют извлекать цинк и свинец, однако не обеспечивают необходимого их удаления, а также извлечения меди, благородных металлов и железа. Поэтому прошедшие переработку шлаки не являются отвальными.

Помимо перечисленных способов переработки шлаков цветной металлургии разработаны:

1. карбидотермический (осуществляемый в электропечах с использованием в качестве флюса известняка и коксика);

2. цементационный, основанный на восстановлении оксидов металлов из шлаковых расплавов высокоактивным углеродом, растворённым в специально добавляемом науглероженном чугуне, а также образующимся при разложении мета-стабильной фазы цементита Fe₃C жидкого чугуна под слоем шлака);

3. газоэлектротермический способ обработки шлакового расплава в электропечи природным газом;

4. флотация, применяемая для медленно охлаждённых шлаков после их тонкого измельчения;

5. магнитная сепарация, используемая для клинкера процесса вельцевания, и др.

Эти способы обеспечивают получение отвальных шлаков с возможностью использования их силикатной части в качестве сырья для производства шлаковых плит и фасонных изделий (для полов и футеровки), минеральной ваты, металлошлаковых труб, шлакоситаллов, заполнителей бетонов и других строительных материалов. Технология соответствующих производств на основе шлаков цветной металлургии аналогична таковой, используемой при переработке шлаков чёрной металлургии. Некоторые шлаки цветной металлургии непосредственно могут перерабатываться в щебень, песок и другие строительные материалы, а в гранулированном виде - использоваться в цементном производстве.

Шлаки чёрной металлургии тоже перерабатываются. Полученный обогащением бедных руд магнетитовый концентрат (> 70 % Fe) в виде порошка смешивается с бентонитом и известняком, выполняющим в процессе роль флюса, и передаётся в окомкователь для получения железнорудных окатышей (Ø ≈ 10мм). Окатыши затем упрочняются обжигом, и оксиды железа восстанавливаются природным газом, конверсированным отходящими из шахтной печи газами. При температурах 1000-1100 °С идёт образование губчатого железа (95 % Fe, 1 % C); окатыши охлаждают и передают в дуговые электропечи на плавку. Шламы процессов газоочистки направляют в отстойники для пульпы, используемой в качестве сырья для получения окатышей.