КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЦИНКСОДЕРЖАЩЕЙ ПЫЛИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В АММИАЧНО-ХЛОРИДНЫХ СРЕДАХ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 2
Научная новизна 4
Основные положения, выносимые на защиту 6
Заключение 23
Список литературы 24
Научная новизна 4
Основные положения, выносимые на защиту 6
Заключение 23
Список литературы 24
Актуальность темы исследования
Пыли электродуговой плавки (ЭДП) сталеплавильного производства являются ценным техногенным источником цинка, содержание которого достигает в этом сырье 40 %. На российских предприятиях ежегодно образуется порядка 1 миллиона тонн пылей ЭДП, большая часть которых в настоящее время не перерабатывается.
Основной сложностью в переработке такого материала является наличие устойчивого феррита цинка, для вскрытия которого требуется воздействие повышенных температур и/или концентраций растворителя. В связи с этим самым распространённым подходом к переработке цинксодержащего вторичного сырья является пирометаллургический метод - вельц-процесс, конечным продуктом которого является оксид цинка. Процесс эффективный, однако дорогостоящий и энергозатратный.
Перспективными являются гидрометаллургические технологии переработки цинксодержащих промпродуктов, позволяющие получать цинк в металлическом виде электрохимическим методом. Подобные технологии, по сравнению с пирометаллургическими, более экологичны, не требуют сложной системы пылеулавливания. Выщелачивание проводят растворами хлорида аммония, который селективен по отношению к цинку и позволяет задействовать хлор в регенерации электролита, а полученный цинковый аммонийно-хлоридный электролит пригоден для электроэкстракции цинка. В таком случае вельцевание проводят только для вскрытия феррита цинка, и сокращают количество пирометаллургических стадий с двух до одной.
Актуальным является научное обоснование и разработка технологии переработки пылей ЭДП с получением цинка в форме компактного металла.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению закономерностей процессов, протекающих на каждой стадии переработки пылей ЭДП, а также поиску оптимальных параметров выщелачивания материала в аммиачно- хлоридных растворах и выделения цинка из раствора.
Степень разработанности темы исследования
Проблема переработки пылей электродуговой плавки является объектом внимания многих российских и зарубежных исследователей (труды А.А. Попова, А.В. Тарасова, П.А. Козлова, А. М. Паньшина, С.А. Якорнова, M. Holtzer, M. Tang и др.). Однако в настоящее время нет практически реализованной схемы переработки пылей ЭДП гидрометаллургическим, либо комбинированным способом.
Цели и задачи
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованного способа комплексной переработки пылей электродуговой плавки черной металлургии с получением компактного цинка.
На основании вышеизложенного в диссертационной работе ставятся следующие задачи:
1. Исследование кинетических закономерностей процессов выщелачивания компонентов из пылей ЭДП, подвергнутых термической обработке, и цементации свинца на цинковом порошке в аммиачно-хлоридных растворах.
2. Изучение влияния основных параметров (концентрации хлорида аммония и аммиака, Ж:Т) на извлечение в раствор цинка при аммиачно-хлоридном выщелачивании вельц-возгонов пыли ЭДП.
3. Изучение процессов, протекающих на катоде и аноде при электроэкстракции цинка из полученного аммиачно-хлоридного электролита.
4. Поиск оптимальных условий основных стадий переработки пыли ЭДП с получением компактного цинка.
Теоретическая и практическая и значимость:
1. Обоснована необходимость предварительного вскрытия материала
вельцеванием.
2. Определены оптимальные условия процесса аммиачного выщелачивания вельц-возгонов пыли ЭДП с извлечением цинка в раствор не менее 96 %.
3. Определены условия процесса цементации свинца на цинковой пыли в аммиачно-хлоридных растворах.
4. Установлены параметры процесса электроэкстракции цинка из аммиачно- хлоридных растворов без выделения газообразного хлора. Подобраны материалы для изготовления катода и анода, устойчивые в данных условиях.
5. Разработана технология, позволяющая заменить вторую стадию вельцевания на выщелачивание растворами хлорида аммония, что позволяет сократить затраты и получить компактный цинк.
6. Предложена принципиальная технологическая схема переработки пылей ЭДП с получением цинка в металлической форме...
Пыли электродуговой плавки (ЭДП) сталеплавильного производства являются ценным техногенным источником цинка, содержание которого достигает в этом сырье 40 %. На российских предприятиях ежегодно образуется порядка 1 миллиона тонн пылей ЭДП, большая часть которых в настоящее время не перерабатывается.
Основной сложностью в переработке такого материала является наличие устойчивого феррита цинка, для вскрытия которого требуется воздействие повышенных температур и/или концентраций растворителя. В связи с этим самым распространённым подходом к переработке цинксодержащего вторичного сырья является пирометаллургический метод - вельц-процесс, конечным продуктом которого является оксид цинка. Процесс эффективный, однако дорогостоящий и энергозатратный.
Перспективными являются гидрометаллургические технологии переработки цинксодержащих промпродуктов, позволяющие получать цинк в металлическом виде электрохимическим методом. Подобные технологии, по сравнению с пирометаллургическими, более экологичны, не требуют сложной системы пылеулавливания. Выщелачивание проводят растворами хлорида аммония, который селективен по отношению к цинку и позволяет задействовать хлор в регенерации электролита, а полученный цинковый аммонийно-хлоридный электролит пригоден для электроэкстракции цинка. В таком случае вельцевание проводят только для вскрытия феррита цинка, и сокращают количество пирометаллургических стадий с двух до одной.
Актуальным является научное обоснование и разработка технологии переработки пылей ЭДП с получением цинка в форме компактного металла.
Настоящая диссертационная работа посвящена изучению закономерностей процессов, протекающих на каждой стадии переработки пылей ЭДП, а также поиску оптимальных параметров выщелачивания материала в аммиачно- хлоридных растворах и выделения цинка из раствора.
Степень разработанности темы исследования
Проблема переработки пылей электродуговой плавки является объектом внимания многих российских и зарубежных исследователей (труды А.А. Попова, А.В. Тарасова, П.А. Козлова, А. М. Паньшина, С.А. Якорнова, M. Holtzer, M. Tang и др.). Однако в настоящее время нет практически реализованной схемы переработки пылей ЭДП гидрометаллургическим, либо комбинированным способом.
Цели и задачи
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке научно обоснованного способа комплексной переработки пылей электродуговой плавки черной металлургии с получением компактного цинка.
На основании вышеизложенного в диссертационной работе ставятся следующие задачи:
1. Исследование кинетических закономерностей процессов выщелачивания компонентов из пылей ЭДП, подвергнутых термической обработке, и цементации свинца на цинковом порошке в аммиачно-хлоридных растворах.
2. Изучение влияния основных параметров (концентрации хлорида аммония и аммиака, Ж:Т) на извлечение в раствор цинка при аммиачно-хлоридном выщелачивании вельц-возгонов пыли ЭДП.
3. Изучение процессов, протекающих на катоде и аноде при электроэкстракции цинка из полученного аммиачно-хлоридного электролита.
4. Поиск оптимальных условий основных стадий переработки пыли ЭДП с получением компактного цинка.
Теоретическая и практическая и значимость:
1. Обоснована необходимость предварительного вскрытия материала
вельцеванием.
2. Определены оптимальные условия процесса аммиачного выщелачивания вельц-возгонов пыли ЭДП с извлечением цинка в раствор не менее 96 %.
3. Определены условия процесса цементации свинца на цинковой пыли в аммиачно-хлоридных растворах.
4. Установлены параметры процесса электроэкстракции цинка из аммиачно- хлоридных растворов без выделения газообразного хлора. Подобраны материалы для изготовления катода и анода, устойчивые в данных условиях.
5. Разработана технология, позволяющая заменить вторую стадию вельцевания на выщелачивание растворами хлорида аммония, что позволяет сократить затраты и получить компактный цинк.
6. Предложена принципиальная технологическая схема переработки пылей ЭДП с получением цинка в металлической форме...
В диссертационной работе, получены следующие основные научные и практические результаты:
1. Анализ литературных источников показал, что в настоящее время отсутствует в промышленности технология переработки пыли ЭДП с получением компактного цинка. Актуально исследование процессов, протекающих при аммиачно-хлоридном выщелачивании, а также при электроэкстракции цинка из растворов, полученных после выщелачивания.
2. Исследован химический и фазовый состав пыли ЭДП, проведено прямое выщелачивание пыли в аммиачно-хлоридном растворе, показатель извлечения цинка в раствор не превышал 60-62 % даже при повышенной температуре или концентрации аммиака, что связано с высоким содержанием в пыли ЭДП устойчивого феррита цинка. Подтверждена необходимость предварительной термической обработки пыли ЭДП.
3. Рассмотрен вариант предварительного спекания пыли ЭДП с оксидом
кальция. Оптимальные показатели для максимального извлечения - соотношение Ca/Fe=1,7; температура спекания 900 °С, продолжительность
спекания 1 час. В связи с высоким расходом CaO и необходимостью утилизировать Ca-Fe кеки, в качестве предварительной обработки наиболее эффективно одностадийное вельцевание.
4. Объектом исследований выбраны возгоны первой стадии вельцевания пыли ЭДП. Основными компонентами возгонов являются цинк, свинец и железо, которые преимущественно находятся в оксидной форме, что подтверждено результатами рентгенофазового анализа. Состав подобных продуктов варьируется в зависимости от исходного состава пыли и условий вельцевания.
5. Аммиачно-хлоридное выщелачивание цинка позволяет селективно извлекать цинк из вельц-возгонов пылей ЭДП, извлечение цинка более 96 %. При этом хлор, присутствующий в пыли, циркулирует в системе и позволяет регенерировать электролит.
6. На основании результатов экспериментов по извлечению цинка при
выщелачивании построены поверхности, получены уравнения, описывающие эти поверхности. Определены оптимальные параметры процесса CnH4Ci= 4М,
Cnh4oh= 4М, Ж:Т = 15.
7. Рассчитана энергия активации реакции при оптимальных условиях выщелачивания, Вакт = 16,67 кДж/моль. Определены константы скорости при 293 К и 313 К (K293=17, 94 мин-1 и K313= 27, 84 мин-1) и порядок реакции по компоненту n=1. Установлено, что процесс аммиачного выщелачивания протекает преимущественно во внешнедиффузионной области .
8. Изучены термодинамические характеристики поведения примесей при выщелачивании. Определены кинетические параметры процесса цементации свинца на цинковом порошке в аммиачно-хлоридных растворах. Установлено, что процесс проходит во внутридиффузионном режиме.
9. Изучен процесс осаждения цинка на катоде в аммиачно-хлоридных растворах, получены потенциодинамические кривые, которые характеризуют процесс выделения цинка при потенциале около -0,94 В, что соответствует рассчитанному потенциалу осаждения цинка из аммиачного комплекса. Установлено, что при уменьшении концентрации ионов цинка закономерно снижается предельная плотность катодного тока и потенциал начала восстановления цинка смещается в электроотрицательную область.
10. Изучен анодный процесс при электроэкстракции цинка из аммиачно- хлоридного электролита. Полученные данные подтверждают теоретические предположения о диапазоне потенциалов окисления хлоридов 1 -1,6 В. Установлено отсутствие выделения хлора на аноде.
11. Подтверждены предположения о механизме протекания реакций при элекстроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов. На аноде происходит выделение газообразного азота, образующегося при взаимодействии активного атомарного хлора с аммиаком, что обеспечивает регенерацию электролита и возможность возврата его в голову процесса на выщелачивание.
12. В ходе исследований были выбраны материалы для изготовления
анода - графит; катода -нержавеющая сталь. Оптимальная плотность тока для электроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов составляет 200-250 А/м1 2 3. Выход по току достигает 91-94 %. По данным
рентгенофлуоресцентного анализа содержание цинка в катодном осадке составило 99,99 %, что соответствует марке цинка ЦВ.
1. Анализ литературных источников показал, что в настоящее время отсутствует в промышленности технология переработки пыли ЭДП с получением компактного цинка. Актуально исследование процессов, протекающих при аммиачно-хлоридном выщелачивании, а также при электроэкстракции цинка из растворов, полученных после выщелачивания.
2. Исследован химический и фазовый состав пыли ЭДП, проведено прямое выщелачивание пыли в аммиачно-хлоридном растворе, показатель извлечения цинка в раствор не превышал 60-62 % даже при повышенной температуре или концентрации аммиака, что связано с высоким содержанием в пыли ЭДП устойчивого феррита цинка. Подтверждена необходимость предварительной термической обработки пыли ЭДП.
3. Рассмотрен вариант предварительного спекания пыли ЭДП с оксидом
кальция. Оптимальные показатели для максимального извлечения - соотношение Ca/Fe=1,7; температура спекания 900 °С, продолжительность
спекания 1 час. В связи с высоким расходом CaO и необходимостью утилизировать Ca-Fe кеки, в качестве предварительной обработки наиболее эффективно одностадийное вельцевание.
4. Объектом исследований выбраны возгоны первой стадии вельцевания пыли ЭДП. Основными компонентами возгонов являются цинк, свинец и железо, которые преимущественно находятся в оксидной форме, что подтверждено результатами рентгенофазового анализа. Состав подобных продуктов варьируется в зависимости от исходного состава пыли и условий вельцевания.
5. Аммиачно-хлоридное выщелачивание цинка позволяет селективно извлекать цинк из вельц-возгонов пылей ЭДП, извлечение цинка более 96 %. При этом хлор, присутствующий в пыли, циркулирует в системе и позволяет регенерировать электролит.
6. На основании результатов экспериментов по извлечению цинка при
выщелачивании построены поверхности, получены уравнения, описывающие эти поверхности. Определены оптимальные параметры процесса CnH4Ci= 4М,
Cnh4oh= 4М, Ж:Т = 15.
7. Рассчитана энергия активации реакции при оптимальных условиях выщелачивания, Вакт = 16,67 кДж/моль. Определены константы скорости при 293 К и 313 К (K293=17, 94 мин-1 и K313= 27, 84 мин-1) и порядок реакции по компоненту n=1. Установлено, что процесс аммиачного выщелачивания протекает преимущественно во внешнедиффузионной области .
8. Изучены термодинамические характеристики поведения примесей при выщелачивании. Определены кинетические параметры процесса цементации свинца на цинковом порошке в аммиачно-хлоридных растворах. Установлено, что процесс проходит во внутридиффузионном режиме.
9. Изучен процесс осаждения цинка на катоде в аммиачно-хлоридных растворах, получены потенциодинамические кривые, которые характеризуют процесс выделения цинка при потенциале около -0,94 В, что соответствует рассчитанному потенциалу осаждения цинка из аммиачного комплекса. Установлено, что при уменьшении концентрации ионов цинка закономерно снижается предельная плотность катодного тока и потенциал начала восстановления цинка смещается в электроотрицательную область.
10. Изучен анодный процесс при электроэкстракции цинка из аммиачно- хлоридного электролита. Полученные данные подтверждают теоретические предположения о диапазоне потенциалов окисления хлоридов 1 -1,6 В. Установлено отсутствие выделения хлора на аноде.
11. Подтверждены предположения о механизме протекания реакций при элекстроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов. На аноде происходит выделение газообразного азота, образующегося при взаимодействии активного атомарного хлора с аммиаком, что обеспечивает регенерацию электролита и возможность возврата его в голову процесса на выщелачивание.
12. В ходе исследований были выбраны материалы для изготовления
анода - графит; катода -нержавеющая сталь. Оптимальная плотность тока для электроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов составляет 200-250 А/м1 2 3. Выход по току достигает 91-94 %. По данным
рентгенофлуоресцентного анализа содержание цинка в катодном осадке составило 99,99 %, что соответствует марке цинка ЦВ.
КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА ЦИНКСОДЕРЖАЩЕЙ ПЫЛИ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА В АММИАЧНО-ХЛОРИДНЫХ СРЕДАХ
