ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор
 Скачать 6.68 Mb.
|
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ ТОНКОДИСПЕРСНЫХ СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Козлов Павел Александрович Челябинск – 2017 Екатеринбург – 2017 ОГЛАВЛЕНИЕСтр. ВВЕДЕНИЕ… 3 КРАТКИЙ ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА СУЛЬФИДНЫХ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ… 10 Основные физико-химические свойства цинковых концентратов… 10 Основные реакции обжига цинковых концентратов… 17 Агрегаты для обжига сульфидных цинковых концентратов… 23 Технологические приемы обжига цинковых концентратов… 29 ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИКИ КИПЯЩЕГО СЛОЯ… 37 ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ НА АГЛОМЕРАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ОБЖИГЕ… 61 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА СКОРОСТЬ ОКИСЛЕНИЯ ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ… 91 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПРОЦЕСС ОБЖИГА ЦИНКОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ В ПЕЧАХ КИПЯЩЕГО СЛОЯ… 112 Изменения в технологии приготовления шихты… 113 Конструктивные изменения печей кипящего слоя… 117 Применение забрасывателя для подачи шихты в печь… 127 Применение донной выгрузки огарка из печи… 129 Регулирование высоты сливного порога печи… 134 Экономическая эффективность проведенных мероприятий… 136 ЗАКЛЮЧЕНИЕ… 138 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ… 141 ВВЕДЕНИЕАктуальность темы Мировая тенденция непрерывного увеличения потребления цинка стимулирует рост его производства, однако качество исходного сырья, а именно сульфидных цинковых концентратов, постепенно снижается. Это обусловлено переработкой труднообогатимых руд, что приводит к повышению содержания железа, меди, свинца, кремнезема и других примесей в цинковых концентратах. Получение сульфидных цинковых концентратов дорогостоящий процесс, при котором цена цинка в сульфидных цинковых концентратах получаемых методом флотации может составлять до 60% от стоимости цинка в готовых слитках. Современные заводы используют гидрометаллургический способ получения цинка, который включает в себя обжиг сульфидных цинковых концентратов в печах кипящего слоя. Стабильность работы обжиговых печей кипящего слоя напрямую зависит от технологии процесса обжига, которая определяет качество выпускаемой продукции и её стоимость. Шихта печей кипящего слоя представляет собой смесь сульфидных цинковых концентратов полученных от разных горно-обогатительных комбинатов. В зависимости от состава рудного тела и технологии обогащения концентраты содержат различное количество таких примесей как железо, медь, свинец в виде минералов пирита, марматита, халькопирита, ковелина и галенита, которые влияют на процесс обжига. Дополнительное присутствие в концентратах пустой породы в виде соединений кремния, алюминия, магния и кальция также вносит изменения в поведение концентратов при обжиге. Минералы пирит, марматит, халькопирит, ковелин и галенит находятся в тонкодисперсной и эмульсионной связи со сфалеритом, образуя твердые растворы минералов. Это вынуждает снижать конечную степень измельчения руды для высвобождения минералов от сростков с пустой породой, что приводит к изменению физических свойств цинковых концентратов. Вопрос влияния на процесс обжига содержания примесей и гранулометрического состава концентратов еще недостаточно изучен. Изучение данного вопроса позволит на основании усовершенствования технологии приготовления шихты и внесению конструктивных изменений в элементы печей кипящего слоя добиться стабильной и высокоэффективной работы печей кипящего слоя. Степень разработанности темы исследованияК настоящему времени в книгах и периодических изданиях авторами Лакерником М.М., Пахомовой Г.Н., Снурниковым А.П., Зайцевым В.Я., Маргулисом Е.В., Набойченко С.С., Хабаши Ф. и другими представлена технология гидрометаллургического производства цинка и химизм протекающих при этом процессов. Описана технология и теоретические основы процесса обжига цинковых концентратов в печах кипящего слоя. Однако многие вопросы, связанные с теорией и практикой обжига тонкодисперсных цинковых концентратов с различным содержанием примесей железа, меди, свинца, оксида кремния и водорастворимых соединений, практически не рассматривались. В литературе отсутствуют данные по влиянию примесей на процесс укрупнения огарка и образование агломерационных спеков в процессе обжига, недостаточно изучена аэродинамика кипящего слоя, который состоит из полидисперсных частиц. Не определены скорости окисления сульфидных цинковых концентратов при обжиге в промышленных печах кипящего слоя для гранул концентратов различной крупности. Изучение данных вопросов позволит улучшить качество продуктов обжига, стабилизировать работу печей кипящего слоя, увеличить производительность печей. Целью работы является исследование поведения при обжиге в печах кипящего слоя тонкодисперсных цинковых концентратов с повышенными содержаниями железа, свинца, меди и кремнезема. На основе полученных результатов необходимо усовершенствовать технологические режимы обжига цинковых концентратов, которые позволят стабилизировать работу печей кипящего слоя. Задачи исследования:Исследовать аэродинамику кипящего слоя в зависимости от физических свойств огарка (плотность, размер частиц) для определения причин образования малоподвижных зон в печи кипящего слоя. Изучить механизм образования агломерационных спеков в печах кипящего слоя и исследовать влияние химического состава концентратов (содержание в концентратах примесей и водорастворимых соединений) на способность к образованию спеков. Определить скорость окислительных реакций сульфидных цинковых концентратов при различных температурах обжига для условий обжига в промышленных печах кипящего слоя. Проанализировать и обобщить на базе теоретических положений термодинамики и кинетики полученные экспериментальные данные по влиянию физических факторов и химического состава концентратов на скорость окислительных реакций при обжиге в кипящем слое. На основании полученных результатов внести изменения в технологические параметры процесса обжига и разработать технические решения по изменению конструкций печей кипящего слоя. Научная новизнаИсследование бинарной системы сульфидных цинковых концентратов состоящей из тонкодисперсных частиц минералов и гранул, которые представляют собой конгломераты из частиц минералов. Отличие физических свойств частиц и гранул при аналогичности химического состава оказывает существенное влияние на поведение кипящего слоя. Исследован процесс образования агломерационных спеков при обжиге цинковых концентратов в зависимости от размера частиц. Предложена оценочная методика определения зависимости механической прочности агломерационного спека получаемого при обжиге различных цинковых концентратов в зависимости от содержания в них примесей. На основании экспериментов по обжигу различных цинковых концентратов в оригинальной лабораторной печи кипящего слоя получены зависимости скорости десульфуризации концентратов от физических и химических свойств концентратов. Теоретическая значимость работыПредложена формула расчета скорости газовых потоков в кипящем слое частиц состоящих из продуктов обжига сульфидных цинковых концентратов. Определен диффузионный характер протекания реакции окисления сульфидных цинковых концентратов в конгломерационных частицах. Практическая значимость работыРазработана программа расчета состава шихты обжиговых печей КС из смеси концентратов с различным химическим составом для нивелирования влияния примесей ответственных за образование агломерационных спеков. Внедрено микрогранулирование шихты с использованием связующих веществ для снижения доли тонкодисперсных частиц концентратов в шихте. Внесены изменения в конструкцию печей кипящего слоя с целью рассредоточенной подачи шихты в печь кипящего слоя и регулирования гранулометрического состава огарка в печах КС. Методология и методы диссертационного исследованияОбъектом исследования является технология обжига тонкодисперсных сульфидных цинковых концентратов с повышенным содержанием железа, меди, свинца, кремнезема. Предметом исследований является разработка и реализация научно обоснованного технологического процесса обжига тонкодисперсных сульфидных цинковых результатов. Методологической основой исследования являются работы ведущих отечественных и зарубежных ученых, посвященных процессу обжига сульфидных концентратов. В процессе исследований использовались аттестованные методики химического, спектрального анализа в лаборатории ОФХМА СТК ЧЦЗ на оборудовании спектрометр ARL 4460, ионный хроматограф Metrohm 850 Professional IC, рентгенофлуоресцентный спектрометр RIGAKU. Изучение состава частиц концентратов и продуктов их обжига производилось на электронном микроскопе JEOI JSM-6460LV с совмещенным энергодисперсионным спектрометром «Oxford Instrument» INGAx – sight 7574. Полученные в результате исследований результаты апробировались в условиях работающих печей кипящего слоя при проведении промышленных испытаний. Положения и результаты, выносимые на защитуОсобенности поведения в кипящем слое частиц флотационных цинковых концентратов и гранул из конгломератов образованных из частиц цинковых концентратов. Влияние примесей в цинковых концентратах и водорастворимых соединений на процесс укрупнения огарка и образование агломерационных спеков при обжиге. Влияние факторов удельной плотности и насыпного веса цинковых концентратов и продуктов их обжига на аэродинамику кипящего слоя. Влияние на скорость окисления сульфидных цинковых концентратов (десульфуризация) исходного размера гранул концентрата, аэродинамики кипящего слоя, парциального давления кислорода в зоне реакции и химического состава концентрата. Степень достоверности и апробация результатовДостоверность результатов обеспечивается их воспроизводимостью при использовании ряда независимых методик проведения эксперимента. Измерение технологических параметров в процессе экспериментов и промышленных испытаний производилось с помощью аттестованных измерительных приборов и оборудования. Химический анализ продуктов производился в аттестованной лаборатории ОФХМА СТК ЧЦЗ. Математическая обработка результатов исследований производилась с помощью стандартных компьютерных программ. Апробация работыОсновные результаты работы доложены и обсуждены на VII Международной металлургической конференции «Металлургия-ИНТЕХЭКО – 2014» (г. Москва. 2014 год). Личный вклад соискателяНа всех этапах разработок соискатель являлся непосредственным исполнителем лабораторных исследований, автором и исполнителем оригинальных лабораторных установок, проведения промышленных испытаний и внедрения новых технологических процессов. Разработка и описание технических решений по совершенствованию технологических процессов и подготовка рекомендаций к их практической реализации, написание и оформление публикаций в научных изданиях. ПубликацииМатериалы диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе пять статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объём работыДиссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы 108 наименований. Материал изложен на 151 странице машинописного текста, включая 41 рисунок и 11 таблиц. Работа выполнена на Челябинском цинковом заводе и Уральском федеральном университете. Активное участие в проведении экспериментальных работ приняли сотрудники технологического бюро инженерного центра ПАО «ЧЦЗ» при непосредственном участии автора. Проведение промышленных испытаний проводилось под контролем автора с привлечением инженерно-технических работников обжигового цеха ЧЦЗ. Помощь в теоретическом обосновании работы и консультации по созданию лабораторных установок были получены на кафедре «Металлургия тяжелых цветных металлов» ФГАОУ ВО «УрФУ им. первого Президента России Б.Н. Ельцина». Автор выражает благодарность – за научные консультации при обсуждении результатов исследований профессору доктору технических наук Козлову П.А., профессору кандидату технических наук Агееву Н.Г., за организационную поддержку диссертации техническому директору ПАО «ЧЦЗ» ЗатонскомуА.В. |