Способ огневого рафинирования металлов при температурном балансе в системе капельно – газовой среды

007824 Изобретение относится к способам огневого рафинирования металлов и предназначено для получения металлов заданной химической чистоты. Наиболее распространен способ огневого рафинирования металлов продуванием расплава металла в ванне печи различными газами, чаще всего воздухом (4) и тот же способ, только с применением предварительного нагрева окислителя-воздуха в рекуператорах отходящими горячими газами (5). Процесс обычно делится на две стадии: 1. Раскисление расплава металла путем продува раскислителем в течение длительного времени. 2. Восстановление переокисленного металла восстановителем. Кроме того, производят удаление шлаков как до восстановления, так и после. Этот способ разделяется на подачу раскисляющих газов к поверхности расплава и внутрь расплава. Подача раскислителя внутрь расплава сложней, но значительно эффективней. Газ подается либо через фурмы боковые - ниже поверхности расплава, либо через погружные фурмы, доставляющие газ ко дну ванны расплава. Этим достигается более интенсивное перемешивание, переходящее в барботаж, и более интенсивная доставка молекул раскислителя во всю толщу расплава. Чем больше перемешивание, тем эффективнее рафинирование. Недостатком существующих способов является необходимость продувки толстого слоя жидкого расплава, что приводит к большим срокам продувки. Но даже увеличение сроков продувки не приводит к полному соприкосновению раскислителя и восстановителя с подавляющим числом атомов примесей и раскисляемого металла, что возможно сделать в предлагаемом способе. Особенно это видно на примере меди. Огневое рафинирование вторичной загрязненной меди не приводит к получению меди - M1, продукта, необходимого для электротехнической промышленности. После огневого рафинирования меди производят электролитическое, что приводит к увеличению ее стоимости. Кроме того, необходимость в длительной продувке требует увеличения размеров рафинировочных агрегатов при малой производительности. Это увеличивает затраты на проведение процесса по сравнению с предлагаемым способом. Известен способ обработки алюминиевого расплава парами (3). Основа этого способа - вдувание паров CCL4 в смеси с инертным газом через плазмотрон, рабочая часть которого заглублена в расплав. Здесь достигаются высокие температуры диссоциированных паров и за счет этого процесс ускоряется и углубляется. Недостаток этого процесса - необходимость продувки толстого слоя расплава, как в обычных барботажных процессах с погружной фурмой. Также известен способ рафинирования меди (2). В этом способе используется вакуумирование с одновременным перегревом расплава. Это позволяет уменьшить содержание газов и других примесей за счет увеличения упругости паров меди. В остальном он не отличается от вышеописанных способов (4) и(5), и, соответственно, обладает всеми присущими им недостатками. Кроме того, есть следующие недостатки данного способа. Применение вакуума ограничивает размеры агрегата, его производительность и приводит к значительному удорожанию получаемого этим способом металла. Этот способ предусматривает рафинирование меди высокой чистоты М 0 и M1, так как рафинирование ведтся остаточными разреженными в вакууме газами. Рафинирование загрязненной меди требует ввода большого количества рафинирующих газов, что невозможно при вакуумировании. Предлагаемый способ лишен этих недостатков. Кроме того, применение повышенной температуры металла, в отличие от рафинирования в вакууме, преследует цель не только повышения расплава, но и установление температурного баланса в камере. Это позволяет вести устойчивый процесс деления капель расплава на более мелкие, почти до бесконечности увеличивая тем самым активную поверхность жидкого металла для реакций окисления-востановления. Что позволяет рафинировать металл на 2-3 порядка быстрее и эффективнее вышеописанных способов. Наиболее близким аналогом предлагаемого способа огневого рафинирования является способ (1). Он предусматривает подачу под давлением струй газа-окислителя под небольшим углом в направлении движения потока медьсодержащего материала. Окислитель, подаваемый под давлением, дробя поток на капли, ускоряет движение падения материала, который, в основном не успев прореагировать с окислителем, падает на зеркало расплава. Кроме того, концентрическое расположение фурм вокруг потока неизбежно приведет к разной величине капель от периферии круга к его центру, что также уменьшит эффект процесса. Для того чтобы окисление-восстановление осуществлялось в достаточной мере, камера в способе (1) должна иметь очень большую высоту, в объеме которой почти невозможно поддерживать достаточную температуру реакции. Кроме того, струи газа окислителя, имея большую первоначальную скорость, ударяясь в поток жидкого расплава, быстро е теряют. Остатся скорость падения, равная скорости падения расплава, на которую влияют только силы тяготения. При этом неизбежно многократное уменьшение процесса дробления капель расплава на более мелкие капли, и получится это из-за уменьшения соударений капель за счт упорядочивания их падения. Поэтому простой процесс смешивания,описанный в (1), приводит только к частичному дроблению расплава в мельчайшие капли, оставляя большую часть капель крупными. Соответственно, металл внутри крупных капель не может прореагиро-1 007824 вать с газами. Предлагаемый способ лишен этих недостатков. В нем полностью используются силы гравитации и схема противотока газов и расплава с однородным дроблением подаваемого тонкого слоя металла. Упругость газов, встречающих расплав, позволяет удерживать капли материала в зоне действия капельногазовой смеси столько, сколько необходимо для полного проведения реакции в компактной камере. При этом нижние капли при падении встречают снизу давление газа, приостанавливаются и соударяются с верхними каплями, неизбежно дробясь на мелкие капли до мельчайших, что увеличивает общую реагирующую с газом поверхность расплава почти до бесконечности и позволяет добиться требуемого рафинирования металла. Задачей изобретения является наиболее быстрая доставка атомов раскислителей и восстановителей к максимально большему количеству атомов рафинируемого металла. На основе этого происходит наиболее полное удаление из расплава металла имеющихся примесей и своевременный вывод переработанных шлаков из процесса рафинирования. Решение указанных задач позволяет получить технический результат изобретения, отличающий предлагаемый способ от аналогов. Техническим результатом изобретения является достижение необходимой чистоты металла, т.е. получение нужного качества без дополнительных циклов переработки. В частности при огневом рафинировании меди получение меди M1 по ГОСТ РФ 859-2001 с содержанием суммы меди Cu с серебром Ag 99,90%, продукта, необходимого для электротехнической промышленности, без дополнительного электролитического рафинирования. Главное условие устойчивости предлагаемого процесса - температурный баланс в камере огневого рафинирования. Подаваемые раскислители и восстановители должны быть не просто подогретыми, а нагретыми до температур, которые гарантируют от преждевременного остывание расплав рафинируемого металла. Сумма тепла, получаемого с вводимым веществом, и тепла от окисления должна быть не менее суммы тепла, теряемого в это время расплавом. Наиболее предпочтительна температура вводимого вещества не менее температуры плавления рафинируемого металла. Такой температурный баланс позволит дробить рафинируемый металл на мельчайшие капли и перемешивать его с подаваемыми раскислителями и восстановителями в взвешенном состоянии, доводя смесь капли-газ до густого тумана. При этом обеспечивается достаточно длительное прохождение капель металла через этот капельно-газовый туман. Глубокое соприкосновение газа с каплями металла позволит ускорить процесс рафинирования в несколько раз и значительно увеличить выведение примесей в шлак и возгоны. В предлагаемом способе соотношение секундной массы подаваемого тонкого слоя металла и соответствующего по массе секундного столба капельно-газовой смеси различается по объму не менее чем на три порядка. Газ будет реагировать на поверхности каждой мелкой капли, которая постоянно дробится до выхода из зоны действия упругого газа. В связи с этим теоретически возможный предел удаления примесей, основанный на термодинамическом анализе их поведения по сродству к кислороду, становится более достижимым. Например, по меди минимальные концентрации в предлагаемом способе значительно меньше, чем фактически достигалось в уже существующих аналогичных процессах. При этом величина концентрации окислов примесей в шлаке продолжает являться важным фактором воздействия на химические реакции процесса. Для значительного уменьшения этого фактора предусматриваются присадки-флюсование. Применение недостаточно высоких температур в процессе приведет к уменьшению жидкотекучести металла и резкому уменьшению дробления и измельчения капель и падению эффективности реакции. Температурный баланс является условием ускоренного дробления капель расплава с процессом окислениявосстановления на поверхности каждой капли, приводящим к эффективному проведению реакций, и является существенным признаком предлагаемого способа. Металл, предназначенный для рафинирования, поставляется в расплавленном виде из печи или ковша 1 в специальную камеру рафинирования 6, показанную на схеме. При непрерывном процессе металл можно подавать через миксер. Из емкости с расплавом металл подается в выемку лотка 2. Лоток выполнен широким по ширине камеры. Струя металла, попав в выемку лотка, переполняет ее и тонкой широкой полосой сливается в камеру 6. Винт 3 регулирует толщину полосы слива металла. Жидкий металл, падая с лотка по всей его ширине, встречает газы, подаваемые боковыми фурмами 4, расположенными в два ряда в шахматном порядке. Регулируя давление в боковых фурмах, регулируется относ металла в глубину камеры. Этим можно менять длительность процесса в камере. Подина камеры исполнена с уклоном. Поэтому воздействие газов из подовых фурм 5, расположенных также в шахматном порядке, на капли металла, при одинаковом давлении, несколько падает пропорционально уклону. Металл после падения на подину стекает в приямок 9, где отслаивается с образованием шлака. Шлак через (не показанное на схеме) окно периодически снимается. При необходимости в приямке выполняется стенка, не доходящая до дна. Тогда в сливной лоток 8-2 007824 металл будет попадать только отстоявшийся со дна, а шлак отсечется стенкой (стенка на схеме не показана, так как камеру можно выполнять и без нее). Газы в фурмы подаются нагретые до температуры, необходимой для поддержания температурного баланса в камере. При необходимости в них добавляются присадки в виде пыли или расплава. Нагрев газов осуществляется через систему рекуператоров. Окончательный нагрев производится плазмотронами. При этом газы частично диссоциируют на ионы и становятся более активными. Выброс использованных газов происходит через окно 7. Возможен кругооборот горячих газов с добавкой кислорода и присадок и стравливания полученных излишних газов. В зависимости от рафинируемого металла, если нет возможности совместить процессы окисления и восстановления, потребуются две камеры. Одна для окисления, вторая для восстановления металла. При быстром окислении металла и его восстановлении и где удаление шлака перед восстановлением не играет большой роли, эти процессы можно совместить в одной камере. Для этого необходимо увеличить длину камеры и разделить ряды подовых фурм на пакеты. Соответственно в первые пакеты подавать окислительные газы с необходимыми присадками, а в последующие, восстановительные, также с необходимыми присадками. В результате предложенным способом по сравнению с аналогами достигаются следующие преимущества: 1. За счет полного перемешивания мелких капель металла с газами окислителя и восстановителя,расплавом и пылью присадок рафинирование ускоряется в несколько раз и извлечение примесей улучшается на порядок, имея при соблюдении температурного баланса устойчивость процесса. 2. Процесс рафинирования легко управляем за счет применения боковых фурм с изменяемым режимом дутья. При этом давление в подовых фурмах также можно менять. 3. Значительно уменьшается материалоемкость агрегатов по сравнению с существующими способами. Литература. 1. GB 1165514 (ТНЕ BRITISH IRON AND STEEL RESEARCH ASSOCIATION), 01.10.1969, формула п.1. 2. US 248224 А (Гутов Л.А. и др.) 16.12.1969, формула. 3. В.Л.Найдек, А.В. Наривский Технологии рафинирования алюминиевых расплавов газореагентными средами, журнал Металл и литье Украины, 2004, 1-2. 4. Аглицкий В.А. Пирометаллургическое рафинирование меди. - М.: Металлургия, 1971, с.188197. 5. В.А.Козлов, С.С.Набойченко, Б.Н.Смирнов, Рафинирование меди. - М.: Металлургия, 1992,с.40-44. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ огневого рафинирования металла, включающий использование камеры с фурмами для подачи подогретых газов, отличающийся тем, что в камеру с фурмами для подачи подогретых газов подают металл вниз в расплавленном виде тонким слоем противоточно поднимающимся вверх газам с постоянным дроблением капель металла и образованием густого капельно-газового тумана, имеющего температурный баланс за счт достаточного нагрева газов и металла до температур, обеспечивающих превышение температуры плавления металла в капельно-газовой смеси на весь период окисления-восстановления рафинируемого металла.