УДК 624.131:551.3
ПОВЕДЕНИЕ РАСПЛАВА ПРИ ПОДАЧЕ ВОЗДУХА ЧЕРЕЗ ПРОСТРАНСТВЕННО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ФУРМЫ В УСЛОВИЯХ ПЛАВКИ РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ЛОМА
© Теляков Алексей Наильевич, канд. техн. наук; Шмидт Дмитрий Викторович; Александрова Татьяна Андреевна
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». Россия, Санкт-Петербург. E-mail: ptpe_spmi@bk.ru
Статья поступила 21.05.2014 г.
Представлены результаты исследований по интенсивному радиальному вводу дутья в тигель при переработке радиоэлектронного лома. Установлена зависимость воздействия дутья и непогруженной воздушной струи на массоперенос. Получена эмпирическая формула для определения удельного расхода воздуха в критическом режиме.
Ключевые слова: расплав; расход воздуха; дутье; радиоэлектронный лом; концентраты; кремний; плавка; медно-никелевый анод; свинец.
В настоящее время среди различных источников полиметаллического сырья, содержащего благородные металлы, важную роль играют отходы электроники, электротехники, химической, автомобильной промышленности др. Получение металлов из подобного сырья - оптимальный путь решения многих проблем, в том числе связанных с охраной окружающей среды.
Для переработки сульфидных продуктов разработан способ подачи дутья с обеспечением перемешивания расплава высоконапорными струями [1-3]. В результате экспериментов установлена возможность многократного увеличения удельной дутьевой нагрузки (в 6-10 раз) по сравнению с известными вариантами подачи дутья.
С целью интенсификации окисления примесей радиоэлектронного лома (РЭЛ) были проведены исследования по интенсивному радиальному вводу дутья в тигель. В данном процессе, как и в любой другой технологической схеме переработки концентратов, использующей в качестве головной операции плавку, большое влияние на показатели процесса оказывает степень окисления расплава. Эта величина зависит от кинетики конкретного процесса окисления, расхода дутья, соотнесенного с объемом расплава, равномерности окисления массы расплава и степени усвоения кислорода дутья.
Обычно при проведении эксперимента, как правило, отсутствует возможность контроля степени усвоения кислорода при дутье. Плавка с радиальным вращением расплава создает условия тепломассообмена, близкие к идеальным, при этом по контролю расхода воздуха или газовоздушной смеси можно судить о степени окисления расплава.
Цель исследования - проверка зависимости расхода дутья от давления в системе и диаметра отверстия истечения в условиях перемешивания расплава при вращении его высоконапорными струями.
Для определения массового расхода газа при докритиче-ском режиме истечения в трудах Л.Прандтля [4] предложена формула
М = F\ — Pi
Г'
2х
PiPi
1-1^ Pi
где Г - площадь сечения отверстия, м2; р1 - давление в резервуаре, откуда происходит истечение, Па; р2 - давление в резервуаре, куда происходит истечение, Па; х = 1,4; р1 - плотность газа в резервуаре, откуда происходит истечение, кг/м3.
В трудах Л.М.Шалыгина [3] по конвертированию медных штейнов определена эмпирическая формула для расхода воздуха в критическом режиме
<2 = 16/^/^,
где Г - площадь сечения отверстия, мм2; р1 - давление в резервуаре, откуда происходит истечение, Па; Т1 - температура газа истечения, К.
При сравнении формул выявлено, что расчетные показатели отличаются как в докри-тическом, так и в критическом режимах (табл. 1). Это потребовало экспериментального определения расхода воздуха при проведении экспериментов.
Для достижения поставленной цели был изготовлен измерительный стенд (см. рисунок). В результате экспериментов были получены данные по рас-
Таблица 1. Зависимость расхода воздуха от давления дутья и диаметра отверстия истечения
Воздух от компрессора
Диаметр, мм мПа Расход воздуха (л/с), определенный
по формуле Прандтля по формуле Шалыгина экспериментально
0,05 0,20 0,18 0,15
0,10 0,26 0,24 0,22
1,0 0,15 0,29 0,30 0,28
0,20 0,32 0,36 0,37
0,25 0,33 0,42 0,42
0,30 0,35 0,48 0,45
0,05 0,45 0,41 0,36
0,10 0,58 0,55 0,50
1,5 0,15 0,66 0,68 0,64
0,20 0,71 0,82 0,77
0,25 0,75 0,95 0,91
0,30 0,78 1,09 1,03
0,05 0,80 0,74 0,61
0,10 1,03 0,98 0,94
2,0 0,15 1,17 1,22 1,24
0,20 1,26 1,46 1,43
0,25 1,33 1,70 1,71
0,30 1,39 1,94 2,00
0,05 1,26 1,15 0,97
0,10 1,61 1,53 1,53
2,5 0,15 1,82 1,90 2,00
0,20 1,97 2,28 2,50
0,25 2,09 2,65 3,02
0,30 2,18 3,03 3,40
0,05 1,81 1,66 1,52
0,10 2,32 2,20 2,22
3,0 0,15 2,62 2,74 2,85
0,20 2,84 3,28 3,33
0,25 3,00 3,84 4,00
0,30 3,13 4,36 4,70
ходу воздуха в зависимости от диаметра насадок и избыточного давления в подающей воздух магистрали.
В исследованиях в качестве меры объема использовался воздух высокого давления, подающийся в магистраль, вытесняя воду, находящуюся в баке 1, куда вмонтирована насадка 3 с известным диаметром отверстия. При этом в баке с во-
и
Установка для определения расхода воздуха: 1 - бак с водой; 2 - сменный демпфер для расширения газа; 3 - насадка с известным диаметром отверстия; 4 - манометр; 5 - линия сброса воздуха до эксперимента; 6 - кран для слива воды; 7 -мерный стакан; 8 - и-образный манометр
дой с помощью крана 6 для слива воды поддерживается атмосферное давление и-образным манометром 7.
Простота, надежность и наглядность полученного на экспериментальном измерительном стенде результата позволяют использовать экспериментальные данные в балансовых экспериментах и в расчетах технологии окисления РЭЛ воздухом.
Обработка результатов эксперимента позволила получить эмпирическую формулу для определения удельного расхода воздуха
Г г. / . „\2Ч
<2уд= 499002£ХР
Р - 3,72 у ^ (/зиз6 - 4,218V 1,211 ) V 2,364 )
V У
где Б - диаметр отверстия, мм; ризб - избыточное давление в системе подачи воздуха, Па [4].
Количество дутья и воздействие непогруженной воздушной струи на массоперенос зависят в первую очередь от энергии струи и, как следствие, от давления дутья и диаметра отверстия истечения. При этом особое значение имеет динамическая характеристика струи.
Таблица 2. Материальный баланс процесса окислительной плавки
Поступило Получено
наименование продукта количество, г наименование продукта количество, г
Исходный сплав 7000,0 Сплав после продувки 6120,0
Кварцевый песок 750,0 Шлак 2550,0
Сода 750,0
Кислород (водух) 170,0
Итого: 8670 Итого: 8670
Высота фурмы над расплавом Нф определяется на основе условий безопасности ее эксплуатации и достаточной энергии струи при встрече с поверхностью расплава, что определено экспериментально и составляет 10-20 ее диаметров.
Глубина проникновения струи в расплав Нпр определяется по следующей формуле [5]:
Япр -
p0,5d0,6
К
1 +
я.
-+ Я*
ф
dB.
„0,4
cosa - Я
ф.
где К - коэффициент, зависящий от свойств газа (для воздуха К = 40); р - избыточное давление в фурме, Па; й - диаметр отверстия истечения, мм; Нф - высота фурмы над расплавом, мм; В - коэффициент, зависящий от вязкости жидкости; уж -плотность расплава, г/см3; а - угол наклона фурм.
Диаметр реакционной камеры принимаем О = Н , так как при таком соотношении рас-
распл * *
плав в центре реакционной зоны не застаивается. После этого определяем объем расплава, рассчитываем расход шихты и производительность установки.
Исследования проводили на лабораторной установке с тиглем ТГ-10 вместимостью 10 кг по меди. Тигель помещали в силитовую печь, а над тиглем располагали дутьевой блок, оборудованный шестью фурмами с диаметром воздушного отверстия 1 мм. Подача воздуха в дутьевой блок осуществляется компрессором при давлении 0,1 мПа.
На поверхность расплавленного валового РЭЛ был нанесен флюс, состоящий из кварцевого песка и соды. Сразу же без всплесков и выбросов расплавленный металл с флюсом начал вращаться с перемешиванием жидкой фазы. Процесс продолжался 15 мин при температуре 1270 °С. Никаких нарушений плавки замечено не было, а результаты эксперимента показали, что после
окисления в шлак переходят железо, цинк, вольфрам, свинец, олово. Медь остается в сплаве, и ее концентрация увеличивается с 60,8 до 69,3%. Переход в шлак золота, платины и палладия отсутствует. Материальный баланс плавки представлен в табл. 2.
Оценка величины погрешности взвешивания исходных и полученных продуктов плавки, погрешность при подаче воздуха позволяют рассчитать степень усвоения кислорода в процессе плавки, которая составила 99,65%. Этот результат соответствует 85%-ной степени удаления примесей из РЭЛ, т.е. в этом случае содержание меди и примесей сопоставимо.
Исследования кинетики окисления никеля, железа, цинка, свинца и олова для условий переработки концентратов РЭЛ позволили определить кажущуюся энергию активации для процесса окисления примесей кислородом воздуха в медном расплаве, кДж/моль: № 185,8; 2п 106,4; Бе 76,2; Бп 63,1; РЬ 42,3. Высокие значения кажущейся энергии активации и отсутствие увеличения степени окисления металлов при увеличении расхода воздушного дутья (с 0,11 до 0,2 мПа) позволяют считать, что процесс окисления примесей протекает в кинетической области, определяя тем самым температуру в качестве главного фактора удаления примесей из медного сплава.
Выводы. 1. Определена эмпирическая формула для определения удельного расхода воздуха в критическом режиме, устанавливающая зависимость расхода подаваемого воздуха от диаметра отверстия и значения избыточного давления в системе подачи газа.
2. Показана возможность использования высоконапорных пространственно-ориентированных струй для окисления примесей валового радиоэлектронного лома.
3. Определена энергия активации примесей радиоэлектронного лома в случае их окисления кислородом воздуха.
Библиографический список
1. Шалыгин Л.М. Воздействие условий подачи дутья на характер тепломассообмена в конвертерной ванне // Цветные металлы. 1998. № 4. С. 27-30.
2. Шалыгин Л.М, Коновалов Г.В.. Структура теплового баланса, теплогенерация и теплоперенос в автогенных ме-
таллургических аппаратах разного типа // Цветные металлы. 2003. № 10. С. 17-25.
3. Шалыгин Л.М., Коновалов Г.В., Косовцева Т.Р. Условия подачи дутья в расплавы и разработка средств интенсификации дутьевого реж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.