Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Центробежная фильтрация расплавленного олова и свинца

Дьяков В. Е.,

1.2. Кинетика центробежной фильтрации олова от железа

Рафинирование чернового олова начинают с удаления железа. Операцию ликвационного рафинирования от железа проводят вмешиванием каменого угля в ванну при температуре 400 °С. Кристаллы интерметаллических соединений железа FeSn2, FeSn вместе с углем всплывают на поверхность и снимаются шумовкой [8]. Однако, одновременно с железом в осадок съемов выделяются соединения мышьяка с оловом и сложно оценить поведение индивидуальных соединений железа. Поэтому исследования условий фильтрации соединений железа проводили из отходов с ванн горячего лужения стали. При горячем лужении стального листа в расплаве олова на дне ванны агрегата лужения скапливается так называемый «тяжелый» металл твердых кристаллов FeSn2. «Тяжелый» металл содержит 8–10 % железа [15].

Лабораторные опыты центробежной фильтрации отходов с ванн горячего лужения проводили на лабораторной центрифуге с диаметром фильтра 110 мм [9]. Отходы расплавляли, перемешивали при температуре 550–600 °С, затем расплав охлаждали до заданной температуры фильтрации. Фильтр погружали на глубину 10–30 мм и вращали со скоростью 250 об/мин в течение 3–5 мин. После наполнения полости фильтра твердыми примесями (съемами) его поднимали над поверхностью расплава и увеличивали скорость вращения до 1200 об/мин в течение 20 с, после чего фильтр останавливали для выгрузки осадка и отбора проб. Результаты регенерации «тяжелого» металла приведены в табл. 1.1 [15].

Таблица 1.1

Результаты переработки «тяжелого» металла (олова с 8 %Fe)

Результаты показывают, что с точки зрения относительного выхода олова в съемы предпочтительно проводить фильтрацию при температуре выше 500 °С. При понижении температуры ниже 500 °С унос олова с железом возрастает вдвое, вероятно с повышением вязкости олова. Характерной особенностью рафинирования олова с высоким содержанием железа является осаждение кристаллов железистого олова на дно ванны и поэтому металл в котле непрерывно перемешивался пропеллерной мешалкой [15].

В табл. 1.2 приведена кинетика фильтрации железистого олова осадка от горячего лужения стали при 520 °С с 3,53 % до 0,14 % Fe [21].

Таблица 1.2

Кинетика центробежного рафинирования олова от железа

Примечание. Фильтрация при температуре 520 °С олова с исходным содержанием железа 3,53 %.

Ход кинетической кривой (рис. 1.12) показывает, что на начальном этапе при высокой концентрации суспензии кристаллов процесс идет с высокой интенсивностью [22].

На конечной стадии более 90 % степени очистки скорость фильтрации снижается. Это можно объяснить уменьшением доли крупных кристаллов и увеличением доли мелких кристаллов. Процесс еще продолжается с малой скоростью наполнения фильтра, так как при фильтрации погружаемым фильтром крупные кристаллы задерживают более мелких кристаллы. Поэтому периодически вмешивался зернистый материал – каменный уголь. Причем, на конечных стадиях производительность фильтрации без добавки каменного угля составляла 0,14 кг/мин, а после добавки угля 0,33 кг/мин. Как ранее показано низкий выход олова в отходы достигается фильтрацией при температуре более 500 °С, однако при этом не достигается необходимая степень очистки. В табл. 1.3 приведены опыты по определению влияния температуры на качество очистки олова.

Таблица 1.3

Влияние температуры фильтрации на качество очистки олова

В общем виде максимальная степень очистки и минимальный удельный выход олова в съемы достигается при нагреве металл до 450 °С с последующим охлаждением и фильтрацией при 300 °С. Поверхность кристаллов FeSn, FeSn2 обладают высокой смачиваемостью оловом. Крупные кристаллы имеют меньшую удельную поверхность и меньше задерживают олова на поверхности. Для снижения выхода олова со съемами требуется укрупнение кристаллов, чтобы снизить удельную поверхность кристаллов. После охлаждения расплава от 550 до 500 °С в шлифе кристаллы FeSn2 под микроскопом имеют средний размер 0,08 мм. После охлаждения расплава от 550 до 300 °С средний размер кристаллов FeSn2 увеличивается до 0,32 мм. Это показывает, что для достаточного удаления железа с низким выходом олова в съемы существенно влияет кристаллизация расплава охлаждением расплава до минимальной температуры [20]. Кроме укрупнения кристаллов выход олова со съемами достигается снижением смачивания кристаллов примесей оловом путем окисления кристаллов с поверхности. При перемешивании чернового олова в виде суспензии твердых кристаллов FeSn2 в олове кристаллы окисляются с поверхности, становятся малосмачиваемые, и более легко отделяется свободное олово. Окисление олова на поверхности кристаллов основано на том, что поверхностные пленки с большей скоростью окисляются, чем в объеме металла.

С увеличением скорости окисления (кг/мин) выход съемов увеличивается по уравнению:

VixC = 11,5∙(Voк) + 1,5 с корреляцией 0,8. (1.1)

где VixC – выход съемов, %; Voк – скорость окисления, кг/мин.

Излишне интенсивное и длительное перемешивание может вызвать дисспергирование металлического олова и возгорание съемов. Для снижения скорости окисления при перемешивании в расплав добавляют каменный уголь. Как показывает производственный опыт при выделении летучих компонентов разложения снижается окисление олова, но пленка на кристаллах FeSn2 окисляется с поверхности.

Промышленное освоение технологии центробежной фильтрации отходов горячего лужения [15] осуществлено на Магнитогорском металлургическом комбинате. Отходы горячего лужения стали загружают и расплавляют в чугунном обогреваемом котле. На котел устанавливается центрифуга ПАВФС-650, фильтр которой погружается в расплав и приводится во вращение. Под действием центробежных сил отбрасывается к периферии полости фильтра, создавая разрежение, которое обеспечивает поступление металла в полость фильтра. Фильтр состоит из двух конусообразных тарелей, сжатых так что между ними образуется фильтрующая щель, в которой задерживаются твердые примеси. Для поступления рафинируемого металла в полость фильтра в тарелях у оси выполнены отверстия, так называемые заборные окна. Центробежные силы продавливают жидкое олово через щель фильтра и возвращают в ванну. Твердые примеси задерживаются у щели, накапливаясь в полости фильтра.

Таблица 1.4

Результаты баланса промышленных плавок удаления железа из олова ванны лужения

Фильтр, погруженный в рафинируемый расплав, работает в благоприятных термических условиях. Температура внутри фильтра соответствует температуре всего объема металла, что позволяет вести рафинирование в различных регулируемых температурных пределах, достигая максимальной степени удаления примесей.

На установке освоено рафинирование масляного скрафа и тяжелого металла с извлечением олова в готовый продукт 63,2 %. Железо содержащие оловянные отходы из ванн горячего лужения жести, плавят со сплавом Si–Al с содержанием 3–15 % олова совместно с флюсовой скраф, содержащем ZnCl2 и расплав подвергают центробежной фильтрации при 470–540 °С [23]. Для снижения потерь олова с хлоридными возгонами при переработке отходов из ванн горячего лужения жести, при температуре 510–620 °С перед центробежной фильтрацией расплав обрабатывают известью или кальцинированной содой с последующей центробежной фильтрацией [24]. Предлагаемый способ позволяет снизить выход олова в съемы на 2–3 % повысить тем самым прямой выход олова в продукт. Промышленные результаты показывают, что при центробежной фильтрации со снижением температуры от 550 до 450 °С содержание железа снижается до 0,12 %. Дальнейшая фильтрация со снижением температуры до 300 °С значительно повышает выход олова в съемы.