Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

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)

Температура фильтрации, °С

540

500

450

400

350

Содержание Fe в съемах, %

19,4

12,4

12,3

15,1

14,5

Sn в съемах, %

79,7

86,9

85,9

84

84,9

Соотношение Sn/Fe

4,12

7,03

7

5,6

5,9

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

Момент, мин

Металл Fe, %

Выход съемов, %

Анализ съемов

Производительность, кг/мин

Степень, %, удаления Fe

Выход Sn/Fe, %

Fe, %

Sn, %

0

3,53

           

20

2,84

8,8

10,69

76,2

18

26,8

7,1

60

2,15

10,2

8,83

71,2

20

50,0

8,1

100

1,32

13,6

7,44

86,4

12

73,6

11,6

140

0,48

10,5

8,46

86,2

8

91,4

10,2

165

0,24

2,8

9

83,0

3

95,8

9,3

235

0,21

0,4

8,9

85,4

0,14

96,4

9,5

295

0,14

0,8

8,74

84,4

0,33

97,6

9,7

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].

1_12.wmf

Рис. 1.12. Кинетика фильтрации расплава железистого олова. Абсцисса – моменты отбора проб, ордината –степень % очистки олова от железа

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

Температура фильтрации, °С

550

500

500

500

350

300

Исходное содержание Fe в расплаве, %

6,67

4,48

2,11

1,02

0,12

0,065

Содержание Fe в съемах, %

20,8

13,7

5,67

2,85

6,76

1,38

Sn в съемах, %

77,1

85,3

87

92,4

87,1

93

Соотношение Sn/Fe

3,71

6,18

15,4

32,3

12,9

74

Остаточное содержание Fe в расплаве, %

4,48

2,11

1,02

0,12

0,065

0,005

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

№ п/п

Тяжелый металл, т

Sn, %

Масляный скраф, т

Sn, %

Сред. Fe, %

Получено олово, т

Съемы, т

Состав, % съемов

Fe

Sn

Sn/Fe

1

4,8

89

8,8

85

7,69

8,2

5,1

20,5

48

2,3

2

12,5

87,9

0

0

7,56

7,5

5,4

17,5

50,3

2,9

3

5,8

90

5,5

83,3

7,45

5,5

5,4

15,6

55,6

3,56

4

1,8

94,6

11,5

81,9

7,55

7,2

5,4

18,6

64,9

2,95

5

2

92,4

10

82

7,07

8,5

4,2

20,2

49,2

2,43

Итого

26,9

89,3

35,8

82,9

 

36,9

25,5

     

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.


Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074