Способ грануляции меди

 

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности, к способам получения медных гранул для производства медного купороса. В предложенном способе, включающем слив расплавленной меди струями в воду и диспергирование их под слоем воды, согласно изобретению диспергирование осуществляют двумя параллельными подводными водяными потоками через верхнее и нижнее подводные сопла, устанавливают угол их наклона к сливаемым струям меди, равным 60-90°, при этом поддерживают давление воды в верхнем подводном сопле, равным 0,04-0,10 МПа, а в нижнем подводном сопле - равным 0,10-0,20 МПа, а воду в зоне падения струй меди барботируют надводным водяным потоком, направляемым на ее поверхность через надводное сопло. Обеспечивается получение гранул требуемого качества, не содержащих кремний, а также снижение затрат на производство и улучшение технико-экономических показателей. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к способам получения медных гранул.

Рассмотрим известные из уровня техники решения, позволяющие получить гранулированную медь.

Известен способ грануляции металла, заключающийся в сливе его в воду с созданием подводных водяных потоков давлением 0,23-0,26 МПа, направленных тангенциально к зоне заливки металла (Способ грануляции расплава. А.с. СССР №1403490, B 22 F 9/08).

Недостатки этого способа:

- малая удельная поверхность сферических гранул - непригодность для производства медного купороса;

- опасность процесса из-за образования "хлопков" при сливе меди.

Известен способ получения гранул путем гранулирования расплавленного металла плоским потоком воды над поверхностью воды в резервуаре (Способ получения металлургических порошков. Франция, заявка №228066, МКИ В 22 D 23/08; В 01 J 2/06). Получаемые гранулы имеют сферическую форму и не могут быть использованы в производстве медного купороса.

Известен способ грануляции металлического расплава путем слива на ряд круглых водяных струй, подаваемых над поверхностью воды под различным давлением по высоте: верхняя часть струй 0,03-0,06 МПа, средняя 0,06-0,08 МПа, нижняя 0,1-0,22 МПа (Способ грануляции металлического расплава. А.с. СССР №436705, В 22 D 23/08). Этот способ обеспечивает увеличение крупности гранул, но они имеют округлую плотную форму.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ грануляции меди, который выбран в качестве прототипа. Способ включает диспергирование ее кремнийсодержащего расплава с использованием воды. Диспергирование осуществляют подводным водовоздушным потоком, создаваемым давлением 0,1-0,25 МПа на глубине 0,4-0,7 м от поверхности воды (Способ грануляции меди. Патент РФ №2071981, кл. С 22 В 15/00). Применение способа позволяет получать медные гранулы развитой формы, тонкостенные. Недостатком этого способа является ввод металлического кремния в медь, подвергаемую грануляции, который снижает технико-экономические показатели производства медного купороса из-за зашламления растворов гелем кремнекислоты. Без ввода кремния в медь способ не позволяет получить гранулы развитой формы с высокой удельной поверхностью, что объясняется различными физико-химическими свойствами кремнийсодержащей и бескремнистой меди и условиями кристаллизации медного расплава при диспергировании подводным водовоздушным потоком.

Анализ описанных выше аналогов и прототипа выявил, что ни в одном из них не достигается желаемый результат - получение гранул требуемого качества, не содержащих кремний, а также снижение затрат на производство и улучшение технико-экономических показателей.

Авторами настоящей заявки на изобретение создан способ грануляции меди с достижением указанного выше технического результата.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в известном способе, включающем слив расплавленной меди струями в воду и диспергирование их под слоем воды, диспергирование осуществляют двумя параллельными подводными водяными потоками через верхнее и нижнее подводные сопла, устанавливают угол их наклона к сливаемым струям меди, равным 60-90°, при этом поддерживают давление воды в верхнем подводном сопле, равным 0,04-0,10 МПа, а в нижнем подводном сопле - 0,10-0,20 МПа, а воду в зоне падения струй меди барботируют надводным водяным потоком, направляемым на ее поверхность через надводное сопло. Поддерживают расстояние между осями верхнего и нижнего подводных сопел, равным 0,075-0,15 м, а в месте падения струй меди в воду поддерживают расстояние от поверхности воды до оси верхнего сопла, равным 0,15-0,25 м. Поддерживают производительность одной струи по сливаемой меди, равной 2-3,5 т/ч.

Получение гранул развитой формы с высокой удельной поверхностью в предлагаемом способе достигается тем, что при грануляции "чистой" меди создается режим диспергирования и охлаждения меди, обеспечивающий непрерывный отъем тепла, в том числе от кристаллизации меди, и дробный во времени процесс кристаллизации диспергированных расплавленных частиц. В барботируемом надводным потоком слое воды происходит предварительное охлаждение струй меди. В зоне действия верхнего подводного потока струи меди диспергируются на пряди и капли, которые при погружении в воду продолжают охлаждаться, начиная частично кристаллизоваться и деформироваться. В зоне действия нижнего подводного потока имеет место дополнительное диспергирование крупных прядей и капель, деформация всех капель до пластинчатой формы и их окончательная кристаллизация и охлаждение в движущемся подводном потоке.

При грануляции "чистой" меди известным способом распад струй и основная кристаллизация распавшихся капель происходят в слое воды над подводным водовоздушным потоком, расположенным на глубине 0,4-0,7 м. Кристаллизация капель протекает без деформирования с образованием округлых и сферических частиц. Характер кристаллизации меди не изменяется при уменьшении глубины погружения водовоздушного потока и участии его в диспергировании меди. Кремнийсодержащая медь, имеющая более низкую теплопроводность и более широкий температурный интервал кристаллизации, сохраняется в расплавленном состоянии значительно дольше, чем "чистая" медь, что создает условия для образования и кристаллизации частиц развитой формы при воздействии водовоздушного потока на глубине более 0,4 м.

Заявляемый способ грануляции меди отвечает всем критериям патентоспособности. Он является новым, т.к. аналогичные, известные из уровня техники решения не обладают тождественной совокупностью признаков, о чем свидетельствует проведенный выше анализ известных способов.

Сущность заявляемого изобретения для специалиста, занимающегося грануляцией меди, не следует явным способом из известного уровня техники, так как заявляемый способ грануляции меди позволяет получить гранулы требуемого качества, не содержащие кремний, с минимальными затратами на их производство.

Способ осуществляют следующим образом. На установке грануляции, имеющей в своем составе печь для плавки меди, сливной желоб и зумпф, устанавливается дополнительное оборудование: форсуночное устройство, включающее подводные сопла и надводные сопло; трубопроводы подвода воды к соплам с запорно-регулирующей арматурой; насос для подачи в форсуночное устройство отработанной воды из зумпфа. На конце желоба размещается сливной носок с несколькими каналами для слива меди в воду. Слив меди несколькими струями необходим для обеспечения требуемого размера струй по условиям способа, а также для регулирования общей продолжительности стадии грануляции.

Блок подводных сопел снабжается механизмом для возможности изменения угла их наклона. Крепление сопел позволяет проводить установку до разлива меди с требуемым положением относительно желоба и расстоянием между соплами. Надводное сопло имеет несколько направлений движения.

Перед грануляцией меди зумпф заполняют водой. В сопла подают воду под требуемым давлением, устанавливают угол их наклона в пределах регламентированного, создают уровень воды в зумпфе для необходимого заглубления потоков. Начинают разлив меди. Надводный поток направляют на поверхность воды с удалением 50-150 мм от места входа струй в воду. Полученные гранулы перемещаются подводным потоком по длине зумпфа и собираются в контейнерах.

Технический результат в предлагаемом способе достигается в интервале значений количественных признаков. Диспергирование меди одним подводным водным потоком не обеспечивает получение качественных гранул при любых параметрах процесса. Создание третьего подводного потока нецелесообразно, так как он не оказывает влияния на качество гранул при различных условиях ведения процесса.

Барботирование поверхностного слоя воды надводным водяным потоком в зоне падения струй меди обеспечивает безопасность процесса грануляции - исключаются "хлопки" за счет интенсификации предварительного охлаждения сливаемой меди до воздействия подводных водяных потоков.

При расстоянии между осями верхнего и нижнего подводных сопел менее 0,075 м увеличивается выход мелких гранулированных частиц, а при расстоянии более 0,15 м образуются округлые плотные частицы наряду с пластинчатыми.

При расстоянии от поверхности воды до оси верхнего подводного сопла менее 0,15 м в месте падения струй меди в воду уменьшается габаритный размер гранул и образуются мелкие сферические частицы, а при расстоянии более 0,25 м процесс грануляции становится небезопасным.

При производительности по сливаемой меди менее 2 т/ч в расчете на одну струю увеличивается выход мелких, в том числе округлых частиц, а при производительности более 3,5 т/ч наряду с образованием крупных округлых гранул имеют место "хлопки" с выбросом из зумпфа воды. Отношение ширины подводных сопел к числу струй меди менее 0,04 м/шт нарушает стабильность процесса грануляции из-за "хлопков", а более 0,06 м/шт. приводит к нерациональному использованию воды.

Отработку технологии грануляции меди предлагаемым способом проводили на существующей установке получения кремнийсодержащих гранул, имеющей в своем составе отражательную печь емкостью 18,5 т по меди, зумпф с размерами 3,5×4×8 м. Узел грануляции был дооборудован в соответствии с предлагаемым способом. Сливной носок желоба в окончательном варианте имел 5 каналов. Форма подводных и надводного сопел - плоская. Расплавленную медь подавали на грануляцию с температурой 1180-1250°. Пробы гранул отбирали в процессе грануляции с помощью пробоотборника, погружаемого в воду под факел распыления, что позволяло фиксировать результаты грануляции меди в нескольких режимах за одну плавку.

Пример 1. Гранулировали медь без добавки кремния известным способом - диспергированием подводным водовоздушным потоком, создаваемым давлением в пределах 0,1-0,2 МПа на глубине 0,5 м. Медь сливали несколькими струями, уменьшая общую производительность по сравнению со способом получения кремнийсодержащих гранул в 2-3 раза. Процесс характеризовался постоянными "хлопками", гранулы были сферические, мелкие (<7 мм). Не заканчивая грануляцию всей наплавленной меди, переходили на диспергирование меди предлагаемым способом.

Пример 2. Гранулировали медь предлагаемым способом. Медь сливали пятью струями с общей производительностью 12-15 т/ч. Поддерживали давление воды в верхнем подводном сопле 0,07 МПа, в нижнем подводном сопле - 0,12 МПа, в надводном сопле - 0,04 МПа. Процесс грануляции был устойчивым, без "хлопков". Форма гранул - развитая, пластинчатая. Габаритный размер основной части гранул 10-25 мм. Насыпная плотность гранул - 2 т/м. Полученные гранулы пригодны для растворения в производстве медного купороса.

Пример 3. Гранулировали медь предлагаемым способом. Периодически отключали верхнее или нижнее подводное сопло. Изменяли давление воды в работающем сопле в пределах 0,06-0,3 МПа, угол его наклона. Получали гранулы в зависимости от давления воды с массовой долей округлых плотных частиц от 30 до 80%. Следовательно, применение одного подводного водяного потока не позволяет получить гранулы необходимого качества.

Пример 4. Гранулировали медь предлагаемым способом, но периодически через одно из подводных сопел подавали водовоздушный поток давлением 0,1-0,2 МПа. Качество гранул при этом ухудшалось, они содержали значительное количество сферических частиц.

Пример 5. Диспергирование меди в предлагаемом способе вели тремя подводными водяными потоками. Давление воды в верхнем подводном сопле составляло 0,06 МПа, в среднем - 0,12 МПа, в нижнем - 0,15 МПа. Процесс грануляции был устойчивым; форма гранул развитая, пластинчатая; габаритный размер частиц - 10-30 мм; насыпная плотность гранул - 2,1 т/м³. Качество гранул удовлетворяет требованиям последующего растворения.

Периодически при различной температуре воды в зумпфе отключали нижнее подводное сопло. Это не сказывалось на качестве гранул. Следовательно, при грануляции меди предлагаемым способом достаточно иметь два подводных водяных сопла.

Пример 6. При грануляции меди предлагаемым способом прекращали барботирование воды в зоне падения струй меди с помощью надводного потока, направляемого на поверхность воды через надводное сопло. В эти периоды, особенно при увеличении производительности по сливаемой меди, происходили "хлопки" с выбросом воды и образованием мелких сферических гранул и порошка. Такой режим является неприемлемым.

Пример 7. Гранулировали медь предлагаемым способом, но изменяли с помощью заслонки на сливном окне уровень воды в зумпфе, то есть расстояние от поверхности воды до оси верхнего подводного сопла в месте падения струй меди. При расстоянии 0,10 м (приповерхностный водяной поток) получали гранулы ухудшенного качества с габаритным размером менее 10 мм и насыпной плотностью 2,5-2,8 т/м³. Увеличение этого расстояния до 0,3 м приводило к сильным "хлопкам" и образованию большого количества округлых гранул. Оптимальным следует считать расстояние 0,15-0,25 м, которое обеспечивает получение качественных гранул.

Пример 8. Получение гранул вели предлагаемым способом, но при изменении расстояния между осями верхнего и нижнего подводных сопел. Для этого диспергирование начинали при применении трех подводных сопел с исходным расстоянием между их осями 0,05 и 0,1 м и давлением воды в верхнем, среднем и нижнем соплах соответственно 0,06; 0,12 и 0,12 МПа. Отключение среднего подводного сопла при исходном расстоянии между осями сопел 0,05 м нормализовало качество гранул, а при исходном расстоянии между осями сопел 0,1 м ухудшало качество гранул. Следовательно, оптимальным расстоянием между осями подводных сопел следует считать 0,075-0,15 м.

Пример 9. Путем экспериментов при стабильном получении гранул предлагаемым способом установлены интервалы изменения давления воды в верхнем подводном сопле 0,04-0,10 МПа, в нижнем подводном сопле 0,10-0,20 МПа, угла наклона подводных сопел 60-90° к сливаемым струям меди, в которых не ухудшается качество гранул и обеспечивается безопасность процесса.

Пример 10. При грануляции меди предлагаемым способом уменьшали слив меди из печи (расчетная производительность 1,0-1,5 т/ч на одну струю) - получены мелкие округлые гранулы с насыпной плотностью 3,4 т/м³. Увеличение производительности по сливаемой меди (расчетная производительность 4,0-4,5 т/ч на одну струю) приводило к сильным "хлопкам", так как при подводном диспергировании не обеспечивался своевременный отвод тепла от меди. Интервал производительности по сливаемой меди в расчете на одну струю следует принять 2-3,5 т/ч.

Слив меди пятью струями при ширине подводных сопел 0,2 м (отношение ширины сопел к числу струй меди 0,04 м/шт.) позволял стабильно вести процесс грануляции. Увеличение числа струй до 6 (отношение 0,033 м/шт.) вызывало нарушение стабильности процесса из-за соединения струй и, как следствие, образования "хлопков". Верхней границей интервала является отношение 0,06 м/шт. Дальнейшее увеличение этого отношения нерационально из-за повышенного расхода воды на грануляцию и не приводит к улучшению качества гранул. Интервал отношения ширины подводных сопел к числу струй меди должен быть равным 0,04-0,06 м/шт.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с известным позволяет получать медные гранулы, пригодные для растворения в производстве медного купороса, без предварительного ввода металлического кремния в расплавленную медь. Экономический эффект от его реализации будет получен за счет повышения технико-экономических показателей купоросного производства, отказа от применения дорогостоящего металлического кремния, увеличения выхода меди в медные гранулы.

Формула изобретения

1. Способ грануляции меди, включающий слив расплавленной меди струями в воду и диспергирование их под слоем воды, отличающийся тем, что диспергирование осуществляют двумя параллельными подводными водяными потоками через верхнее и нижнее подводные сопла, устанавливают угол их наклона к сливаемым струям меди, равным 60-90°, при этом поддерживают давление воды в верхнем подводном сопле, равным 0,04-0,10 МПа, а в нижнем подводном сопле, равным 0,10-0,20 МПа, а воду в зоне падения струй меди барботируют надводным водяным потоком, направляемым на ее поверхность через надводное сопло.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают расстояние между осями верхнего и нижнего подводных сопел, равным 0,075-0,15 м, а в месте падения струй меди в воду поддерживают расстояние от поверхности воды до оси верхнего сопла, равным 0,15-0,25 м.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают производительность одной струи по сливаемой меди, равной 2-3,5 т/ч.