Термодинамическое моделирование восстановления цинка из шламов черной металлургии

Предприятия черной металлургии непрерывно наполняют отвалы сталеплавильными и доменными шламами с повышенным содержанием цинка. Шламы, занимающие значительные территории предприятий, не вовлечены в производство и наносят вред окружающей среде. Поскольку цинк приводит к образованию настылей в доменной печи, производители не могут вовлечь данные шламы в аглодоменный передел. Кроме того, работа со шламами может привести к таким проблемам, как уменьшение содержания железа в агломерате, снижение производительности агломашин, увеличение колебания химического состава агломерата. При этом цинкосодержащие шламы могут стать ценным вторичным продуктом. Цинк остается дефицитным металлом, что побуждает разрабатывать технологии переработки цинкосодержащих материалов. Извлечение цинка из шламов затруднено, поскольку он находится не в оксидной, а в сульфатной или сульфидной форме. В работе дана оценка возможности извлечения цинка из шламов с использованием программного пакета FactSage. Представлены результаты термодинамических расчетов возможности извлечения цинка из четырех типов шламов двух Российских комбинатов черной металлургии – АО «ЕВРАЗ НТМК» и ПАО «МЕЧЕЛ». Представлены данные химического и фазового анализов этих шламов, а также смоделированные графики зависимостей извлечения цинка из них. Графики строились на основе получаемых данных из пакета FactSage. Варьировалась добавка восстановителя в шлам, а также температура происходящего процесса. Кроме того, была оценена возможность отказа от углерода в роли восстановителя. Для экономии восстановителя подбиралась оптимальная смесь шламов предприятия, при которой можно минимизировать расход кокса.

1. Козлов П.А., Паньшин А.М., Дюбанов В.Г., Селиванов Е.Н. Разработка и промышленная реализация комплексной и ресурсоэнергосберегающей технологии и аппаратуры для утилизации техногенных отходов черной и цветной металлургии с извлечением цинка, свинца, олова, меди и железа в товарные продукты // Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: Труды научно-практической конференции с международным участием. Екатеринбург, 2015. С. 29–32.

2. Лотош В.Е. Переработка отходов природопользования. Екатеринбург: Полиграфист, 2007. 503 с.

3. McClelland J.M., Metius G.E. Recycling ferrous & nonferrous waste streams with FASTMET // JOM. 2003. Vol. 55. No. 8. Р. 30–34. https://doi.org/10.1007/s11837-003-0101-3

4. Ma N. Recycling of basic oxygen furnace steelmaking dust by in process separation of zinc from the dust // Journal of Cleaner Production. 2016. Vol. 112. Р. 4497–4504. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.07.009

5. Аксельрод Л.М., Мальцев В.А., Меламуд С.Г., Баранов А.П. Экологические и иные проблемы переработки цинксодержащих пылей дуговых сталеплавильных печей // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2012. № 7. С. 91–96.

6. Баранов А.П., Федосов И.Б., Тлехугов Н.В., Woolett A., Wynter B.P. Практика переработки цинксодержащей пыли электрометаллургического производства стали по новейшей технологии английской компании Zincox Resources Pls в республике Корея // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2014. № 11. С. 71–76.

7. Грудинский П.И., Дюбанов В.Г., Леонтьев Л.И., Козлов П.А. Исследование процесса разложения феррита цинка в ходе прокалки пыли электроплавки стали в присутствии извести // Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований. Уральский рынок лома, промышленных и коммунальных отходов: Труды конгресса с международным участием и конференции молодых ученых. Екатеринбург: Институт металлургии УрО РАН, 2017. С. 182–184.

8. Алпатова А.А., Симонян Л.М., Исакова Н.Ш. Изучение процесса пылеобразования при дуговом нагреве оцинкованной стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. С. 293–299. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2016-5-293-299

9. Симонян Л.М., Алпатова А.А. Прогнозирование поведения цинка и свинца при выплавке электростали // Металлург. 2016. № 7. С. 36–37.

10. Стовпченко А.П., Камкина Л.В., Пройдак Ю.С., Деревянченко И.В., Кучеренко О.Л., Бондаренко М.Ю. Теоретические и экспериментальные исследования состава и восстановимости пыли дуговых сталеплавильных печей // Электрометаллургия. 2009. № 8. С. 29–36.

11. Рожков А.И., Логвин В.В. Анализ химического состава пыли дуговых сталеплавильных печей // Вестник КИГИТ. 2012. № 10 (28). С. 45–47.

12. Селиванов Е.Н., Тюшняков С.Н., Панкратов А.А. Формы нахождения цинка в пыли доменных печей // Металлург. 2018. № 3. С. 35–39.

13. Тюшняков С.Н., Селиванов Е.Н. , Панкратов А.А. Формы нахождения цинка в пыли газоочистки электросталеплавильных печей // Металлург. 2018. № 6. С. 8–13.

14. Mast R.E., Kent G.H. Fuming furnaces recover zinc and lead from copper slag // Journal of Metals. 1955. No. 8. P. 877–884.

15. Nadirov R.K., Syzdykova L.I., Zhussupova A.K., Muratbek T. Recovery of value metals from copper smelter slag by ammonium chloride treatment // International Journal of Mineral Processing. 2013. Vol. 124. Р. 145–149. https://doi.org/10.1016/j.minpro.2013.07.009

16. Chai L.-Y., Ke Y., Zhou B.-S., Xue K., Chen J. Separation and recovery of ZnS from sulfidized neutralization sludge via the hydration conversion of CaSO4 into bulk CaSO4 ·2H2 O crystals // Separation and Purification Technology. 2015. Vol. 154. P. 76–81. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.09.029

17. Halli P., Hamuyuni J., Leikola M., Lundstrom М. Developing a sustainable solution for recycling electric arc furnace dust via organic acid leaching // Minerals Engineering. 2018. Vol. 124. Р. 1–9. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2018.05.011

18. Мунц В.А., Ивакина С.А., Чойнзонов Д.Б. Изучение кинетики окисления сульфидного цинкового концентрата в печи кипящего слоя // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. 2017. Том 17. № 3. С. 34–42.

19. Толокнов Д.А., Селиванов Е.Н., Гуляева Р.И. Термодинамические закономерности восстановления сульфида меди и цинка в среде монооксида углерода // Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов: Труды XI Российского семинара. Курган: Курганский государственный университет, 2012. С. 48–50.

20. Михеенков М.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Особенности переработки клинкера вельц-процесса шлама, содержащего сульфид цинка // Современные тенденции в области теории и практики добычи и переработки минерального и техногенного сырья. Материалы Международной научно-практической конференции, приуроченной к 90-летию со дня основания института “Уралмеханобр”, 2019. С. 394–396.

21. Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Lobanov D.A. Zinc technogenic formations: physico-chemical features of its extraction // Solid State Phenomena. 2020. Vol. 299. P. 1139–1151. http://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.299.1139

22. Sheshukov O.Yu., Mikheenkov M.A., Egiazaryan D.K. Features of zinc extraction from sulfide forms // Materials Science Forum. 2020. Vol. 989. P. 228–234. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.989.228

23. Шешуков О.Ю., Михеенков М.А., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Оценка возможности извлечения сульфатных форм цинка из шламов АО «ЕВРАЗ НТМК» и получения металлофлюса после извлечения цинка из шламов // Международная научно-техническая конференция «Промышленное производство и металлургия». Нижний Тагил, 18–19 июня, 2020. С. 327–329.

24. Михеенков М.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Особенности извлечения сульфидных форм цинка из техногенных образований // Современные тенденции в области теории и практики добычи и переработки минерального и техногенного сырья. Материалы Международной научно-практической конференции, приуроченной к 90-летию со дня основания института «Уралмеханобр», 2019. С. 387–389.

25. Михеенков М.А., Шешуков О.Ю., Некрасов И.В., Егиазарьян Д.К. Оценка возможности комплексной переработки техногенных образований, содержащих сульфид цинка // Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований «Техноген-2019», 2019. С. 368–372.

26. Han J., Liu W., Zhang T., Xue K., Li W., Jiao F., Qin W. Mechanism study on the sulfidation of zno with sulfur and iron oxide at high temperature // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. P. 425–436. https://doi.org/10.1038/srep42536

27. Banerjee A., Mohanty A., Das Biswas R., Chakravarty S., Mishra P.R., Sahu R., Chakravarty K. Distribution of mineral species in different coal seams of talcher coalfield and its transformation behavior at varying temperatures // International Journal of Coal Science and Technology. 2016. Vol. 3. No. 2. P. 97–103. https://doi.org/10.1007/s40789-016-0127-0

28. Zhang B.J., Niu L.P., Zhang T.A., Li Z.Q., Zhang D.L., Zheng C. Alternative reduction of copper matte in reduction process of copper slag // ISIJ International. 2017. Vol. 57. No. 5. P. 775–781. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2016-631

29. Kostov A., Živković D., Friedrich B. Thermodynamic predicting of Si–Me (Me = Ti, Al) binary systems // Journal of Mining and Metallurgy, Section B: Metallurgy. 2007. Vol. 43. No. 1. P. 29–38. https://doi.org/10.2298/JMMB0701029K

30. Qiu G., Chen L., Zhu J., Lv X., Bai C. Effect of Cr2 O3 addition on viscosity and structure of ti-bearing blast furnace slag // ISIJ International. 2015. Vol. 55. No. 7. P. 1367–1376. https://doi.org/10.2355/isijinternational.55.1367

31. Myers P.D., Goswami D.Y. Thermal energy storage using chloride salts and their eutectics // Applied thermal engineering. 2016. Vol. 109. P. 889–900. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.07.046

32. Jiang M., Fan X., Liu H., Wang Z. Predicting gaseous pollution of sintered brick preparation from yellow phosphorus slag // Polish Journal of Environmental Studies. 2019. Vol. 28. No. 3. P. 1719–1725. https://doi.org/10.15244/pjoes/89900

33. Набиева А.А., Куленова Н.А., Мамяченков С.В. Термодинамическое моделирование процесса грубого обезмеживания с использованием программного продукта FactSage // Вестник Восточно-казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2019. № 2. С. 43–47.