Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В мире постоянно разрабатывают и совершенствуют технологии извлечения металлов из вторичного сырья. Это обуславливается следующими экономическими и экологическими преимуществами:

– уменьшение объемов материалов, извлекаемых из руд;

– экономия энергии из-за снижения потребности в добыче и плавке;

– снижение загрязнения почвы и воды;

– сохранение запасов цинксодержащих руд.

По сравнению с производством первичного цинка, при рециклинге сохраняется от 54 до 99,5% энергетических затрат.

1. Цинк и его сплавы

В соответствии с ГОСТ 3640–94 выпускается цинк восьми марок, химический состав которых указан в табл.1.1


Таблица 1.1 - Марки и химический состав (%) ГОСТ 3640–94 [1].
Обозначение марок Zn не менее Pb Cd Fe Cu Sn As Al Всего
ЦВ00 99,997 0,00001 0,002 0,00001 0,00001 0,00001 0,0005 0,00001 0,003
ЦВ 99,99 0,005* 0,002 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,01
ЦОА 99,98 0,01 0,003 0,003 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,02
ЦО 99,975 0,013 0,004 0,005 0,001 0,001 0,0005 0,005 0,025
Ц1 99,95 0,02 0,01 0,01 0,002 0,001 0,0005 0,005 0,05
Ц2 98,7 1,0 0,2 0,05 0,005 0,002 0,01 0,010 1,3
Ц3 97,5 2,0 0,2 0,1 0,05 0,005 0,01 - 2,5

Цинк применяют: для горячего, химического и термодиффузионного оцинковывания стальных деталей; в полиграфической промышленности; для изготовления химических источников тока; как легирующий элемент в сплавах, в первую очередь в латунях (сплав системы Cu—Zn), и как основу для цинковых сплавов.

Латунь - был получен намного раньше, чем металлический цинк. Самые древние латунные пред¬меты, сделанные примерно в 1500 г. до н.э. Сейчас латунный сплав обозначают буквой «Л», после чего следуют буквы основных элементов, образующих сплав. В марках деформируемых латуней первые две цифры после буквы «Л» указывают среднее содержание меди в процентах. Например, Л70 — латунь, содержащая 70% Cu. В случае легированных деформируемых латуней указывают ещё буквы и цифры, обозначающие название и количество легирующего элемента, ЛАЖ60-1-1 означает латунь с 60% Cu, легированную алюминием (А) в количестве 1 % и железом (Ж) в количестве 1%. Содержание Zn определяется по разности от 100%. В литейных латунях среднее содержание компонентов сплава в процентах ставится сразу после буквы, обозначающей его название. Например, латунь ЛЦ40Мц1,5 содержит 40% цинка (Ц) и 1,5% марганца (Мц) [2].

Цинк входит и в состав другого древнего сплава на медной основе. Речь идет о бронзе. Раньше делили четко: медь плюс олово - бронза, медь плюс цинк - латунь. Теперь «грани стерлись». Сплав ОЦС-3-12-5 считается бронзой, но цинка в нем в четыре раза больше, чем олова.

Zamak (ZAMAK, Zamac) — семейство цинковых сплавов, легированных алюминием, магнием и медью, очень широко использующихся в литейном производстве. Сплавы этого семейства отличаются содержанием алюминия примерно в 4 %. Аббревиатура расшифровывается как: zink — aluminium — magnesium — kupfer, — то есть, состоит из первых букв немецких обозначений входящих в сплав металлов.Сплавы семейства ZAMAK обозначаются различными номерами (ZAMAK-1, 2, 3, 5, 7 и т. д.), — наиболее распространён сплав ZAMAK-3. Он имеет твердость по Бринеллю 97 единиц, что сравнимо с малоуглеродистой сталью (~120 HB). Предел прочности — 268 Мпа, модуль упругости - 96 ГПа, температура плавления – 381 - 387°C, плотность - 6,7 г/см?, коэффициент трения - 0,07. Главная область применения сплавов семейства ZAMAK — литьё под давлением. Эти сплавы имеют низкую температуру плавления (чуть выше, чем у свинца) и очень хорошие литьевые свойства, при этом достаточно прочны (на уровне малоуглеродистой стали), что позволяет получать довольно прочные детали с очень сложной формой.

Таблица 1.2 - Химический состав литейных цинковых сплавов, массовая доля, % [3].
Элементы ZAMAK2 ZAMAK3 ZAMAK4 ZA8 SUPERLOY
Al 3,8...4,2 3,8...4,2 3,8...4,2 8,2...8,8 6,6...7,2
Сu 2,7...3,3 ?0,03 0,7...1,1 0,9...1,3 3,2...3,8
Mg 0,035...0,06 0,035...0,06 0,035...0,06 0,02..0,035 ?0,005
Pb 0,003 0,003 0,003 0,005 0,003
Fe 0,02 0,02 0,02 0,035 0,02
Cd 0,003 0,003 0,003 0,005 0,003
Sn 0,001 0,001 0,001 0,002 0,001
Si 0,02 0,02 0,02 0,035 0,02
Ni 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001

Во всём мире слово Zamak стало, по сути, синонимом цинк-алюминиевых сплавов. В странах бывшего СССР для аналогичных сплавов используется аббревиатура ЦАМ: цинк — алюминий — медь.

Список изделий, изготовляемых из сплавов этого семейства, весьма широк, и включает в себя: застёжки-молнии, корпуса карбюраторов, сантехнические смесители, промышленные степлеры, всевозможные дверные ручки и аналогичную фурнитуру, корпуса замков, масштабные модели, клюшки для гольфа, художественную миниатюру, рыболовные катушки, затворы огнестрельного (Hi-Point Firearms) и травматического (Zoraki, Streamer) оружия, а также многое другое.

Растущий дефицит свинца и олова заставил металлур¬гов искать рецептуры новых типографских и антифрикци¬онных сплавов. Доступный, довольно мягкий и относи¬тельно легкоплавкий цинк, естественно, привлек внимание в первую очередь. Почти 30 лет поисковых и исследова¬тельских работ предшествовали появлению антифрикцион¬ных сплавов на цинковой основе. При небольших нагруз¬ках они заметно уступают и баббитам и бронзам, но в под¬шипниках большегрузных автомобилей и железнодорож¬ных вагонов, угледробилок и землечерпалок они стали вы¬теснять традиционные сплавы. И дело здесь не только в относительной дешевизне сплавов на основе цинка. Эти ма¬териалы прекрасно выдерживают большие нагрузки при больших скоростях в условиях, когда баббиты начинают выкрашиваться.

Типографские сплавы — сплавы цветных металлов, применяемые в полиграфическом производстве. Отличаются низкой температурой плавления и хорошими литейными свойствами. Ввиду вредности свинца для здоровья работающих начали применять типографские сплавы на цинковой основе. Характеристики таких сплавов следующие:

  1. Tвёрдость по Бринеллю: до 120 кг/см2 (значительно более высокие механические свойства, чем у свинцовых типографских сплавов);

  2. Tемпература плавления: 340-380 °C

2. Области использования цинка

В мире используется около 9,5 млн. т цинка. Цинк производится и потребляется, главным образом, в виде металла, хлорида, порошка, оксида и сульфата. В табл. 2.1 указаны области потребления цинка в мире. Крупными потребителями этого металла являются Китай, США, Япония и страны Западной Европы.

Таблица 2.1 - Области применения цинка в мире, %
По продуктам По отраслям
Оцинкованная стальная продукция 41 Строительство 48
Латунь 19 Автомобилестроение 23
Цинковые сплавы 16 Машиностроение 10
Порошок, оксид, соли 15 Товары народного потребления 10
Листы и другие полуфабрикаты 7 Инфраструктура 9
Прочее 2
Всего 100 Всего 100

Наибольшее количество цинка расходуется на оцинкование стальных изделий: листов, полос, проволоки, труб, контейнеров, болтов, гвоздей. Другая важная область потребления цинка – выпуск латуни. Мировая потребность в цинке для изготовления латуни составляет около 2,1 млн. т. При этом в производстве используется 1 млн. т первичного цинка, 600 тыс. т цинка, полученного из отходов собственного производства, и 500 тыс. т вторичного сырья. Таким образом, более 50% цинка, используемого в производстве латуни, получают из отходов [3].

Наиболее многочисленная и важная группа цинковых сплавов – это сплавы для литья, которые используют для изготовления изделий широкого ассортимента – от автомобильных компонентов до игрушек и моделей. Оксид цинка используют для производства шин, резинотехнической продукции, красящих пигментов, керамической глазури, копировальной бумаги. Растет производство антикоррозионных покрытий, основанных на использовании цинковых порошков в грунтах и красках. Антикоррозионные покрытия металлических изделий и конструкций цинк наполненными грунтами и красками применяются в автомобильной, судостроительной, нефтяной, строительной и других отраслях промышленности. Преимуществом цинк наполненных грунтов и красок является простота нанесения их на изделия любых габаритов, а также лучшие защитные свойства. Хлорид цинка применяется в лужении, в качестве паяльного флюса и для сухих элементов электробатарей. Сульфат цинка используется в текстильной, химической, металлургической промышленности. Перспективной областью применения цинка является производство цинк-воздушных и щелочных элементов питания. Цинк-воздушные элементы отличаются самой большой плотностью из всех современных технологий. В качестве катодного реагента в этих элементах используется атмосферный кислород. Электролитом в этих элементах служит гидроксид калия, обладающий высокой проводимостью. Лучше всего такие элементы зарекомендовали себя при продолжительной работе в маломощных устройствах. В настоящее время разрабатываются способы применения цинк-воздушных элементов питания в электромобилях

3.Характеристика источников вторичного цинксодержащего сырья

Около 30% от объема использованного цинка составляет вторичный ме-талл. Увеличение производства цинка из вторичного сырья не наблюдается, поскольку большая его часть расходуется для антикоррозионных покрытий, откуда извлечение цинка затруднено. Этим же объясняется и самая низкая среди цвет¬ных металлов доля сбора (от теоретически возможного) отходов цинка.

Поскольку из цинка и его сплавов изготавливают полуфабрикаты и изделия методами пластической деформации и фасонного литья, то отходы образуются на всех стадиях производства от гидро- и пирометаллургических до получения готовой продукции.

Металлические отходы представлены обрезью прокатной продукции, отходами литейного производства, высечкой, выштамповкой, стружкой. К этой группе по содержанию цинка примыкает и амортизационный лом изделий из цинка и цинко¬вых сплавов.

В цветной металлургии при производстве первичных меди, свинца и олова из полиметаллических руд образуются цинкосодержащие (в виде оксида) шлаки, пыли и возгоны, которые можно рассматривать как вторичное сырье для извлечения цинка. Цинксодержащие отходы (шлаки, съемы, изгарь, пыли) образуются также при производстве литья и проката латуней и сплавов ЦАМ (система Zn-Al-Сu-Mg).

Огромны ресурсы цинксодержаших отходов, образующихся при доменной плавке железных руд, содержащих цинк. В восстановительной атмосфере доменной плавки руды, окатышей или агломерата 95—98 % Zn выводится из печи с газами в виде возгонов, причем 70 % цинка концентрируется в тон¬кой пыли. Содержание цинка в ней увеличивается в 20-30 раз по сравнению с содержанием в исходном материале, поступающем на плавку, и достигает 10 %. Крупность высокоцинковистой пыли составляет 0,15-0,055 мм, она обладает высокой гигроскопичностью и содержит 15—20% С. Цинксодержащие шламы образуются при улавливании пыли в мокрых пылеуловителях.

4. Извлечете цинка из отходов черной металлургии

4.1 Переработка лома и отходов оцинкованных стальных полуфабрикатов

В мире на оцинкование стальных полуфабрикатов и изделий расходуется около 40% потребляемого цинка. Следовательно, благодаря рециклингу цинка, покрывающего сталь, можно получать значительные объемы вторичного цинкового сырья.

В процессе горячего цинкования стальных полуфабрикатов цинк частично переходит в изгарь, снимаемую с поверхности ванны, и в гартцинк, оседающий на дно. Изгарь представляет собой сыпучий порошок, значительная часть которого (около 80%) имеет крупность более 1 мм. Содержание цинка в изгари составляет примерно 75%, причем до 30% цинка находится в металлической форме. Гартцинк, извлекаемый со дна ванн в виде кусков серебристого или черного цвета, является наиболее богатым по цинку отходом, содержащим 90-95% цинка. При использовании в качестве флюса хлористого аммония образуются нашатырные опады – самый низкокачественный вид цинксодержащих отходов горячего цинкования. Жизненный цикл отходов цинкования составляет примерно три месяца. Новый скрап образуется либо в производстве оцинкованных листов, либо при изготовлении автомобилей и другой продукции. Старый скрап состоит из использованных машин, электробытовых приборов, дорожных барьеров, столбов уличного освещения и пр. Жизненный цикл нового скрапа оценивается в 1,6 месяца, старого скрапа в виде деталей машин – 10-15 лет, элементов зданий – минимум 25 лет, общественных сооружений – 20-100 лет. Корпус современного автомобиля изготовляется, в основном, из оцинкованного стального листа. В Европе доля производства автомобилей с оцинкованным корпусом в 1980 г. равнялась 10%, в 1990 – 45%, в 2000 – 70%. Вместе с тем ужесточаются требования к утилизации использованного автотранспорта. Европейская директива по вышедшим из эксплуатации автомобилям обязует в 2005 г. перерабатывать 85%, в 2015 г. – 95% веса автомобиля. Переработку оцинкованного лома обычно осуществляют плавкой в электро-дуговых печах. Большое количество цинка, содержащееся в скрапе, может создать несколько проблем при плавке. Первая из них – испарение пылей оксида цинка в сопровождении небольшого количества свинца и кадмия. Оксид цинка является вредным для здоровья, поэтому необходимо устанавливать необходимую аппаратуру для его улавливания. В пыль уходит около 98% цинка, оставшаяся часть металла остается в емкости и создает вторую проблему. Она заключается в том, что цинковый пар образует, пузыри в стали. Так как содержание цинка в ванне постепенно увеличивается, то степень пористости может возрасти вплоть до зияющих дыр, которые можно наблюдать в поперечном сечении стального изделия [14].

Из цинковых пылей научились изготовлять полезную продукцию, напри-мер, цинковый порошок, применяемый в производстве краски, лака, глазури и окрашивании керамики, стекла, чернил, косметики. Дополнительно из пылей извлекают свинец, кадмий, железо и кальций. Традиционно цинковые пыли обрабатывают в вельц-печах, что обеспечивает достаточно высокое извлечение цинка. Однако вельцевание требует высокого расхода кокса, значительных капитальных затрат, связанных, главным образом, со сложной системой пылеулавливания. В основе других процессов лежат не термические, а преимущественно химические методы переработки. Iterpro Zinc LLC предлагает добавлять хлор или поливинилхлорид в печь, что позволяет снизить температуру процесса децинкования.

При удалении цинка со стального лома повышается возможность утилизации газов, образующихся в процессе производства стали, и устраняется цинк в потоках сточной воды. Таким образом, в производстве цинка доля вторичного металла составляет около 30%. Крупнейшие переработчики скрапа сосредоточены, в основном, в странах Европы и Азии [15].

4.2 Вальцевание пылей и шламов

На предприятиях черной металлургии в пылях и шламах доменного и сталеплавильного производств накапливается значительное количество цинка. Использование пылей и шламов в качестве оборотных материалов приводит к повышению кон¬центрации в них цинка, что затрудняет технологию производ-ства чугуна и стали.

Ежегодный суммарный мировой прирост цинкосодержащей пыли оценивается в 10-15 млн. тонн. Содержание цинка в такой пыли колеблется в широком диапазоне: от 2 до 20%.

Существующие методы переработки такой пыли в основном либо нерентабельны, либо малоэффективны [4], [5]. Можно выделить три группы технологий.

Первая группа - технологии не извлекающие цинк из пыли. К этим методам относятся: агломерация, с последующим возвратом в доменное производство и стабилизация шлаком или цементом . К плюсам обеих технологий можно отнести только низкую себестоимость. К минусам метода агломерации относится невозможность вывода цинка из процесса, что приводит к его накоплению в улавливаемой пыли, а то делает этот метод целесообразным только при очень низких концентрациях цинка. Минусы технологии стабилизации - это отсутствие извлечения ценных компонентов и неполное устранение возможности выщелачивания тяжелых металлов атмосферными осадками.

Вторая группа - технологии пирометаллургического извлечения. К этим технологиям относятся процессы вельцевания, и технологии: FASTMET, FASTMELT, Oxycup, PRIMUS, PaulWurth и др. [8].

Существуют также пирометаллургические методы основанные на получении и отгонке хлорида цинка [9].

Третья фуппа - технологии гидрометаллургического извлечения с применением различных растворителей. Можно выделить кислотное и щелочное выщелачивание. Кислотные методы обеспечивают высокое извлечение цинка, но при этом получаемые растворы содержат значительное количество примесей, в особенности солей железа. Выделение цинка из растворов по данной технологи предполагается путем электролиза, что требует высокой степени очистки раствора и вызовет дополнительные затраты [6], [7]. В основном в данном методе используют серную кислоту, так как она дешевле и обеспечивает большую степень извлечения цинка чем соляная и азотная [10].

4.3 Переработка пылей с помощью процесса «Плазмацинк»

Процесс разработан шведской фирмой «СКФ стил» [13] и осуществляется в низкой шахтной печи, заполненной коксом. В рабочее пространство печи снизу через специальные устройства вдувают смесь металлургической, содержащей цветные металлы, и каменноугольной пыли. Подачу смеси в печь производят природным газом, нагретым до 3500oС плазменной горелке.

Высокие температуры процесса и восстановительная среда обеспечивают полное восстановление оксидов металлов и возгонку металлов, имеющих высокое давление паров. Раскаленный кокс выполняет роль фильтра, улавливающего пылевые частицы и пропускающего газ с парами металлов. Газ после конденсации паров и выделения из него материалов используют для вдувания пыли совместно с природным газом [11].

Опытно-промышленные испытания процесса были проведены на установке, обеспечивающей производство в год 20 тыс.т цинка, 4,5 тыс.т свинца и 22 тыс.т железа из пыли, содержащей, %: 22Zn; 5Рb и 26Fe. Расход кокса на 1 т ука-занных металлов составил 0,023; 2,2; 0,285т, а электроэнергии - 3300; 0,1125 и 684,4кВт/ч соответственно [12].

Окупаемость капитальных затрат на сооружение установки - 3 года. Процесс может быть применен для переработки цинксодержащих пылевидных отходов черной и цветной металлургии. Способ имеет значительные преимущества перед вельцеванием цинкосодержащих отводов: небольшой расход кок¬са; невысокий выход газов и небольшие капитальные й эксплуата-ционные затраты на их отчистку; возможность получения металлического цинка. Однако указанные преимущества явля¬ются потенциальными, они могут быть реализованы после полного освоения процесса «Плазмацинк» [13].

Выводы

В металлургии есть два вида цинксодержащих отходов: в первом цинк находититься основном в виде неметаллических соединений это шлак, шлам, съёмы, пыль, изгарь и.т.п; второй это металлические отходы представленные обрезью прокатной продукции, отходами литейного производства, высечкой, выштамповкой, стружкой.

Переработка такого сырья преимущественно развивается в двух направлениях:

  1. Пирометаллургическое извлечение. В основном эти технологии сводятся к высокотемпературному восстановлению оксидов цинка различными углеродсодержащими реагентами, с получением и последующим отгонкой паров цинка.
  2. Гидрометаллургическое извлечение с применением различных растворителей.

Можно выделить кислотное и щелочное выщелачивание. Кислотные методы обеспечивают высокое извлечение цинка, но при этом получаемые растворы содержат значительное количество примесей, в особенности солей железа. Выделение цинка из растворов по данной технологи предполагается путем электролиза.

Список источников

  1. Вышегородский Д.В. Мировой рынок: Вторичный цинк. Статья. Журнал « Уральский рынок металлов». №8. август 2003
  2. Сбор обработка вторичного сырья цветных металлов. Учебник или ву-зов/Колобов ГЛ., Бредихин ВН., Черновасе В.М. - М.: Металлургия. 1992. - 288 с.
  3. Грицай В.П., Бредихін В.М.,Червоний І.Ф.,Пожуєв В.І.,Маняк М.О.,Рабинович О.В., Шевелев О.І., Ігнатьєв В.С. Металургія кольорових металів. Металургія кольорових металів. Частина 5.Металургія важких металів. Книга 1. Технологія свинцю та цинку:підручник/ Грицай В.П., Бредихін В.М.,Червоний І.Ф.,Пожуєв В.І.,Маняк М.О.,Рабинович О.В., Шевелев О.І., Ігнатьєв В.С./За ред. д.т.н., професора Червоного І.Ф.-Запоріжжя,ЗДІА,2011.-480с.
  4. Валавин B.C., Юсфин Ю.С., Подгородецкий Г.С. Поведение цинка в агломерационном процессе // Сталь. 1988. №4. С. 12 - 17.
  5. Курунов И.Ф., Греков В.В., Яриков И.С. Производство и проплавка в доменной печи агломерата из жслсзоцинкосодсржащих шламов. // Черная металлургия. 2003. №9. С. 33-37.
  6. Гудим Ю.А., Голубев А.А., Овчинников С.Г., Зинуров И.Ю. Современные способы безотходной утилизации шлаков // Сталь. 2009, №7. с. 93-95.
  7. Комплексная переработка и использование металлургических шлаков в строительстве / B.C. Горшков, А.Е. Александров, С.И. Иващенко, В.С Горшкова. М.: Стройиздат, 1985. 272 с.
  8. Стовпченко Л.II., Пройдак Ю.С., Камкина Л.B. Современное состояние проблемы переработки пыли дуговой сталеплавильной печи. // III Международная конференция "Сотрудничество для решения проблемы отходов". Харьков.2009. - с. 61-63.
  9. Камил В., Ян С., Яна В. Отгонка цинка из сталеплавильной пыли // Операции химических технологий 2010. №21. с. 739-744.
  10. Оустадакис П., Тсакиридис П.E., Катслапи А., Агатзини-Леонардоу С. Гидрометаллургический процесс извлечения цинка из пыли электродуговой печи (ПЭДП), Часть 1: Характеристика и выщелачивание разбавленной серной кислотой // Журнал опасных материалов. 2010. №179. С. 5-8.
  11. Йан В., Стефан Я., Мичал Л. Извлечение цинка из отходов производства железа и стали традиционным выщелачиванием и с применением микроволнового излучения // Аста Монтанистиса Словаса. 2011. №16. С. 185-191.
  12. Худяков И.Ф., Дорошкевич А.П., Карелов С.В. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов. – М.: Металлургия, 1987. – 528с.
  13. Теслицкая М.В., Разгон Е.С. Новые способы переработки цинксодержащего сырья за рубежом. – М.:ЦНИИЭИЦМ. – Вып. 1, 1984. – 43с.
  14. Пинаев А.К., Мальцев В.Д., Трубачев В.И.//Цветная металлургия. Бют.НИТ. – 1982. - №19. – с.30-31.
  15. Медведева Л.Д, Аверина Н.Н., Сапрыгин А.Ф. / Цветные металлы. - 1981. - № 9. - С,32-33.