Реферат по теме выпускной работы
Содержание
- Введение
- 1. Цинк и его сплавы
- 2. Области использования цинка
- 3. Характеристика источников вторичного цинксодержащего сырья
- 4. Извлечете цинка из отходов черной металлургии
- 4.1 Переработка лома и отходов оцинкованных стальных полуфабрикатов
- 4.2 Вальцевание пылей и шламов
- 4.3 Переработка пылей с помощью процесса «Плазмацинк»
- Выводы
- Список источников
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
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.
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:
- Tвёрдость по Бринеллю: до 120 кг/см2 (значительно более высокие механические свойства, чем у свинцовых типографских сплавов);
- 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.
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:
- Пирометаллургическое извлечение. В основном эти технологии сводятся к высокотемпературному восстановлению оксидов цинка различными углеродсодержащими реагентами, с получением и последующим отгонкой паров цинка.
- 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
- Вышегородский Д.В. Мировой рынок: Вторичный цинк. Статья. Журнал « Уральский рынок металлов». №8. август 2003
- Сбор обработка вторичного сырья цветных металлов. Учебник или ву-зов/Колобов ГЛ., Бредихин ВН., Черновасе В.М. - М.: Металлургия. 1992. - 288 с.
- 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.
- Валавин B.C., Юсфин Ю.С., Подгородецкий Г.С. Поведение цинка в агломерационном процессе // Сталь. 1988. №4. С. 12 - 17.
- 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.
- Гудим Ю.А., Голубев А.А., Овчинников С.Г., Зинуров И.Ю. Современные способы безотходной утилизации шлаков // Сталь. 2009, №7. с. 93-95.
- 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.
- 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.
- Камил В., Ян С., Яна В. Отгонка цинка из сталеплавильной пыли // Операции химических технологий 2010. №21. с. 739-744.
- 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.
- 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.
- Худяков И.Ф., Дорошкевич А.П., Карелов С.В. Металлургия вторичных тяжелых цветных металлов. – М.: Металлургия, 1987. – 528с.
- Теслицкая М.В., Разгон Е.С. Новые способы переработки цинксодержащего сырья за рубежом. – М.:ЦНИИЭИЦМ. – Вып. 1, 1984. – 43с.
- Пинаев А.К., Мальцев В.Д., Трубачев В.И.//Цветная металлургия. Бют.НИТ. – 1982. - №19. – с.30-31.
- Медведева Л.Д, Аверина Н.Н., Сапрыгин А.Ф. / Цветные металлы. - 1981. - № 9. - С,32-33.