Badania kinetyki procesu odmiedziowania żużla zawiesinowego

Skład chemiczny polskich koncentratów miedziowych, pozwala na bezpośrednie wytopienie miedzi blister w piecu zawiesinowym. Celem uzyskania miedzi blister o odpowiedniej jakości (zawartość Pb<0,3% mas.), proces prowadzony jest przy wysokim potencjale tlenu, czego skutkiem jest wysoka zawartość Cu w żużlu, od 12 do 16% mas. Wymusiło to konieczność prowadzenia odmiedziowania żużla zawiesinowego, które polega na redukcji tlenków metali w piecu elektrycznym. Obliczenia termodynamiczne pokazują, że w warunkach równowagowych jest możliwe usunięcie miedzi z żużla do poziomu 0,003% mas. (dwa rzędy wielkości mniejsza niż obecnie uzyskiwana zawartość Cu w żużlu odpadowym), co świadczy o silnym oddaleniu procesu redukcji w piecu elektrycznym od warunków równowagowych. Źródeł takiego stanu rzeczy możemy dopatrywać się w dwóch obszarach. W szybkości reakcji redukcji oraz w przebiegu procesów koalescencji oraz sedymentacji drobnodyspersyjnej zawiesiny kropel wyredukowanych metali. Znajomość szybkośći redukcji tlenków metali pozwoli na optymalizację stosowanej obecnie technologii odmiedziowania żużla.

 

Schemat aparatury badawczej do pomiaru kinetyki redukcji żużla zawiesinowego stosowanej w badaniach: 1 – rurowy piec oporowy; 2 – butla z azotem (gaz nośny); 3 – przepływomierz; 4 – moduł sterujący; 5 – filtr gazów; 6 – analizator gazów; 7 – komputer; 8 – multimeter; 9 – płuczka

Badania polegały na redukcji żużla zawiesinowego za pomocą penetratora (reduktora wykonanego z grafitu). Pomiar rozpoczynał się w momencie zanurzenia penetratora w ciekłym żużlu. Od tego momentu, za pomocą analizatora gazów procesowych rejestrowano ilość gazów CO i CO₂ opuszczających układ. Wykorzystując te dane obliczano liczbę moli tlenu n_(O) jaka została wyprowadzona z układu w wyniku redukcji żużla w postaci CO i CO₂. Zrealizowane w ten sposób badania pozwoliły na określenie wpływu temperatury oraz wielkości powierzchni reduktora na szybkość procesu redukcji żużla zawiesinowego.

Wzrost temperatury do 1623 K zwiększa stopień odmiedziowania. Dalszy wzrost temperatury procesu (do 1673 K) nie powoduje znaczących zmian w końcowej zawartości Cu w żużlu, lecz przede wszystkim skutkuje wzrostem stopnia redukcji żelaza, co przekłada się na wzrost zużycia reduktora. W przypadku różnej powierzchni redukcji S, jej wzrost tylko do pewnej wielkości (charakterystycznej dla geometrii danego układu) przekłada się na wzrost stopnia odmiedziowania. Po przekroczeniu granicznej wielkości powierzchni redukcji nie obserwujemy już wzrostu szybkości procesu.

Na podstawie przeprowadzonych badań można stwierdzić, że:

• zastosowana metodyka pomiarowa pozwala na dokładne śledzenie zmian szybkości procesu,

• w zastosowanej metodzie nie jest możliwe rozróżnienie szybkości redukcji poszczególnych tlenków,

• w pierwszej kolejności redukcji ulegają tlenki miedzi, a dopiero potem żelaza,

• szybkość odmiedziowania żużla rośnie wraz ze wzrostem temperatury procesu,

• wzrost powierzchni redukcji S tylko do pewnego momentu wpływa na wzrost stopnia odzysku miedzi oraz szybkości procesu.

Zaprezentowane wyniki badań pokazują, że istnieją warunki zależne od geometrii układu, gdzie proces odmiedziowania przebiega z dobrą wydajnością. Redukcja poszczególnych składników zachodzi z dużą szybkością (skrócenie czasu redukcji żużla w piecu elektrycznym), a wyredukowany stop CuFePb jest odpowiedniej jakości (niska zawartość żelaza, co przekłada się na krótki czas jego konwertorowania).