28 Ноя

«Образование пены при фильтрации расплава гартцинка»




Номер части:
Оглавление
Содержание
Журнал
Выходные данные


Науки и перечень статей вошедших в журнал:

Цинк широко используется для антикоррозионных покрытий стального металлопроката. При этом образуются отходы, так называемый гартцинк, содержащий 1-4,3% железа. Рециклингу цинка из этих отходов посвящены ряд работ. В работе [1] описаны результаты переработки отходов цинкования центробежной фильтрацией погружным фильтром. Перспективным вариантом переработки гартцинка является связывание железа в расплаве с алюминием [2]. Однако, недостаточность сведений о механизме процесса, приведенных в работах [3,4] приводит к образованию металлической «пены», осложняющей исполнение на практике. Задачей работы является исследование условий образования «пены» в расплаве гартцинка.

Методика исследований

Исследования по фильтрации гартцинка от железа проводили  на лабораторной погружной центрфуге  ЦП-200 [3,4]  В ванну с расплавленным гартцинком погружался фильтр в виде двух сжатых основаниями конусообразных тарелей диаметром 200мм с углом наклона конуса 20 градусов к горизонтали. (рис 1,2).

Рис 1.Фильтр на отжиме расплава

Рис 2. Тарели фильтра на разгрузке

Фильтр приводился во вращение и за счет центробежных сил твердые кристаллы из расплава вовлекались в фильтр и задерживались в фильтрующей щели. При подъеме вращающегося фильтра из расплава фильтростаток в полости фильтра очищался от  жидкого цинка под действием центробежных сил. Тарели фильтра раскрывались (Рис2), дроссы разгружались, взвешивались и анализировались. В отдельных опытах отбирались пробы брызг металла из фильтра в процессе осушки дроссов  в положении вращающегося фильтра, поднятом над расплавом.

Пробы расплава и фильтростатков анализировалась на атомно-эмиссионном спектрометре с индуктивно связанной плазмой IRIS Intrepid компании INTERTECH Corporation.

Характерные пробы исследованы методом РСМА на  спектрометре Camebax SX-50  (фирмы CAMECA) с растровым электронным микроскопом и ренгеновским микроанализатором.

Результаты исследований

Показатели характеризующие процесс фильтрации гартцинка это степень отделения железа в дроссы и выход цинка в дроссы на единицу удаленного железа. Существенное снижение выхода цинка в дроссы достигается оптимизацией концентрации алюминия в расплаве.

Результаты опытов на  Рис 3 показывают что доля выхода цинка с дроссами  на единицу удаленного железа пропорционально зависит от содержания алюминия и при соотношении (Al/Fe)at более 0,8  уменьшаются. Оптимальным  можно признать соотношение (Al/Fe)at=1,3-1,6.

При соотношении (Al/Fe)at>1,6 выход железа в дроссы начинает снижаться.

Рис 3 Влияние (Al/Fe)ат на показатели фильтрации

Абцисса- Соотношение Al/Fe в расплаве; Ордината: 1-Выход %Fe в дроссы;

2-доля (Zn/Fe) выхода цинка в дроссы на единицу удаленного железа.

Это можно объяснить образованием алюминиевой пены соединений железа. Пена мелкодисперсных соединений железа с алюминием проскакивает через фильтр, концентрируется на поверхности расплавленного цинка.

Так как на поверхности расплава в отличии от сыпучих дроссов разделяется четкий жидкий слой, который частично проскакивает через зазор 0,1мм щели фильтра, то этот слой обозначили «пеной». При продолжительном перемешивании расплава слой пены становится пористым, а при дальнейшим перемешивании превращается в сыпучие дроссы. Выход таких дроссов значительно превышает выход пены с высоким выходом цинка в такие дроссы.

Проба шлифа дроссов из фильтра  при центробежной фильтрации гартцинка исследованы методом РСМА на приборе спектрометре Camebax SX-50  (фирмы CAMECA) с растровым электронным микроскопом и ренгеновским микроанализатором в ИНХ СО РАН.  Для отдельных частиц, построена карта распределения  элементов: Fe, Al, Zn по поверхности частицы. Диаметр зонда 0,2-0,3мкмв стандартном режиме с ускоряющим напряжением 15кV  и ток 40mA. Шаг перемещения образца  1мкм. В качестве эталонов использованы чистые металлы.

На рис 4 показана карта распределения элементов по сечению кристалла.

Рис 4-Карта распределения элементов по сечению кристалла.

В поле микроскопа выделен кристалл размером 44 микрон с соотношением (Al/Fe)at=2, что соответствует кристаллу FeAl2. Снаружи кристалл FeAl2 огибает пленка алюминия толщиной от 1,4 до 1,7 микрон. Одновременно, кристалл FeAl2 огибает пленка кислорода толщиной 2,2 микрона. По расчету импульсов концентрация кислорода в слое13,87%. Причем, в центре кристалл имеет состав FeAl. Слева кристалла слоем в 15 микрон имеет состав Fe2Al5. Справа в координате слоем в 7 микрон кристалл имеет также состав Fe2Al5. Вероятно кристаллизация расплава не достигла равновесного состояния или окисление кристалла повлияло на достижение равновесие кристаллизации. Таким образом показано, что кристаллы соединений железа с алюминием покрыты пленкой алюминия и окислены с поверхности. При перемешивании расплава мелкодисперсные кристаллы FeAl2 окисляются с поверхности, а окисленные кристаллы плохо смачиваются цинком и всплывают на поверхность расплава в виде пены. Для снижения выхода цинка в дросы необходимо снизить удельную поверхность, т.е. увеличить крупность. Пена тормозит  укрупнение кристаллов с образованием четко разделенной фазы твердых дроссов.

Мелкодисперсные кристаллы FeAl2 окисленные с поверхности не кристаллизуются в более крупные кристаллы. В присутствии пены кристаллы соединений железа в значительной доле проскакивает фильтр и требуется длительное время для заполнения щели и фильтра. По мере увеличения длительности фильтрации  наполнение фильтра значительно снижается хотя визуально видно, что на поверхности  еще имеются дроссы в виде пены.

В табл 1 приведены опыты с характерным образованием пены на поверхности ванны расплава.

Таблица 1. Состав пены и брызг металла при центробежной фильтрации гартцинка.

 № плавок 29 30 31 32 33 34 35 36
Гартцинк  (Al\Fe)at 1,60 1,66 2,07 2,13 2,16 2,23 2,23 2,7
T оС фильтрации 495 480 480 495 485 470 490 460
Содержание, %Fe 1,65 0,96 9,70 3,46 0,53 1,78 1,78 2,9
 Брызги из фильтра, %Fe 0,50 0,38 0,32 0,24 0,14 0,03 0,13 0,1
                                  %Al 0,45 0,38 0,18 0,39 0,04 0,28 0,21 1,5
                         . (Al\Fe)at 1,86 2,07 1,16 3,36 0,59 4,82 3,34 27,6
Пена на металле ,%Fe 0,42 0,44 3,70 3,80 1,15 1,95 2,00 4,0
                 пена   %Al 0,21 0,07 14,62 3,98 0,88 1,94 1,63 1,5
               пена (Al\Fe)at 1,03 0,33 8,17 2,16 1,58 2,06 1,68 0,8
 дроссы         %Fe 10,08 4,73 9,99 8,55 5,37 6,22 6,48 7,5
                       %Al 8,55 2,90 10,12 9,63 4,24 5,90 4,80 6,1
                     (Al\Fe)at 1,75 1,27 2,09 2,33 1,63 1,96 1,53 1,7
Выход (Zn/Fe)dr 9,8 20,2 8,0 9,6 15,3 14,8 14,2 11,6

 

Состав брызг из фильтра характеризует дисперсность кристаллов Fe в металле. Состав пены характеризует окисленность соединений поверхности кристаллов соединения железа с алюминием возникающей при перемешивании расплава фильтром.  Состав брызг ближе по составу к пене, чем к рафинированному цинку. Это означает, что пена имеет высокодисперсную структуру и ее частицы (менее 0,1мм) частично проскакивают через фильтр до тех пор пока не заполнится щель фильтра.

В пене содержание алюминия больше чем в съемах. При соотношении (Al/Fe)at>1,6 в расплаве содержание Feдрос в дроссах превышает его содержание в брызгах по уравнению:

 Fe(др\бр)=50,3*(Al/Fe)at-67,7 с корреляцией 0,93,                  

В то время как при (Al/Fe)at <1,6 соотношение концентраций железа в пене к содержанию железа в брызгах  не меняется от (Al/Fe)at.

Образующаяся на поверхности ванны  пена кристаллов соединений железа с алюминием проскакивает фильтр пока зазор не уменьшится заполнением более крупными  кристаллами. Это значительно снижает производительность.

Испытан вариант фильтрации пены путем периодического добавления зернистого материала, чтобы увеличить наполнение фильтра дроссами.

В отдельном опыте на металле содержащем  1,78% Fe и алюминий с соотношением (Al/Fe)at=2,24 при температуре 480оС периодически  добавлялся гранулированный шлак крупностью 1-3 мм с расходом  3% от объема фильтра. После подобных добавок относительная производительность набора фильтра увеличивается на 9-88% и относительная степень удаления Fe возрастает на 5-25%, но увеличивается относительный выход цинка Zn/Fe в дроссы на 20-60%. Показатели «относительный» означает величину скачка в сравнении с предыдущим моментом. В конечном итоге полный выход дроссов составил 28,1% с выходом цинка в дроссы (Zn/Fe)- 14,8,т.е. выход цинка в дроссы на единицу удаленного железа. В опыте с меньшим содержанием железа (0,96%) и меньшим расходом алюминия 1,87(Al/Fe)at при такой же температуре фильтрации 480оС в моменты  после добавки  гранулированного шлака относительная производительность набора фильтра увеличивается только на 12-20%. Относительная степень удаления Fe возрастает на 8-80%, но увеличивается относительный выход цинка (Zn/Fe) в дроссы на 7-53%. В целом полный выход дроссов снижается до 21,7%, но увеличился выход цинка (Zn/Fe) в дроссы до значения 21,6.

Однако, выделенные в этом варианте дроссы мало пригодны для возможности их использования порошкового детонационного напыления. [8].

Поэтому разрабатывался вариант фильтрации гартцинка с избытком алюминия без введения инертного материала. Особенность процесса в значительном избытке алюминия, расслаивания пены и перекристаллизации ее без перемешивании  при повышенной температуры.

В котле расплавлено 20кг гартцинка, содержащего 1,6% железа растворено 0,6 кг алюминия  с повышением  температуры до 740°С. Расплав охлажден до 670°С без перемешивания для расслаивания пены и кристаллизации соединений железа с алюминием в пене без окисления. Фильтрация проведена погружением фильтра на уровень алюминиевой пены. По мере отделения кристаллов дроссов температуру расплава снижается и фильтрация проводится погружением фильтра в расплав гартцинка. Сначала охлажденный расплав отфильтрован при температуре 500°С а потом при 440°С.  В табл 2 приведен баланс опыта. Среднее содержание железа в общих дроссах-8,1. Среднее содержание цинка в дроссах-87,0; Общий выход дроссов-18,6, а средний выход цинка в дроссы, так  называемые потери цинка в дроссы на единицу удаленного железа-10,8;

Таблица 2. Баланс фильтрации гартцинка в слое алюминиевой пены

  ТоС вес,кг %Fe вых.% %Al вых.% Zn/Fe (Al/Fe)ат
Загружено                
Гартцинк   20 1,6          
Алюминий   0,6            
Итого расплав   20,6 1,55     2,91   3,86
Получено                
1-Al-Fe-дрос 670 0,53 21,10 34,9 15,3 46,5 3,0 1,50
2-Al-Fe-дрос 500 2,30 7,50 53,9 4,0 13,5 11,8 1,11
3-Al-Fe-дрос 440 1,00 2,51 7,8 1,5 2,5 38,3 1,21
 цинк   16,57 0,08 2,4 0,5 36,6    

Однако, для широкого применения варианта требуется использовать тарели промышленных центрифуг с борированным покрытием.

Осадок алюминиевой пены используют как оборотный алюминий.

…….Полупромышленную переработку гартцинка с ванн цинкования, поставляемых с заводов, использующих горячее цинкование, проводились промышленной погружной центрифугой ЦП-600 на котле диаметром 1,5 м.

Основной особенностью полупромышленных плавок является значительное снижение уровня металла в ванне по мере отделения дроссов, что препятствовало продолжению фильтрации и достижению кондиционного содержания железа. Поэтому периодически проводилась догрузка ванны исходным металлом. Повторная  кристаллизация расплава снижало общую производительность. Полупромышленные результаты подтверждают эффективность повышенного  отношения (Al/Fe)исх до1,6 для снижения выхода цинка в дроссы. Избыток алюминия значительно снижает потери цинка с дроссами, но и снижает производительность.

Характерным свойством получаемых цинко-железистых сыпучих дроссов является  легкая измельчаемость в порошок до 45мк, пригодный для напыления стальной арматуры вместо цинкового порошка [8,9].

Выводы: Исследовано влияние расхода алюминия на регенерацию цинка из гартцинка, в том числе в условиях образования пены на поверхности металла. Показаны варианты переработки гартцинка при образовании пены.

Автор приносит благодарность Перевозкину В.Ю. ИНХ СО РАН за помощь в анализе и интерпретации образцов.

Литература:

  1. Дьяков В.Е «Разработка технологии очистки гартцинка ванн горячего цинкования»- ж.Сталь 2002г, №4, с 68 -70.
  2. Патент России, №1005480, Дьяков В.Е., Сутурин С.Н., Способ рафинирования цинка,, Бюллетень изобрет. и тов.знаков, М.: ЦНИИПИ, 1996, БИ№20, с.200
  3. Suturin С.N., Dolgov A.V.,. «Device to refine melted metals» \\44-th Wold exhibition of invention, research and industrial innovation, Brussels, 1995, с 206.
  4. Дьяков В.- Кинетика центробежной фильтрации расплавленного гартцинка погружным фильтром ж. Технология металлов, 2011, №6 ср 32-37
  5. 7.Дьяков В.Е.Способ рафинирования гартцинка и аппарат рафинирования \\ Заявка  №2015101648  опуб 10.06.2015 Бюл изобрет №16, 2015г
  6. Дьяков В.Е.,Теренин В.И. «Разработка центробежной фильтрации гартцинка с получением порошка железистого цинка» \\ сб. тр. «Современные технологии, материалы и изделия порошковой металлургии», Ростов на Дону, 2002г, с 47-48.
  7. Илющенко А.Ф.,Шевцов А.И., и др.,«К вопросу оптимизации технологических  параметров газотермического напыления защитных покрытий»\\ Порошковая металлургия, 2012, №35, с198-204
    «Образование пены при фильтрации расплава гартцинка»
    Целью работы является выявление условий фильтрации расплава гартцинка при образовании металлической пены. Регенерация цинка из гартцинка проводилась центробежной фильтрацией погружным вращающимся фильтром с введением разных концентраций алюминия. Исследованием шлифа образца дроссов на электронном микроскопе с ренгеновским микроанализом показано, что кристаллы соединения железа с алюминием покрываются окисной пленкой. Показано, что окисленные кристаллы образуют пену на поверхности металла и влияют на производительность процесса фильтрации. Показаны варианты фильтрации расплава гартцинка в условиях образовании пены со снижением выхода дроссов с полупромышленными испытаниями.
    Written by: Дьяков Виталий Евгеньевич
    Published by: БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА
    Date Published: 01/18/2017
    Edition: ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)
    Available in: Ebook