Analiza możliwości rozwoju procesów metalurgicznych stosowanych w hutnictwie cynku

• Autorzy: Kapias P.

Warianty tytułu

EN

The analysis of developmental possibilities for metallurgical processes used in zinc metallurgy

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedmiotem prezentowanej pracy była analiza możliwości rozwoju wybranych procesów metalurgicznych stosowanych w hutnictwie cynku. W tym celu posłużono się opracowanymi termochemicznymi modelami symulacyjnymi analizowanych obiektów metalurgicznych. Analizowane obiekty metalurgiczne traktowano jako tak zwane czarne skrzynki, dla których szukano związków pomiędzy parametrami określającymi stan ich wejścia i wyjścia. Związki te ustalono, wykorzystując fundamentalne prawa zachowania masy i energii oraz równania więzów wyrażające w formie matematycznej specyfikę analizowanych obiektów. Obiekty opisano równaniami matematycznymi, zakładając, że zostały spełnione warunki, aby przebiegające w nich procesy transportu masy i ciepła oraz kinetyka reakcji chemicznych były na tyle szybkie, by reakcje chemiczne przebiegały całkowicie w pożądanym kierunku lub osiągały stan równowagi termodynamicznej. Opracowane modele pozwoliły na formułowanie, a następnie symulację różnych wariantów technologicznych prowadzących do oceny możliwości ich intensyfikacji lub optymalizacji. W szczególności przedmiotem analizy były następujące procesy: - Proces fluidyzacyjnego prażenia materiałów cyrkonowych. W tym zakresie przedmiotem analizy była ocena możliwości intensyfikacji procesu przez wzbogacenie dmuchu w tlen oraz określenie warunków przerobu w procesie prażenia fluidyzacyjnego mieszaniny blendy cynkowej i materiału obojętnego. - Proces fumingowania żużli cynkowych. Opracowany model symulacyjny pozwolił w tym wypadku na ocenę wpływu takich parametrów procesu, jak: temperatura, zawartość tlenu w dmuchu i inne, na maksymalną, teoretyczną szybkość procesu fumingowania oraz zużycie węgla. - Proces szybowy ISP otrzymywania cynku. W tym przypadku model symulacyjny wykorzystano do testowania wpływu ważniejszych parametrów pracy pieca szybowego ISF na produkcję mierzoną ilością cynku zawartego w postaci pary w gazach opuszczających przestrzeń pieca szybowego wypełnioną wsadem oraz innych wskaźników technologicznych mających wpływ na ekonomikę procesu. Na podstawie uzyskanych rezultatów testowania modelu symulacyjnego oszacowano wpływ zawartości tlenu w dmuchu, temperatury dmuchu oraz temperatury gazów opuszczających przestrzeń pieca szybowego, produkcję cynku oraz zużycie węgla. Innym zagadnieniem analizowanym w przypadku procesu szybowego ISP była tak zwana iniekcja dyszowa, czyli wdmuchiwanie pyłów cynkowych i pyłu węglowego bezpośrednio do strefy dysz pieca szybowego W tym zakresie uzyskano rezultaty wskazujące, że w przypadku iniekcji mieszaniny EAFD i pyłu węglowego do strefy dysz pieca szybowego zużycie tlenu będzie się kształtować na poziomie około 0.4 Nm3 tlenu /lkg EAFD, a wskaźnik węglowy C/Zn liczony dla mieszaniny EAFD i pyłu węglowego w procesie iniekcji materiałów pylistych poprzez strefę dysz będzie około dwukrotnie większy od właściwego dla przerobu spieku cynkowo-ołowiowego i będzie na poziomie 1.6 kg C / kg Zn w zależności od masy przerabianych EAFD w stosunku do masy spieku cynkowo - ołowiowego. - Proces kondensacji par cynku w kondensatorze pieca szybowego ISP. Opracowany model symulacyjny wykorzystano w tym wypadku do analizy wpływu najistotniejszych parametrów pracy kondensatora na uzysk kondensacji cynku. W wyniku analizy stwierdzono, że charakterystyki strumienia masy cynku i uzysku kondensacji cynku mają charakter nieliniowy, przy czym w I sekcji kondensatora strumień masy cynku jest zdecydowanie wyższy niż w kolejnych sekcjach kondensatora. W związku z tym uzysk kondensacji cynku w I sekcji osiąga pułap 80%, podczas gdy na kolejne dwie sekcje przypada około 13%. Jednym z ciekawszych aspektów analizy warunków pracy kondensatora cynku pieca szybowego ISF była ocena możliwości reoksydacji par cynku postępująca równolegle do procesu kondensacji. Uzyskane wyniki wskazały na to, że w wyniku jednoczesnego procesu rozpuszczania par cynku w ołowiu oraz obniżania się temperatury fazy gazowej skład fazy gazowej szybko przesuwa się w obszar reoksydacji. W praktyce oznacza to, że procesowi rozpuszczania par cynku w ołowiu towarzyszy proces reoksydacji, który zmniejsza uzysk kondensacji cynku. Szybkość procesu reoksydacji osiąga swoje apogeum prawdopodobnie w odległości około 1/3 długości I sekcji, a więc w okolicach wlotu do kondensatora, a następnie gwałtownie maleje. Model symulacyjny procesu kondensacji par cynku wykorzystano również do analizy wpływu szeregu parametrów technicznych technologicznych, takich jak: wydajność pomp stopu kondensatorowego, ilość gazów procesowych wpływających do kondensatora cynku, temperatura gazów procesowych na wlocie do kondensatora, zawartość cynku w gazach procesowych, wydajność rozbryzgiwaczy stopu kondensatorowego na ogólny uzysk kondensacji cynku oraz stopień atomizacji stopu. Testy te uwypukliły kluczową rolę stopnia atomizacji stopu kondensatorowego, którego miarą była średnia średnica kropli stopu w przestrzeni kondensatora na uzysk kondensacji cynku. Wyniki obliczeń wykazały, że uzysk kondensacji cynku obniża się z 95% przy średniej średnicy kropli wynoszącej 4 mm do 89.5% przy średniej średnicy kropli wynoszącej 6 mm, co daje średnią wynoszącą około 2.74% na 1 mm zmiany średniej średnicy kropli.

EN

The subject of this work was the analysis of developmental possibilities for chosen metallurgical processes used in zinc metallurgy. To this end, the thermochemical simulation models designed for the analyzed metallurgical objects were used. The analyzed metallurgical objects were treated as the so-called black boxes, for which the connections between the parameters specifying their input and output states were searched. These connections were established using the fundamental laws of mass and energy conservation and the constraint equations representing the specificity of analyzed objects in a mathematical form. The objects were described using mathematical equations, assuming that conditions were met for the mass and heat transport processes taking place in them and for the kinetics of chemical reaction to be fast enough to allow the chemical reactions to be carried out in a fully desired direction or to achieve the state of thermodynamic equilibrium. The designed models allowed the formulation, and then the simulation, of different technological variants leading to the evaluation of the possibilities of their intensification or optimization. In particular, the subject of analysis was as follows: - The process of fluidization roasting of zinc materials. The area of interest within this scope was the evaluation of the possibility of process intensification through the enrichment of blast with oxygen and the specification of processing conditions in the process of fluidization roasting of zinc blende and neutral material mix. - The process of zinc slag fuming. In this case, the designed simulation model allowed the evaluation of the influence of such process parameters as temperature, oxygen content in the blast etc. on the maximum theoretical speed of the fuming process and the carbon consumption. - The ISP shaft process of zinc production. The simulation model was used for testing the influence of the key parameters of the ISF shaft furnace operation on the production, measured by the amount of zinc vapor in gases leaving the shaft furnace area filled with the charge and other technological indicators influencing the process economics. Based on the obtained results of simulation model tests, the influence of the amount of oxygen in the blast, the blast temperature and the temperature of gases leaving the shaft furnace area, the zinc production and the carbon consumption were estimated. Another issue analyzed in the case of the ISP shaft furnace was the so-called tuyere injection, or the blasting of zinc dust and carbon dust directly to the shaft furnace tuyere zone. The results obtained within this scope showed that in the case of injecting the EAFD and carbon mix to the shaft furnace tuyere zone, the oxygen consumption reaches ca. 0.4 Nm3 of oxygen / 1 kg of EAFD, while the C/Zn carbon indicator measured for the EAFD and carbon dust mix in the process of injecting dust materials through the tuyere zone would be ca. twice higher than the indicator typical for the processing of zinc-lead sinter and reaches ca. 1.6 kg of C / kg of Zn, depending on the mass of processed EAFD in relation to the mass of the zinc-lead sinter. - The process of zinc vapor condensation in the ISP shaft furnace condenser. In this case, the designed simulation model was used for the analysis of the influence of the key parameters of condenser operation on the zinc condensation output. As a result of the analysis, it was determined that the characteristics of the zinc mass stream and the zinc condensation output are not linear and the zinc mass stream in the condenser section I is distinctly higher than in the succeeding condenser sections. As a result, the zinc condensation output in section I reaches 80%, while in the succeeding two sections-ca. 13%. One of the most interesting aspects of the analysis of the operation conditions of the ISF shaft furnace zinc condenser was the evaluation of possibilities for the zinc vapor reoxidation taking place parallel to the condensation process. The obtained results showed that due to the simultaneous process of zinc vapor dissolution in lead and the lowering of gas phase temperature, the gas phase composition moves quickly to the reoxidation area. In practice, this means that the process of zinc vapor dissolution in plumbum is accompanied by the reoxidation process, which decreases the zinc condensation output. The speed of the reoxidation process probably reaches its apogee at a distance of ca. 1/3 of the section I length - that is, near the condenser inlet, and then drops rapidly. The simulation model of the zinc vapor condensation process was also used for the analysis of the influence of a number of technical technological parameters including: the efficiency of condenser alloy pumps, the amount of process gases entering the zinc condenser, the process gas temperature at the condenser inlet, the zinc content in process gases, the influence of the efficiency of condenser alloy splashers on the general zinc condensation output and the level of alloy atomization. These tests highlighted the key role of the level of condenser alloy atomization, measured by the average diameter of the alloy drop in the condenser area, in influencing the zinc condensation output. The results of the calculations showed that the zinc condensation output decreases from 95% with the average drop diameter of 4 mm to 89.5% with the average drop diameter of 6 mm. The average is ca. 2.74% per 1 mm of change in the average drop diameter.

Słowa kluczowe

PL

cynk; hutnictwo cynku; prażenie fluidyzacyjne; fumingowanie żużli cynkowych; proces szybowy ISP; kondensacja par cynku; model symulacyjny

EN

zinc; zinc metallurgy; fluidization roasting; zinc slag fuming; ISP shaft process; simulation model

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Śląskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe. Hutnictwo / Politechnika Śląska
• Rocznik: 2007
• Tom: z. 77
• Strony: 3--131
• Opis fizyczny: Bibliogr. 59 poz.

Twórcy

autor

Kapias P.

• Katedra Metalurgii Politechniki Śląskiej, 40-019 Katowice, ul. Krasińskiego 8, tel. [phone],

Bibliografia

• 1. Zinc Smelters and project: Processes, Costs, and Profitability, Brook Hunt Mining and Metallurgical Consultants, Surrey, England, 1999.
• 2. James S.E., Watson L.J., Peter J.: Zinc Production - a Survey of Existing Smelters And Refineries. Lead - Zinc 2000. Edited by J.E. Durrizac, TMS 2000 p. 205 - 225.
• 3. Nyberg J., Metsarinta M. L. Roine A.: Recent process improvements in the Kokkola Zinc Roaster. Lead - Zinc 2000. Edited by J.E. Durrizac, TMS 2000 p. 399 - 415.
• 4 . MacLagan C, Cloete M and Meyer E.H.: Oxygen Enrichment of Fluo-Solids Roasting at Zincor. Lead - Zinc 2000. Edited by J.E. Durrizac, TMS 2000 p.417 - 426.
• 5. Kapias P. i inni: Sposób otrzymywania metali z pyłów powstających w procesie przerobu złomu stali w piecach elektrycznych. Patent RP Nr 191894.
• 6. Kapias P. i inni: Sposób produkcji cynku i ołowiu w piecu szybowym. Patent RP Nr 157637.
• 7. Kapias P.: Opracowanie modelu matematycznego obiegu materiałowego pieca szybowego ISP. Spr. IMN Nr 3292/83.
• 8. Kapias P. i inni: Badania nad możliwością poprawy parametrów pracy układu kondensacyjno-separacyjnego pieca szybowego IS. Spr. IMN Nr 2383/I/78.
• 9. Kapias P. i inni: Badania nad możliwością poprawy parametrów pracy układu kondensacyjno - separacyjnego pieca szybowego IS. Spr. Nr 2383/II/79
• 10. Kapias P.: Badania parametrów pracy zmodernizowanego układu kondensacyjno-separacyjnego pieca szybowego nr 1. Spr. Nr 2733/80
• 11. HSC CHEMISTRY Ver 4.1, Outokumpu Research Oy, Pori, Finland, A. Roine.
• 12. Barin I., Knacke O., Kubaschewski O.: Thermodynamic Properties of Inorganic Substances, Springer-Verlag, Berlin and New York, NY, 1973, Supplement 1977.
• 13. Barin I.: Thermochemical Data of Pure Substances, VCH Verlags Gesellschaft, Weinheim, 1989.
• 14. Frenkel M., Kabo G. J., Marsh K. N., Roganov G. N., Wilhoit R. C: Thermodynamics of organic compounds in the gas state, Vol. 1, 1994.
• 15. Knacke O., Kubaschewski O., Hesselman K.: Thermochemical properties of inorganic substances, 2nd ed., Springer-Verlag, Berlin, pp.1-1113,1991 (KKH 91).
• 16. Barin I.: Thermochemical Data of Pure Substances, Part I, VCH Verlags Gesellschaft, Weinheim, 1993.
• 17. JANAF Thermochemical Tables, 3rd ed., M.W. Chase, et. al., eds., J. of Phys. and Chem. Ref. Data, Vol.14 , Suppl. 1, pp. 1-1856, 1985.
• 18. Innovative Solutions for the Metals & Waste Treatment Industries. Ausmelt Limited -January 2000.
• 19. Ashman D.W., Goosen D.W., Reynolds D.G., Webb: Cominco's New Lead Smelter at Trail Operations, Lead - Zinc 2000, Pitsburgh 2000, p. 177.
• 20. Kapias P., Botor J.: Określenie warunków przerobu pyłów stalowniczych w procesie fumingowania. IMN Gliwice, wrzesień 2001 r. Projekt celowy.
• 21. Petrolewicz P.: Symulacja procesu fumingowania żużla. Praca magisterska. Politechnika Śląska. Katowice 2005
• 22. Mounsey E.N., Piret N.L.: A Review Of Ausmelt Technology For Lead Smelting. Lead -Zinc 2000, Pitsburgh 2000, p.149 - 170.
• 23. Kapias P.: Opracowanie koncepcji oraz założeń do budowy linii pilotowej przeznaczonej do iniekcji materiałów pylistych do strefy dysz pieca szybowego ISF w HC Miasteczko Śl. Projekt celowy 7 T08 B 07097 C/ 3274, marzec 2004.
• 24. Kapias P.: Opracowanie modelu matematycznego przystosowanego do wspomagania procesu decyzyjnego w zakresie eksploatacji instalacji przeznaczonej do iniekcji materiałów pylistych do strefy dysz pieca szybowego ISF. Gliwice, Projekt celowy 7 T08 B 07097 C/ 3274, wrzesień 2004.
• 25. Sneider W.D., Schwab B.: Direct Zinc Recovery from Secondaries via the ISP Route, Zinc and Lead Processing, J.E. Durrizac, J.A. Gonzalez, G.L. Bolton and P. Hancock, Eds., Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, Montreal, Canada, 1998, 229 - 242.
• 26. Musson A.R., Gammon M.W., Hitchens I.M., Mathew S.P.: The Development of Tuyere Iniection Technology for the ISF at Bitannia Zinc Ltd. Zinc and Lead Processing, J.E. Durrizac, J.A. Gonzalez, G.L. Bolton and P. Hancock, Eds., Canadian Institute of Mining, Metallurgy and Petroleum, Montreal, Canada, 1998, 265 - 276.
• 27. Gabb P.J. Woods S.E.: Operation of Zinc Smelting Blast Furnaces", UK Patent No. GB2197342B, 10 January 1990.
• 28. Tomono M., Yamada K., Makino S., Utsunomiya K.: Fine Coke Injection Through Tuyeres.
• 29. Ryota Murai, Michitaka Sato, Taturo Ariyama, Atsushi Sakai and Sumiyuki Kishimoto: Development of the Injection Lance for High Pulverized Coal Injection Operation in a Blast Furnace. The Howard Womer International Symposium on Injection in Pyrometallurgy Edited by Nilmani and T. Lehner. The Minerals, Metals & Materials Society, 1996.
• 30. Lao D. et al: Fundamental Aspects and Industrial Practice of High Coal Injection in the Vlast Furnace within Usinor Sacilor Group. The First International Congress of Science and Technology of Ironmaking, Sendai, Japan, 14 - 17 June 1994.
• 31. Paramanathan B. K. et al.: High Ratek of Pulverize 4d Coal Injection At Hoogovenes Ijmuiden. Steel World, Sept.(1993).
• 32. Kruse R.J., Chaubal P.C., Moore J.B., Valia H. S.: Blast Furnace PCI Coal Selection At Ispat Inland ISS Tech 2003 Conference Proceedings.
• 33. Greenwood W.: Materiały z konferencji ISP, Bristol 1976.
• 34. Kapias P., Kurtys M.: Własności aglomeratu cynkowo-ołowiowego jako miernik zachowania się w procesie ISP. Pr. IMN 1972 t. 1 nr 1, s. 15-24.
• 35. Kapias P.: Opracowanie technologii przerobu w procesie Imperial Smelting pyłów pochodzących z procesu przetopu złomów stali w piecach elektrycznych. Spr. Pol. Śląskiej Nr NB 233/RM1/99.
• 36. Niektóre wskaźniki pracy pieca szybowego. Dane z Huty Cynku "Miasteczko Śl." Materiały niepublikowane.
• 37. Kapias P.: Analiza możliwości zastosowania gazu ziemnego jako substytutu koksu w procesie ISP. Opinia dla HC Miasteczko Śląskie, 2005, Materiały niepublikowane
• 38. Kapias P.: Modelowanie procesu wymiany masy i ciepła w kondensatorze pieca szybowego w Hucie Cynku "Miasteczko Śl." S.A. Gliwice, kwiecień 2005. Projekt celowy.
• 39. Brdicka R.: Podstawy chemii fizycznej. PWN, Warszawa 1970.
• 40. Pohorecki R., Wroński S.: Kinetyka i termodynamika procesów inżynierii chemicznej. WNT, Warszawa 1977, s. 397,400.
• 41. Barret P.: Kinetyka chemiczna w układach heterogenicznych. PWN Warszawa 1979.
• 42. Frenkel M., Kabo G. J., Marsh, K. N., Roganov, G. N., Wilhoit, R. C: Thermodynamics of organic compounds in the gas state, Vol. 2,1994.
• 43. Chase M. W., Jr., Davies C. A., Downey J. R., Jr., Frurip D. Journal, McDonald R. A., Syverud A. N.: JANAF thermochemical tables third edition part II, Cr-Zr, J. of Phys. and Chem. Ref. Data, Vol.14, No. 1, pp.927-1856,1985.
• 44. Krupkowski A.: Podstawowe zagadnienia teorii procesów metalurgicznych. PWN, Warszawa - Kraków 1974, s.68.
• 45. Pohorecki R., Wroński S.: Kinetyka i termodynamika procesów inżynierii chemicznej. WNT, Warszawa 1977, s. 263, 262, 49,46, 525, 527.
• 46. Praca zbiorowa. Poradnik fizykochemiczny, WNT, Warszawa 1974.
• 47. Collatz L.: Metody numeryczne rozwiązywania równań różniczkowych. PWN, Warszawa 1960, s. 72, 81. Method for Conducting Reactions in Fluidized Particle Layers. United States Patent No.: US 6 682 705 B1, Jan. 27,2004.
• 48. Kapias P., Warczok J., Kramer D.: Termodynamiczna analiza procesu otrzymywania cynku i ołowiu w piecu szybowym. Pr. IMN 1976 t.5 nr 1, s. 7-12.
• 49. Morawski J., Płonka J., Kapias P.: Prażenie fluidyzacyjne surowego tlenku cynku. Biul. IMN 1976 t. 11 nr 3, s. 101-105.
• 50. Warczok J., Kapias P.: Możliwość intensyfikacji produkcji cynku w piecu szybowym. Rudy Metale 1977 t.22 nr 11, s. 601-608.
• 51. Kapias P.: Intensyfikacja i optymalizacja produkcji cynku w piecu szybowym. Biul. IMN 1978 t.13 nr 1 Dodatek, s.16-18.
• 52. Kapias P., Ptak W.: Kinetyka redukcji tlenku cynku tlenkiem węgla. Materiały na IX Konf. Sprawozdawczą za rok 1978-1980 Komitetu Metalurgii PAN, Ustroń-Zawodzie 19-21.XI.1980r. s.1-15.
• 53. Kapias P.: Kinetyka redukcji siarczku cynku węglikiem wapnia. Pr. IMN, 1980, t.9, nr 4.
• 54. Botor J., Czernecki J., Kapias P., Norwisz J.: Badania wysokotemperaturowych procesów metalurgicznych. Prace IMN, 1982, t.11, nr 2-3.
• 55. Norwisz J., Botor J., Kapias P.: Badania własności spieków cynkowo-ołowiowych w podwyższonej temperaturze. Rudy Metale, 1982, t.27 nr 1, s.23-27.
• 56. Kapias P., Markiewicz A.: Redukcja spieków cynkowo-ołowiowych. Rudy Metale, 1983, t.28 nr 2.
• 57. Kapias P., Zawiślak St.: Modelowanie procesów wymiany masy i ciepła przebiegających w kondensatorze pieca szybowego ISF. X Zebranie sprawozdawcze 1981-1984 PAN Wydział IV, Komitet Metalurgii. Kozubnik, październik 1984.
• 58. Colins F.F.: Reduced Coke Consumption In the Blast Furnace trough Coal Injection. Steel Times, Dec. 1985, p. 587 - 599.
• 59. Jak E., Zhao B., Hades P.C., Degterov S., Pelton A.D.: Coupled Experimental and Thermodynamic Modeling Studies of the System PbO-ZnO-FeO-Fe2O3-CaO-SiO2-Al2O3 for Lead and Zinc Smelting. Zinc and Lead Processing, J.E Dutrixac, G.L Bolton and P. Hancock, Eds., The Metallurgical Society of CIM, Montreal, Quebec, 1998, 313 - 333.