FI96123C - Menetelmä ja uunikonstruktio käytettäväksi prosesseissa, joissa tuotetaan helposti haihtuvia metalleja - Google Patents

Description

96123

MENETELMÄ JA UUNIKONSTRUKTIO KÄYTETTÄVÄKSI PROSESSEISSA, JOISSA TUOTETAAN HELPOSTI HAIHTUVIA METALLEJA

Tämä keksintö kohdistuu menetelmään ja uunikonstruktioon helposti haihtuvien metallien tuottamiseksi niiden sulfideista. Uunikonstruktio muodostuu kahdesta toisiinsa läheisesti liitettävästä uunista, pelkistysuunista ja konvertterista, jotka toimivat normaalipaineessa ja joiden välinen materiaalinsiirto on sovitettu tapahtumaan jatkuvasti normaalipaineisena uunien väliin sijoitetun, ainakin yhden kanavan avulla. Uuneissa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden seurauksena uunien hydrostaattinen paine muuttuu. Lisäksi muuttuvat uuneissa olevien sulakerrosten tilavuudet. Muutoksista aiheutuvat, ainakin yhden kanavan kautta tapahtuvat virtaukset aikaansaavat samalla prosessissa tarvittavan sulfidikiven kierron pelkistysuunista konvertteriin ja metallisulan kierron konvertterista pelkistysuuniin.

Eräissä uudemmissa pyrometallurgisissa prosesseissa sinkin, lyijyn, kadmiumin ja eräiden muiden helposti haihtuvien metallien valmistamiseksi käytetään hyväksi kyseisten metallisulfidien pelkistämistä kuparin avulla, jolloin muodostuu kuparikiveä ja kyseisten metallien * t ' ·· höyryjä, jotka kondensoidaan. Prosesseissa poistetaan reaktiotilasta jatkuvasti kuparikiveä ja se siirretään toiseen uuniin kiven sisältämän rikin hapettamiseksi ja kuparin vapauttamiseksi takaisin metalliseksi kupariksi. Kuparikiven käsittelyuunista poistetaan jatkuvasti metallista kuparia ja sitä palautetaan edellä mainittuun reaktiotilaan metallisulfidin pelkistyksessä kuluneen kuparin tilalle.

Raaka-aineen sisältämät oksidiset aineet tai prosessissa mahdollisesti hapettuvat aineet muodostavat reaktiotilana.

• · 96123 2 toimivaan uuniin kuonakerroksen, jota täytyy myös joko aika ajoin tai jatkuvasti poistaa.

GB-patenttihakemuksessa 2 048 309 on käytetty edelläku-vattujen toimintojen suorittamiseksi uuniyhdistelmää, jossa on kaksi reverbityyppistä uunia rinnakkain, joista toinen on hieman toista korkeammalla. Rikaste syötetään alempana olevaan uuniin kuparikivisulaan. Rikasteen sinkkisulfidi konvertoituu metalliseksi sinkiksi, joka haihtuu uunista. Uuniin muodostunut kuparikivi kierrätetään mammuttipumpun (gas lift) avulla alipainekammion kautta ylempänä olevaan uuniin, jossa se tai ainakin osa siitä hapetetaan uuniin syötetyn hapen avulla metalliseksi kupariksi, joka painovoiman vaikutuksesta kiertää takaisin alempana olevaan sulatusuuniin. Sulatusuunissa ja alipainepumpussa tapahtuvien endotermisten reaktioiden vaatima lämpö saadaan aikaan kierrättämällä konvertterina toimivassa ylemmässä uunissa ylimäärin sulfidikiveä, tai kiveä voidaan vielä kuumentaa polttimien avulla.

FI-patenttihakemus 92 2301 koskee edellä kuvatun tyyppistä sinkinvalmistusmenetelmää, jossa reaktiotilana käytetään sähköuunia. Uunissa on oleellisesti kaksi < r ί sulakerrosta, pohjalla metallinen kupari ja sen päällä sulfidinen kuparikivi. Kolmanneksi kerrokseksi uuniin muodostuu kivikerroksen päälle kuonakerros. Sulfidinen raaka-aine syötetään kuparikerrokseen pneumaattisesti putkimaisen lanssin kautta. Kantokaasuna käytetään typpeä tai jotain muuta inerttiä kaasua. Kuparikerroksessa , tapahtuvien reaktioiden tuloksena syntyy kiveä, joka nousee kuparikerroksesta ja liityy kuparin päällä olevaan kivikerrokseen.

Sähköuunia lämmitetään sähkövirran avulla saattamalla, elektrodit kontaktiin kuona- ja kivikerroksen kanssa.

li 96123 3 Tällöin nämä toimivat vastuksena, jossa lämpöteho kehittyy. Syntyvä kuparikivi voidaan konvertoida kupariksi ja kuonaksi tunnetulla tavalla esim. Peirce-Smith-konvertterissa.

Peirce-Smith-konvertteri on panosreaktori, ja se aiheuttaa koko prosessiin jaksottaisen toiminnan, jossa kiveä poistetaan sähköuunista panoksittain ja kuparia siirretään konvertterista sähköuuniin panoksittain. Tyypillisten, panosprosesseihin liittyvien haittojen lisäksi joudutaan kuljettamaan suuria määriä kiveä ja metallista kuparia uunien välillä, ja tästä aiheutuu ylimääräisiä kustannuksia ja käryhaittoja.

Nykyisin on myös käytössä jatkuvatoimisia konverttereita. Mitsubishin kupariprosessissa kuparikivi virtaa sulatusuunista jatkuvana virtana kourua pitkin konvertointi-uuniin. Siellä on tyypillisesti kolme kerrosta: pohjalla sula kupari, sen päällä kuparikivi ja ylinnä kuonakerros. Konvertointi tapahtuu jatkuvana prosessina puhaltamalla ilmaa tai happirikastettua ilmaa jäähdytettyjen suulakkeiden kautta sulakerroksen pintaan. Syntynyt kuona poistuu jatkuvasti sulakerroksen pinnalta. Syntynyt kupari poistetaan konvertointiuunin pohjalta jatkuvana virta-— · na.

Kun FI-hakemuksessa 92 2301 kuvattu pelkistysuuni, jossa haihtuvan metallin sulfidia pelkistetään kuparilla, ja konvertteri kytketään kourun avulla toisiinsa, voidaan syntynyt kivi johtaa jatkuvana virtana konvertteriin. Muodostunut kupari joudutaan poistamaan konvertterista kuitenkin niin alhaalta, että se ei omalla painollaan virtaa takaisin pelkistysreaktoriin, vaan se joudutaan laskemaan pataan ja kuljettamaan sillä.

• . \ 96123 4

Edellä kuvattujen haittojen, joko kaasusyötön avulla aikaansaadun sulakierron tai uunien välillä tapahtuvan kuljetuksen välttämiseksi on nyt kehitetty keksinnön mukainen menetelmä ja uunikonstruktio, jossa pelkistys-uuni ja konvertointiuuni on normaalipaineisina kytketty läheisesti toisiinsa. Uunit voidaan edullisesti sijoittaa olennaisesti samaan tasoon, tai ne voivat olla eri tasossa, mutta ne on liitetty toisiinsa ainakin yhden kanavan välityksellä. Kummassakin uunissa tapahtuvat kemialliset reaktiot saavat aikaan sen, että hydrostaattinen paine uuneissa muuttuu. Lisäksi muuttuvat uuneissa olevien sulakerrosten tilavuudet. Näistä muutoksista aiheutuvan virtauksen avulla hoidetaan myös uunien välillä tapahtuva eri sulafaasien kierrätys. Siten pelkistys-uuniin syntyvää sulfidikivikerrosta kierrätetään konvertteriin ja konvertterista kierrätetään vastaavasti siellä pelkistynyttä metallisulaa takaisin pelkistysuuniin. Keksinnön olennaiset tunnusmerkit käyvät esille oheisista patenttivaatimuksista.

Keksintöä kuvataan myös oheisten piirustusten avulla, joissa kuva 1 esittää kaaviomaisen sivukuvannon eräästä keksinnön mukaisesta laiteratkaisusta, ja '· -- kuvassa 2 on esitetty kaaviomainen sivukuvanto eräästä toisesta keksinnön mukaisesta laiteratkaisusta, sekä kuvassa 3 on esitetty päältäpäin katsottuna eräs keksinnön mukainen laitteistovaihtoehto.

Kuten kuvasta 1 nähdään, keksinnön mukainen, helposti haihtuvien metallien käsittelyssä käytettävä uuni-konstruktio muodostuu kahdesta uunista, jossa sähköuunia 1 käytetään pelkistysuunina ja kiven hapetusuunina on konvertteri 2. Uunit voivat sijaita samassa tai eri tasossa.

» 4

II

96123 5 Tässä vaihtoehdossa uunit kytketään toisiinsa putkimaisen kanavan 3 avulla. Kanavan muoto ja rakenne eivät ole ratkaisevia, mutta kanava voi olla joko olennaisesti vaakasuora tai se voi olla vino siten, että sen pelkistysuunin puoleinen pää 15 on joko korkeammalla tai matalammalla kuin konvertterin puoleinen pää 16. Oleellista on, että kanava on sijoitettu siten, ettei uunien kaasutilojen välillä ole yhteyttä ja että konvertterissa syntyvä kuparimetalli pääsee valumaan painovoiman vaikutuksesta sähköuuniin. Tämä tarkoittaa sitä, että ainakin kanavan 3 toisen pään tulee aina olla sulan sisällä, olipa sula sitten metallia, kiveä tai kuonaa. Käytännössä kanavan molemmat päät useimmiten ovat sulan sisällä.

Kummassakin uunissa pohjimmaisena on kuparikerros 4 ja tämän päällä kivikerros 5. Ylin kerros kummassakin uunissa on kuonaa 6.

Sulfidiraaka-ainetta injektoidaan pelkistysuuniin lanssin 7 avulla. Kemiallisen reaktion seurauksena kupari alkaa vähentyä, koska siitä muodostuu kiveä kuparin sulfidoi-tumisen takia.

Metallin muuttuessa kiveksi sulan materiaalin keskimääräinen tiheys pienenee ja pelkistysuunin sulapinta pyrkii nousemaan. Näin syntyvä hydrostaattisen paineen nousu aiheuttaa sen, että kiveä siirtyy konvertteriin.

Konvertterissa kivi hapetetaan lanssin 8 kautta puhallettavan hapen, ilman tai niiden seoksen avulla takaisin metalliseksi kupariksi. Syntynyt kupari painuu raskaimpana konvertointiuunin pohjalle. Prosessin ollessa käynnissä kuparikerroksen pinta on sellaisella korkeudella, että syntynyt uusi kupari valuu painovoiman 1 « 6 96123 vaikutuksesta pelkistysuunin puolelle. Konvertointi-reaktiossa syntyvä kuona poistuu konvertterista aukon 9 kautta.

Pelkistysuunissa muodostuvat metallikaasut kuten sinkki-ja mahdolliset lyijy- ja kadmiumhöyry poistuvat pelkistysuunin yläosasta aukon 10 kautta. Konvertterissa muodostuva rikkidioksidi ja muut kaasut poistuvat konvertterista aukon 11 kautta.

Kuvan 2 mukaisessa vaihtoehdossa uunit 1 ja 2 kytketään toisiinsa kahden putkimaisen kanavan 3 ja 12 avulla, joista alempi 12 on sijoitettu siten, että sen pelkistysuunin puoleinen pää 13 on uunissa täysin kupariker-roksen 4 sisällä ja konvertterin puoleinen pää 14 konvertterissa täysin siellä olevan kuparikerroksen 4 sisällä. Pelkistysuunin puoleinen pää 13 voidaan myös sijoittaa ylemmäksi siten, että se on osittain kivikerroksen sisällä. Ylempi kanava 3 on sijoitettu siten, että sen toinen pää 15 on pelkistysuunissa sellaisella korkeudella, että kivikerroksen 5 yläpinta ja kuonakerroksen 6 alapinta asettuvat kanava-aukon alueelle, ja sekä kivi että kuona voivat virrata aukon kautta.

Ylempi kanava 3 voi olla joko olennaisesti vaakasuora tai se voi olla vino siten, että sen konvertterin puoleinen pää 16 on joko korkeammalla tai matalammalla kuin pelkistysuunin puoleinen pää 15. Edellämainittujen kanavien lisäksi konvertterissa on vielä kolmas aukko 9 kuonan 6 poistamiseksi konvertterin sulakerrosten pinnalta. Pel-kistysuunista tulevan sulfidikiven 5 poistamiseksi ei ole laskuaukkoa, sillä kivi hapetetaan sinne lanssin 8 kautta puhallettavan hapen tai ilman avulla takaisin metalliseksi kupariksi. Kuonan poistoaukko 9 on sijoitettu sellaiselle korkeudelle, että sen avulla säädetään konvertterin ja pelkistysuunin välillä olevasta ylemmästä • k l 96123 7 kanavasta 3 ainakin toinen pää olemaan aina täysin kuonan ja/tai kiven sisässä ja siten estämään pelkistysuunin ja konvertterin kaasujen sekaantuminen keskenään.

Pelkistysuunissa muodostuvat metallikaasut kuten sinkki-ja mahdolliset lyijy- ja kadmiumhöyry poistuvat uunin yläosasta aukon 7 kautta. Konvertterissa muodostuva rikkidioksidi ja muut kaasut poistuvat konvertterista aukon 11 kautta.

Kun uunin käyntiinlähdön jälkeen kaikki sulakerrokset molemmissa uuneissa ovat tasapainossa, konvertterin pin-nankorkeus asettuu kuonan poistoaukon määräämälle tasolle ja pelkistysuunin pinta asettuu vastaavasti konvertterin pinnan tai pelkistysuunin ja konvertterin välisen ylä-kanavan määräämälle tasolle. Eri kerroksien paksuudet asettuvat siten, että konvertterissa alemman aukon korkeudella kupari-, kivi- ja kuonakerroksen aiheuttama hydrostaattinen paine on yhtä suuri kuin vastaavalla korkeudella pelkistysuunissa kupari-, kivi- ja kuonaker-rosten aiheuttama paine.

Kun prosessi käynnistetään injektoimalla sulfidiraaka-ainetta pelkistysuuniin lanssin 7 kautta, ja puhaltamalla samalla ilmaa, happea tai hapella rikastettua ilmaa konvertteriin, pelkistysreaktorissa oleva kupari alkaa vähentyä, koska siitä muodostuu kiveä kuparin sulfi-doitumisen takia. Konvertterissa sinne kierrätetty kupa-rikivi muuttuu metalliseksi kupariksi konvertoitumisreak-tion johdosta. Prosessin edetessä pelkistysreaktorissa olevan sulan materiaalin keskimääräinen tiheys siis pienenee ja konvertterissa olevan materiaalin keskimääräinen tiheys vastaavasti kasvaa. Näiden seurauksena painetasapaino uunien välisessä kanavassa häiriintyy ja kuparia alkaa virrata konvertterista pelkistysreaktoriin. Vastaavasti alkaa pelkistysuunissa syntynyttä kiveä ja 96123 8 mahdollisesti kuonaa virrata kanavan kautta konvertteriin. Virtaukset jatkuvat niin kauan kuin prosessointi on käynnissä.

Eräässä toteutusvaihtoehdossa sähköuuni ja konvertteri ovat itse asiassa saman uunin eri osia, jotka on erotettu toisistaan vain väliseinällä siten, että eri osien väliin jää yksi tai useampi aukko.

Jos on pelättävissä, että pelkistysuunin ja konvertterin väliset kanavat joissakin käyttöolosuhteissa tukkeutuvat, on edullista sijoittaa uunit kulmat vastakkain, kuten kuvassa 3 on tehty. Uuneja 1 ja 2 yhdistävät kanavat 3 muodostetaan tällöin edullisesti kahdesta, toisiaan vastaan kohtisuoraan sijoitetusta osasta. Kumpaankin osaan voidaan kulman eri puolille sijoittaa normaalit, metallurgisissa uuneissa käytettävät suljettavat aukot 17, joiden kautta mahdolliset tukkeutumat poistetaan esim. hapen avulla sulattamalla.

Kuten kuvasta 3 nähdään, konvertterien lukumäärä ei ole rajoitettu yhteen, vaan niitä voi olla useampia, esimerkiksi kaksi pelkistysuunia kohti, jolloin toinen toimii normaalisti toisen ollessa korjauksessa.

II

V ·

Claims (19)

1. 96123 9
2. 1. Uunikonstruktio helposti haihtuvien metallien, kuten sinkin, lyijyn ja kadmiumin tuottamiseksi, jolloin konstruktio muodostuu ainakin kahdesta toisiinsa läheisesti liitettävästä uunista (1,2); pelkistysuunista (1) ja konvertterista (2), tunnettu siitä, että normaali-paineessa toimivat uunit (1,2) on kytketty toisiinsa ainakin yhden kanavan (3,12) välityksellä, joista ainakin kanavan toinen pää on sijoitettu olemaan täysin uuneissa olevan sulan (4,5,6) sisällä.
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tun nettu siitä, että uunit toisiinsa kytkevä kanava (3) on sijoitettu molemmista päistään (15,16) olemaan sulan (4,5,6) sisällä.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit toisiinsa kytkevä kanava (3) on olennaisesti vaakasuora.
5. 4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tun nettu siitä, että uunit toisiinsa kytkevä kanava (3) on muodostettu siten, että pelkistysuunin puoleinen pää (15) on sijoitettu matalammalle kuin konvertterin puoleinen pää (16).
6. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tun nettu siitä, että uunit toisiinsa kytkevä kanava (3) on muodostettu siten, että konvertterin puoleinen pää (16) on sijoitettu matalammalle kuin pelkistysuunin puoleinen pää (15).
7. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tun-. nettu siitä, että pelkistysuuni (1) on sähköuuni. 96123 10
8. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit toisiinsa yhdistävien kanavien lukumäärä on kaksi.
9. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) on kytketty toisiinsa kahden kanavan (3,12) välityksellä, joista ainakin konvertterin puoleinen alemman kanavan pää (14) on sijoitettu olemaan täysin uuneissa sijaitsevan metallisulan (4) sisällä, ja että ainakin toinen ylemmän kanavan (3) pää on säädetty oleman aina täysin uunissa olevan kivi- (5) ja/tai kuonakerroksen (6) sisällä.
10. 9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) toisiinsa kytkevä alempi kanava (12) on sijoitettu siten, että sen molemmat päät (13,14) ovat täysin metallisulan sisällä.
11. 10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että konvertteri (2) on varustettu kuonan laskuaukolla (9), joka on sijoitettu olemaan sellaisella korkeudella, että se säätää ainakin toisen (15,16) ylemmän kanavan (3) päistä olemaan aina täysin kuonan ja/tai kiven sisällä.
12. 11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) toisiinsa kytkevä ylempi kanava (3) on muodostettu siten, että pelkistysuunin (1) puoleinen pää (15) on matalammalla kuin konvertterin puoleinen pää (16). 1 li Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) toisiinsa kytkevä ylempi kanava (3) on muodostettu siten, että pelkistysuunin (1) 96123 11 puoleinen pää (15) on korkeammalla kuin konvertterin puoleinen pää (16).
13. 13. Patenttivaatimuksen 7 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) toisiinsa kytkevä ylempi kanava (3) on muodostettu olennaisesti vaakasuoraksi.
14. 14. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että sähköuuniin (1) on kytketty useampi konvertteri (2).
15. 15. Patenttivaatimuksen 1 mukainen uunikonstruktio, tunnettu siitä, että uunit (1,2) on sijoitettu olennaisesti samaan tasoon.
16. 16. Menetelmä helposti haihtuvien metallien, kuten sinkin, lyijyn ja kadmiumin tuottamiseksi kahden toisiinsa läheisesti liittyvän uunin avulla, jolloin helposti haihtuvan metallin sulfidista rikastetta syötetään pelkistys-uuniin metallisulakylpyyn, jossa rikasteen sisältämät haihtuvat metallit konvertoidaan metalliseen muotoon ja poistetaan uunista kaasumaisena, uuniin muodostuvaa metallisulfidikiveä ja kuonaa kierrätetään konvertteriin metallisulfidin konvertoimiseksi takaisin metalliksi, muodostuvaa kuonaa poistetaan konvertterista ja konvertterissa syntyvää metallia kierrätetään takaisin pelkistysuuniin, tunnettu siitä, että uunit ovat yhteydessä toisiinsa ainakin yhden kanavan välityksellä, joista ainakin toinen kanavan pää on kokonaan sulan sisällä, jolloin uunien välinen materiaalien kierrätys saadaan aikaan uuneissa tapahtuvien kemiallisten reaktioiden hydrostaattiseen paineeseen aiheuttamien muutosten ja sulakerrosten tilavuuksien muutoksen vaikutuksesta. 96123 12
17. 17. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uunit yhdistävän kanavan molemmat päät ovat olennaisesti sulan sisällä.
18. 18. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että metallisula on kuparisula.
19. 19. Patenttivaatimuksen 16 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että pelkistysuuni ja konvertteri ovat olennaisesti samassa tasossa. i II 96123 13 PATENTKRAVi