تولید پودر اکسید روی به روش کوره گردان ولز

در فرآیند تولید پودر اکسید روی به روش آمریکایی، موادی مانند سنگ معدن روی و یا کانه های اکسیدی و سولفیدی روی با حرارت دادن به بخار روی تولید می شود. به دلیل خلوص پایین مواد اولیه محصول نهایی نیز با کیفیت پایین تولید می شود و ممکن است شامل مواد اسیدی به فرم ترکیبات اکسی سولفور باشد که این مواد را می توان به وسیله شستشو با محلول های آمونیاکی و یا نمک های آمونیوم خنثی کرد.

توضیحات جامع درباره سایر روش های تولید پودر اکسید روی (زینک اکساید) در مطلبی جداگانه تحت عنوان “روش های عمومی تولید اکسید روی” ارائه شده است.

 

خوراک ورودی کوره ولز

خوراک ورودی کوره ولز میتواند هم سنگ معدنی روی و هم کنسانتره فراوری شده هوی مدیا و فلوتاسیون باشد که عیار اکسید روی خروجی رابطه مستقیم با عیار خوراک ورودی دارد. اگر عیار خوراک ورودی شامل ۱۰ درصد روی باشد اکسید روی خروجی آن شامل ۶۰ درصد روی خواهد بود و اگر عیار خوراک ورودی شامل کنسانتره هوی مدیا و یا فلوتاسیون باشد، تولید پودر اکسید روی خروجی با  عیار های بالاتری خواهد بود.

اندازه ذرات مواد ورودی فرایند ولز در حالت مطلوب از ۳ الی ۱۰ میلیمتر می باشد. ولی در صورتی که خوراک ورودی کنسانتره فلوتاسیون باشد که ابعاد ذرات کنسانتره فلوتاسیون زیر ۱۰۰ میکرون می باشد. و این فوق نرمه بودن ذرات این احتمال را دارد که این غبار های ریز و سبک با بخار روی ترکیب شوند و عیار روی اکسید روی را کاهش دهند و ناخالصی آن را افزایش دهند، خاک های ورودی که خیلی نرمه شده اند را طی یک مرحله آگلومراسیون و گندله سازی، به گندله تبدیل می کنند تا ذرات نرمه خوراک با بخار روی ترکیب نشود و روی موجود در گندله ها هم به بهترین حالت و با راندمان بالا جذب شود.

در کوره های ولز از یک ماده کربنی شامل زغالسنگ یا کک متالوژیکی به عنوان عامل احیا در فرایند ولز استفاده می شود که درصد و نسبت وزنیاین زغال بستگی به میزان کربن زغال دارد و اگر کربن زغال بالا باشد به نسبت (۸۰/۲۰) از زغال استفاده می شود که ۲۰ درصد درصد زغال به کل خوراک افزوده می شود و اگر کربن زغال پایین باشد میزان زغالی که افزوده می شود از ۲۰ درصد تا ۴۰ درصد درصد بسته به جنس زغال و کربن آن، افزایش می یابد تا کربن مورد نیاز فرایند کوره ولز احیا و تامین گردد.

خوراک ورودی کوره ولز شامل ۶۰ درصد سنگ معدنی و ۴۰ درصد ماده کربنی (زغالسنگ یا کک با کربن پایین) می باشد که نقش زغالسنگ به عنوان احیا کننده و افزاینده حرارت و دمای کوره و سیال کننده خوراک در حال چرخش در داخل کوره می باشد که مانع از چسبیدن ذرات خاک روی به هم می شود و میزان زغالی که به خوراک زده می شود بسته به اندازه ذرات و عیار موجود در خاک و جنس خاک و میزان چسبندگی آن تفاوت می کند و این مهم باید در حین کار اندازه گیری و تنظیم و بهبود داده شود.

 

ابعاد کوره های ولز

ابعاد کوره های ولز موجود در ایران به صورت ۳۶ متر طول و ۲ متر قطر (با ظرفیت کاری ۵ تن خوراک ورودی بر ساعت) یا ۶۰ متر طول و ۳٫۲۰ متر قطر (با ظرفیت کاری ۱۵ تن خوراک ورودی بر ساعت) می باشد که ابعاد بسته به میزان ظرفیتی که کارخانه و خط نیازمند است قابلیت تغییر و افزایش و کاهش را دارد.

 

فرآیند کاری کوره های ولز

فرایند کاری در کوره ولز به صورت پیوسته می باشد و از یک طرف خوراک ورودی وارد کوره شده و از طرف دیگر پس از اینکه بخارات فلزی داخل آن گرفته شد، باطله خروجی از انتهای کوره خارج می شود. کل این زمان ۱ ساعت و ۴۵ .دقیقه نیاز دارد تا خوراک ورودی به بخار روی و اکسید روی تبدیل شود.

مواد خام معدنی، پس از طی چند مرحله خردایش و نرمایش شامل: سنگ شکن فکی، سنگ شکن چکشی و سنگ شکن مخروطی و آسیاب وارد بونکرها و سیلوها می شوند. اگر سه سیلو داشته باشیم  در دو سیلو ماده معدنی ریخته میشود و در یک سیلو زغال سنگ که اینها توسط یک قیف در پایین سیلو ها با هم به نسبت وزنی ۶۰ به ۴۰  (۶۰ درصد خاک و ۴۰ درصد زغال سنگ) ترکیب می شوند. سپس از طریق نوار نقاله با استفاده از Charging chute وارد وارد پیش گرمکن (Pre Heater) و سپس کوره ولز می گردد.

در انتهای کوره ولز مشعل قرار دارد و دمای کاری کوره تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد می باشد که ایجاد حرارت در کوره ولز ترکیبی از استفاده از گرمایش در داخل پیش گرمکن و حرارت مشعل و حرارت ایجاد شده داخلی توسط زغال سنگ می باشد.

باطله خروجی از انتهای کوره ولز خارج می شود و بخار روی ایجاد شده نیز توسط لوله ها و کانال هایی از ابتدای ورودی کوره گرفته شده و وارد اتاقک جمع آوری بخارات شده واز آنجا از طریق لوله ها و کانال های کندانسور (خنک کننده) و مکش فن مکنده وارد فیلتر های کیسه ای (Bag-Filter) می شوند و منجر به تولید پودر اکسید روی می شود و سپس به کوره هالوژن و اسکرابر و سرند آبگیری و کوره درایر ارسال می شود.

جهت حرکت خوراک ورودی و بخار روی حاصله در کوره ولز به صورت معکوس می باشد یعنی از یکطرف کوره خوراک ورودی رو به جلو وارد می شود و بخار روی حاصله به صورت معکوس از انتهای کوره به سمت ابتدای کوره مکیده می شود و از انتهای کوره نیز باطله خارج می شود.

راندمان کوره ولز در استحصال عناصر موجود در خاک، به ۹۷ درصد می رسد بدین صورت که در خاکی که ۲۰ درصد روی دارد و در ترکیب آن ۲۰ درصد هم زغال سنگ استفاده می شود، ۱۹ درصد عنصر روی موجود در خوراک توسط خط ولز از خاک گرفته می شود و فقط حدود ۱ درصد در باطله می ماند.

 

رفع ناخالصی ها در تولید پودر اکسید روی

چون پودر اکسید روی ای که از بگ فیلتر کوره ولز خارج می شود شامل یکسری ناخالصی ها همچون گازهای کلر و فلوئور می باشد، این پودرها توسط مکنده وارد یک کوره دیگر به نام کوره هالوژن می شوند.

کوره هالوژن نیز یک کوره دوار به طول ۱۲ متر و قطر ۱٫۵ متر می باشد که در این کوره مواد حاصله در دامنه دمایی ۵۰۰ الی ۶۰۰ درجه سانتی گراد قرار گرفته و ناخالصی های آن شامل (گاز های کلر و فلوئور) توسط حرارت این کوره از پودر اکسید پاکسازی و حذف می شود و بدین ترتیب اکسید روی خلوص بالایی بدست می آید و پس از این مرحله اکسید روی توسط آب در اسکرابر شستشو می شود تا نمک زدایی و کلر زدایی شود سپس پودر اکسید روی ای که با آب شستشو شده است، توسط یک سرند توری آبگیری می شود و درنهایت به کوره خشک کن رطوبت ارسال می شود تا رطوبت آن کاهش بیابد و بسته بندی شود.

کوره ولز دارای یک شیب ۵ درجه بین ابتدا و انتهای آن می باشد و با چرخش کوره با سرعت ۱ تا ۱٫۵ دور در دقیقه اختلاط مناسبی در خوراک ورودی آن در داخل ایجاد می شود و این شیب ۵ درجه باعث حرکت رو به جلو در مواد می شود.

 

کاهش هزینه های تولید پودر اکسید روی

در عمل به خاطر گران بودن هزینه سوخت مصرفی و هزینه مصرف آجر نسوز کوره، تولید پودر اکسید روی توسط روش های حرارتی و کوره ولز، باید از کنسانتره ها و خاک های پیش فرآوری شده (هوی مدیا شده) و فرآوری شده (فلوتاسیون شده) به عنوان خوراک ورودی کوره ولز استفاده شود تا تولید پودر اکسید روی به روش ولز، صرفه اقتصادی داشته باشد.

مخصوصا در خاک های معدنی ای که شامل عنصر سرب و روی می باشند، فرآوری به روش فلوتاسیون باعث جدایش سرب از خاک و تولید کنسانتره سرب شده و همچنین تغلیظ و فراوری جداگانه کنسانتره روی می شود که این کنسانتره روی به عنوان خوراک ورودی کوره ولز استفاده می شود.

کاهش هزینه های تولید پودر اکسید روی یکی از عوامل تأثیرگذار بر قیمت اکسید روی می باشد. بسیاری از شرکت ها سعی دارند که با بهینه سازی خطوط تولید موجب بهره‌وری بالا، کیفیت مطلوب، کاهش هزینه تولید و در نهایت تعیین قیمت رقابتی شوند و محصول خود را در عرصه‌های داخلی و بین‌المللی به فروش رسانند.

 

ساختار کوره ولز

 

ویژگی استوانه فلزی کوره ولز

استوانه فلزی کوره ولز، از ورق های فولاد کربنی ۳۷ st و۱۵ m با ضخامت۱۶ تا ۵۰ میلیمتر با توجه به قطر کوره ولز انتخاب می شوند. بدنه فلزی کوره باید به حد کافی محکم باشد زیرا در هنگام فرآیند به شکل استوانه افقی و چرخشی حرکت می کند.

به منظور افزایش استقامت و استحکام استوانه فلزی کوره، در مکان هایی که باید اتصال و چرخ دنده قرار بگیرند از میله های جانبی (Side bars) که تقریبا دو برابر ضخامت ورق می باشند استفاده می شود. محور استوانه فلزی باید یک خط راست باشد چونکه در تاب کم باعث افزایش تنش در فولاد می شود.

علاوه بر آن، دفرمگی بدنه فلزی کوره باعث تخریب آجر نسوز کوره خواهد شد.

کوره ولز با ۳۶ متر طول، شامل ۳ لوله فولادی ۱۲ متری می باشد که توسط ۲ اتصال به هم پیچ و مهره و جوشکاری شده اند.

یک کوره دوار ولز با ۳۶ متر طول نیاز به ۳ ایستگاه و تکیه گاه (حمایت) دارد. تکیه گاه های کوره ولز با ابعاد مختلف، طراحی خاص دارند. باند اتصال که بر روی ۲ غلتک قرار دارد کاملا آزاد می باشند و با فاصله های کم، غلتک های تکیه گاه که از فولاد کربنی ۳۵ L و ۴۵L ساخته شده و قطر غلتک ها از (۰-۲۵ سانتی متر) و قطر رینگ های اتصال می باشد.

 

ویژگی موتور و غلتک ها

کوره ولز بوسیله یک موتور الکتریکی با رگلاتور و چرخ دنده حرکت داده می شود. در هر طرف باندهای اتصال، دو غلتک شامل: غلتک (Thrust) و غلتک کنترل کننده نصب می شود. فاصله بین غلتک ها و لبه های اتصال ۱۵ الی ۴۰ میلی متر می باشد. وقتی که باند اتصال به غلتک فشار می آورد دیگری شروع به چرخش می نماید و این نشان از محدودیت جابجایی و الزامی برای جلوگیری از اندازه تعیین شده از لغزش استوانه فلزی کوره از غلتک ها می باشد.

غلتک ها به اندازه کافی مستحکم ساخته می شوند تا بتوانند فشار محوری استوانه فلزی کوره را قبل از اینکه استوانه فلزی کوره تنظیم گردد تحمل نماید. چرخ دنده کاملا توسط پیچ، ثابت می گردد. باید در نظر گرفته شود که دما ممکن است به دنده آسیب برساند.

 

ویژگی آجر نسوز درکوره

چون دمای کوره ولز مخصوصا در قسمت انتهایی کوره و نزدیک به مشعل برای بخار کردن روی بسیار بالا می باشد و تا ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد می رسد، لذا آجر نسوزی که در این قسمت کوره استفاده می گردد باید از جنس مرغوب و با کیفیت همچون آجرهای نسوز کروم و منیزیت باشد. تحقیقات در این زمینه نشان می دهد که آجرهای نسوز کروم و منیزیت در هنگام فرآیند در برابر فشارهای مکانیکی (سایش مواد با آجر نسوز، خم شدن و چرخش کوره) و فشارهای حرارتی (دمای بالای کوره ولز، عبور هوای داغ و گاز طبیعی) و اثر های شیمیایی ناشی از واکنش های انجام شده در پروسه تولید، مقاوم می باشند.

ولی آجر نسوز سایر قسمت های کوره که از مشعل و انتهای کوره دورترند، آجر نسوز شاموتی و معمولی می باشد و نیاز به خرید آجر خیلی مرغوب و گران نیست.

یعنی ۲۵% از فضای داخلی کوره ولز که به مشعل نزدیک تر است با آجر نسوز کروم-منیزیت و ۷۵% فضای داخلی کوره که از مشعل دورترند با آجر نسوز شاموتی و معمولی پوشش داده می شود و بدین ترتیب هزینه نسوز و پوشش حرارتی داخلی کوره اقتصادی و به صرفه تر می شود.

راهکار افزایش سرعت فرآیند کوره ولز

یکی از کارهایی که می تواند سرعت فرآیند کوره ولز را افزایش بدهد و استهلاک و مصرف آجر نسوز آن را کاهش بدهد، اینست که طول کوره ولز کوتاه تر بشود. هر چه طول کوره کوتاه شود، سرعت و عمر کوره و آجرهای آن افزایش می یابد. برای این منظور، در نسل های جدید کوره ولز از یک پیش گرم کن (Pre-Heater) استفاده می شود که این پیش گرمکن، دمای خوراک ورودی را به ۷۰۰ درجه می رساند و سپس این خاک حرارت دیده وارد کوره ولز می شود و هرچه سریعتر در داخل کوره به بخار روی تبدیل می شود و باطله های آن ها از انتهای کوره خارج می شود و سرعت فرآیند افزایش می یابد. با پیش گرمکن و کاهش طول کوره و افزایش قطر کوره ولز می توان ظرفیت، عمر و سرعت تولید اکسید روی را در سامانه ولز افزایش داد.

 

توصیف مراحل حرارتی فضای داخلی کوره ولز از ابتدا تا انتهای کوره

توصیف مراحل حرارتی فضای داخلی کوره ولز از ابتدا تا انتهای کوره

 

برای اینکه تجسم دقیقی از نحوه بخار شدن و دود شدن روی در داخل کوره ولز داشته باشیم توسط تصویر بالا مراحل تبدیل شدن سنگ معدنی روی را به بخار روی در داخل استوانه کوره ولز توصیف می کند.

اگر فرض کنیم که طول استوانه کوره ولز ما ۳۶ متر و قطر کوره ۲ متر باشد، و این کوره ۳۶ متری شامل سه لوله استوانه ای ۱۲ متری باشند که به هم متصل شده اند و جوش خورده اند، خوراک ورودی که ترکیبی از خاک معدنی روی و زغالسنگ می باشد ابتدا وارد کوره شد و در ۱۲ متری اول کوره دمای آن به ۵۰۰ درجه سانتیگراد می رسد (اگر واحد پیش گرم کن جدا داشته باشیم نیاز به قسمت اول کوره نیست و طول کوره کاهش می یابد) و سپس خاک وارد قسمت دوم یعنی ۱۲ متری دوم لوله استوانه ای کوره می شود و در آنجا نیز دما به ۷۵۰ درجه سانتیگراد می رسد و در این دما گوگرد های موجود در خاک تشویه و گوگرد سوزی می شوند و همچنین خاک کلسینه هم می شود و رطوبت آن از بین می رود.
در ۱۲ متری سوم استوانه کوره، دمای خاک به ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد رسیده و عناصر روی موجود در خاک به صورت بخار در آمده و در بالای خوراک ها در قسمت داخلی کوره قرار می گیرند و این بخارات روی که به صورت دود می باشند توسط یک لوله مکنده به خارج از کوره مکیده شده و از طریق کانال هایی وارد لوله های کندانسور(خنک کننده) و فیلتر کیسه ای (بگ فیلتر) می شوند تا در آنجا به پودر اکسید روی تبدیل بشوند. و باطله ها نیز از انتهای کوره خارج شده و وارد استخر بتونی باطله ها که در زیر کوره تعبیه شده است می شوند و پس از خنک شدن به سد باطله انتقال می یابند و این فرآیند به طور پیوسته ادامه دارد.

 

جهت مطالعه بیشتر درباره کاربرد زینک اکساید و کاربرد آن در صنایع مختلف می توانید مطالب زیر را مطالعه نمایید:

– کاربرد اکسید روی در صنعت لعاب

– کاربرد اکسید روی در پزشکی و بهداشت

– کاربرد نانو اکسید روی در صنعت چرم سازی

– کاربرد اکسید روی در صنعت کشاورزی

– کاربرد اکسید روی در صنعت لاستیک و پلاستیک

– کاربرد اکسید روی در صنعت رنگ و پوشش