Search papers

Article details

  • Materiały Ceramiczne/Ceramic Materials
  • Vol: 65, Issue: 4, 2013
  • pp: 443-450

download: article (PL)

Monolithic materials for zinc and lead metallurgy

Abstract (EN)

Studies were conducted on the development of refractory castable for use in the metallurgy of zinc and lead. Thermodynamic calculation was made in order to identify the type of refractory material resistant to corrosion of these metals. Thermodynamic calculations have shown that under working conditions of a zinc condenser in a shaft furnace used for production of lead and zinc (700 °C, the atmosphere of N2+CO+CO2) only zinc reacts with a castable matrix. Zinc aluminate (ZnAl2O4 – zinc spinel) is mainly the product of this reaction. Furthermore, depending on the chemical composition of the matrix, there is also willemite Zn2SiO4, zinc chromate (ZnCr2O4) and ZnMg2O4. Additionally, in the spinel castable, formation of the liquid phase in reaction with both zinc and lead, was observed. The formed compounds (ZnAl2O4, Zn2SiO4 and ZnCr2O4) have high melting temperatures, so it can be assumed that their presence in castables do not deteriorate the refractory lining in the zinc condenser. The results of thermodynamic calculations indicated the aluminosilicate refractory concretes as the optimum material for the use in contact with zinc and lead. Corundum- and andalusite-based castable samples were prepared according to the Andreassen equation, where the exponent q was 0.34 and 0.36. Samples with an increased content of microsilica (3% and 5%) were also prepared. Properties of the samples were determined together with their resistance to corrosion of zinc and lead. After corrosion tests, the chemical composition of samples was determined, and their microstructure was observed by using an optical microscope. The results have shown that the increasing of the microsilica content in the castables to 3% and 5% led to a significant increase in the compressive strength, up to three times in some samples. The open porosity of the materials decreased with the increase of the microsilica content. An increase of hot modulus of rupture at 700 °C was also observed, although it was not to the extent like in the case of compressive strength. Shrinkage also increased after firing, but its value remained at the acceptable level. Corrosion tests have shown that zinc reacted with castables to a greater extent than lead. The corundum-based castable was more resistant to metal vapours than the andalusite-based one. This study confirmed the results of thermodynamic calculations. Observations coming from optical microscopy showed that the zinc and lead vapours reacted with the castables, particularly with their matrix. There was no penetration of the metals in pores of the tested materials.

Keywords (EN): Refractory castable, Thermodynamic calculations, Corrosive resistance, Andreassen equation, Mechanical properties

Materiały monolityczne do zastosowań w metalurgii cynku i ołowiu

Majchrowicz I., Barański J., Śliwa A., Malinowska T., Wala T.

Abstract (PL)

Przeprowadzono badania nad opracowaniem betonu ogniotrwałego do zastosowań w metalurgii cynku i ołowiu. Dokonano obliczeń termodynamicznych mających na celu wskazanie rodzaju materiału ogniotrwałego najbardziej odpornego na oddziaływanie tych metali. Obliczenia termodynamiczne wykazały, że w warunkach pracy kondensatora pieca szybowego do otrzymywania cynku i ołowiu (700 °C, atmosfera N2+CO+CO2), z osnową betonów reaguje jedynie cynk. Produktami tej reakcji jest głównie glinian cynku (spinel cynkowo-glinowy). Ponadto, w zależności od składu chemicznego osnowy, powstaje również wilemit Zn2SiO4, chromian cynku (spinel cynkowo-chromowy) i ZnMg2O4. Dodatkowo, w betonie spinelowym dochodzi do utworzenia fazy ciekłej w wyniku reakcji zarówno z cynkiem, jak i ołowiem. Powstające związki (ZnAl2O4, Zn2SiO4 i ZnCr2O4) są związkami wysokotemperaturowymi, można zatem przypuszczać, że ich obecność w betonach pracujących w komorze kondensatora nie wpłynie ujemnie na jej wyłożenie. Wyniki obliczeń termodynamicznych wskazały na glinokrzemianowe betony ogniotrwałe jako na optymalny materiał do pracy w kontakcie z cynkiem i ołowiem. Wykonano próbki betonu korundowego i andaluzytowego o uziarnieniu zgodnym z równaniem Andreassena, w którym wykładnik q wynosił 0,34 i 0,36. Przygotowano również próbki o zwiększonej zawartości mikrokrzemionki (3% i 5%). Oznaczono podstawowe własności próbek oraz określono ich odporność na korozyjne działanie cynku i ołowiu. Oznaczono skład chemiczny próbek po badaniach korozyjnych i obserwowano ich mikrostrukturę pod mikroskopem optycznym. Badania wykazały, że zwiększenie zawartości mikrokrzemionki w składzie betonów do 3% i 5% prowadziło do znacznego zwiększenia ich wytrzymałości na ściskanie, w niektórych przypadkach nawet trzykrotnie. Z kolei porowatość otwarta tworzyw uległa zmniejszeniu wraz ze zwiększeniem zawartości mikrokrzemionki. Zaobserwowano również zwiększenie wytrzymałości betonów na zginanie w temperaturze 700 °C, choć już nie w takim stopniu jak wytrzymałości na ściskanie. Zwiększeniu uległa również skurczliwość wypalania, lecz jej wartość pozostała na akceptowalnym poziomie. Badania korozyjne wykazały, że cynk oddziaływał w większym stopniu na badane betony niż ołów. Z kolei beton korundowy był bardziej odporny na działanie par metali niż beton andaluzytowy. Badania te potwierdziły wyniki obliczeń termodynamicznych. Obserwacje pod mikroskopem optycznym wykazały, że pary cynku i ołowiu reagowały z betonami, a zwłaszcza z ich osnową. Nie stwierdzono penetracji metali w porach badanych materiałów.

Keywords (PL): beton ogniotrwały, obliczenia termodynamiczne, odporność korozyjna, równanie Andreassena, własności mechaniczne.

return…