КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА СВИНЕЦСОДЕРЖАЩИХ ПРОМПРОДУКТОВ ВАКУУМНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ
|
Введение 4
Глава 1. Современное состояние процессов комплексной переработки свинецсодержащих промпродуктов 11
1.1. Переработка Ag-Zn-Pb-содержащих соединений с получением
первичных концентратов серебра, цинка и свинца 19
1.2. Переработка Sn-Sb-As промпродуктов от рафинирования свинца 35
1.3. Особенности и преимущества применения вакуумной дистилляции
для раздельного выделения металлов из полиметаллических композиций 44
Глава 2. Методология исследований и техника экспериментов 49
Глава 3. Исследование основных закономерностей переработки серебристой пены 63
3.1 Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное выделение цинка, свинца и серебра из бинарных композиций 63
3.1.1. Система «свинец-цинк» 63
3.1.2. Система «свинец-серебро» 72
3.1.3. Система «цинк-серебро» 79
3.2. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное
выделение компонентов тройного Zn-Pb-Ag сплава 88
3.3. Кинетика испарения металлов из Zn-Pb-Ag сплава 92
3.4. Выводы 97
Глава 4. Исследование основных закономерностей переработки
Sb-Pb-Sn съемов (шлаков) от рафинирования свинца 100
4.1. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное
выделение сурьмы, свинца и олова из бинарных композиций 100
4.1.1. Система «сурьма-олово» 100
4.1.2. Система «свинец-олово» 109
4.1.3. Система «свинец-сурьма» 116
4.2. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное выделение компонентов тройного Sb-Pb-Sn сплава 124
4.3. Кинетика испарения металлов из Sb-Pb-Sn сплава 128
4.4. Выводы 134
Глава 5. Опыт укрупненно-лабораторной переработки вакуумной дистилляцией свинецсодержащих промпродуктов 136
5.1. Zn-Pb-Ag серебристая пена (СП) 136
5.1.1. Математическое моделирование вакуумной дистилляции 144
5.2. Извлечение Sn из Pb-содержащее сырья в филиале ПСЦМ
АО «Уралэлектромедь» 157
5.2.1. Получение Pb-Sn сплава 157
5.2.2. Испытания по вакуумной дистилляции Pb-Sn сплава 160
5.3. Выводы 168
Заключение 170
Список литературы 173
Приложение
Глава 1. Современное состояние процессов комплексной переработки свинецсодержащих промпродуктов 11
1.1. Переработка Ag-Zn-Pb-содержащих соединений с получением
первичных концентратов серебра, цинка и свинца 19
1.2. Переработка Sn-Sb-As промпродуктов от рафинирования свинца 35
1.3. Особенности и преимущества применения вакуумной дистилляции
для раздельного выделения металлов из полиметаллических композиций 44
Глава 2. Методология исследований и техника экспериментов 49
Глава 3. Исследование основных закономерностей переработки серебристой пены 63
3.1 Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное выделение цинка, свинца и серебра из бинарных композиций 63
3.1.1. Система «свинец-цинк» 63
3.1.2. Система «свинец-серебро» 72
3.1.3. Система «цинк-серебро» 79
3.2. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное
выделение компонентов тройного Zn-Pb-Ag сплава 88
3.3. Кинетика испарения металлов из Zn-Pb-Ag сплава 92
3.4. Выводы 97
Глава 4. Исследование основных закономерностей переработки
Sb-Pb-Sn съемов (шлаков) от рафинирования свинца 100
4.1. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное
выделение сурьмы, свинца и олова из бинарных композиций 100
4.1.1. Система «сурьма-олово» 100
4.1.2. Система «свинец-олово» 109
4.1.3. Система «свинец-сурьма» 116
4.2. Влияние параметров вакуумной дистилляции на селективное выделение компонентов тройного Sb-Pb-Sn сплава 124
4.3. Кинетика испарения металлов из Sb-Pb-Sn сплава 128
4.4. Выводы 134
Глава 5. Опыт укрупненно-лабораторной переработки вакуумной дистилляцией свинецсодержащих промпродуктов 136
5.1. Zn-Pb-Ag серебристая пена (СП) 136
5.1.1. Математическое моделирование вакуумной дистилляции 144
5.2. Извлечение Sn из Pb-содержащее сырья в филиале ПСЦМ
АО «Уралэлектромедь» 157
5.2.1. Получение Pb-Sn сплава 157
5.2.2. Испытания по вакуумной дистилляции Pb-Sn сплава 160
5.3. Выводы 168
Заключение 170
Список литературы 173
Приложение
Актуальность темы исследования обусловлена тем, что для переработки
свинецсодержащих промпродуктов и полиметаллических сплавов широко используют однотипные процессы с идентичным физико-химическим обеспечением – выщелачивание, электролиз, обжиг, плавка, которые обладают существенными недостатками: высокий удельный расход реагентов и энергоносителей; обезвреживание
образующихся стоков и сложная схема переработки электролитного шлама, токсичность электролита; наличие квалифицированного персонала, большие капиталовложения и удельные финансовые затраты; необходимость развитой схемы приборного контроля и дистанционного управления; невысокая удельная производительность технологического оборудования; большие потери металлов (свинец, золото, серебро) и низкое качество очистки при пирометаллургическом рафинировании.
Рост производства продукции цветной металлургии вызывает увеличение количества и ассортимента сопутствующих промпродуктов, для рекуперации которых на современном этапе промышленного производства определены следующие
приоритетные направления: необходимость теоретического обоснования; выполнение лабораторного цикла исследований; разработка, промышленное опробование и внедрение новых высокопроизводительных, экологически безопасных и экономичных технологий с получением товарных моноэлементных продуктов. Одновременно решается задача сокращения промышленных полигонов и отвалов предприятий отрасли.
Анализ современных технологических переделов в производстве свинца,
сурьмы и олова показал, что по сравнению с распространенными способами разделения и рафинирования основных металлов от элементов-примесей технологически приемлемым и экономически целесообразным является вакуумная дистилляция полиметаллических сплавов и сопутствующих промпродуктов свинцового
производства, позволяющая получить товарные моноэлементные продукты5
требуемого качества.
Степень разработанности темы. К основным промпродуктам свинцового
производства, требующим переработки, относятся серебряная пена, %: 78–82 Pb;
14–16 Zn; 3–5 Ag; черновой свинец (веркблей), %: 94–97 Pb; 0,8–1,7 Sb; 0,5–0,6 As;
0,15–0,45 Ag; 0,09–0,11 Sn и щелочно-сульфидные съемы, полученные при очистке
свинца, одно-/двухоборотные, %: 10–13/3,5–3,8 Pb; 12–13/15–17 Cu; 2,0–2,5/3,7–4,0
Sn; 11–12/ 15–16 Sb; 9,0–10,5/12,5–14 As; 12–13/16–17 S; 32–35/26–27 Na. Комплексный состав промпродуктов затрудняет извлечение основного металла, схемы
рафинирования свинца сложны и многостадийны, так как для свинца нет специфических химических реакций и фазовых переходов «твердое–жидкое–пар», позволяющих отделить его от нежелательных примесей, а применяемые методы избирательного рафинирования также не вполне селективные.
свинецсодержащих промпродуктов и полиметаллических сплавов широко используют однотипные процессы с идентичным физико-химическим обеспечением – выщелачивание, электролиз, обжиг, плавка, которые обладают существенными недостатками: высокий удельный расход реагентов и энергоносителей; обезвреживание
образующихся стоков и сложная схема переработки электролитного шлама, токсичность электролита; наличие квалифицированного персонала, большие капиталовложения и удельные финансовые затраты; необходимость развитой схемы приборного контроля и дистанционного управления; невысокая удельная производительность технологического оборудования; большие потери металлов (свинец, золото, серебро) и низкое качество очистки при пирометаллургическом рафинировании.
Рост производства продукции цветной металлургии вызывает увеличение количества и ассортимента сопутствующих промпродуктов, для рекуперации которых на современном этапе промышленного производства определены следующие
приоритетные направления: необходимость теоретического обоснования; выполнение лабораторного цикла исследований; разработка, промышленное опробование и внедрение новых высокопроизводительных, экологически безопасных и экономичных технологий с получением товарных моноэлементных продуктов. Одновременно решается задача сокращения промышленных полигонов и отвалов предприятий отрасли.
Анализ современных технологических переделов в производстве свинца,
сурьмы и олова показал, что по сравнению с распространенными способами разделения и рафинирования основных металлов от элементов-примесей технологически приемлемым и экономически целесообразным является вакуумная дистилляция полиметаллических сплавов и сопутствующих промпродуктов свинцового
производства, позволяющая получить товарные моноэлементные продукты5
требуемого качества.
Степень разработанности темы. К основным промпродуктам свинцового
производства, требующим переработки, относятся серебряная пена, %: 78–82 Pb;
14–16 Zn; 3–5 Ag; черновой свинец (веркблей), %: 94–97 Pb; 0,8–1,7 Sb; 0,5–0,6 As;
0,15–0,45 Ag; 0,09–0,11 Sn и щелочно-сульфидные съемы, полученные при очистке
свинца, одно-/двухоборотные, %: 10–13/3,5–3,8 Pb; 12–13/15–17 Cu; 2,0–2,5/3,7–4,0
Sn; 11–12/ 15–16 Sb; 9,0–10,5/12,5–14 As; 12–13/16–17 S; 32–35/26–27 Na. Комплексный состав промпродуктов затрудняет извлечение основного металла, схемы
рафинирования свинца сложны и многостадийны, так как для свинца нет специфических химических реакций и фазовых переходов «твердое–жидкое–пар», позволяющих отделить его от нежелательных примесей, а применяемые методы избирательного рафинирования также не вполне селективные.
Для бинарных сплавов Pb-Zn, Pb-Ag, Zn-Ag, Sb-Sn, Sb-Pb, Sn-Pb в интервалах температур 823–1773К рассчитаны давления насыщенного пара (р*, Па) для
Zn (1,55.103–1,76.106); Pb (6.10–2–4,91.103); Ag (6,74.10–3–8,75.102), Sb (3,95–2,74.102);
Sn (3,32.10–9–8,12.10–5). Высокие значения коэффициентов разделения logβZn/Pb =
2,47–4,55; logβPb/Ag = 1,37–3,5; logβZn/Ag = 6,2–10,1; logβSb/Sn = 6,26–9,44; logβSb/Pb =
1,5–2,59; logβPb/Sn = 4,87–6,75 создают теоретические предпосылки для селективного выделения вначале цинка и сурьмы, а затем свинца, вакуумной дистилляцией,
когда цинк, сурьма и свинец последовательно обогащаются в газовой фазе (βZn,Sb,Pb
> 1), а серебро и олово – в жидкой(βAg,Sn < 1).
2. На основе объемной модели молекулярного взаимодействия MIVM
(мolecular interaction volume model) в интервалах температур 823–1773 К рассчитаны коэффициенты активности меньше (γМе = 0,06–0,999) и больше единицы
(γМе = 1,002–1,474), что соответствует отрицательному и положительному отклонению от идеальности при содержании компонентов хМе = 0,01–0,99 мол. доля в
бинарных сплавах.
3. Анализ «Т–х» диаграмм бинарных сплавов показывает, что содержание менее летучего компонента в газовой фазе (уМе2) возрастает при увеличении его содержания в сплаве (хМе2 = 0,99–0,9999 мол. доля) и росте равновесной температуры
«расплав–газ» (Тliq) при повышении давления (1,33–133 Па), например, уSn.10–3:
550–998,9 при Тliq = 1478–1883 К для Pb–Sn.
4. По диаграммам «Р–х» бинарных сплавов, дополняющих «Т–х» диаграммы,
можно определить содержание менее летучего компонента в газовой фазе (уМе2),
которое возрастает при увеличении его содержания в сплаве (хМе2 = 0,99–0,9999
мол. доля) и снижении давления газовой фазы (Рg) при фиксированной температуре
(1273 К), например, уSn.10–3 = 33,68–776,15 при Рg.10–5 = 238,7–10,46 Па для Pb–Sn.171
5. Из диаграмм тройного сплава Sb-Pb-Sn переменного состава следует, что
содержание трудно возгоняемых свинца и олова в составе конденсата сурьмы (уSb
> 0,9999 мол. доля) снижается с уменьшением исходного содержания металлов
(хМе, мол. доля) в сплаве (хPb = 0,15–0,05, хSn = 0,75–0,15) и равновесной температуры при падении давления (133–1,33 Па), например, в системе хSb/Pb/Sn =
0,7/0,15/0,15: уPb = (9,7–0,98).10–5, уSn = (38–0,07).10–9 при Тliq = 1046–791 К.
6. Процесс испарения металлов из Pb-Zn-Ag и Sb-Pb-Sn сплавов в диапазоне
исследованных температур соответствует реакции первого порядка, например, для
хPb/Zn/Ag = 0,75/0,16/0,09 мол. доля при Т = 1073 К и Р = 13,3 Па lnwZn = –
5,36.10–7(S/V)t – 0,26; lnwPb = –1,46.10–7(S/V)t – 1,61; lnwAg = –3,51.10–10(S/V)t – 3,51.
7. Значения кажущейся константы скорости первого порядка при возгонке
металлов из расплава Zn-Pb-Ag зависят от температуры, давления и химического
состава сплава: в диапазоне 1073–1473 К (Р = 13,3 Па; хPb/Zn/Ag = 0,20/0,77/0,03 мол.
доля) значения kМе, м.сек–1 практически постоянны для Zn (~5.10–7), но возрастают
для Pb (1,46–2,15).10–7 и Ag (0,35–3,63).10–9; в интервале Р = 133–1,33 Па (Т = 1073
К) значения kМе, м.сек–1 не изменяются для Zn (~5.10–7) и возрастают для Pb(1,34–
1,58).10–7 и Ag (0,43–0,81).10–9.
8. Для системы Sb-Pb-Sn значения кажущейся константы скорости первого
порядка при возгонке металлов из расплава (kМе, м.сек–1) возрастают для Sb, Pb, Sn:
5,32.10–10–1,38.10–6; в интервале 133–1,33 Па (Т = 1073 К); (1,86–39,67).10–7 при увеличении доли металлов 0,125–0,7 Sb; 0,05–0,15 Pb; 0,15–0,75 Sn (Т = 1073 К; Р =
13,3 Па).
9. Разработана технология переработки серебристой пены, включающая
ликвацию Ag-пены в течение 2 час в атмосфере инертного газа (Ar), при нормальном давлении и температуре 700 ± 10 0С с получением чернового свинца (~42 % от
исходного количества Pb) и Pb-Zn-Ag сплава с последующей его вакуумной дистилляцией. Рассчитана адекватная математическая модель процесса последовательной возгонки цинка и свинца из состава серебристой пены. В настоящее время
реализация технологии вакуумной дистилляции ликвированного свинца в промыш172
ленном масштабе на предприятиях УГМК нецелесообразна, ввиду наличия медного передела и возможности загрузки пены на конвертирование, что не приводит
к снижению извлечения драгметаллов (99,37 % Ag; 99,77 % Au) и обусловливает
отсутствие необходимости капитальных затрат в оборудование и технологию ликвации и вакуумной дистилляции.
10. Отработана в промышленном масштабе схема окислительного рафинирования Pb-содержащих материалов от сурьмы и олова с получением товарного продукта свинцово-оловянного сплава (50–70 % Sn; 10–30 % Pb; ост As,Sb, примеси).
При проведении опытно-промышленных испытаний получены исходные данные
для расчета экономической эффективности переработки Pb-Sn сплава с использованием вакуумной дистилляции до олова чернового (95–98% Sn), по сравнению с
реализацией Sn-сплава (шлака). Показано, что дополнительная прибыль при получении ~310 т/год олова чернового составит ~87 млн. руб / год.
Zn (1,55.103–1,76.106); Pb (6.10–2–4,91.103); Ag (6,74.10–3–8,75.102), Sb (3,95–2,74.102);
Sn (3,32.10–9–8,12.10–5). Высокие значения коэффициентов разделения logβZn/Pb =
2,47–4,55; logβPb/Ag = 1,37–3,5; logβZn/Ag = 6,2–10,1; logβSb/Sn = 6,26–9,44; logβSb/Pb =
1,5–2,59; logβPb/Sn = 4,87–6,75 создают теоретические предпосылки для селективного выделения вначале цинка и сурьмы, а затем свинца, вакуумной дистилляцией,
когда цинк, сурьма и свинец последовательно обогащаются в газовой фазе (βZn,Sb,Pb
> 1), а серебро и олово – в жидкой(βAg,Sn < 1).
2. На основе объемной модели молекулярного взаимодействия MIVM
(мolecular interaction volume model) в интервалах температур 823–1773 К рассчитаны коэффициенты активности меньше (γМе = 0,06–0,999) и больше единицы
(γМе = 1,002–1,474), что соответствует отрицательному и положительному отклонению от идеальности при содержании компонентов хМе = 0,01–0,99 мол. доля в
бинарных сплавах.
3. Анализ «Т–х» диаграмм бинарных сплавов показывает, что содержание менее летучего компонента в газовой фазе (уМе2) возрастает при увеличении его содержания в сплаве (хМе2 = 0,99–0,9999 мол. доля) и росте равновесной температуры
«расплав–газ» (Тliq) при повышении давления (1,33–133 Па), например, уSn.10–3:
550–998,9 при Тliq = 1478–1883 К для Pb–Sn.
4. По диаграммам «Р–х» бинарных сплавов, дополняющих «Т–х» диаграммы,
можно определить содержание менее летучего компонента в газовой фазе (уМе2),
которое возрастает при увеличении его содержания в сплаве (хМе2 = 0,99–0,9999
мол. доля) и снижении давления газовой фазы (Рg) при фиксированной температуре
(1273 К), например, уSn.10–3 = 33,68–776,15 при Рg.10–5 = 238,7–10,46 Па для Pb–Sn.171
5. Из диаграмм тройного сплава Sb-Pb-Sn переменного состава следует, что
содержание трудно возгоняемых свинца и олова в составе конденсата сурьмы (уSb
> 0,9999 мол. доля) снижается с уменьшением исходного содержания металлов
(хМе, мол. доля) в сплаве (хPb = 0,15–0,05, хSn = 0,75–0,15) и равновесной температуры при падении давления (133–1,33 Па), например, в системе хSb/Pb/Sn =
0,7/0,15/0,15: уPb = (9,7–0,98).10–5, уSn = (38–0,07).10–9 при Тliq = 1046–791 К.
6. Процесс испарения металлов из Pb-Zn-Ag и Sb-Pb-Sn сплавов в диапазоне
исследованных температур соответствует реакции первого порядка, например, для
хPb/Zn/Ag = 0,75/0,16/0,09 мол. доля при Т = 1073 К и Р = 13,3 Па lnwZn = –
5,36.10–7(S/V)t – 0,26; lnwPb = –1,46.10–7(S/V)t – 1,61; lnwAg = –3,51.10–10(S/V)t – 3,51.
7. Значения кажущейся константы скорости первого порядка при возгонке
металлов из расплава Zn-Pb-Ag зависят от температуры, давления и химического
состава сплава: в диапазоне 1073–1473 К (Р = 13,3 Па; хPb/Zn/Ag = 0,20/0,77/0,03 мол.
доля) значения kМе, м.сек–1 практически постоянны для Zn (~5.10–7), но возрастают
для Pb (1,46–2,15).10–7 и Ag (0,35–3,63).10–9; в интервале Р = 133–1,33 Па (Т = 1073
К) значения kМе, м.сек–1 не изменяются для Zn (~5.10–7) и возрастают для Pb(1,34–
1,58).10–7 и Ag (0,43–0,81).10–9.
8. Для системы Sb-Pb-Sn значения кажущейся константы скорости первого
порядка при возгонке металлов из расплава (kМе, м.сек–1) возрастают для Sb, Pb, Sn:
5,32.10–10–1,38.10–6; в интервале 133–1,33 Па (Т = 1073 К); (1,86–39,67).10–7 при увеличении доли металлов 0,125–0,7 Sb; 0,05–0,15 Pb; 0,15–0,75 Sn (Т = 1073 К; Р =
13,3 Па).
9. Разработана технология переработки серебристой пены, включающая
ликвацию Ag-пены в течение 2 час в атмосфере инертного газа (Ar), при нормальном давлении и температуре 700 ± 10 0С с получением чернового свинца (~42 % от
исходного количества Pb) и Pb-Zn-Ag сплава с последующей его вакуумной дистилляцией. Рассчитана адекватная математическая модель процесса последовательной возгонки цинка и свинца из состава серебристой пены. В настоящее время
реализация технологии вакуумной дистилляции ликвированного свинца в промыш172
ленном масштабе на предприятиях УГМК нецелесообразна, ввиду наличия медного передела и возможности загрузки пены на конвертирование, что не приводит
к снижению извлечения драгметаллов (99,37 % Ag; 99,77 % Au) и обусловливает
отсутствие необходимости капитальных затрат в оборудование и технологию ликвации и вакуумной дистилляции.
10. Отработана в промышленном масштабе схема окислительного рафинирования Pb-содержащих материалов от сурьмы и олова с получением товарного продукта свинцово-оловянного сплава (50–70 % Sn; 10–30 % Pb; ост As,Sb, примеси).
При проведении опытно-промышленных испытаний получены исходные данные
для расчета экономической эффективности переработки Pb-Sn сплава с использованием вакуумной дистилляции до олова чернового (95–98% Sn), по сравнению с
реализацией Sn-сплава (шлака). Показано, что дополнительная прибыль при получении ~310 т/год олова чернового составит ~87 млн. руб / год.
Подобные работы
- КОМПЛЕКСНАЯ ПЕРЕРАБОТКА
СВИНЕЦСОДЕРЖАЩИХ ПРОМПРОДУКТОВ
ВАКУУМНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИЕЙ
Авторефераты (РГБ), металлургия. Язык работы: Русский. Цена: 2000 р. Год сдачи: 2019