Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Центробежная фильтрация расплавленного олова и свинца

Дьяков В. Е.,

2.1. Грубое обезмеживание

В производстве цветных металлов после восстановительной плавки свинцовых концентратов получают металл с сопутствующими примесями: 1–5 % Cu; 0,2–2 % As; 0,5–2 % Sb; 0,1–0,25 Sn; 0,05–0,4 % Bi; 0,1–0,3 % S; 1–5кг/т Ag; 1–30 г/т Au [1.2] и это вызывает необходимость их удаление рафинированием.

По традиционной технологии ликвационного обезмеживания свинца после снижения температуры до 400 °С шумовками снимают медистые шликера. Выход шликеров составляет 10–30 %, в них переходит до 9–22 % РЬ. Остаточную медь (до содержания 0,005 %) удаляют после вмешивания 0,5–1 кг/т элементарной серы и охлаждения до 340–345 °С. Выход сульфидных шликеров составляет 3–5 %, они содержат 1–5 % Сu, 3–4 % S [2.2].

В производстве олова разработан способ [3.2] центробежной фильтрации олова аппараты рафинирования от железа, мышьяка и меди. Инциатива распространения опыта фильтрации олова на другие металлы одобрена Минцветметом [4.2] работа по оценке возможности центробежной фильтрации продолжена на операциях рафинирования свинца. Для этого на Новосибирский оловокомбинат со свинцовых заводов поставлен черновой свинец в слитках. Для испытания способа разработана и испытана опытная модель лабораторной центрифуги для разделения суспензии [5.2]. В центрифугу (рис. 2.1) заливают суспензию расплав чернового свинца в приемную воронку. Жидкий металл под действием центробежных сил продавливается через щелевой канал между диском и ротором в кольцевой приемник. Осадок шнеком транспортируется в окно. Опыты проведены на центрифуге модели [5.2; 6.2].

Испытания фильтрации свинца на центрифуги с заливным фильтром указанной конструкции [5.2; 6.2] показали высокую степень удаления меди (97 %) и мышьяка (77,5 %) в шликера грубого обезмеживания. Однако, испытания показали недостатки в эксплуатации и монтаже центрифуги. Для проведения процесса фильтрации требуется сопряжения точности поддержания температур миксера исходного свинца и щелевого канала, окна разгрузки и слива. При отклонениях требуется повторные операции. Кроме того, щелевой канал зарастает особенно при фильтрации олова. Изготовление и замена узлов вызывает значительные сложности. Остаются сомнения в возможности значительного увеличения диаметра фильтра центрифуги.

С этой точки зрения более перспективным оказался вариант лабораторной центрифуги с фильтром погружаемым в рафинируемый расплав первой модели (рис. 1.5) [7.2; 17].

Таблица 2.1

Материальный баланс процесса центробежной фильтрации чернового свинца

Статьи	Вес, кг	Выход, %	Содержание, %				Распред, %
			Pb	Cu	As	Sb	Pb	Cu	As	Sb
Загружено:
Черновой Pb	57,5	100	93,5	3,5	1,3	0,8	100	100	100	100
Получено:
Фильтрованный Pb	49,7	86,4	99,2	0,06	0,10	0,6	91,8	1,4	6,9	64,8
Шликера	7,6	13,2	49,8	25,3	7,5	1,1	7,0	97,0	77,5	17,5
Невязка	–0,2	0,3					1,2	1,6	15,6	17,6

Примечание. Температура фильтрации 340 °С.

В котел объемом 10 л загружали навеску чернового свинца. Включали электрообогрев и температуру свинца в котле повышали до 600 °С. При этой температуре расплав свинца перемешивали и отбирали пробу для анализа исходного состава. Температуру снижали до заданной и производили рафинирование свинца. Во время рафинирования ротор центрифуги погружали в расплав свинца на глубину 10–30 мм, обеспечивающую полное покрытие расплавом тарелей во время их вращения. Вращение ротора в расплаве производится со скоростью 100–200 об/мин в течение 1–5 мин. После наполнения кристаллами полости между тарелями ротор поднимали над поверхностью расплава и увеличивали скорость его вращения до 1500–3000 об/мин. В течение 20–30 с происходила «сушка» кристаллов, т. е. полное удаление из него жидкого расплава свинца, затем вращение фильтра останавливали. Верхнюю тарель освобождали и поднимали ее по оси вверх так, чтобы дать доступ к съемам, оставшимся на нижней тарели. С помощью ручного скребка удаляли съемы с внутренней поверхности нижней тарели, верхнюю тарель опускали вниз и снова закрепляли. Центрифуга была готова к следующему циклу рафинирования. Погружение ротора в расплав, «сушку» съемов, выгрузку их продолжали до полного удаления твердой фазы от расплава чернового свинца, что определялось визуально по отсутствию осадка в тарелях, затем отбирали пробы конечных продуктов: свинца и съемов [8.2]. Укрупненные опыты с навесками 50–100 кг проводили центрифугой [9.2], применяемой для фильтрации оловянных припоев. Полупромышленные испытания проводили на центрифуге ПАФВС-650 (рис 1.9) применяемой при рафинировании олова и описанной в работе [10.2].

Для проверки возможности использования центробежной фильтрации для рафинирования свинца были проведены поисковые опыты с черновым свинцом Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината. Опыты проведены на лабораторной погружной центрифуге (рис. 2.1) с навесками в среднем 50 кг чернового свинца. В табл. 2.2 показаны результаты опытов по грубому обезмеживанию свинца.

Таблица 2.2

Результаты поисковых опытов грубого обезмеживания свинца УКСЦК

Состав, %, исх. Pb		Состав, %, раф. Pb		Состав, %, шликеров			Cu/As at is	Степень, %, удален.		Pb/CuAs шлик
Cu	As	Cu	As	Cu	As	РЬ		Cu	As
1,07	0,37	0,21			8,0	63,6	3,32	80,0	80,7	2,21
1,1	0,40	0,18			10,4	56,7	3,17	84,0	88,7	1,51
1,4	0,51	0,22			9,3	56,7	3,17	84,0	87,4	1,68
1,55	0,65				12,4	40,3	2,76	97,0	89,1	0,90
2,1	0,81	0,21			11,2	51,7	2,96	90,0	77,4	1,27
2,34	0,93	0,18			10,9	54,1	2,90	92,0	89,0	1,37
2,7	1,06	0,24			11,0	53,3	2,93	91,0	85,8	1,33
3,9	1,64	0,06			10,9	52	2,73	98,0	86,1	1,32

Примечание. Навески 50 кг. Температура фильтрации 400 °С.

При исходном содержании в свинце более 1 % меди выход шликеров (Vix) изменяется по уравнению:

Vix = 2,9∙[Cu] + 0,72 с корреляцией 0,93. (2.1)

При среднем содержании 2,1 % меди получается отрафинированный свинец со средним содержанием 0,2 % меди со средним удельным выходом свинца в шликера Pb/Cu = 1,9.

Таблица 2.3

Результаты грубого обезмеживания чернового свинца завода «Электроцинк»

Черновой свинец		Pb рафинированный		Состав шликеров, %			Cu/As at is	Степень удален.		Потери Pb/CuAs	Kрспр Ast/Asj
Cu	As	Cu, %	As, %	Pb	Cu	As		Cu, %	As, %
0,7	0,7			66,9		5,67	1,15	90	48,6	4,1	14,9
	0,49		0,2			5,17	2,22	94,4	63,3	3,3	25,9
	0,68			69,8		7,53	1,77	95,5	77,5	3,2	47,1
	0,74	0,01				6,97	1,77	99,4	56,5	2,4	19,9

Примечание. (Cu/As)atis – соотношение атомарного содержание седи и мышьяка в исходном свинце; Kрспр – коэффициент распределения мышьяка равный соотношению содержания в тведых шликерах к содержанию в отрафинированном свинце Ast/Asj

При среднем содержании 1,5 % меди в исходном свинце завода «Электроцинк» [11.2] получен металл с содержанием 0,03–0,07 % меди. Средний состав шликеров 16,2 % меди, 57,9 % свинца. Относительный средний выход свинца в шликера Pb/Cu = 3,6.

С повышением содержания меди в исходном свинце относительный выход свинца в шликера снижается по уравнению:

Pb/Cu = 8 – 3∙[Cu] с корреляцией 0,7. (2.2)

где [Cu] весовая концентрация меди в исходном свинце; Pb/Cu – выход свинца относительно количеству удаляемой примеси.

Таблица 2.4

Результаты поисковых опытов грубого обезмеживания свинца завода Укрцинк

Черновой свинец			Pb рафинированный			Состав шликеров, %				Степень удаления		Потери
Cu	As	Sb	Cu, %	As, %	Sb, %	Pb	Cu	As	Sb	Cu, %	As, %	Pb/CuAs
0,74			0,15	0,17	2,56	76	8,65	0,1	6,21	81,4	3,44	8,69
0,82		2,9	0,12	0,1	2,64	74,55	10,2	0,15	6,45	96,7	11,6	7,20
1,03			0,15	0,07	2,88	72,39	12,17	0,29	7,03	85,6	24,4	5,81

Характерной особенностью чернового свинца завода Укрцинк это высокое содержания сурьмы и часть его переходит в медистые шликера.

Выход свинца в шликера объясняется низким содержанием мышьяка и зависит от исходного содержания меди по уравнению:

Pb/(Cu + As) = 13,62 – 7,2∙[Cu]is с корреляцией 0,9, (2.3)

где [Cu]is – содержание меди в исходном свинце; Pb/(Cu + As) – выход свинца относительно суммы удаленных количеств Cu, As.

На рис. 2.1 показано сравнение относительного выхода свинца в шликера при грубом обезмеживании чернового свинца разных заводов.

Рис. 2.1. Сравнение относительных потерь свинца при грубом обезмеживании чернового свинца разных заводов. Обозначения: ордината PotPb – потери свинца в дроссы относительно величине удаляемых примесей Cu + As; абсцисса – [Cu]is – содержание Cu в исходном черновом свинце kaz – завода УКСЦЗ; ukr – завода Укрцинк; ord – завода «Электроцинк»

Особенностью чернового свинца завода УКСЦК является высокое содержание мышьяка, который удаляется с медью в шликера. Выход свинца в шликера зависит от соотношения Cu/As по уравнению:

с корреляцией 0,75, (2.4)

где – атомное соотношение Cu, As в исходном свинце.

В лабораторных условиях исследовано влияние температуры на результаты центробежного рафинирования, которые приведены в табл. 2.4 [11.2]. Расплавленный черновой свинец массой 53–48 кг подвергали грубому обезмеживанию в процессе центробежного рафинирования при температурах фильтрации 340–550 °С.

Таблица 2.5

Влияние температуры на показатели грубого обезмеживания свинца «Электроцинка»

Тфил	Состав исходных металлов		Металлы отфильтрованные		Состав шликеров			StCu	StAs	Шлик. Pb/(Cu + As)
	Cu	As	Cu	As	Cu	As	Pb
340	0,44	0,4	0,063	0,22	7,2	4,3	75,7	86,9	53,2	6,6
350	0,59	0,4	0,044	0,38	10,8	5	72	92,8	40,9	4,6
370	0,84	0,74	0,024	0,38	19,8	10,4	57,4	97,2	53,9	1,9
400	0,76	0,52	0,07	0,32	17,8	5,5	60,7	91,2	41,1	2,6
400	0,73	0,35	0,053	0,28	17,38	8	66,4	92,7	52,7	2,6
440	0,82	0,74	0,064	0,4	12,1	5,8	66,3	92,5	48,5	3,7
450	0,47	0,34	0,12	0,48	12,2	6,38	70,6	75,2	28,4	3,8
500	0,82	1,3	0,11	0,39	11,8	16	69	88,2	74,0	2,5
550	0,55	0,47	0,06	0,22	9,8	5	66,8	89,6	54,5	4,5

После фильтрации черновой свинец содержит 0,03–0,07 % меди. Рафинирование при температуре выше 550 °С осложняется из-за налипания шликеров на тарелях центрифуги. При температуре ниже 340 °С повышается выход отфильтрованных шликеров и возрастает содержание в них свинца.

Таблица 2.6

Баланс распределения компонентов при центробежном рафинировании чернового свинца (завода «Электроцинк»)

Статьи	Масса, кг	Выход, %	Содержание, %
			Cu	As	Sb	Pb
Загружено: Свинец черновой	49,9		0,82	0,74	0,36	98
Оборотные шликера	0,95		1,21	0,3	0,7	92,4
Грубое обезмеживание:
Получено: Свинец рафинированный	3	5,9	12,1	5,85	1,6	66,4
Шликера	47,8		0.05	0,4	0,28
Тонкое обезмеживание:
Оборотные шликера.	1,2	2,5	2,3	0,87	0,64
Обезмеженный свинец	46,5		0,005	0,37	0,35	91,6
Извлечение в шликера			92,6	48,1	26,6	2,3

Анализ результатов центробежного рафинирования свинца, полученных в лабораторных условиях, свидетельствует о возможности и целесообразности применения этого процесса в промышленных масштабах на стадии грубого обезмеживания свинца путем поиска путей предотвращения налипания шликеров. Однако, внедрение процесса центробежного рафинирования металла требует многократных испытаний операции рафинирования на конкретных составах жидкого чернового свинца. В поиске вариантов применения центробежной фильтрации в действующее свинцовое производство предложена непрерывная установка использования аппарата центробежной фильтрации [12.2]. Особенность заключается в том что, исходный металл охлаждают заливкой его в ванну с расплавом свинца, имеющим 420–520 °С и содержащим 0,2–0,5 % меди. Из нижней части ванны выводят отфильтрованный свинец, а из верхней части непрерывно фильтром собирают шликера на установке рис. 2.2.

Рис. 2.2. Схема постановки центрифуги на котел непрерывного цикла. Узлы: 1 – котел; 2 – заливной порог; 3 – сливной порог; 4 – транспортер сбора и разгрузки шликеров; 5 – решетка; 6 – охлаждение; 7 – нагревателб; 8 – тарели фильтра; 9 – фильтрующая щель; 10 – заборные окна; 11 – двигатель вращения фильтра; 12 – механизм подъема ротора с фильтром

Испытания моделирования непрерывного рафинирования свинца проводили ранее описанной полупромышленной центрифугой ЦП-200 [9.2], устанавливаемой на сварном котле. Черновой свинец из печи с температурой 900 °С и содержащий 0,6–4,5 % меди; 0,5–1,5 % мышьяка заливают в ванну 1 при перемешивании со свинцом с температурой 420–520 °С и под охлаждением 6. Одновременно с этим в верхней зоне ванны вращают фильтр 8 центрифуги, который захватывает металл со шликерами через окна 10 в полость фильтра. Под действием центробежной силы жидкий свинец продавливается через фильтрующую щель 9, а твердый осадок накапливается в полости фильтра. По мере накопления твердого осадка тарели 8 поднимают над уровнем расплава в зону транспортера 4, тарели 8 раскрывают и осадок выбрасывают в транспортер 4.

В нижней части ванны 1, отделенной решеткой 5, металл охлаждается 6 до температуры 240–380 °С, отстаивается от выделяющихся кристаллов меди до содержания 0,06–0,15 % меди в металле и через сифон 3 сливается в емкость. Опыты моделирования непрерывности рафинирования показали возможности снижения выхода свинца в шликера. Фильтрация при температуре 520 °С снижает качество отфильтрованного металла. Фильтрация при температуре 420 °С повышает качество отфильтрованного металла, но повышается выход свинца в шликера. С увеличением доли слива расплава с ванны от 0,3 до 0,5 снижается качество сливаемого металла [13.2]. С целью снижения образования настылей предложено [14.2] исходный расплав с температурой 900–1000 °С, охлаждать путем его смешения в заливочном лотке подачей из котла донного расплава с температурой 350–450 °С.

Для этого в устройстве (рис. 2.3) установлен экран на глубину в 2–3,5 раза превышающий глубину погружениия тарелей фильтра, а лоток соединен тангенциально со средней частью экрана.

Результаты приведены в табл. 2.7.

Установка [14.2] для непрерывного обезмеживания свинца состоит из обогреваемого котла 1, снабженного холодильником 2 и желобом 3 для слива отрафинированного свинца. На котел устанавливается центрифуга 4 с погружаемым фильтром из тарелей 5, фасонным экраном 6, в середину которого тангенциально под острым углом врезан цилиндрический лоток 7 для подачи смеси исходного и охлажденного расплавов в зону кристаллизации соединений. Во внешней зоне расплава 10, расположенной за экраном 6 и служащей своеобразным сифоном для слива очищенного расплава, помещен насос с сифоном 11 для подачи в лоток 7 охлажденного и очищенного металла. Исходный черновой свинец из печи с температурой 900–1000 °С по желобу заливают в лоток 7 и смешивают с оборотным охлажденным свинцом. Для этого в поток 7 исходного металла подают струю охлажденного до 350–450 °С металла с помощью насоса 11 с донной охлаждаемой зоны. В нижней части ликвационной зоны 9 очищенный от всплывших шликеров металл выводится через сифонную зону 10, отделенную фасонным экраном 6.

Таблица 2.7

Результаты опытов моделирования цикличной непрерывности грубого обезмеживания свинца

Операции	Т, °С	Загрузка вес, кг	Состав, %		Получено вес, кг	Состав, %		Степень, %, очистки от		Выход Pb/(CuAs)
			Cu	As		Cu	As	Cu	As
Pb ванны		90	0,5	0,15
Черновой Pb		40	1,5	0,6
Фильтр шликера	520				2,7	37	11,7	95,1		1,01
Pb на сливе					37,2		0,14
Pb ванны		90	0,3	0,1
Черновой Pb		120	1,5	0,6
Фильтр шликера	460				6,1		10,5	92,5		1,36
Pb на сливе					114	0,1	0,12
Pb ванны		90	0,2	0,1
Черновой Pb		80	1,5	0,6
Фильтр шликера	420				3,8	27	9,5	74,3		1,61
Pb на сливе					76		0,1

По мнению авторов [14.2] испытания показали возможность предотвращения настылеобразования путем резкого охлаждения, поступающего чернового свинца с температурой 900 °С смешиванием с холодным оборотным свинцом с температурой 380 °С. Исходный черновой свинец содержал 4 % меди, 1,4 % мышьяка. Одновременно в верхней зоне смешения свинца с температурой 530 °С непрерывно забираются в полость вращающегося фильтра центрифуги. Отфильтрованные сыпучие шликера содержат 36 % Cu; 11,1 % As; 1,9 % S с выходом 10,4 %. При центробежной фильтрации на выбросе из фильтра свинец содержал 0,33 % меди, 0,21 % мышьяка. Из нижней зоны сливался отрафинированный свинец с содержанием 0,06 % меди, 0,18 % мышьяка, 0,06 % серы. Таким образом от резкого охлаждения образуются сыпучие шликера без настылеобразования, которые выводятся фильтром по мере их образования [14.2]. С целью снижения потерь свинца со шликерами расплав охлаждают до 360–430 °C, подвергают центробежной фильтрации вместе с оборотными шликерами, а затем повторяют центробежную фильтрацию после вмешивания серы и вновь удаляют шликера. В последующей работе авторы [15.2] показали, что при центробежной фильтрации оптимальная температура свинца 400–450 °С.

а б в

Рис. 2.3. Схема установки центробежной фильтрации свинца. Узлы: 1 – котел с обогревом; 2 – холодильник; 3 – желоб слива; 4 – центрифуга; 5 – тарели фильтра; 6 – экран; 7 – лоток подачи смеси металла; 8 – мешалка; 9 – зона кристаллизации; 10 – сифонная зона; 11 – насос с сифоном; 12 – бункер транспортера шликеров

При этом максимальный выход шликеров составил около 3,5 % от чернового свинца при содержании 46,2–50 % Рb; 26,4–28,7 % Сu; 11,5 % Аs. Содержание примесей в свинце после центрифугирования не превышало 0,20 % Сu и 0,3 % Аs. Тем не менее, узким местом использования центробежного обезмеживания свинца является цикличность операций. Поэтому авторы периодически возвращаются к совершенствованию непрерывного рафинированию с использованием центробежной фильтрации.