Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.6. Работы института Гидроцветмет и УКСЦК по использованию центробежных аппаратов в процессах рафинирования свинца
В течение 1978–1987 гг. институтом Гидроцветмет совместно с УК СЦК проводились исследования, включая лабораторные, укрупнённые опыты, опытно-промышленные и промышленные испытания по применению центробежных аппаратов в процессах рафинирования чернового свинца, на операциях грубого и тонкого обезмеживания и обессеребрения. Исследования по обезмеживанию были начаты с лабораторных опытов по изучению распределения примесей меди, мышьяка, сурьмы и других элементов по продуктам центрифугирования расплава чернового свинца, определений температурных режимов центрифугирования и составов образующихся шликеров. Опыты проводили на черновом свинце УК СЦК с различными содержаниями примесей, с использованием лабораторной погружной центрифуги с диаметром тарелей 120 мм. После нагрева расплава свинца до 600–650 °С проводили изучение влияния температуры расплава на результаты центрифугирования в интервале температур 600–330 °С с отбором проб через 50 °С при равномерном охлаждении расплава. Исходный свинец содержал, % мас.: 84,0–94,1 Pb; 0,49–6,65 Cu; 0,51–2,80 As; 1,81–1,87 Sb. При фильтрации расплава в интервале 550–330 °С в шликеры удаляется медь и в значительной степени мышьяк. Сурьма, висмут, теллур, серебро и золото практически полностью остаются в свинцовом расплаве. Состав свинца после ценрифугирования, мас. %: 96,5–96,8 Pb; 0,17–0,03 Cu; 0,47–0,12 As; 1,7–1,75 Sb.
Выход шликеров составлял 4–5 % от массы исходного свинца. Шликеры, полученные при температуре более 500 °C, содержали наибольшее количество 29–40 % меди и 13–16 % мышьяка. Содержание в них свинца составляло ~40–50 %. При низких температурах (320–400 °С) шликеры содержали 19–20 % Cu, 10–11 % As, а содержание свинца возрастало до 65 %. Средневзвешенный выход шликеров, полученных в исследуемом интервале температур, составлял 7,3–7,8 % от исходного расплава. Шликера содержали, мас. %: 51–46 Pb; 26–28 Cu; 12–13 As; 1,78–3,0 Sb. Исходный свинец содержал некоторое количество сульфидов свинца и цинка, которые при ликвации переходили в шликеры вместе с арсенидами меди. Практически они являлись основными составляющими шликеров, отобранных при 650–600 °С. Наличие в шликерах некоторого количества сульфидов цинка и свинца повышает их температуру первичной кристаллизации до ~1000 °С. Арсенидные соединения меди (арсениды меди, сложные арсено-сульфидные медно-свинцовые эвтектики) в зависимости от содержания их в шликерах кристаллизуются в области 900–560 °С. В интервале 550–530 °С происходит кристаллизация халькозин-галенитовой эвтектики. Имеющийся в шликерах металлический свинец является основой для образования сложных эвтектик с сульфидами свинца, меди и арсенидами меди. Кристаллизация в шликерах заканчивается затвердеванием этих сложных эвтектик на основе свинца в интервале 300–260 °С. Основу шликеров, снятых при повышенных температурах, составляют арсенидно-медные фазы и фаза на основе механически захваченного металлического свинца, а при пониженных – сульфид свинца и эвтектика на основе свинца. При высокотемпературном (600–650 °С) центрифугировании расплава свинца отмечались явления прилипания шликеров к тарелям и признаки спекания всей массы шликеров в тарелях при отжиме (сушке) и выгрузке материала. Это обусловлено выделением из свинца сульфидно-арсенидной жидкой фазы с последующей её кристаллизацией во время охлаждения материала при отжиме и выгрузке. При низкотемпературном ведении процесса при температуре менее 550 °C cульфиды свинца и меди из расплава свинца выделяются полностью в виде твёрдых фаз и прилипания к тарелям не происходит.
Опытно-промышленные испытания центрифуги ПАФВС-650 на стадии грубого обезмеживания свинца
Серия балансовых опытов, проведенная в данных условиях, показала, что при обезмеживании свинца, содержащего от 0,5 до 6,6 % Cu, использование центробежной фильтрации даёт следующие результаты: содержание меди в шликерах достигает 25–37 %; свинца – 36,2–66,5 % (в зависимости от температуры); выход шликеров составляет 5–8 %; с содержанием меди в шликерах 25–37 %. Результаты показали, что мышьяк совместно с медью удаляется из свинца в медистые шликера на 50–90 % в зависимости от соотношения Cu/As в виде соединения AsCu3 [36.2].
На основании полученных результатов было показано, что центрифугирование возможно использовать при грубом обезмеживании чернового свинца в режиме: охлаждение расплава (с одновременным перемешиванием) до ~500 °C; последующее центрифугирование при охлаждении в интервале температур ~500–350 °С до полного отделения шликеров. Использование центрифуги типа ПАФВС при грубом (ликвационном) обезмеживании чернового свинца позволяет в ~2 раза сократить выход шликеров, снизить в них содержание свинца и увеличить содержание меди и мышьяка [36.2; 37.2].
С целью отработки режимов обезмеживания чернового свинца, полученных с использованием лабораторной центрифуги, в цехе рафинации Свинцового завода УК СЦК была смонтирована опытно-промышленная установка, включающая 2 электрообогреваемых рафинировочных котла ёмкостью по 30 т свинца и центрифугу ПАФВС-650. В период испытаний, проводимых совместно институтом Гидроцветмет и УК СЦК, было переработано 2 тыс. т чернового свинца, содержащего, % мас.: 0,35–2,50 Cu 0,60–1,90 As; 1/10–1,74 Sb; 0,05–0,19 Sn. Начальная температура поступающего в котлы свинца, находилась в пределах 550–800 °С.
Результаты испытаний показали, что содержание меди, мышьяка и других примесей в свинце после съёма шликеров центрифугированием остаётся на том же уровне, что и при съёме шликеров крановой шумовкой. Шликеры центрифугирования содержат 24,4 % Cu, 9,8 % As и от 50 до 71,4 % Pb в зависимости от состава и температуры расплава свинца при центрифугировании. Как и при лабораторных опытах, шликеры центрифугирования представляли сыпучий материал.
В период испытания был снят материальный баланс. Распределение металлов по продуктам рафинирования характеризуются следующими показателями: в шликеры переходят 3,5 % Pb; 90,9 % Cu; 56,5 % As; 7,1 % Sb; 37,3 % Sn. Рабочее время центрифугирования, необходимое для снятия шликеров с 30-тонного котла составило 45 мин.
Сравнением операции центрифугирования с существующим съёмом шликеров шумовкой (параллельные опыты) было установлено, что применение центрифуги снижает переход свинца в шликеры на 1,5 %. Выход шликеров уменьшается почти в 2 раза. При этом содержание свинца в шликерах ниже (62,2 %), чем в шликерах, снятых крановой шумовкой (86,3 %) [38.2]. При ведении испытаний в экстремальных температурных режимах отмечались случаи образования настыли на внутренней полости тарелей. Причиной этому является формирование при высоких температурах более 500 °С в свинцовом расплаве жидкой галенит-халькозиновой эвтектики, а при более низких температурах – образование капель свинца с тонкодисперсными выделениями шликерных фаз. Последнее приводило также к высокому содержанию металлического свинца в шликерах (до 70 % от его общего количества в шликерах). Для устранения этого явления расплав в период центрифугирования интенсивно перемешивали и принудительно охлаждали. При всех положительных результатах центрифуга ПАФВС-650, рассчитанная на работу по очистке от примесей олова на котлах ёмкостью 30 т (по свинцу) не могла быть использована на УК СЦК, где процессы рафинирования осуществляются в котлах ёмкостью 310 т по свинцу. К тому же необходимо отметить высокотемпературные режимы процессов. На основании успешных промышленных испытаний на стадии обезмеживания чернового свинца центрифуги ПАФВС-650 Руководством Комбината была поставлена задача создания промышленной центрифуги, необходимой производительности и надёжности работы, отвечающей требованиям технологического процесса (работа на рафинировочных котлах ёмкостью 310 т, при увеличении времени работы в условиях возросших нагрузок, повышенных температур и др. специфических особенностях условий свинцового производства).
В соответствии с поставленной задачей по х/договору с институтом Гидроцветмет с СКБ ГИТ СО АН СССР были спроектированы и изготовлены (по ходу испытаний) две центрифуги – ПАФВС-1200-1у и ПАФВС-1200-2у. По сути, новые образцы аппаратов были полными конструкторскими копиями модели центрифуги ПАФВС-650 и отличались лишь увеличенным габаритом, дающим возможность работы на 310-тонном котле, и диаметром тарелей (1200 мм), а также, в связи с этим, некоторым усилением рабочих узлов. Также образец ПАФВС-1200-2у вместо цепного транспортёра для выгрузки шликеров был оборудован бункером-накопителем.
Авторы показали, что в отдельных испытаниях применение центрифуги ПАФВС-1200-2у позволяет снизить содержание свинца в шликерах в 1,4 раза и в 1,8 раза уменьшается выход шликеров и при 400–430 °C получать свинец с содержанием меди 0,03–0,1 % [39.2]. Однако, длительные промышленные испытания на стадии обезмеживания чернового свинца данных моделей центрифуг, проведенных Институтом Гидроцветмет в производственном цикле Рафинировочного цеха УК СЦК, показали их неработоспособность. Как правило, после одного-двух операций происходили остановки, выход из строя отдельных деталей, узлов. Это приводило к нарушению технологического цикла, длительным ремонтным работам, замены дефицитных частей и деталей.
Тонкое обезмеживание
Центрифугирующая фильтрация может быть также применена на операции тонкого обезмеживания после предварительного вмешивания в расплав серы. Тонкое обезмеживание свинцового расплава с использованием центрифугирования проводили в соответствии с принятой технологией, т. е. при температуре расплава 330–340 °С и работающей мешалке вводили серу в количестве 1,2 кг/т свинца. Образующиеся сульфидные шликеры снимали центрифугой. Результаты опытов показали, что выход шликеров составил в среднем 3,5 % [40.2]. Содержание меди в свинце после окончания операции составило 0,008–0,002 %, а в шликерах – от 10,1 % при высоком содержании её в исходном расплаве (0,33 %) и до 2,52–0,75 % при исходном содержании в расплаве 0,11–0,032 %. В сульфидные шликеры мышьяк переходит незначительно. Это согласуется с мнением, что сера в присутствии меди химически не влияет на вывод мышьяка из свинцового расплава. Основу сульфидных шликеров составляют сульфид свинца и фаза на основе металлического свинца.
Обессеребрение свинца с использованием центробежной фильтрациии
Обессеребрение свинца на всех свинцовых заводах осуществляют путём введения металлического цинка в свинцовый расплав, предварительно очищенный от меди, мышьяка, олова и сурьмы. Процесс ведётся в две стадии с получением богатой и бедной серебристой пены. Бедная серебристая пена является оборотной. Снятие пены с поверхности свинцовой ванны производят с помощью крановой шумовки. Богатая пена содержит кусковой материал и значительное количество механически увлечённого свинца. Для дальнейших операций богатую пену подвергают грохочению с отделением крупнокускового материала, который возвращают в рафинировочный котёл. Однако в богатой пене, поступающей в купеляционное отделение, остаются высокие концентрации свинца и цинка (более 60 и 30, соответственно). Процесс снятия богатой серебристой пены крановой шумовкой и последующее грохочение сопровождаются значительным запылением, что приводит к нарушению санитарно-гигиенических условий в цехе, а также потерям ценных компонентов.
С целью определения возможности использования данных центрифуг были проведены операции центрифугирования на стадии обессеребрения чернового свинца. Предварительные испытания обессеребрения путем вмешивания цинка при температуре 500–430 °С, расплав охлаждают до 440–400 °С, при введении в него оборотной серебристой пены предыдущей операции отделяют и направляют на переработку богатую серебристую пену, при охлаждении расплава от 380 до 350 °С снимают оборотную пену. Это позволяет снизить выход оборотов на 6–8,8 % [41.2].
Авторы работы [42.2] сравнением состава и структуры серебристой пены, полученной центрифугированием и снятой шумовкой, показали, что продукты аналогичны по минеральному составу, но различаются крупностью материала и количественным соотношением фаз в зернах и сростках. Продукт центрифугирования представляет собой сыпучий материал крупностью частиц не более 10 мм. Выход фракции +2,5 мм составляет 5–7 %. Опытно-промышленные и промышленные испытания проводили на операции снятия богатой серебристой пены непосредственно в рабочем технологическом цикле рафинировочного цеха в котлах ёмкостью 310 т с использованием в режиме испытаний аппаратов ПАФВС-1200-1у конструкции СКБ ГИТ СО АН СССР и ПАФВС-1200-2у. В ходе промышленных испытаний [43.2; 44.2] отрабатывалась конструкция аппарата, определялись надёжность и работоспособность основных технологических узлов агрегата, а также технологические режимы процесса.
Проведенные испытания дали следующие результаты: выход богатой серебристой пены составил 2 %; содержание свинца в ней снижено в среднем до 50,95 % против 61,80 % по существующей технологии;
– содержание цинка снижено в среднем до 26,8 % против 32,0 % соответственно;
– в получаемой богатой серебристой пене возросло в 2 раза содержание фракции с повышенными концентрациями благородных металлов.
Полученный материал пены представлял пескообразный относительно однородный продукт, не требующий грохочения, поэтому его сразу направляли на переработку в купеляционное отделение. Время операции снятия богатой серебристой пены центрифугой составляет в среднем 1 час, с учётом подготовительных работ – 1 час 15 мин. Это несколько выше, чем с использованием крановой шумовкой. Однако высвобождение крана, автоматический режим работы агрегата и, главное, ликвидация операции грохочения даёт очевидное преимущество центрифугированию.
Проведенные испытания показали, что использование центрифугирования на операции обессеребрения свинца может повысить экономические показатели, обеспечить повышение автоматизации и механизации процесса на данной стадии рафинирования. Тем не менее, постоянные сбои, аварийные поломки и остановки практически на каждой операции, необходимость очистки расплава от «якорей» и их обломков дали основание считать данную конструкцию недоработанной и недостаточной для внедрения.
Проведенные исследования, опытно-промышленные и промышленные испытания показали перспективность практического использования центрифугирования на операциях рафинирования чернового свинца УК СЦК. Однако, этот вопрос полностью определяется надёжностью аппаратуры, обеспечивающей бесперебойную эксплуатацию её в условиях технологического процесса свинцового производства. Как показали опыты, проведенные Гидроцветметом и УК СЦК, центрифуга ПАФВС-650 может быть применена на операциях рафинирования чернового свинца в определённых технических условиях, определяемых возможностями её работы на котлах ёмкостью до 50 т Pb.