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

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

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»

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

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»

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»)

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

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.