Способ щелочного рафинирования свинца и аппарат для его осуществления
METHOD AND APPARATUS FOR ALKALINE REFINING OF LEAD

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к рафинированию свинца от мышьяка, олова, сурьмы.
Известен способ [1] рафинирования сурьмы от примесей окислением в присутствии щелочного шлака с отделением его от металла. Способ обеспечивает удаление примесей из металла и не ставит цели снижения высокого расхода щелочи.
Известен также способ [2] регенерации щелочи из щелочных плавов от рафинирования свинца, выбранный в качестве прототипа, включающий центробежную фильтрацию расплава щелочного плава, полученного при рафинировании свинца от мышьяка, олова, сурьмы после вмешивания в него реагента, выбранного из группы, содержащей, хлористый кальций, сульфат кальция, гидроокись трехвалентного железа, хлорид трехвалентного железа.
Недостаток этого способа заключается в том, что регенерация щелочи осуществляется из ранее полученных плавов по известной технологии [3], но признаки не влияют на процесс непосредственного рафинирования. Это объясняется тем, что соли нерастворимых примесей имеют размер около 20 мкм и не задерживаются фильтром. Только после переплавки плава, температурной выдержки часть частиц кристаллизуется и задерживается в щели фильтра и служит постелью для задерживания более мелких.
Известен центробежный аппарат [4] фильтрации расплава от твердых примесей, содержащий плавильную камеру, раму и расположенные на ней ротор, фильтр, образованный двумя конусообразными тарелями, обращенными друг к другу большими основаниями с зазором, механизм возвратно-поступательного вертикального перемещения фильтра в ванну с расплавом, привод вращения фильтра, механизм регулирования зазора между тарелями, сборник твердого осадка, снабженный отбойником брызг расплава, расположенным в нижней части рамы по оси фильтра, желобом кольцеобразного сборника осадка, расположенным в верхней части отбойника брызг расплава, скребковым транспортером, расположенным в желобе по его оси, с приводом и отражателем, расположенным над отбойником брызг по оси фильтра и выполненным в виде усеченного конуса.
Недостаток аппарата в том, что неэффективно перемешивает смесь расплавов щелочи и металла. Поверхность фильтра скользит в слое металла или щелочи. Предназначен для вылавливания твердых примесей из металла.
Известен также центробежный аппарат, принятый за прототип [5], состоящий из плавильной ванны, корпуса, установленных на нем ротора с фильтром, образованного двумя конусообрзными тарелями, прижатыми большими основаниями с образованием фильтрующей щели, снабженных заборными отверстиями, привода вращения ротора, механизмом перемещения ротора, раскрытия тарелей и узла разгрузки осадка, который выполнен в виде тороидальной кольцевой полости с щелевидным зазором со стороны фильтра, при этом внутри полости коаксиально помещена ленточная спираль, соединенная с приводом.
Недостаток аппарата состоит в том, что недостаточно перемешивает смесь расплавов щелочи и металла. Поверхность фильтра скользит в слое металла или щелочи и не обеспечивает перемешивания, и поэтому аппарат предназначен для вылавливания твердых примесей из металла. Использование традиционной механической мешалки для перемешивания трехфазной расслаивающейся суспензии жидкого щелочного плава с плотностью 2,7 кг/л с твердым реагентом и жидкого свинца с плотностью 11,3 кг/л недостаточно диспергирует свинец для образования поверхности реакции между фазами. Поэтому вначале примеси окисляют под мешалкой в щелочной плав, снимают его с поверхности свинца. Затем по прототипу расплавляют с реагентом для центробежной фильтрации. Кроме того, образуются при этом мелкие кристаллы соли примесей, проскакивая щель фильтра, пока не забьется щель крупными кристаллами. После заполнения такими кристаллами фильтр слабо процеживает щелочь из своего объема. Поэтому недостаточна регенерация щелочи.
Цель способа заключается в том, чтобы обеспечить рафинирование свинца связыванием мышьяка, олова, сурьмы с реагентами в нерастворимое соединение с образованием суспензии твердых частиц в щелочном расплаве путем повышения эффективности диспергирования тонких струй свинца в щелочном плаве, повышения поверхности контакта примесей свинца с щелочным плавом. Это обеспечивает отстойное отделение чистой щелочи от уплотненного осадка примесей и повторное ее использование. Таким образом достигается цель - снижение расхода щелочи.
Технический результат способа достигается тем, что в щелочной расплав дополнительно вмешивают реагент-осадитель, связывающий примеси в соль, нерастворимую в расплавленной щелочи. Перемешивание осуществляют забором расплавленного свинца и диспергированием его в слой щелочного расплава с упомянутым реагентом-осадителем.
После стадии перемешивания осуществляют забор щелочного расплава над поверхностью свинца от образовавшейся суспензии осадка в расплаве уплотнением его путем отстаивания в центробежном поле по удельному весу осадка соли примесей от легкого щелочного расплава и последующий возврат отстоявшейся щелочи в общий объем расплава.
Стадии перемешивания свинца с реагентом-осадителем и отстаивания осадка из щелочного расплава осуществляют при температуре 500-550°C. Указанная температура обеспечивает образование укрупненных кристаллов в условиях их уплотнения в центробежном поле.
Для связывания мышьяка качестве реагента предпочтительно вмешивать соль железа, например гидрат окси железа, хлорное железо.
Для связывания олова, сурьмы в качестве реагента предпочтительно вмешивается соль кальция, например хлористый кальций, гидрат окиси кальция.
Повышение эффективности реакции между примесями свинца с суспензией реагентов в щелочи достигается дроблением струй свинца в щелочной расплав реагента и связыванием примесей в соль, нерастворимую в расплавленной щелочи. При таком перемешивании образование нерастворимых соединений проходит более полно с укрупнением частиц.
Технический результат аппарата обеспечивается тем, что он снабжен цилиндрической камерой для реагентов, погружаемой в расплав свинца. Цилиндрическая камера установлена с зазором от большого основания фильтра, чтобы создать достаточный слой щелочного плава и обеспечить в нем работу фильтра.
Кроме того, аппарат снабжен ограничительным цилиндром, жестко прикрепленным с зазором посредством крестовины к внутренней стенке цилиндрической камеры и расположенным между стенкой камеры и нижней тарелью. Это обеспечивает циркуляцию свинца в котле для обновления состава свинца, диспергируемого в щелочной плав.
В аппарате узел раскрытия тарелей содержит механизм регулирования фильтрующего щелевого зазора между тарелями, обеспечивающий раздельное перемешивание свинца с расплавом реагентов и диспергирование свинца в расплав щелочи (при зазоре 2-3 мм), и минимального зазора на стадии отстойного расслоения щелочного плава.
Кроме того, аппарат снабжен заборным окном всасывания расплава в фильтр, выполненным со стороны вершины конуса нижней тарели. Ограничительный цилиндр расположен на уровне погружения заборного окна нижней тарели в расплав. Заборное окно снабжено дополнительными наклонными лопастями для улучшения захватывания свинца в полость фильтра с последующим выбросом струй под действием центробежных сил.
В аппарате верхняя тарель снабжена окнами сброса отстоявшейся жидкой очищенной щелочи от накопившегося слоя осадка. Диаметр, опоясывающий окна сброса расплава, в 1,2-1,6 раз больше диаметра заборного окна для создания центробежных сил выбрасывания жидкой щелочи одновременно с засасыванием исходного плава.
Технический результат достигается еще и тем, что аппарат снабжен кольцевым сборником над цилиндрической камерой для приема выбрасываемого из фильтра уплотненного осадка примесей. Внутри полости кольцевого сборника осадка коаксиально помещена ленточная спираль, соединенная с приводом для обеспечения отвода осадка из аппарата.
Центробежный аппарат обеспечивает осуществление способа сочетанием указанных существенных признаков.
Способ реализуется в центробежном аппарате (фиг 1), который содержит обогреваемый плавильный котел 1, съемную раму 2 со стойками, по которым может перемещаться траверса 3. На траверсе 3 подвешен ротор 4 с фильтром, состоящий из двух 5, 6 соосных конусообразных тарелей, соосно сжатых друг к другу большими основаниями с образованием фильтрующей щели 7 и полости фильтра. Траверса 3 с ротором 4 и фильтром способна вертикально перемещаться с помощью привода 8. В верхней части по оси вертикального перемещения ротора установлен узел 9 раскрытия тарелей. Нижняя тарель 5 закреплена на валу 10, размещенном подвижно по оси ротора 4, и снабжена у основания конуса заборным окном 11, снабженным наклонными лопастями 12 (рис 2). На роторе 4 (рис 1) в нижней части закреплена верхняя тарель 6, снабженная у вершины конуса окнами 13 сброса легкой расплавленной щелочи. Диаметр, опоясывающий окна 13 сброса, в 1,2-1,6 раз больше диаметра заборного окна 11. При диаметре опоясывающего окна сброса 13 меньше в 1,2 раза диаметра заборного окна создается недостаточная центробежная сила сброса щелочи. При диаметре опоясывающего окна сброса 3 больше в 1,6 раз диаметра заборного окна 11 уменьшается объем и длительность накопления осадка. На роторе 4 в средней части закреплен шкив 14 привода вращения. В верхней части ротор 4 подвижно соединен с валом 10 пружинным механизмом 15 регулирования зазора между тарелями 5, 6. На раме 2 в нижней части жестко закреплена цилиндрическая камера 16, погружаемая в расплав свинца в котле 1. К внутренней стенки камеры 16 жестко закреплен с помощью крестовины 17 ограничительный цилиндр 18, расположенный между стенкой камеры 16 и большим основанием конуса 5 фильтра, на глубину максимального погружения фильтра в металл. На раме 2 закреплен кольцевой сборник 19 для сбора выбрасываемого осадка, выполненного в виде тороидальной кольцевой полости с щелевидным зазором 20 со стороны оси перемещения фильтра. Внутри полости кольцевого сборника 19 коаксиально помещена ленточная спираль 21 конвейера, соединенная с приводом.
Способ рафинирования осуществляется с помощью центробежного аппарата следующим образом.
В электрообогреваемый котел 1 загружается свинец, подлежащий рафинированию, и нагревается до температуры расплава 500-550°C. В ванну камеры 16 загружаются реагенты по регламенту с расчетом на содержание примесей и расплавляются. В расплав свинца погружается ротор 4 с фильтром 5, 6 на глубину погружения заборного окна 11 в расплав свинца. Механизмом 15 устанавливается зазор 2-3 мм фильтрующей щели 7 между тарелями. При установке зазора меньше 2 мм снижается производительность циркуляции расплава. При установке зазора более 3 мм снижается поверхность дробленых струй свинца и поверхность реакции.
Приводом 14 фильтр приводится во вращение на 400 об/мин. За счет центробежных сил и лопаток 12 расплав свинца через окно 11 всасывается в полость фильтра и выбрасывается через фильтрующую щель 7 в камеру 16 с расплавом реагентов и у стенки цилиндра 16 камеры стекает по зазору между стенками 16, 18 в расплав котла, обеспечивая циркуляцию свинца. (Показано стрелками на фиг. 2.) За счет зазора фильтрующей щели происходит интенсивное диспергирование свинца в щелочном плаве. Большая поверхность струй свинца из щели 7 повышает взаимодействие с реагентами для окисления примесей и образования нерастворимых соединений. По завершении периода стадии перемешивания ротор 4 с фильтром 5, 6 (фиг. 1) механизмом 8 приподнимают на уровень основания вершины конуса верхней тарели 6 ниже станины 2, соответствующий положению заборного окна 11, 12, выше поверхности расплава свинца (показано пунктиром положение "А"). В этом положении фильтрующая щель 7 плотно сжата до зазора 0,1 мм. Приводом 14 фильтр приводится во вращение 1100 об/мин. Заборное окно 11, 12 захватывают суспензию щелочного плава в полость фильтра 5, 6, и по его наполнении происходит расслаивание плава на твердые тяжелые фракции солей примесей у щели и более легкий жидкий щелочной плав ближе к центру с выбрасыванием через окна сброса 13 в объем плава (обозначено пунктиром и стрелкой на фиг 2). Через определенные промежутки по регламенту механизмом 8 фильтр приподнимают на уровень фильтрующей щели 7 напротив щелевидного зазора 20, (показано пунктиром положение "Б"). Заборное окно 11 нижней тарели 5 в этом положении располагается над уровнем солевого плава в камере 16. В этом положении механизмом 9 (Фиг 1) тарели 5, 6 раскрываются и осадок примесей выбрасывается через щель 7 в кольцевой сборник 19 и выводятся спиральным 21 конвейером. Цикл повторяется до прекращения выделения осадка твердых примесей. Очищенный щелочной плав используется для рафинирования других примесей. Операции загрузки окислителя, реагента-осадителя повторяют добавкой их в регенерированный объем щелочи до получения необходимой чистоты свинца.
Пример 1: Испытания проведены в лабораторном центробежном аппарате, установленном на электрообогреваемом котле емкостью 10 л, с двигателем постояного тока для привода во вращение фильтра диаметром 120 мм. Аппарат снабжен цилиндром камеры плава диаметром 150 мм с ограничительным цилиндром. В котел загружено 50 кг свинца после обезмеживания состава: 0,2% мышьяка; 0,15% олова; 0,3%.сурьмы. Металл нагрет до температуры 520°C. В камеру плава на поверхность расплава свинца загружено 0,37 кг щелочи; 0,1 кг селитры; 0,16 кг гидратов железа. Фильтрующий зазор настроен на 2 мм. Фильтр погружен, по предварительной тарировке, заборным окном нижней тарели в расплав свинца и приведен во вращение 400 об/мин. После 60 мин вращения фильтр остановлен, поднят по замеру на уровень выше поверхности свинца, тарели плотно сжаты и приведены во вращение 1100 об/мин. По истечении 3 мин и фильтр поднят выше уровня ванны плава и остановлен. Тарели фильтра раскрыты и осадок разгружен. Вес осадка 0,34 кг с содержанием 27,9% мышьяка; 0,2% свинца; 24,3% железа. Состав свинца в котле 0,01% мышьяка; 0,2% олова; 0,29% сурьмы.
В камеру плава на поверхность остатка плава догружено 0,17 кг щелочи; 0,1 кг селитры; 0,2 кг гидратов кальция. Фильтрующий зазор настроен на 2 мм. Фильтр погружен заборным окном нижней тарели в расплав свинца и приведен во вращение 400 об/мин. После 60 мин вращения фильтр остановлен, поднят по замеру на уровень выше поверхности свинца, тарели плотно сжаты и приведены во вращение 1100 об/мин. По истечении 3 мин и фильтр поднят выше уровня ванны плава. Тарели фильтра раскрыты и осадок разгружен. Вес осадка 0,64 кг с содержанием 10,9% олова; 21,9% сурьмы; 0,2% свинца. Состав свинца в котле 0,01% мышьяка; 0,01% олова; 0,02% сурьмы. Регенерировано щелочи 80,7% при снижении избытка в сравнении с прототипом.
Пример 2: В котел загружено 50 кг свинца после обезмеживания состава: 0,2% мышьяка; 0,15% олова; 0,3% сурьмы. Металл нагрет до температуры 520°C. В камеру плава на поверхность расплава свинца загружено 0,37 кг щелочи; 0,1 кг селитры; 0,24 кг хлорного железа. Фильтрующий зазор настроен на 2 мм. Фильтр погружен на уровень заборного окна нижней тарели в расплав свинца и приведен во вращение 400 об/мин. После 60 мин вращения фильтр остановлен, поднят по замеру на уровень выше поверхности свинца, тарели плотно сжаты и приведены во вращение 1100 об/мин. По истечении 3 мин и фильтр поднят выше уровня ванны плава и остановлен. Тарели фильтра раскрыты и осадок разгружен. Вес осадка 0,35 кг с содержанием 27,2% мышьяка; 0,2% свинца; 23,4% железа. Состав свинца в котле 0,01% мышьяка; 0,2% олова; 0,29% сурьмы.
В камеру плава на поверхность остатка плава догружено 0,15 кг щелочи; 0,13 кг селитры; 0,31 кг хлористого кальция. Фильтрующий зазор настроен на 2 мм. Фильтр погружен на уровень заборного окна нижней тарели в расплав свинца и приведен во вращению 400 об/мин. После 60 мин вращения фильтр остановлен, поднят по замеру на уровень выше поверхности свинца, тарели плотно сжаты и приведены во вращение 1100 об/мин. По истечении 3 мин и фильтр поднят выше уровня ванны плава. Тарели фильтра раскрыты и осадок разгружен. Вес осадка 0,57 кг с содержанием 13,2% олова; 24,4% сурьмы; 0,2% свинца. Состав свинца в котле 0,01% мышьяка; 0,01% олова; 0,02% сурьмы. Регенерировано щелочи 89,3% при снижении избытка в 3 раза в сравнении с прототипом.
Предлагаемый способ позволяет снизить расход щелочи на 80-89%, получить осадки примесей практически без металлического свинца, что снижает расходы на их переработку. Кроме того, способ снижает затраты на захоронение опасных мышьяковистых отходов.
Литература
1. А. с. СССР №989884; C22B 30/02.
2. Патент РФ №1216233; C22B 13/06.
3. Смирнов П.М. Рафинирование свинца и переработка полупродуктов, М., 1977, 280 с.
4. А. с. СССР №923197. М. кл C22b 9/02.
5 Патент РФ №2002833. М. кл C22b 9/02.