Испытание противоточной экстракции индия из свинцово лололянных сплавов в солевой расплав

ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЦЕНТР НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ ЭВЕНСИС
FEDERAL CENTER OF SCIENCE AND EDUCATION
Новации в области технических наук
Выпуск II
Сборник научных трудов по итогам
международной научно-практической конференции
(25 марта 2017 г.)
г. Рязань
2017 г.
1
Контроль и измерение параметров, учет расхода отпускаемых и потребляемых ресурсов, дает нам
возможность экономии ресурсов и финансовых затрат.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
ГОСТ 30494-96 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях», п.2
табл.1
СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные», п.9.3
«Газифицированные котельные агрегаты» О.Н. Брюханов,
В.А. Кузнецов, Москва ИНФРА-М 2015.
СанПиН 2.1.2.2645-10 "Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в
жилых зданиях и помещениях".
С32 Технические средства систем автоматизации теплоэнергетических процессов. Учебное
пособие/ В.Е. Серенков. Самара: Самарский государственный технический университет,2010-89с.
«Энергосбережение в системах теплоснабжения» М.В. Посашков,
В.И. Немченко, Г.И. Титов,
Самара 2014 г,
СЕКЦИЯ №6.
ГОРНАЯ И СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
СЕКЦИЯ №7.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
ИСПЫТАНИЕ ПРОТИВОТОЧНОЙ ЭКСТРАКЦИЯ ИНДИЯ ИЗ СВИНЦОВО-ОЛОВЯННЫХ
СПЛАВОВ В СОЛЕВОЙ РАСПЛАВ
Дьяков В.Е.
Центральный научно-исследовательский институт олова, г. Новосибирск
Индий широко применяется в виде припоев в радиоэлектронной промышленности и накапливается
в виде металлических отходов отработанных изделий. Индий в малых содержаниях также распределен в
отходах и полупродуктах производства свинца и олова, которые служат источником его получения. При
вакуумном рафинировании олова отгонкой и конденсацией индий выводятся в сплав совместно со свинцом
и висмутом как промпродукт. Этим достигается концентрирование индия [1] в свинцово-висмутовый
конденсат с извлечением 50-70% до содержаний 0,1-0,6 %, пригодных к промышленному извлечению
индия.
Для извлечения индия из свинцового конденсата вакуумного рафинирования олова известен способ
[2] обработки расплава хлористым цинком. В расплав вводят реагент сульфат аммония в количестве 0,3-4
относительно содержания индия. С целью повышения степени извлечения индия авторы [3] предлагают
извлекать индий из свинцово-оловянных сплавов хлорированием расплавом флюса. Хлорирование проводят
хлористым цинком в присутствии органических веществ, где в качестве органического вещества
используют уксуснокислый натрий и хлористый аммония. С целью повышения степени концентрирования
индия из расплава авторы [4] предложили в качестве органического реагента использовать отходы
поливинилхлорида, как более слабый хлорирующий агент, чтобы снизить хлорирование олова. Авторы [5] в
поиске путей повышения степени извлечения индия и снижения расхода реагентов при извлечении индия из
свинцово-оловянного сплава предлагают обрабатывать расплав хлористым цинком. Полученный
выделенный солевой сплав перерабатывают цементацией введением цинкового сплава с 2-30% магния.
Значимых результатов достигли авторы [6, 7] при испытании извлечения индия из свинцово-оловянных
сплавов, путем их хлорирования расплавом хлористого цинка и свинца, при котором хлорирование проводят
в присутствии свинцового кека, взятого в количестве 10-25% от количества хлорида цинка. В последующем
солевой расплав выщелачивают с отделением свинцового кека и извлечением индия из раствора
цементацией.
19
Для осуществления способов экстракции индия из сплавов в солевой расплав разработан и испытан
аппарат [8], включающий реакционную камеру, соединенную с насосом, погружаемых в котел с расплавом,
в котором реакционная камера снабжена сифоном для слива расплава, диспергирующим устройством,
выполненным в виде цилиндра с перфорированной стенкой и коническим днищем и центральной трубой,
нижний конец которой входит в котел для расплава. С целью повышения степени извлечения индия в
аппарате [9] реакционная камера снабжена направляющими пластинами, расположенными с зазором и
отклоненные на острый угол к поверхности реакционной камеры в противоположные одна относительно
другой.
Для повышения надежности работы реакционная камера аппарата [10] снабжена диспергирующим
устройством, соединенным с насосом через центральную трубу с насадкой из тангенциально направленных
сопел. Реакционная камера снабжена трубой с сифоном, расположенном в отстойной камере и соединено с
ее верхней полостью. Получаемые цинковые плавленые хлориды от извлечения индия цементацией
цинком еще содержат 0,1-0,3% индия, 1,6-6% олова. Авторами [11] проведено исследование скорости
растворения плавленых цинковых хлоридов и выявлено тормозящее влияние хлористого свинца на
растворение хлоридов цинка. Разработан способ интенсификации растворения плавленых цинковых
хлоридов путем размывания крупногабаритных масс плавленых хлоридов, чтобы повысить извлечение
олова, свинца и индия. Для растворения плавленых хлоридов известен аппарат [12], включающий
реакционную камеру, насос со всасывающим патрубком, сифон слива расплава и диспергирующее
устройство, соединенное с насосом и реакционной камерой, заключающееся в том что, вход всасывающего
патрубка насоса снабжен воронкой, установленной с возможностью осевого перемещения в вертикальном
направлении относительно всасывающего патрубка насоса. Сифон с насосом обеспечивает слив жидкого
расплава в агитатор растворения.
Исследованием кинетики экстракции индия расплавом солей из свинцово оловянного сплава [13]
показан переход индия в расплав хлористого цинка в виде монохлорида [InCl*2ZnCl2]. Выявлено влияние
цинка, мышьяка в металле и влияние PbСl2 в солевом плаве.
Несмотря на удовлетворительные технико-экономические показатели промышленной экстракции
индия в солевой расплав, обусловленный высокой ценой индия, технология имеет недостаток в
многостадийности процесса.
Поэтому предпринимались попытки разработать [14] противоточную экстракцию из расплава.
Аппарат содержал обогреваемую реакционную камеру, снабженную патрубком подачи металла, слива
солевого расплава и сифоном слива металла, заключающийся в том, что аппарат снабжен неподвижной
перегородкой в виде полых усеченных конусов, закрепленных на стенке камеры меньшими основаниями
вверх, и вращающимся валом с конусными тарелями с осевыми ребрами, закрепленными меньшими
основаниями вверх. Осевые ребра установлены на внутренней поверхности тарели, а патрубок для подачи
солевого расплава размещен под конусом тарели.
Обзор отражает поиск авторами технологических решений высокотемпературной экстракции.
Однако, технология сопровождается много стадийностью и большим расходом реагентов. В работе
приведены результаты исследований противоточной экстракции индия в солевой расплав из расплавленного
металла.
Методика опытов
Опыты по противоточной экстракции индия проводили на опытном аппарате (Рис 1). В печи 8
расплавляется сплав индий содержащего конденсата, который стекает на неподвижную тарель 4 и
перетекает от центра конусной тарели 4 на вращающуюся тарель 2.
20
Рис 1. Опытный аппарат противоточной экстракции индия из сплавов в солевой расплав.
1-Ванна; 2-вращающиеся конусные тарели ; 3-вал привода; 4- неподвижные конусные тарели диаметром
20дм; 5- фиксирующие кольца; 6- печь плавления сплава; 7-слив солевого плава; 8-печь плавлениия соли; 9сифон вывода отработаного сплава; 10- внутренняя стенка подвижной тарели; 11-ребра перемешивания;
12-меньшее основание подвижной тарели; 13-меньшее основание неподвижной тарели; 14-зона солевого
расплава.
По поверхности вращающейся тарели 2 стекает на периферию и стекает на следующую
неподвижную 4 тарель. Внизу из камеры конденсат отводится через сифон 9. Солевой расплав хлористого
цинка расплавляется в печи 6 и стекает на дно ванны 1. Всплывает в металле и накапливается в каждой
внутренней полости вращающейся тарели 2. С помощью ребра 11 на поверхности 10 вращ тарел 2 расплав
перемещается по поверхности 14 ребра тарели. По мере поступления солевого расплава под конусную
тарель 2 избыток его выталкивается через край основания 14 тарели 2, всплывает по зазору между конусами
в центр под внутренюю полость вышележащей каждой из четырех тарелей. Таким образом осуществляется
противоточное движение расплавленного сплава и солевого расплава. Температура регулировалась
регулятором ТРМ-1 с термопарой ТХА. Периодически слив сплава и солевого расплава взвешивались и
отбирались пробы. Пробы анализировались атомно-адсорбционным методом на атомно-эмиссионном
спектрометре с индуктивно связанной плазмой IRIS Intrepid компании INTERTECH Corporation.
Результаты опытов и обсуждение.
В печи расплавлено 210 кг конденсата с содержанием 0,15%In; В камере заполняется 25кг
конденсата. Скорость слива расплавленного металла изменялась от 1 до 3 кг\мин, а в средне взвешенная
скорость составляла 1,63 кг\мин. В отдельной печи расплавляется 18,8кг хлористого цинка. Под тарелями
камеры помещается 1,8кг расплава соли. Скорость слива расплава соли изменялась в интервале 0,05-0,24
кг\мин, средне взвешенная скорость 0,11 кг\мин. Общая поверхность контакта соли с металлом-34 дм2.
21
Скорость вращения тарелей составляла 12- 26 об\мин. Температура в экстракторе поддерживалась 330 оС. В
таблице 1 приведены результаты опыта испытания противоточного экстрактора.
Таблица 1 Кинетика противоточной экстракции индия из оловяно-свинцового расплава
момент
min
0
25
60
65
75
85
95
115
125
141
Скорость заливки,
кг\мин
сплава
соли
0
0
1,2
0,05
1,07
0,05
1,5
0,17
1,5
0,21
1,5
0,21
3
0,24
1,5
0,11
3,5
0,23
1,88
0,07
Содержание
на сливе,% In
сплава
соли
0,150
0
0,12
0,32
0,1
0,52
0,09
0,66
0,074
1
0,062
1,1
0,055
1,12
0,062
1,14
0,054
1,15
0,04
1,16
Накопилось
в апарате
In,кг
0,038
0,062
0,089
0,091
0,099
0,102
0,113
0,125
0,139
0,147
Извлечение,
In % от
загрузки
0
0
4,9
9,4
24,7
39,5
52,7
61,8
69,2
71,4
К=
Inc/Inm
0
2,7
0,0
7,3
13,5
17,7
20,4
18,4
21,3
29,0
Степень концентрирования индия в солевой расплав в сравнении с содержанием в металле
К=Inc/Inm=29. Конечный выход сплава конденсата содержал -0,04% индия с достижением извлечения 71,4%.
In%m
0.2
0.15
0.1
0.05
0
кг\мин
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
Рис 2 Влияние скорости слива сплава на содержание индия в металле.
На рис 2 показано, что оптимальная скорость подачи конденсата составляет 2кг\мин.
1.6
1.2
0.8
0.4
0
0
Vc
0.1
0.2
0.3
Рис 3 Влияние скорости слива солевого плава на содержание индия в плаве.
На рис 3 видно, что равновесная скорость солевого расплава по составляет 0,07кг\мин.
22
Рис 4 Кинетика экстракции индия из сплава в солевой расплав.
По изменению содержанию индия в сплаве и солевом плаве рис 4 показывает, что равновесие
устанавливается через 80 мин, но степень извлечения продолжает повышаться. Концентрация индия в
солевом плаве в разгрузке экстрактора 2,34%. При такой достижимой концентрации расход реагента может
составить-4,36 кг\кг In. По данным источника [13] для примерно аналогичного металла расход соли
составляла 13кг\кг In. Средний расход соли в настоящем опыте составил-109 кг\кг In. Это можно объяснить
длительным и достижением равновесия. Для достижения устойчивости процесса требуется постановка
регуляторов расхода потоков.
Вывод:
Испытание опытного аппарата противоточного экстрактора показало оптимальные скорости подачи
сплава и солевого расплава на достижение равновесия процесса при температуре в экстракторе 330оС.
Ожидается снижение расхода солевого реагента на извлечение индия.
Список литературы
1.
Сутурин С.Н.,Семенов А.Е., Дьяков В.Е -Разработка и внедрение непрерывных
высокоэффективных процессов глубокой очистки олова с комплексным извлечением
сопутствующих металлов и исключением загрязнением окружающей среды \\Цветные металлы, .М,
1979, №8 стр.26-30.
2. Авт св СССР №522621 -Дьяков В.Е., Никитина В.Д.- Способ рафинирования олова от примесей,
опуб 1,06,78- БИ 25-78-с233.
3. Авт св СССР №753154 Дьяков В.Е.,Яковлев М.А.,Никитина В.Д. Способ извлечения индия из
сплавов. Опуб 27.06.11.Би№18-11-1082.
4. Авт св СССР №1039231 Дугельный А.П., Дьяков В.Е., Яковлев М.А., Корюкова Л.М.,Способ
извлечения индия из свинцового олова. опуб 10.11.11; №31-11-с1126.
5. Авт св СССР №1132562- Дьяков В.Е. Корюков Ю.С., Никитина В.Д., СоловьевБ.А., Яковлев М.А.
Способ извлечения индия из свинцового оловянного сплава -оп . 27.06.11; Би№18-11-с1082.
6. Авт св СССР №537521-Дьяков В.Е.,Туманова Т.И. Никитина В.Д, Андреев И.И. опуб 5.07.98г
Би25-78-с233
7. Pat. ФРГ 2711508 - Deutschland , Dyakov V.E.,Nikitina V.D.,Jakovlev M.A.,Semenov A.E.,Suturin
S.N.,Jurchenko L.I.,Selivanov I.M.,Tumanova T.I.,Andreev I.I.,Alexeev S.A.,Grebenikov
N.S..”Verfahren zur Herstellung von Indium”, aus. 20.09.1979.
8. Авт св СССР №680339 Дьяков В.Е., Корюков Ю.С.,Токарев В.С.,Яковлев М.А. -Устройство
селективного извлечения металлов -опуб-27.06.11; Би№18-11-с1082.
23
9. Пат.России №1334737- Дьяков В.Е,Галкин Е.А,Корюков Ю.С,Дугельный А.П,Новопашин
А.И,.Стекленев В.М - Аппарат извлечения индия из расплавленных металлов; Опубл: 27.06.2011;
Би№18-11-с1083.
10.-Пат.России №1338423-Галкин Е.А., Дьяков В.Е.,. Дугельный А.П, Корюков Ю.С., Новопашин
А.И. и Стекленев В.М. -Аппарат для извлечения индия из расплавленного металла. Опуб 1996.11.27,
БИ№28-96-с243.
11. Дьяков В.Е.,Семенов А.Е., Разработка и внедрение технологии утилизации отходов плавленых
хлоридов цветных металлов \\Цветная металлургия, 1978г-№9,с44-46.
12. Пат.России №1401903- Галкин Е.А.,Алексеев С.А.,Дьяков В.Е.,Дугельный А.П.,Корюов
Ю.С.,Новопашин А.Е., Стекленев В.М., Аппарат извлечения индия из расплавленных металлов;
опубл 1996.10.10. Би№28-96-с243.
13. Дьяков В,Е, Исследование экстракции индия расплавом солей из металлических отходов,\\
Изв ВУЗов Цветн метал, 2012, №4, с30-34.
14. Авт св СССР №1111498-Зыкус М.Ю., Дьяков В.Е., Несмелов В .Н., Никитина В.Д., Соловьев
Б.А., Корюков Ю.С., Дугельный А.П., Новопашин А.И.и Яковлев М.А.- Аппарат для извлечения
индия из свинцово-оловянных сплавов- опуб 27.06.11. Би№18-11-с1082.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ГЕОМЕТРИИ КАНАЛА ВОЛОКИ И УСЛОВИЙ ТРЕНИЯ
НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ В ПРОЦЕССЕ ВОЛОЧЕНИЯ
МЕДНОЙ ПРОВОЛОКИ В СРЕДЕ DEFORM 3D
Лошкарев О.Н., Маннабов Ё.А.
НИТУ «МИСиС», г. Москва
В настоящее время для анализа процессов обработки металлов давлением широко используются
хорошо зарекомендовавшие себя методы математического моделирования, реализованные в виде
программных
продуктов
ANSYS,
LS-DYNA,
DEFORM
3D,
QFORM
и
др.
Исследование влияния геометрии инструмента и трения на напряженно-деформированное состояние
металла при волочении круглых изделий выполнено с использованием моделирования процесса волочения в
конечно-элементном комплексе DEFORM-3D [2] .
Рассмотрен процесс волочения круглого сплошного профиля из круглой заготовки.
При проведении компьютерного моделирования были приняты следующие условия и допущения:
материал деформируемой среды – медь из базы DEFORM-3D (copper machining CuC2)
рассматривался один переход с 8 мм на 7,6 мм (обжатие 9,75 %); начальная температура - 20 C0; трение при
волочении по закону Кулона – 0,07; 0,1; 0,15 [1]; рабочие углы волоки - 12°; 18°;24°; инструмент (волока,
рис. 1) - абсолютно жесткое тело (материал – сталь Х12МФ), 3D модели инструмента были подготовлены
отдельно с применением пакета твердотельного моделирования SolidWorks; скорость волочения- 50 мм/с;
величина калибрующего пояска lкп - 2 и 5 мм; для построения трехмерной упорядоченной сетки конечных
элементов выбраны оболочечные элементы, конечно - элементная сетка катанки была создана с
использованием 26584 элементов (длина ребра элемента 0,5 мм); количество шагов моделирования – 100.
24