CC BY
106
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ СВИНЦА
© Шавлохов С.Х.1
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет), г. Владикавказ
В данной статье охарактеризованы основные технологии получения свинца; определены положительные и отрицательные стороны применяемых технологий, высказано авторская позиция на наиболее эффективные методы производства свинца.
Ключевые слова промышленное использование, переработка, технология, катодный свинец, предварительная обработка.
Свинец относится к числу металлов, которые многократно включаются в сферу материального производства, так как относительно мало теряются в процессе промышленного использования. Большая часть потребности в свинце в индустриально развитых странах и, в первую очередь, в тех из них, где его природные источники ограничены, удовлетворяется за счёт переработки лома автомобильных аккумуляторных батарей.
В значительно меньших количествах свинец извлекается при переработке пришедших в негодность свинцовых труб различного назначения, силовых электрических кабелей, пластин, а также изделий из свинецсодер-жащих сплавов.
В литературе [1; 3; 4 и др.] можно обнаружить около 10 применяемых технологий.
Наиболее распространенная технологи вторичного получения свинца -это переработка отработанных аккумуляторных батарей. Но основными проблемами здесь являются, во-первых, организация их сбора, во-вторых, использование эффективных технологических методов извлечения свинца и в-третьих, соблюдение экологических норм на всех этапах переработки; экологические проблемы осложняет присутствие в аккумуляторных батареях, кроме свинца, количество которого в общей их массе составляет 55-68 %, и пластмассы (15-20 %), Экологически вредных сурьмы (1-3 %) и серной кислоты (10-15 %) [2]. Во многих экономически развитых странах (США, Германия, Япония, Италия и др.) эти проблемы успешно решены.
Переработка свинецсодержащих отходов с получением вторичного свинца диктуется не только экологическими соображениями, но и экономической эффективностью использования этого сырья. Энергозатраты при переработке аккумуляторных батарей с извлечением свинца в 3,5-4 раза меньше, чем при металлургическом переделе концентратов, полученных из природных свинцовых руд [1].
1 Аспирант второго года обучения кафедры Информатики.
Существует известная технология переработки свинцовых кеков
собственного производства на короткобарабанных печах.
Для ее «модернизации» можно предложить переработку свинцовых кеков, включающий стадии предварительной обработки свинцового кека путем его выщелачивания в растворе кальцинированной соды с исходной концентрацией 30-50 г/л при температуре 75-85 °С с дальнейшим смешением с натрийсодержащим флюсом, восстановителем и электроплавкой смеси.
Известна и такая технологическая схема процесса, включающую подготовку концентрата к экстракции, экстракцию благородных металлов в расплавленный свинец, переработку шлакового продукта с регенерацией 80 % щелочи от подаваемой, окислительное обогащение свинцового сплава с возвратом свинца в экстракционный процесс и гидрометаллургической доводкой спека благородных металлов с получением золотого и серебряного концентратов. По данной технологии выполнены модельные испытания, полностью подтвердившие эффективность данной технологии.
Получаемый тем или иным методом свинец должен подвергаться рафинированию, то есть очистке от целого ряда примесей, основными из которых являются: медь, висмут, олово, мышьяк, сурьма, серебро, кадмий. Начальной стадией рафинирования является очистка от меди (обезмеживание). Первым этапом обезмеживания является ликвационный процесс, основанный на том, что медь мало растворяется в свинце при низких температурах.
Оставшаяся после ликвации медь удаляется с помощью серы. Процесс основан на взаимодействии растворенной в свинце меди с серой с образованием сульфида Си^. В качестве альтернативы сере предложен цинк. Медь, образуя химическое соединение с цинком, легко извлекается в виде съемов. Оставшийся цинк довольно легко удаляется последующим щелочным рафинированием.
Висмут является трудноудаляемой примесью, так как является элементом, самым близким по ряду физико-химических свойств к свинцу. В основу процесса обезвисмучивания положены реакции образования тугоплавких химических соединений в системе свинец - висмут - кальций - магний -сурьма.
Рафинирование от висмута проводят в две стадии. На первой стадии висмут удаляется кальцием и магнием. Вторая стадия (тонкое обезвисмучи-вание) производится кальцием, магнием и сурьмой [3].
Рафинирование свинца от олова, мышьяка и сурьмы называют смягчением, поскольку эти примеси в свинце делают его твердым. Примеси As, Sn и Sb имеют большее сродство к кислороду, чем свинец, а их оксиды нерастворимы в жидком свинце. Это позволяет применить для удаления олова, мышьяка и сурьмы окислительное рафинирование.
Технология окислительного рафинирования сводится к нагреву свинца до температуры 750-800 °С с продувкой расплава воздухом. Конечное со-
держание примесей в свинце зависит от продолжительности процесса, условий окисления и перемешивания. Однако при продувке расплава воздухом происходит окисление не только примесей, но и свинца.
Более предпочтительным к настоящему времени следует считать щелочной метод, поскольку он имеет неоспоримые преимущества перед окислительным.
Метод щелочного рафинирования заключается в том, что через слой расплавленных солей (смеси едкого натра и поваренной соли) пропускают жидкий свинец в присутствии окислителя (натриевой селитры). Процесс рафинирования осуществляется при температуре 420,450 °С.
К недостаткам щелочного рафинирования следует отнести высокую стоимость реагентов и сложность гидрометаллургической схемы переработки плавов.
Максимальное содержание серебра в свинце или свинцово-сурьмяном сплаве, получаемом переработкой аккумуляторного лома, соответствует его содержанию в исходном свинце. В ряде случаев в состав сплавов для отливки положительных токоотводов вводится серебро. В этом случае появляется необходимость рафинирования свинцовых сплавов от серебра. Процесс рафинирования основан на способности серебра образовывать с цинком интерметаллические соединения с высокой температурой плавления и меньшей плотностью, чем у свинца.
Поскольку операция обессеребрения связана с введением в расплав цинка, возникает необходимость обесцинкования свинца. Однако, если рафинирование свинца или свинцового сплава от меди осуществляется с помощью цинка, процесс обезмеживания может быть совмещен с обессеребрением.
Рафинирование свинца может быть осуществлено не только пироме-таштургическим способом, но и электролизом. Свинец, подлежащий рафинированию, расплавляется в котле и далее разливается в аноды в виде пластин. Очень важным при электролитическом рафинировании свинца является выбор состава электролита. В настоящее время в основном применяется кремнефтористоводородный или борфтористоводородный электролиты.
Некоторые фирмы перед электролитическим рафинированием свинца проводят обезмеживание и щелочное рафинирование, что позволяет получать более чистый свинец.
Сравнивая электролитический метод рафинирования с пирометаллур-гическими, следует отметить его основное преимущество при рафинировании свинца с большим числом примесей, так как он позволяет в одну стадию вывести большинство из них в богатый полупродукт (шлам).
Существенным недостатком является его длительность, большие капитальные затраты, высокая токсичность электролита.
Экономическая целесообразность при выборе тот или иного метода рафинирования чернового свинца или свишюпого сплина определяется объе-
мом переработки, степенью загрязнения свинца, стоимостью энергоносителей и реагентов.
Рассмотрим более подробно еще одну технологию - рафинирование свинца в электролизере в солевом расплаве. Электролизер содержит электролизную ванну, анод, катод и сборник катодного свинца. При этом электролизная ванна выполнена из жаропрочного бетона. Анод размещен в углублении ванны и выполнен в виде графитовой подины со стальным токо-подводом, а катод выполнен в виде двух цилиндров из графита, непосредственно под которыми расположены желоба для стока катодного свинца в сборники. Технологический результат заключается в увеличении производительности электролизера, уменьшении энерго- и трудозатрат, повышении надежности работы электролизера.
Ванна электролизера выполнена из электропроводного материала с анодной емкостью из диэлектрика, в частности кварца, ванна снабжена вакуумным ковшом.
Общим недостатком аналогов является использование для сбора металла чащи из диэлектрика (кварц, базальт, муллит). Такую конструкцию трудно реализовать при многотоннажном производстве, что снижает технологичность.
Инвариантным способом является способ,когда электролизер включает в себя круглую футерованную обогреваемую катодную ванну и помещенную в нее анодную чашу из кварца с графитовым токоподводом, изолированным кварцевой трубой, катод в виде кольцевого конусного экрана, укрепленный над анодной чашей, сборник в виде сифонного кармана с нижней сифонной щелью и сливное отверстие.
К недостаткам данной конструкции электролизера относится наличие хрупких деталей: анодная чаша из кварца, кварцевый чехол токоподвода. Использование конусного экрана в качестве катода, укрепленного над анодной чашей, приводит к уменьшению выхода конечного продукта из-за попадания катодного металла обратно в анодную чашу.
Полученный катодный металл в электролизере по прототипу оставляют в качестве оборотного металла, в результате он будет накапливаться, и периодически его нужно будет подгружать в электролизер с исходным сырьем, что уменьшит выход готовой продукции, кроме того, на его переработку будет расходоваться дополнительная электроэнергия.
Наиболее эффективным, на наш взгляд, методом является тот, когда электролизная ванна прямоугольной формы выполнена из жаропрочного бетона, заключена в металлический кожух, анод размещен в углублении ванны и выполнен в виде графитовой подины со стальным токоподводом, катод выполнен в виде двух цилиндров из графита, непосредственно под катодами расположены желоба для стока катодного свинца в сборники. Роль желобов для транспорта и сборников для сбора катодного свинца выполня-
ют углубления в бетоне под катодами. Это предотвращает контакт конструкционного металла с электролитом и загрязнение расплава примесями, в частности железом. В результате повышается чистота продукта и увеличивается технологичность.
Увеличение производительности достигается за счет более высокой катодной плотности тока. В нашем случае она в полтора раза превышает катодную плотность тока, предлагаемую в прототипе, следовательно, за одно и тоже время на единице площади катода выделится в расчете на массу в полтора раза больше катодного свинца. Уменьшение энерго- и трудозатрат достигается в результате получения на катоде свинца, который выводился из технологического цикла в качестве готового продукта. В прототипе же катодный свинец направляется в оборот, что требует дополнительных энерго-и трудозатрат.
Список литературы:
1. Русин А.И. и др. Основы технологии производства современных свинцовых аккумуляторов. - М.: Издательство: Петрополис, 2012. - 152 с.
2. Исаева Н. В., Сердюк А.И. Проблемы и перспективы электрохимической переработки свинцово-кислотных аккумуляторов // Экотехнологии и ресурсосбережение. - К., 2005. - № 5.
3. Металлургия свинца и цинка / Под ред. А.К. Орлова. - СПб.: СПГГУ 2004. - 71 с.
4. Штойк С.Г. Исследование окислительно-восстановительных процессов при автогенной плавке свинцового сульфидного сырья и разработка ап-паратурно-технологической схемы, обеспечивающей наибольшую эффективность его переработки: автореф. дисс. ...канд. технич. наук. - М., 2011. -27 с.
