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真空炉处治高铅低锡试验研究

真空炉处治高铅低锡试验研究

本文作者:朱宝明作者单位:云南锡业集团(控股)有限责任公司研究设计院

锡是具有重要战略地位的有色金属之一。我国锡矿资源在历经上百年大规模开采之后,地表砂矿资源基本消失,而脉矿中以锡铅为主的共生多金属原矿中的锡品位则呈逐年下降趋势。并且在有些外购原料和自产以铅为主的混合精矿中、锡的品位常常波动较大,使熔炼产出含锡在7%~25%之间的高铅低锡合金的量逐年增多。也给这部分合金的分离处理带来了新的困难。在新型真空炉未研制应用于生产前,此类铅高锡低的铅精矿熔炼产出的高铅低锡合金沿用的处理方法:一是高锡与低锡物料相搭配,使合金原料中的锡含量达到焊锡真空脱铅炉的入炉低限(Sn>35%),再进入真空炉作锡铅分离处理。这种搭配入炉的处理方法有时需要经过重复两次真空作业才能达到产出粗锡含锡>85%的要求;二是对于含锡5%左右的高铅低锡物料,先在其中加入粗铅混合,使混合后物料含锡降至3%以下,然后在氧化锅中作氧化脱锡处理。对于第一种处理方法,生产不易灵活调节、金属积压期长、能耗高,特别对于含锡10%左右的高铅低锡合金,所需搭配的合金量大。对于第二种处理方法,金属直回收率低、渣量大、劳动条件差、环境污染严重。因此,上述两种处理方法,成本上不经济,工艺和车间管理程序也较复杂。为此,项目组在对原有焊锡真空脱铅炉进行研究改进,并设计出新一代真空蒸溜分离锡铅铋等多元合金的新炉型,考察了新型真空炉的锡、铅、铋等元素的分离效果,分析了各元素的走向,计算了日处理量、吨电耗以及金属平衡,以期对入炉物料中的锡含量无限制、提高炉内热利用率,降低能耗和生产成本提供一定的试验支撑。

1焊锡炉存在的不足和改进方法

推广在各冶炼厂用于锡铅分离生产的所有焊锡真空脱铅炉都是从炉底板进料的模式。进料管在炉底板下必须留有足够的长度,以保证工作过程中炉内良好的真空度和所需入炉料量大小的稳定调节,所以存在以下不足:其一,焊锡真空脱铅炉入炉锡铅原料中的锡含量必须>35%Sn,才能入炉处理,这是由于大气压恒定进料管长度也恒定的原因;其二,由于进料管长度的限制,炉内蒸溜面积无法增加,致使炉内相当一部分热能被冷却水所带走,热利用率不足。

据此分析,现有焊锡真空脱铅炉存在上述两点不足的原因可归结为一个,即炉底板进料模式固有缺陷形成的。若要克服这两点缺陷就必须改变进料方式,改由炉顶部进料或炉体侧边进料。这两种方式相比较,炉顶进料方式存在所需进料管较长、炉子拆装维修不便等因素,因而确定采用炉体侧边进料的模式。

2真空条件下金属元素的沸点

据克劳修斯—克莱普朗方程及理想气体状态方程,经热力学推导可得纯金属Sn、Pb、Bi、Sb、Ag的蒸气压与温度的关系式[1]:(略)。

当体系残压(真空度)为5Pa时,则Sn、Pb、Bi、Sb、Ag各元素纯金属的沸点依上述关系式计算可得表1。

从表1可以看出:Pb、Bi、Sb三元素与Sn、Ag的沸点有较大的差值。这不仅是真空蒸馏分离Sn、Pb、Bi、Sb的理论依据,也是真空蒸馏合金分离工艺过程中温度控制的参考点,也是本次新型炉改进设计中蒸馏面积、冷凝面积用量计算的参考值。尽管这些数据是以纯金属的理想状态计算并未引入该元素在合金中的活度进行计算所得,但由于用来生产的合金中主要元素的比例都较大,其活度也大,理论计算结果完全能够满足生产应用指导。

3新型炉特点及试验结果

3.1新型炉设计

新型炉的设计以突破对入炉物料中锡含量的限制和提高炉内热利用率、降低能耗为原则,并考虑到今后其他低熔点合金的分离应用。主要针对炉体部分作了以下设计改进:一是进料方式由原来的底板进料改为炉体侧边进料;二是排料方式由二元排料改为三元排料;三是蒸馏面积由原来的14个塔盘增加到19个,增加了1/3的蒸馏面积;四是变单级冷凝为多级冷凝。此外仅电气控制系统略有变更而其他设备均未作改动。

3.2试验

在新型炉安装调试完成后,对含锡在9%~21%范围内的高铅低锡物料作了三个条件试验,试验所用原料成分见表2。

3.2.1炉内蒸馏面积与冷凝结构搭配探索试验

以原料编号a为本次试验原料,其成分分析见表2,考察了蒸馏面积增加1/3后的影响,产出物随机取样分析结果见表3。由表3可见:含锡14.91%含铅84.03%的高铅低锡物料经一次真空蒸馏处理后,产出粗锡品位可富集提升至66%~90.5%之间,证明改进设计后的新型炉进排料性能没问题,将其用于处理高铅低锡物料并控制产出粗锡含锡在所需要求以内是可行的。但产出粗铅中含锡品位较高,在15.71%~18.74%之间,需返回再处理。因此,说明炉内的蒸馏与冷凝结构搭配不够合理,应加以调整。

3.2.2调整炉内蒸馏与冷凝结构试验

(1)考察产出粗锡含锡Sn>60%时的日处理量与吨电耗,以及产出粗铅的锡含量变化情况。所用入炉物料为原料编号b,成分分析见表2,产出物随机取样分析结果见表4。从表4数据可知:产出粗铅含锡已降至0.045%~0.055%之间,平均仅为490×10-6,说明经过调整的炉内蒸馏与冷凝结构已达较佳状态,当含锡20.77%含铅77.35%的原料经一次真空蒸馏至产出粗锡含锡Sn>60%时,日处理量为5.2t;吨原料处理电耗685kWh。同时产出的两个铅产品均达到了国标3#精铅99.0%的标准。

(2)考察产出粗锡Sn>80%时的日处理量及吨电耗,以及产出粗铅中锡含量变化情况。所用入炉原料为原料编号c,成分分析见表2,产出物随机取样分析结果见表5。从表5可见,当含锡9.91%含铅88.36%的原料经一次真空蒸馏处理后,将产出粗锡含锡品位富集提升至Sn>80%是完全可行的。产出的两个铅产品指标均达到国标3#精铅标准。但元素锑(Sb)在粗锡与粗铅中富集较多,为原料中的5倍左右。处理此原料的日处理量为4.62t,吨原料处理电耗797kWh。

4试验原料入炉和产出的金属平衡

4.1入炉原料与产出平衡

本次试验所用原料均为云南锡业公司第三冶炼厂所提供,原料总重52.477t,试验完成后归还该厂的各种产品净重为52.2796t,则原料进出平衡率为99.62%。

4.2金属平衡

本次试验的金属平衡见表6。由表6可知,Sn的回收率是99.607%,Pb的回收率是99.9954%,渣率为0.2275÷52.477=0.433%。

5结论

(1)含锡14.91%含铅84.03%的高铅低锡物料经一次真空蒸馏处理后,产出粗锡品位可富集提升至66%~90.5%之间,证明改进设计后的新型炉进排料性能没问题。

(2)经调整炉内蒸馏与冷凝结构后,以含锡20.77%含铅77.35%的高铅低锡物料为原料试验,产出粗锡含锡Sn>60%,粗铅含锡已降至0.045%~0.055%,铅产品均达到了国标3#精铅标准;日处理量为5.2t,吨原料处理电耗685kWh,说明经过调整的炉内蒸馏与冷凝结构已达较佳状态。

(3)含锡9.91%含铅88.36%的原料经一次真空蒸馏处理后,产出粗锡含锡品位富集提升至Sn>80%,产出的两个铅产品指标均达到国标3#精铅标准。处理此原料的日处理量为4.62t,吨原料处理电耗797kWh。

(4)新型真空炉处理高铅低锡物料的Sn的回收率是99.607%,Pb的回收率是99.9954%,渣率仅为0.433%。本研究既保留了老炉型的原有优点,又突破了老炉型对入炉原料含锡要求Sn>35%的限制。