Введение к работе
В диссертационной работе поставлена актуальная научно-техническая проблема, состоящая в разработке процессов получения высококачественного цинка из сырья с повышенным содержанием кобальта и никеля Принятый методический подход, включающий анализ литературных данных, экспериментальные исследования со статистической обработкой результатов, теоретические электрохимические, термодинамические и кинетические расчеты, позволил разработать и научно обосновать ряд новых эффективных направлений по модернизации технологических схем гидрометаллургического производства цинка Работа не ограничивается рамками одного только предприятия, а может быть реализована на других цинковых заводах в России и за рубежом
Актуальность работы. Металлургическое производство цинка в последние годы развивается в условиях ухудшения качества перерабатываемого сырья и возрастания потребности на высококачественный цинк марки SHG. Переработка сырья с повышенным содержанием отрицательных для электролиза цинка примесей кобальта и никеля при этом остается проблемой, решение которой позволит вовлечь в производство новые виды некондиционного цинксодер-жащего сырья, снизить себестоимость получения высококачественного цинка и одновременно улучшить экологическую ситуацию на производстве
К настоящему времени в книгах и периодических изданиях авторами Ла-керником М.М и Пахомовой Г Н , Снурниковым А П , Набойченко С С , Зайцевым В Я , Маргулисом Е В , Хабаши Ф представлена технология гидрометаллургического производства цинка и химизм протекающих при этом процессов Однако многие вопросы, связанные с теорией и практикой производства высококачественного цинка из материалов с повышенным содержанием кобальта и никеля, практически не рассматривались Так, отсутствуют данные по поведению этих элементов на стадиях обжига цинковых концентратов, выщелачивания огарка, вельцевания цинковых кеков и других цементных остатков
Особое место при разработке процессов получения высококачественного цинка из сырья с повышенным содержанием кобальта и никеля занимают исследования процессов цементации примесей и электролиза цинка В работах Левина А И , Помосова А.В., Стендера В В , Алкацева М И , Кирьякова Г 3 ,Баймакова Ю В , Вольдмана Г М и Зеликмана А Н , V van der Pas D В Dreas-mger, К Tozawa и др большой объем исследований посвящен процессам цементационной очистки растворов и электролиза цинка Показаны заметные отличия в протекании процесса цементации кобальта из промышленного и синтезированного раствора Рассмотрен механизм влияния на цементацию кобальта и никеля активирующих добавок меди, сурьмы и мышьяка, а также синергети-ческое влияние примесей и различных ПАВ на электролиз цинка Однако в большинстве работ исследования по цементации и электролизу цинка проведены на модельных растворах сульфата цинка и промышленных электролитах, в которых содержание примесей, в частности, железа, хлора, фтора, органики на порядок ниже, чем в растворах, используемых в наших исследованиях
В связи с вышеизложенной информацией для решения указанной актуаль-
ной научно-технической проблемы возникает необходимость получения новых экспериментальных данных по физико-химическим превращениям кобальта и никеля на всех стадиях гидрометаллургической схемы получения высококачественного цинка с научным обоснованием полученных результатов
Цель работы. Разработка процессов получения высококачественного цинка из сырья с повышенным содержанием кобальта и никеля для реализации рентабельной комплексной технологической схемы его переработки Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи
проанализировать и обобщить на базе теоретических положений электрохимии, термодинамики и кинетики полученные экспериментальные данные поведения кобальта и никеля на стадиях обжига, выщелачивания, очистки растворов, электролиза, вельцевания,
установить закономерности изменения параметров цементации кобальта и никеля, и объяснить механизм влияния на процесс рассмотренных факторов (состава исходного раствора, различных добавок органических и неорганических веществ, рН и т п ),
создать математические модели выщелачивания огарка и цементации кобальта, достоверно описывающие изучаемый объект, вскрывая закономерности его поведения при изменяющихся параметрах протекания процесса,
разработать новые технические решения, позволяющие снизить себестоимость производства высококачественного цинка; при этом уменьшить поступление кобальта и никеля в растворы на стадии выщелачивания огарка и при переработке цементных продуктов, включая вельцевание, снизить затраты на активаторы и реагенты на цементации и электролизе, устранить адгезию катодного цинка к алюминиевой матрице
Объект исследования. Технология производства высококачественного цинка из сырья с повышенным содержанием кобальта и никеля
Предмет исследования. Разработка и реализация научно-
обоснованных технологических процессов производства цинка
Методы исследования включали-
анализ информации об изучаемых объектах,
проведение экспериментальных работ по обжигу, выщелачиванию, очистке растворов, электролизу и т д на установках, укомплектованных научными приборами известных фирм,
выполнение электрохимических, термодинамических и кинетических расче
тов, а также балансов металлов в промышленных испытаниях,
использование аттестованных методик химического, спектрального анализа, методов микроскопии, ИК-спектроскопии, рентгеноструктурного и локального рентгеноспектрального анализа,
статистическую обработку экспериментальных данных и создание математических моделей с проверкой их на адекватность с использованием программы Statgraphics Plus 5 I и др статистических программ
Достоверность полученных результатов достигалась экспериментальной проверкой научных положений диссертации с использованием современ-
ных методов статистики Базированием на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук электрохимии, термодинамики, металлургии цветных металлов Сопоставлением результатов эксперимента и испытаний с известными данными других исследований Подтверждением научных положений и выводов диссертации данными различных испытаний, а также результатами внедренных в промышленную практику разработок автора
Научная новизна в работе, по мнению автора, заключается в установлении следующих новых научно-обоснованных закономерностей:
представлена зависимость скорости процесса выщелачивания огарка, кон
тролируемого диффузией, от концентрации кислоты, цинка в растворе и теку
щей поверхности, выраженной через степень прореагировавшего вещества
Выведена математическая модель начальной скорости растворения от измене
ния площади поверхности (крупности огарка) и концентрации катионов водо
рода в растворе,
объяснен механизм влияния добавки в раствор PbS04, и металлического
свинца, вводимого в цинковую пыль, на процесс цементации Со2* и Ni2* . Пока
зано, что часть свинца из сульфата восстанавливается на поверхности цинковой
пыли и повышает перенапряжение выделения водорода, также как введенный в
цинковую пыль металлический свинец Не восстановленная часть сульфата
свинца блокирует образующиеся на поверхности цинка гальванические пары,
снижая эффект обратного растворения более электроотрицательных примесей,
" представлены данные цементации примесей и электролиза цинка в присутствии анионных и неионных флокулянтов и дано объяснение механизма их влияния на указанные процессы, согласующееся с теорией двойного электрического слоя на границе электрод-раствор,
объяснен механизм высокой интенсивности восстановления водорода в процессах цементации примесей из цинк-сульфатных растворов при рН 4,5 и выше, который связан с регенерацией катионов водорода в системе за счет образования трудно растворимых гидрооксосульфатов цинка с последующим его разрядом на цинке и восстановленных примесях;
выдвинута новая научная гипотеза, что при цементации Со2* и Ni2+ в присутствии меди и сурьмы ток разряда никеля возрастает в большей степени, чем кобальта из-за образования соединений NiSb с более высоким электрохимическим потенциалом, чем CoSb,a также непрерывного ряда твердых растворов Ni с Си
Практическая полезность и реализация результатов работы.
разработан новый упрощенный метод расчета выхода цинковых кеков и цементных продуктов по пяти компонентам состава шихты, загружаемой на обжиг
внесено изменение в методики определения нефтепродуктов и анионных ПАВ в промышленных цинк-сульфатных растворах, которое дает возможность получать дополнительную информацию о влиянии примесей на цементацию и электролиз цинка;
разработаны и частично реализованы мероприятия по реконструкции узла
классификации продуктов обжига, которые позволяют снизить переход в рас
твор Со на 12-13 и Ni на 31-33 %,
определены пределы дозировки активирующих добавок (реагентов сурьмы и меди) в зависимости от температуры процесса цементации примесей из промышленных растворов, что позволило улучшить показатели очистки и рационализировать расход тепла на нагрев растворов,
разработан новый реагентный состав на основе лигносульфоната марки «А» на электролизе цинка в условиях поступления растворов с глубокой очисткой от кобальта и других примесей Изменение состава реагентов позволило улучшить качество катодного осадка и снизить затраты на электролиз цинка,
разработана и внедрена технология получения медьсодержащего раствора из текущего медного кека и реализован способ дозировки порошка оксида сурьмы (Ш), что позволило исключить использование товарного медного купороса и более дорогостоящего антимонилтартрата калия на цементационной очистке цинковых растворов от примесей,
получены и использованы в производстве математические модели выщелачивания цинковых огарков, цементационной очистки растворов, которые позволили разработать новые эффективные процессы переработки сырья с повышенным содержанием Со и Ni;
получены новые идеи и знания об организации технической системы, в частности, классификации, измельчения и выщелачивания огарка, способов очистки растворов и электролиза цинка, на которые Роспатентом выдано 13 охранных документов, результаты работы внедрены на ОАО ЧЦЗ, прибыль от реализации разработок составила 34,8 млн. руб.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.
результаты обжига цинковых концентратов различного состава по Со и Ni, а также показатели выщелачивания этих металлов из обожженных концентратов, новый метод расчета выхода цинковых кеков и цементных полупродуктов,
кинетические особенности выщелачивания огарков разной крупности, зависимость изменения скорости реакции растворения огарка, протекающей в диффузионном режиме, от ряда факторов,
данные кинетики цементации примесей ( главным образом Со2+ и Ni2*) из промышленных растворов с объяснением механизма влияния различных неорганических и органических примесей на этот процесс, а также рН раствора,
математические модели растворения цинкового огарка и цементации Со2+ ,
электрохимические расчеты токов разряда ионов кобальта и никеля на цинке с объяснением причин их расхождения с данными кинетики цементации в присутствии меди и сурьмы,
* обоснование механизма регенерации и разряда катионов водорода на стадиях цементации примесей и теоретические расчеты скорости выделения .%>
технология производства активатора цинковой пыли - медьсодержащего
раствора из медного кека Зависимость расхода добавок меди и сурьмы от тем
пературы при цементационной очистке цинк-сульфатных растворов,
новый реагентный состав и новое техническое решение по устранению ад
гезии катодного цинка на автоматизированной линии электролиза
Личный вклад автора. На всех этапах разработок автор являлся научным руководителем, а в отдельные периоды и непосредственным исполнителем
лабораторных, промышленных испытаний и внедрения новых процессов Ему принадлежит постановка задачи, методология исследований, проведение экспериментов и расчетов, испытаний различного масштаба, теоретическое обобщение и обоснование полученных результатов, разработка и описание технических решений для получения охранных документов и подготовка рекомендаций к их практической реализации, написание и оформление публикаций в научных изданиях
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на научно-практическом семинаре-совещании «Экологические проблемы и современные технологии водоснабжения и водоотведения» г. Челябинск, 2000 г, на международной научной конференции «Металлургия 21 века- шаг в будущее» г. Красноярск, Россия 21-26 сентября 1998 г., секции НТС и ученом Совете института Гинцветмет (2005 г), на техническом совете ОАО «Челябинский цинковый завод» (2005-6 г) и на 4-ой международной конференции цинк 2006, Пловдив Болгария (10-12 сентября 2006 г).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 41 работа, в тч две монографии и одна брошюра, 23 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов докторских диссертаций, получено одно авторское свидетельство СССР, 11 патентов Российской Федерации, одно решение на выдачу патента РФ
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, 8 глав, заключение (общие выводы по работе), список используемой литературы и приложение Основное содержание работы изложено на 305 страницах машинописного текста (без учета списка литературы и приложения), содержит 121 таблицу и 155 рисунков. Библиографический список включает 219 наименований и 11-ть подстрочных ссылок
