Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 7
Глава 2. Изучение вещественного состава радиоэлектронного лома 18
Глава 3. Разработка технологии усреднения радиоэлектронного лома 27
3.1. Обжиг радиоэлектронного лома 27
3.1.1. Сведения о пластмассах 27
3.1.2. Технологические расчеты утилизации обжиговых газов 29
3.1.3. Обжиг радиоэлектронного лома в недостатке воздуха 32
3.1.4. Обжиг радиоэлектронного лома в трубчатой печи 34
3.2 Физические методы переработки радиоэлектронного лома 35
3.2.1. Описание обогатительного участка 36
3.2.2. Технологическая схема участка обогащения 42
3.2.3. Отработка технологии обогащения на промышленных агрегатах 43
3.2.4. Определение производительности агрегатов участка обогащения при переработке радиоэлектронного лома 50
3.3. Промышленные испытания обогащения радиоэлектронного лома 54
3.4. Выводы к 3 главе 65
Глава 4. Разработка технологии переработки концентратов радиоэлектронного лома . 67
4.1. Исследования по переработке концентратов РЭЛ в растворах кислот.. 67
4.2. Опробование технологии получения концентрированного золота и серебра 68
4.2.1. Опробование технологии получения концентрированного золота 68
4.2.2. Опробование технологии получения концентрированного серебра... 68
4.3. Лабораторные исследования по извлечению золота и серебра РЭЛ плавкой и электролизом 69
4.4. Разработка технологии извлечения палладия из сернокислых растворов . 70
4.5. Выводы к главе 4 74
Глава 5. Полупромышленные испытания по плавке и электролизу концентратов радиоэлектронного лома 75
5.1. Плавка металлоконцентратов РЭЛ 75
5.2. Электролиз продуктов плавки РЭЛ 76
5.3. Выводы к 5 главе 81
Глава 6. Изучение окисления примесей при плавке радиоэлектронного лома 83
6.1. Термодинамические расчеты окисления примесей РЭЛ 83
6.2. Изучение окисления примесей концентратов РЭЛ 88
6.2. Изучение окисления примесей концентратов РЭЛ 89
6.3. Полупромышленные испытания по окислительной плавке и электролизу концентратов РЭЛ 97
6.4. Выводы по главе 102
Выводы по работе 103
Литература 104
- Изучение вещественного состава радиоэлектронного лома
- Технологические расчеты утилизации обжиговых газов
- Опробование технологии получения концентрированного золота и серебра
- Разработка технологии извлечения палладия из сернокислых растворов
Введение к работе
Актуальность работы
Современная технология нуждается во все большем количестве благородных металлов. В настоящее время добыча последних резко сократилась и не обеспечивает потребности, поэтому требуется использовать все возможности по мобилизации ресурсов этих металлов, и, следовательно, возрастает роль вторичной металлургии благородных металлов. Кроме того, извлечение Au, Ag, Pt и Pd, содержащихся в отходах, выгоднее, чем из руд.
Изменение хозяйственного механизма страны, включая военно-промышленный комплекс и вооруженные силы, обусловили необходимость создания в отдельных регионах страны комплексов по переработке лома радиоэлектронной промышленности, содержащих драгоценные металлы. При этом обязательным является максимальное извлечение драгметаллов из бедного сырья и уменьшение массы хвостов-остатков. Немаловажным также является то, что наряду с извлечением драгметаллов можно получать дополнительно еще и цветные металлы, например, медь, никель, алюминий и другие.
Целью работы является разработка технологии извлечения золота, серебра, платины, палладия и цветных металлов из ломов радиоэлектронной промышленности и технологических отходов предприятий.
Основные положения, выносимые на защиту
Предварительная сортировка РЭЛ с последующим механическим обогащением обеспечивает получение металлических сплавов с повышенным извлечением в них драгоценных металлов.
Физико-химический анализ деталей радиоэлектронного лома показал, что в основе деталей присутствуют до 32 химических элемента, при этом соотношение меди к сумме оставшихся элементов составляет 50-г60 : 50-йО.
Низкий потенциал растворения медно-никелевых анодов, полученных при плавке радиоэлектронного лома, обеспечивает возможность получения
5 шламов благородных металлов, пригодных для переработки по стандартной технологии.
Методы исследования. Лабораторные, укрупненно-лабораторные, промышленные испытания; анализ продуктов обогащения, плавки, электролиза осуществлялся химическими методами. Для исследования использовался метод рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА) с использованием установки "ДРОН-06".
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обусловлены использованием современных и надежных методов исследования и подтверждается хорошей сходимостью результатов комплексных исследований, выполненных в лабораторных, укрупненно-лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна
Определены основные качественные и количественные характеристики радиоэлементов, содержащих цветные и драгоценные металлы, позволяющие спрогнозировать возможность химико-металлургической переработки радиоэлектронного лома.
Установлен пассивирующий эффект свинцовых оксидных пленок при электролизе медно-никелевых анодов, изготовленных из радиоэлектронного лома. Выявлен состав пленок и определены технологические условия подготовки анодов, обеспечивающие отсутствие условия пассивирующего эффекта.
Теоретически рассчитана и подтверждена в результате огневых экспериментов на 75"КИЛ0ГРамм0ВЬ1Х пРбах расплава возможность окисления железа, цинка, никеля, кобальта, свинца, олова из медно-никелевых анодов, изготовленных из радиоэлектронного лома, что обеспечивает высокие технико-экономические показатели технологии возврата благородных металлов.
Практическая значимость работы
- разработана технологическая линия по опробованию радиоэлектронных ломов, включающая отделения разборки, сортировки, механического
обогащения плавки и анализа благородных и цветных металлов;
- разработана технология плавки радиоэлектронного лома в индукци
онной печи, совмещенная с воздействием на расплав окислительных радиаль-
но-осевых струй, обеспечивающих интенсивный массо- и теплообмен в зоне
плавления металла;
- разработана и испытана в опытно-промышленном масштабе техноло
гическая схема переработки радиоэлектронных ломов и технологических от
ходов предприятий, обеспечивающая индивидуальную переработку и расчет с
каждым поставщиком РЭЛ.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались: на Международной конференции «Металлургические технологии и оборудование», апрель 2003 г., Санкт-Петербург; Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии», октябрь 2004 г., Санкт-Петербург; ежегодной научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» 9 марта - 10 апреля 2004 г., Санкт-Петербург; ежегодной научной конференции молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение" 13-29 марта 2006 г., Санкт-Петербург.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных трудах, в том числе 3 патентах на изобретение.
В материалах данной работы представлены результаты лабораторных исследований и промышленной переработки отходов, содержащих драгметаллы, на стадиях разборки, сортировки и обогащения радиоэлектронного лома, плавки и электролиза, проведенные в промышленных условиях предприятия СКИФ-3 на площадках Российского научного центра "Прикладная химия" и механического завода им. Карла Либкнехта.
Изучение вещественного состава радиоэлектронного лома
В настоящее время отсутствует отечественная технология переработки бедных радиоэлектронных ломов. Покупка лицензии у западных компаний нецелесообразна ввиду несхожести законов о драгоценных металлах. Западные компании могут скупать радиоэлектронный лом у поставщиков, складировать и накапливать объем лома до величины, которая соответствует масштабу технологической линии. Получаемые драгоценные металлы являются собственностью производителя.
В нашей стране по условиям денежных расчетов с поставщиками лома каждая партия отходов каждого сдатчика независимо от ее размеров должна пройти полный технологический цикл опробования, включающий вскрытие посылок, проверку масс нетто и брутто, усреднение сырья по составу (механическое, пирометаллургическое, химическое) отбор головных проб, пробоотбор от побочных продуктов усреднения (шлаков, нерастворимых осадков, промывных вод и т.д.), шифрование, анализ, расшифровку проб и аттестацию результатов анализов, расчет количества драгоценных металлов в партии, их принятие на баланс предприятия и оформление всей учетно-расчетной документации.
После получения концентрированных по драгметаллам полупродуктов (например, металл Доре) концентраты сдаются на государственный рафинировочный завод, где после аффинажа металлы поступают в Гохран, а оплата за их стоимость отправляется обратной финансовой цепочкой вплоть до поставщика. Становится очевидным, что для успешной работы перерабатывающих предприятий каждая партия поставщика должна пройти отдельно от материалов других поставщиков весь технологический цикл.
Анализ литературы показал [1-7], что одним из возможных способов усреднения радиоэлектронного лома является его обжиг при температуре, обеспечивающей сжигание пластмасс, входящих в состав РЭЛ, после чего возможна плавка спека, получение анода с последующим электролизом.
Для изготовления пластмасс применяют синтетические смолы. Синтетические смолы, в зависимости от реакции их образования разделяют на полиме-ризованные и конденсированные. Различают также термопластичные и термореактивные смолы.
Термопластичные смолы могут многократно плавиться при повторном нагревании, не теряя пластических свойств, к ним относятся: поливинилаце-тат, полистирол, поливинилхлорид, продукты конденсации гликолеи с двухосновными карбоновими кислотами и др.
Термореактивные смолы - при нагревании образуют неплавкие продукты, к ним относятся феноло-альдегидные и мочевино-формальдегидные смолы, продукты конденсации глицерина с многоосновными кислотами и др.
Многие пластмассы состоят только из полимера, к ним относятся: поли-этилены, полистиролы, полиамидные смолы и т.д. Большинство пластмасс (фенопласты, амиопласты, древесные пластики и др.) помимо полимера (связующего) могут содержать: наполнители, пластификаторы, связывающие отверждающие и окрашивающие вещества, стабилизаторы и другие добавки. В электротехнике и электронике применяются следующие пластмассы: 1. Фенопласты- пластмассы на основе фенолоальдегидных смол. К фенопластам относятся: а) литые фенопласты - отвержденные смолы резольного типа, например бакелит, карболит, неолейкорит и др.; б) слоистые фенопласты - например прессованное изделие из ткани и резольной смолы, называется текстолит Фенол-альдегидные смолы получают конденсацией фенола, крезола, ксилола, алкилфенола с формальдегидом, фурфуролом. В присутствии основных катализаторов получают резольные (термореактивные) смолы, в присутствии кислых - новолачные (термопластичные смолы).
Технологические расчеты утилизации обжиговых газов
Все пластмассы в основном состоят из углерода, водорода и кислорода с замещением валентности добавками хлора, азота, фтора. Рассмотрим в качестве примера сжигание текстолита. Текстолит - трудновоспламеняющийся материал, является одной из составляющих электронного лома. Он состоит из прессованной хлопчатобумажной ткани, пропитанной искусственными резольными (формальдегидными) смолами. Морфологический состав радиотехнического текстолита: - хлопчатобумажная ткань - 40-60% (средняя - 50%) - резольная смола - 60-40% (средняя -50%) Брутто-формула хлопковой целлюлозы [СбН702(ОН)з]з, а резольной смолы - (Cg Н702 )-m, где m - коэффициент соответствующий продуктам степени полимеризации. Согласно литературным данным при зольности текстолита 8% влажность составит 5%. Химический состав текстолита в пересчете на рабочую массу составит, %: Cp-55,4;Hp-5,8;OP-24,0;Sp-0,l;Np-I,7;Fp-8,0;Wp-5,0.
При сгорании 1 т/час текстолита образуется испарений влаги 0,05т/час и золы 0,08 т/час. При этом поступает на сжигание, т/час: С - 0,554; Н - 0,058; 0-0,24; S-0,001, N-0,017. Состав золы текстолита марки А, Б, Р по данным литературы, % : СаО -40,0; Na, К20 - 23,0; Mg О - 14,0; РпО10 - 9,0; Si02 - 8,0; Al 203 - 3,0; Fe203 -2,7;SO3-0,3. Для проведения экспериментов был выбран обжиг в герметичной камере без доступа воздуха, для этого была изготовлена из нержавеющей стали толщиной Змм коробка размером 100x150x70 мм с фланцевым креплением крышки. Крышка к коробке крепилась через асбестовую прокладку болтовыми соединениями. В торцовых поверхностях коробки были выполнены штуцерные отверстия, через которые осуществлялась продувка инертным газом (N2) содержимого реторты и отвод газовых продуктов процесса. В качестве испытываемых образцов применялись: 1. Очищенные от радиоэлементов плата, распиленные до размеров 20x20 мм. 2. Черные микросхемы с плат (в натуральную величину 6x12 мм) 3. Разъемы из текстолита (распилены до размеров 20x20 мм) 4. Разъемы из термореактивной пластмассы (распилены до размеров 20x20 мм) Эксперимент проводился следующим образом: в реторту загружалось 100 г испытываемого образца, закрывалось крышкой и помещалось в муфель. Содержимое продувалось азотом в течение 10 минут с расходом 0,05 л/мин. В течение всего опыта расход азота поддерживался на уровне 20-30 см3/мин. Отходящие газы щелочным раствором нейтрализовались. Шахта муфеля закрывалась кирпичом и асбестом. Подъем температуры регулировали в пределах 10-15С в минуту. По достижению 600С осуществлялась часовая выдержка, после чего отключалась печь и вынималась реторта. Во время охлаждения расход азота увеличивался до 0,2 л /мин. Результаты наблюдения представлены в таблице 3.2.
Главным отрицательным фактором проводимого процесса является очень сильный, резкий, неприятный запах, выделяющийся как из самого огарка, так и от оборудования, которое "пропиталось" этим запахом после первого же опыта.
Для исследования использовалась трубчатая вращающаяся печь непрерывного действия с косвенным электронагревом производительностью по шихте 0,5-3,0 кг/час. Печь состоит из металлического кожуха (длина 1040 мм, диаметр 400 мм), футерованного огнеупорным кирпичом. Нагревателями служат 6 силитовых стержней с длиной рабочей части 600 мм, питаемых от двух вариаторов напряжения РНО-250. Реактор (общая длина 1560 мм) представляет из себя трубу из нержавеющей стали с наружным диаметром 89 мм с футеровкой из фарфоровой трубы внутренним диаметром 73 мм. Реактор опирается на 4 ролика и снабжен приводом, состоящим из электромотора, редуктора и ременной передачи.
Для контроля температуры в реакционной зоне служит термопара в комплекте с переносным потенциометром, установленная внутри реактора. Предварительно была проведена корректировка ее показаний по непосредственным замерам температуры внутри реактора.
В печь вручную загружался радиоэлектронный скрап при соотношении: очищенные от радиоэлементов платы : черные микросхемы : разъемы из текстолита : разъемы из термопластичной смолы = 60:10:15:15.
Проведение данного эксперимента осуществлялось из предположения, что пластмасса до своего расплавления сгорит, что обеспечит освобождение металлических контактов. Это оказалось недостижимым, так как остается проблема резкого запаха, к тому же как только разъемы достигали зоны температуры «300С, разъемы из термопластичной пластмассы прилипали к внутренней поверхности вращающейся печи и закрывали проход всей массе электронного скрапа. Принудительная подача воздуха в печь, повышение температуры в зоне прилипания не привели к возможности обеспечения обжига.
Термореактивная пластмасса характеризуется также высокой вязкостью и прочностью. Характеристикой этих свойств является то, что при охлаждении в жидком азоте в течение 15 минут разъемы из термореактивной пластмассы разбивались на наковальне с применением десятикилограммового молотка, при этом разрушения разъемов не происходило. Учитывая то, что количество деталей, выполняемых из таких пластмасс, невелико и они хорошо режутся с помощью механического инструмента, целесообразным является их ручная разборка. Например, разрезка или разрубка разъемов по центральной оси приводит к освобождению металлических контактов от пластмассовой основы.
Номенклатура поступающего на переработку лома электронной промышленности охватывает все детали и узлы различных агрегатов и приборов, при изготовлении которых используются драгметаллы.
Основа изделия, содержащего драгметаллы, а соответственно и их лом, может быть изготовлена из пластмассы, керамики, стеклопластика, многослойного материала (ВаТіОз) и металла.
Поступающее с предприятий-сдатчиков сырье направляется на предварительную разборку. На этой стадии из электронно-вычислительных машин и другого электронного оборудования извлекаются узлы, содержащие драгметаллы. Они составляют около 10-15% общей массы ЭВМ. Материалы, не содержащие драгметаллы, направляют на извлечение цветных и черных металлов. Отработанный материал, содержащий драгметаллы (платы с печатным монтажом, штепсельные разъемы, провода и др.), сортируется для удаления золотых и серебряных проводов, позолоченных штырей боковых разъемов печатных плат и других деталей с высоким содержанием драгметаллов. Отобранные детали поступают непосредственно на участок аффинирования драгметаллов.
Опробование технологии получения концентрированного золота и серебра
Пробу золотой губки массой 10,10 г растворили в царской водке, упариванием с соляной кислотой избавились от азотной кислоты и высадили металлическое золото насыщенным раствором сульфата железа (И), приготовленным из растворенного в серной кислоте карбонильного железа. Осадок многократно отмыли кипячением с перегнанной НС1 (1:1), водой и растворили порошок золота в царской водке, приготовленной из перегнанных в кварцевой посуде кислот. Операцию осаждения и промывки повторили и отобрали пробу для эмиссионного анализа, который показал содержание золота на уровне 99,99%.
Для проведения материального баланса были объединены и взвешены остатки отобранных для анализа проб (1,39 г Аи) и золото с сожженных фильтров и электродов (0,48 г), безвозвратные потери составили 0,15 г, или 1,5% от переработанного материала. Такой высокий процент потерь объясняется небольшим количеством вовлеченного в переработку золота и затратами последнего на отлаживайте аналитических операций.
Слитки выделенного из контактов серебра растворили при нагревании в концентрированной азотной кислоте, раствор упарили, охладили и слили с выпавших кристаллов соли. Полученный осадок нитрата промыли перегнанной азотной кислотой, растворили в воде и соляной кислотой высадили металл в виде хлорида, декантированный маточный раствор использовали для отработки технологии рафинирования серебра электролизом.
Отстоявшийся в течение суток осадок хлористого серебра промыли азот 69 ной кислотой и водой, растворили в избытке водного аммиака и профильтровали. Фильтрат обработали избытком соляной кислоты до прекращения образования осадка. Последний промыли охлажденной водой и щелочной плавкой выделили металлическое серебро, которое протравили кипящей НС1, обмыли водой и переплавили с борной кислотой. Полученный слиток промыли горячей HCI (1:1), водой, растворили в горячей азотной кислоте и повторили весь цикл выделения серебра через хлорид. После плавки с флюсом и промывания соляной кислотой слиток дважды переплавлялся в тигле из пирографита с промежуточными операциями по очистке поверхности горячей соляной кислотой. После этого слиток раскатали в пластину, протравили ее поверхность горячей НС1 (1:1) и изготовили плоский катод для очистки серебра электролизом.
Металлическое серебро растворили в азотной кислоте, довели кислотность раствора до 1,3% по HNO3 и провели электролиз этого раствора с серебряным катодом. Операцию повторили, и полученный металл сплавили в тигле из пирографита в слиток массой 10,60 г. Анализ в трех независимых организациях показал, что массовая доля серебра в слитке не менее 99,99%.
Из большого количества работ по извлечению благородных металлов из полупродуктов [47-64] нами для опробования был выбран способ электролиза в растворе медного купороса.
62 г металлических контактов из разъемов сплавили с бурой и отлили плоский слиток массой 58,53 г. Массовая доля золота и серебра составляет 3,25% и 3,1% соответственно. Часть слитка (52,42 г) подвергали электролизу в качестве анода в подкисленном серной кислотой растворе медного купороса, в результате чего 49,72 г материала анода растворилось. Образовавшийся шлам отделили от электролита и после дробного растворения в азотной кислоте и в царской водке выделили 1,50 г золота и 1,52 г серебра. После сжигания фильтров получили 0,11 г золота. Потери этого металла составили 0,6%; необратимые потери серебра- 1,2%. Установлено явление появления в растворе палладия (до 120 мг/л).
При электролизе медных анодов драгоценные металлы, содержащиеся в нем, концентрируются в шламе, который выпадает на дно электролизной ванны. Однако наблюдается значительный (до 50%) переход палладия в раствор электролита. Для перекрытия начала потерь палладия била выполнена данная работа.
Трудность извлечения палладия из электролитов обусловлена их сложным составом. Известны работы по сорбционно-экстракционной переработке растворов [65-71]. Целью работы является получение чистых селей палладия и возвращение очищенного электролита в процесс. Для решения поставленной задачи нами использован процесс сорбции металлов на синтетическом ионообменном волокне АМПАН H/SO4. В качестве исходных растворов использовали два раствора: №1 - содержащий (г/л): палладия 0,755 и 200 серной кислоты; №2 - содержащий (г/л): палладия 0,4, меди 38,5, железа - 1,9 и 200 серной кислоты. Для подготовки сорбционной колонки взвешивали 1 грамм волокна АМПАН, помещали его в колонку диаметром 10 мм и замачивали волокно на 24 часа в воде.
Разработка технологии извлечения палладия из сернокислых растворов
Подачу раствора осуществляли снизу при помощи дозирующего насоса. В ходе экспериментов фиксировали объем пропущенного раствора. Пробы, отобранные через равные промежутки времени, атомно-адсорбционным методом анализировали на содержание палладия.
Результаты опытов показали, что палладий, сорбируемый на волокне, де-сорбируется раствором серной кислоты (200 г/л).
На основании результатов, полученных при изучении процессов сорбции -десорбции палладия на раствора №1, был проведен опыт по изучению поведения меди и железа в количествах, близких к содержанию их в электролите, при сорбции палладия на волокне. Опыты проведены по схеме, представленной на рис.4.2 (табл. 4.1-4.3), включающей в себя процесс сорбции палладия из раствора №2 на волокне, промывку палладия от меди и железа раствором 0,5М серной кислоты, десорбцию палладия раствором 200 г/л серной кислоты и промывку волокна водой (рис.4.3).
В качестве исходного сырья для плавок брались продукты обогащения полученные на обогатительном участке предприятия "СКИФ-3". Плавки осуществлялись в печи "Таммана" при температуре 1250-1450С в графито-шамотовых тиглях объемом 200 г (по меди). В таблице 5.1 представлены результаты лабораторных плавок различных концентратов и их смесей. Без осложнений расплавлялись концентраты, составы которых представлены в таблицах 3.14 и 3.16. Концентраты, состав которых представлен в таблице 3.15, требуют для расплавления температуру в интервале 1400-1450С. смеси этих материалов Л-4 и Л-8 требуют для расплавления температуру порядка 1300-1350С.
Промышленные плавки П-1, П-2, П-6, проведенные в индукционной печи [72-84] с тиглем объемом 75 кг по меди, подтвердили возможность расплавления концентратов, когда на плавку подавался валовой состав обогащенных концентратов.
В процессе исследований выяснилось, что часть электронного лома расплавляется с большими потерями платины и палладия (концентраты из конденсаторов РЭЛ, табл. 3.14) [85-96]. Механизм потерь был определен при добавлении на поверхность медной расплавленной ванны контактов с поверхностным напылением на них серебра и палладия (содержание палладия в контактах 8,0-8,5%). В этом случае медь с серебром выплавились, оставив на поверхности ванны палладиевую оболочку контактов. Попытка замешать палладий в ванну привела к разрушению оболочки. Часть палладия вылетела с поверхности тигля, не успев раствориться в медной ванне. Поэтому все последующие плавки проводились с покровным синтетическим шлаком (50% S1O2 + 50% соды).
