Комплексная переработка цинксодержащей пыли сталеплавильного производства в аммиачно-хлоридных средах : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.16.02

ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ПЕРЕРАБОТКЕ ПЫЛЕЙ
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАВКИ ………………………………………. 9
1.1 Образование и характеристика пылей ЭДП……………………. 9
1.2 Пирометаллургические способы……………………………….. 10
1.3 Гидрометаллургические процессы…………………………….. 16
1.4 Выводы и постановка задач исследования……………………. 25
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВСКРЫТИЯ ФЕРРИТА
ЦИНКА БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕЛЬЦЕВАНИЯ ………………… 27
2.1 Химический и фазовый состав пыли ЭДП……………………… 27
2.2 Прямое выщелачивание пыли ЭДП ………………………….… 29
2.3 Способы предварительного разрушения феррита цинка……… 32
2.4 Термодинамический анализ системы спекания пыли ЭДП с
оксидом кальция………………………………………………… 34
2.5 Выщелачивание пыли ЭДП после предварительного спекания
с оксидом кальция……………………………………………….. 38
2.6 Выводы…………………………………………………………… 41
3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ АММИАЧНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
ВЕЛЬЦ-ВОЗГОНОВ ПЫЛЕЙ ЭДП…………………………………… 43
3.1 Исследование характеристик вельц-возгонов….……………… 43
3.2 Термодинамика основных химических реакций 45
выщелачивания……………………………………………………
3.3 Методика проведения исследований…………………………… 51
3.4 Оптимизация процесса выщелачивания………………………… 52
3.4.1 Изучение влияния Ж:Т на степень извлечения цинка…………. 54
3.4.2 Изучение влияния концентрации аммиака на выщелачивание
цинка………………………………………………………………. 58
3.4.3 Изучение влияния концентрации хлорида аммония на
выщелачивание цинка……………………………………………. 62
3.5 Исследование кинетики процесса аммиачного выщелачивания
пыли ЭДП…………………………………………………………. 66
3.6 Выводы……………………………………………………………. 73
4. ПОВЕДЕНИЕ ПРИМЕСЕЙ ПРИ ВЫЩЕЛАЧИВАНИИ.
ЦЕМЕНТАЦИОННАЯ ОЧИСТКА ПОЛУЧЕННЫХ РАСТВОРОВ
ОТ СВИНЦА……………………………………………………………. 74
4.1 Поведение свинца при выщелачивании………………………… 76
4.2 Цементационная очистка полученных растворов от свинца….. 79
4.3 Выводы…………………………………………………………… 85
5. ЭЛЕКТРОЭКСТРАКЦИЯ ЦИНКА ИЗ СИСТЕМЫ Zn(II)–NH4Cl–
NH3–H2O………………………………………………………………… 86
5.1 Исследование процесса электроэкстракции цинка
потенциодинамическим методом………………………………. 90
5.2 Влияние присутствия ионов Cl-, NH4+, Zn2+ в растворе……….. 92
5.3 Изучение катодного восстановления цинка…………………… 93
5.4 Изучение анодного процесса при электроэкстракции цинка….. 96
5.5 Выбор материала для электродов……………………………….. 100
5.6 Изучение электроэкстракции цинка в циркулирующей системе 112
5.7 Выводы…………………………………………………………… 114
6. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ СХЕМА ……………. 116
6.1 6.1 Составление материального баланса переработки пылей
ЭДП……………………………………………………………….. 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….. 120
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………. 123
Приложение А. Числовые значения расчета оптимизации параметров
выщелачивания………………………………………………………………… 133

1. Анализ литературных источников показал, что в настоящее время
отсутствует в промышленности технология переработки пыли ЭДП с получением
компактного цинка. Актуально исследование процессов, протекающих при
аммиачно-хлоридном выщелачивании, а также при электроэкстракции цинка из
растворов, полученных после выщелачивания.
2. Исследован химический и фазовый состав пыли ЭДП, проведено
прямое выщелачивание пыли в аммиачно-хлоридном растворе, показатель
извлечения цинка в раствор не превышал 60-62 % даже при повышенной
температуре или концентрации аммиака, что связано с высоким содержанием в
пыли ЭДП устойчивого феррита цинка. Подтверждена необходимость
предварительной термической обработки пыли ЭДП.
3. Рассмотрен вариант предварительного спекания пыли ЭДП с оксидом
кальция. Оптимальные показатели для максимального извлечения – соотношение
Ca/Fe=1,7; температура спекания 900 °С, продолжительность спекания 1 час. В
связи с высоким расходом CaO и необходимостью утилизировать Ca-Fe кеки, в
качестве предварительной обработки наиболее эффективно одностадийное
вельцевание.
4. Объектом исследований выбраны возгоны первой стадии вельцевания
пыли ЭДП. Основными компонентами возгонов являются Zn, Pb, Fe, которые
преимущественно находятся в оксидной форме, что подтверждено результатами
рентгено-фазового анализа. Состав подобных продуктов варьируется в
зависимости от исходного состава пыли и условий вельцевания.
5. Аммиачно-хлоридное выщелачивание цинка позволяет селективно
извлекать цинк из вельц-возгонов пылей ЭДП, извлечение цинка более 96 %. При
этом хлор, присутствующий в пыли, циркулирует в системе и позволяет
регенерировать электролит.
6. На основании результатов экспериментов по извлечению цинка при
выщелачивании построены поверхности, получены уравнения, описывающие эти
поверхности. Определены оптимальные параметры процесса CNH4Cl= 4М, CNH4OH=
4М, Ж:Т = 15.
7. Рассчитана энергия активации реакции при оптимальных условиях
выщелачивания, Eакт = 16 676,96 Дж/моль, или 16,67 кДж/моль. Определены
константы скорости при 293 К и 313 К (K293=17, 94 мин-1 и K313= 27, 84 мин-1) и
порядок реакции n=1. Установлено, что процесс аммиачного выщелачивания
протекает преимущественно во внешнедиффузионной области.
8. Изучена термодинамические характеристики поведения примесей при
выщелачивании. Определены кинетические параметры процесса цементации
свинца на цинковом порошке в аммиачно-хлоридных растворах. Установлено, что
процесс проходит во внутридиффузионном режиме.
9. Изучен процесс осаждения цинка на катоде в аммиачно-хлоридных
растворах, получены потенциодинамические кривые, которые характеризуют
процесс выделения цинка при потенциале около -0,94 В, что соответствует
рассчитанному потенциалу осаждения цинка из аммиачного комплекса.
Установлено, что при уменьшении концентрации ионов цинка закономерно
снижается предельная плотность катодного тока и потенциал начала
восстановления цинка смещается в электроотрицательную область.
10. Изучен анодный процесс при электроэкстракции цинка из аммиачно-
хлоридного электролита. Полученные данные подтверждают теоретические
предположения о диапазоне потенциалов окисления хлоридов 1 – 1,6 В.
Установлено отсутствие выделения хлора на аноде.
11. Подтверждены предположения о механизме протекания реакций при
элекстроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов. На аноде
происходит выделение газообразного азота, образующегося при взаимодействии
активного атомарного хлора с аммиаком, что обеспечивает регенерацию
электролита и возможность возврата его в голову процесса на выщелачивание.
12. В ходе исследований были выбраны материалы для изготовления анода
– графит; катода –нержавеющая сталь. Оптимальная плотность тока для
электроэкстракции цинка из аммиачно-хлоридных растворов составляет
200–250 А/м2. Выход по току достигает 91-94 %. По данным
рентгенофлуоресцентного анализа содержание цинка в катодном осадке составило
99,99 %, что соответствует марке цинка ЦВ.

Перспективы дальнейшей разработки темы исследования
Дальнейшую работу по тематике диссертации целесообразно продолжить в
следующих направлениях:
1. Изучение методов вывода избытка хдоридов из раствора.
2. Поиск путей снижения расхода аммиака.
3. Проведение укрупненных и промышленных испытаний предлагаемой
технологии.
4. Изучение возможности получения новых видов продукции из цинка
5. Изучение возможности аммиачного выщелачивания других
цинксодержащих техногенных продуктов.