ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЙ (2). Методические указания к выполнению практических работ по по предмету металлургия редких металлов по направлениям бакалавриата

• Название: Методические указания к выполнению практических работ по по предмету металлургия редких металлов по направлениям бакалавриата
• Дата: 29.03.2023
• Размер: 0.55 Mb.
• Имя файла: ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЙ (2).doc
• Тип: Методические указания; #1022582
• страница: 1 из 5

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. И.А.КАРИМОВ
Кафедра «Металлургия »
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению практических работ по

по предмету:


«МЕТАЛЛУРГИЯ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ»
по направлениям бакалавриата 5310300 «Металлургия»


Алмалык – 2022 г.

СОСТАВИТЕЛИ:

Жалолов Б.А.
Методическое указание для выполнения практических работ по курсу “Химическая технология редких, благородных, рассеянных металлов» по направлениям бакалавриата 5310300 «Металлургия»/ Сост.: Жалолов Б.А.

В предоставленном методическом указание рассмотрены практические работы по металлургии некоторых тугоплавких и легких редких металлов: расчеты процесса обработки концентратов, огарков, восстановление окислов металлов, термодинамики процесса, параметров применяемых оборудований, процесса получения продуктов и полупродуктов металлургического производства, некоторых тугоплавких и легких редких металлов.

Методическое указание предназначен для студентов по направлению бакалавриата 5310300 «Металлургия»

ВВедение
Роль редких металлов в современной технике весьма велика. Электровакуумная техника и полупроводниковая электроника, атомная энергетика, авиация и ракетостроение, химическое машиностроение, производство специальных сталей, твердых, жаропрочных и коррозионно-стойких сплавов – таков, далеко не полный перечень областей техники, в которых широко используются редкие металлы.

Курс «Металлургия редких металлов» считается одним из необходимых предметов для студентов обучающихся по направление «Металлургия». По учебному плану предусмотрены лекционные, лабораторные, практические занятия.

Курс «Металлургия редких металлов» охватывает в себя технологию производства тугоплавких и легких редких металлов, характеристику сырья и их пирометаллургическую (окислительный или восстановительный обжиг, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т.п.) и гидрометаллургическую (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы и т.п.) переработку, получение огарка, спека и др., методов глубокой очистки от примесей, химические и физические методы глубокой очистки, металлотермия, восстановление водородом, углеродом, а также методов порошковой металлургии.

В предоставленном методическом указание рассмотрены практические работы по металлургии некоторых тугоплавких и легких редких металлов: расчеты процесса обработки концентратов, огарков, восстановление окислов металлов, термодинамики процесса, параметров применяемых оборудований, процесса получения продуктов и полупродуктов металлургического производства, некоторых тугоплавких и легких редких металлов.

Данный практикум составлен по индивидуальному плану по курсу Металлургия редких металлов. Начиная со второй половины прошлого столетия в различных областях техники во все возрастающих масштабах находят применение химические элементы, ранее мало или вовсе не использовавшиеся в промышленности. Такие, новые в технике элементы получили название «редкие». В настоящее время к редким относятся 60 элементов Периодической системы (включая трансурановые элементы и благородные газы), из них около 50 – металлы.

Малая распространенность редких металлов в земной коре также не является общим признаком. Хотя большая часть редких металлов действительно характеризуется малым содержанием в земной коре, однако некоторые из них значительно более распространены, чем давно известные и хорошо освоенные в технике металлы. Например, титан стоит десятым в ряду распространенности, а редкие металлы литий, церий, бериллий, цирконий, ванадий содержится в земной коре в больших количествах, чем такие давно применяемые в технике металлы, как серебро, ртуть, олово, свинец.

Принятая техническая классификация объединяет редкие металлы в пять групп по различным для каждой группы признакам: легкие, тугоплавкие, рассеянные, редкоземельные и радиоактивные.

Легкие редкие металлы – три металла первой группы элементов (Li, Rb, Cs) и один – второй группы (Ве) включают металлы с малой плотностью (от 0,53 г/см³ у лития до 1,87 г/см³ у цезия) и высокой химической активностью, что обусловливает образование ими химически прочных соединений.

Тугоплавким редким металлам относится титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, молибден вольфрам и рений.

Отсутствие или редкая распространенность собственных минералов рассеянных редких металлов создает специфическую общую характеристику их технологии, связанную с их попутным извлечением из полупродуктов и отходов при переработке сырья основного металла, спутником которого является данный рассеянный металл.

Радиоактивные металлы объединяют элементы: полоний, радий, актиний и актиниды. Актиниды аналогичны по электронному строению лантанидам, так как в их атомах происходит достройка электронами глубокого 5f-уровня.

Цветная металлургия представляет собой в настоящее время самостоятельную, крупную и очень важную отрасль тяжёлой промышленности СНГ. Характерная особенность цветной металлургии резко отличающая её от черной, – это чрезвычайные разнообразные технологические процессы и печи, которые насчитывают более 60 разновидностей. Технологические процессы, протекающие в цветной металлургии, являются одновременно и энергетическими процессами, обеспечивающими необходимое для работы технологию поступления тепловой энергии.

В технологии производства редких металлов могут быть выделены следующие основные стадии:

1) разложение (вскрытие) рудных концентратов или промышленных отходов, содержащие редкие металлы, с помощью пирометаллургических (окислительный или восстановительный обжиг, хлорирование, сплавление или спекание с реагентами, возгонка и т.п.) или гидрометаллургических процессов (разложение растворами кислот, щелочей, автоклавные процессы и т.п.);

2) получение чистых соединений;

3) получение металла технической чистоты или сплавов на его основе;

4) рафинирование металла;

5) получение слитков, заготовок или изделий из металла или сплава на его основе с одновременным тонким регулированием их структуры.

В связи с тем, что многие редкие металлы дефициты, а их добыча и извлечение в ряде случаев относительно дорогие, особо важное значение в них производстве имеет максимальное извлечение металлов в готовую продукцию.

Практическая работа №1.

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА РАЗЛОЖЕНИЯ ШЕЕЛИТОВОГО КОНЦЕНТРАТА В АВТОКЛАВЕ С ПОМОЩЬЮ СОДОВОГО РАСТВОРА
Цель работы: Ознакомление студента химическими процессами протекающими при разложение концентрата и действие различных соединений на качество получаемого продукта.
Задание: Рассчитать процесс выщелачивания и автоклав для разложения 20 т/сут шеелитового концентрата в содовом растворе. Состав концентрата, %: 56.0 WO₃; 0.1 Mo; 26.0 CaO; 3.5 SiO₂; 0.1 Cu; 0.1 P; 0.1 As; 0.1 Sn; 0.76 Fe; 0.8 S; 9.6 п.п.п.; 2.0 H₂O; 0.84 прочие.
Минералогический состав концентрата

По данным минералогических исследований, в исходном концентрате трехокись вольфрама находится в шеелите CaWO₄, молибден в повеллите CaMoO₄, медь в халькопирите CuFeS₂, фосфор в апатите Ca₃(PO₄)₂, мышьяк в скородите FeAsO₄, олово в касситерите SnO₂, железо, не связанное в халькопирите и скородите, находится в пирите FeS₂, окись кальция, не связанная в шеелите, повеллите и апатите, находится в кальците CaCO₃.

Расчет минералогического состава ведем на 100 кг концентрата.

Количество CaWO₄, кг:

WO3	CaO	CaWO4
232	56	288
56.0	a	б

Отсюда, а = 13,5 кг CaO; б = 69,5 кг CaWO₄.

Аналогично находим, что количество CaMoO₄ равно 0,21 кг (0,06 кг СаО, 0,05 кг О), Ca₃(PO₄)₂ – 0,5 кг (0,27 кг СаО, 0,13 кг О), FeAsO₄ – 0,26 кг (0,07 кг Fe, 0,09 кг 0,09 кг О), CuFeS₂ – 0,29 кг (0,09 кг Fe, 0,1 кг S), SnO₂ – 0,13 кг (0,03 кг О).

Количество FeS₂ определяем следующим образом. Количество железа, не связанного в халькопирите и скородите, составит: 0,76-(0,07+0,09)=0,6 кг. Тогда количество FeS₂ равно 1,3 кг (0,7 кг S).

Оценим количество CaCO₃. Количество СаО, не связанной в шеелите, повеллите и апатите, будет: 26-(13,5+0,06+0,27)=12,17 кг. Тогда количество CaCO₃ равно 21,77 кг (9,6 кг СО₂).

Количество кислорода в концентрате составит: 0,05+0,13+0,09+0,03=0,3 кг.

Минералогический состав шеелитового концентрата следующий, %: 69,5 CaWO₄ (56,0 WO₃, 13,5 СаО); 0,21 CaMoO₄ (0,1 Мо, 0,06 СаО и 0,05 О); 0,5 Ca₃(PO₄)₂ (0,27 СаО, 0,1 Р и 0,13 О); 0,26 FeAsO₄ (0,1 As, 0,07 Fe и 0,09 О); 0,29 CuFeS₂ (0,1 Cu, 0,09 Fe и 0,1 S); 0,13 SnO₂ (0,1 Sn, 0,03 О); 1,3 FeS₂ (0,6 Fe, 0,7 S); 21,77 CaCO₃ (12,17 СаО, 9,6 СО₂); 3,5 SiO₂; 2,0 H₂O; 0,54 прочие.

Расчет материального баланса выщелачивания

Расчет расхода соды и состава продуктов выщелачивания. При автоклавно-содовом выщелачивании шеелитового концентрата протекают реакции:

CaWO₄ + Na₂CO₃ = Na₂WO₄ + CaCO₃ (I)

CaMoO₄ + Na₂CO₃ = Na₂MoO₄ + CaCO₃ (II)

SiO₂ + Na₂CO₃ = Na₂SiO₃ + CO₂ (III)

Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂CO₃ + 2H₂O = 2Na₂HPO₄ + 3CaCO₃ + 2NaOH (IV)

FeAsO₄ + Na₂CO₃ + 2H₂O = Na₂HAsO₄ + Fe(OH)₃ + CO₂ (V)

Соединения SnO₂, CuFeS₂, FeS₂, CaCO₃ и прочие с содовым раствором не реагируют и полностью переходят в кек.

По данным практики, принимаем следующие степени разложения соединений содовым раствором: 99 % для CaWO₄; 100 % для CaMoO₄; 65 % для SiO₂; 78 % для Ca₃(PO₄)₂; 100 % FeAsO₄.

По реакции (I). Количество CaWO₄, не разлагающегося и переходящего в осадок, равно 69,5·0,01=0,7 кг (0,56 WO₃, 0,14 СаО). Количество CaWO₄, разлагающегося в содой, 69,5·0,99=68,8 кг (55,44 WO₃, 13,36 СаО). Тогда:

CaWO4	Na2CO3	Na2WO4	CaCO3
288	106	194	100
68,8	А	б	в

Отсюда а = 25,4 кг Na₂CO₃ (14,9 кг Na₂O, 10,5 кг СО₂); б = 70,34 кг Na₂WO₄ (14,9 кг Na₂O, 55,44 кг WО₃); в = 23,86 кг CaCO₃ (13,36 кг СаО, 10,5 кг СО₂).

Аналогичными расчетами определяем количества расходуемых и образующихся соединений для последующих реакций.

По реакции (II). Количество CaMoO₄, разлагающегося содой, 0,21 кг (0,1 кг Мо, 0,06 кг СаО и 0,05 кг О₂). Тогда:

CaMoO4	Na2CO3	Na2MoO4	CaCO3
200	106	206	100
0,21	А	б	В

Отсюда а = 0,111 кг Na₂CO₃ (0,066 кг Na₂O, 0,045 кг СО₂); б = 0,216 кг Na₂MoO₄ (0,1 кг Мо, 0,066 кг Na₂O и 0,05 кг О); в = 0,105 кг CaCO₃ (0,06 СаО, 0,045 кг СО₂).

По реакции (III). Количество SiO₂, не разлагающегося и переходящего в осадок, 3,5·0,35=1,22 кг. Количество SiO₂, разлагающегося содой, 3,5·0,65=2,28 кг. Тогда:

SiO2	Na2CO3	Na2SiO3	CO2
60	106	122	44
2,28	А	б	в

Отсюда а = 4,04 кг Na₂CO₃ (2,36 кг Na₂O, 1,68 кг СО₂); б = 4,64 кг Na₂SiO₃ (2,36 кг Na₂O, 2,28 кг SiО₂); в = 1,68 кг СО₂.

По реакции (IV). Количество Ca₃(PO₄)₂, не разлагающегося и переходящего в осадок, 0,5·0,22=0,11 кг (0,06 кг СаО, 0,022 кг Р и 0,028 кг О). Количество Ca₃(PO₄)₂, разлагающегося содой, 0,5·0,78=0,39 кг (0,21 кг СаО, 0,078 кг Р и 0,102 кг О).Тогда:

Ca3(PO4)2	3Na2CO3	2H2O	2Na2HPO4	3CaCO3	2NaOH
310	318	36	284	300	80
0,39	а	Б	в	Г	д

Отсюда а = 0,4 кг Na₂CO₃ (0,234 кг Na₂O, 0,166 кг СО₂); б = 0,043 кг H₂O; в = 0,357 кг Na₂HPO₄ (0,157 кг Na₂O, 0,02 кг H₂O, 0,078 кг Р и 0,102 кг О); г = 0,376 кг CaCO₃ (0,21 кг СаО, 0,166 кг СО₂); д = 0,1 кг NaOH (0,077 кг Na₂O, 0,023 кг H₂O).

По реакции (V). Количество FeAsO₄, переходящего в раствор, 0,26 кг (0,1 кг As, 0,07 кг Fe и 0,09 кг О). Тогда:

FeAsO4	Na2CO3	2H2O	Na2HAsO4	Fe(OH)3	CO2
195	106	36	186	107	44
0,26	а	Б	в	Г	д

Отсюда а = 0,14 кг Na₂CO₃ (0,08 кг Na₂O, 0,06 кг СО₂); б = 0,05 кг H₂O; в = 0,25 кг Na₂HAsO₄ (0,08 кг Na₂O, 0,01 кг H₂O, 0,1 кг As и 0,06 кг О); г = 0,14 кг Fe(OH)₃ (0,07 кг Fe, 0,04 кг H₂O и 0,03 кг О); д = 0,06 кг CO₂.

Для разложения 100 кг шеелитового концентрата теоретический расход соды составит [реакции (I) – (V)]: 25,4+0,111+4,04+0,14=29,691 кг.

По данным практики, принимаем содовый эквивалент 2,5. в этом случае практический расход соды 29,691·2,5=74,23 кг.

Принимаем состав технической соды: 97 % Na₂CO₃; 3 % прочие. Тогда потребуется технической соды 74,23/0,97=76,5 кг, где 43,42 кг Na₂O, 30,81 кг CO₂ и 2,27 кг прочие.

По данным практики, пульпа, поступающая на выщелачивание, имеет отношение Т:Ж=1:4. Следовательно, количество содового раствора на 100 кг концентрата должно быть 100·4=400 кг. Количество воды, необходимое для выщелачивания 100 кг концентрата, с учетом его влажности составит 400-76,5-2=321,5 кг.

В раствор в соответствии с реакциями (I) – (V) перейдут Na₂WO₄, Na₂HAsO₄, NaOH, Na₂MoO₄, Na₂SiO₃, Na₂HPO₄, избыточная Na₂CO₃ (74,23-29,691=44,539 кг), вода содового раствора, конденсата и концентрата. Количество воды содового раствора представляет разность от количества воды, необходимого для выщелачивания, и количества воды, содержащегося в Fe(OH)₃ по реакции (V): 321,5-0,04=321,46 кг. Количество воды концентрата 2 кг.

По данным практики, в автоклаве на 100 кг концентрата конденсируется 40 кг воды.

Количество, кг, и состав раствора после выщелачивания по реакциям следующие: (I) – 70,34 Na₂WO₄ (14,9 Na₂O, 55,44 WО₃); (II) – 0,216 Na₂MoO₄ (0,1 Мо, 0,066 Na₂O и 0,05 О); (III) - 4,64 Na₂SiO₃ (2,36 Na₂O, 2,28 SiО₂); (IV) - 0,357 Na₂HPO₄ (0,157 Na₂O, 0,02 H₂O, 0,078 Р и 0,102 О); (V) - 0,25 Na₂HAsO₄ (0,08 Na₂O, 0,01 H₂O, 0,1 As и 0,06 О); (IV) - 0,1 NaOH (0,077 Na₂O, 0,023 H₂O); 44,539 Na₂CO₃ * (26,05 Na₂O, 18,489 CO₂); 321,46 H₂O содового раствора; 40,0 H₂O конденсата; 2,0 H₂O концентрата. Всего: 483,902 кг.

По данным практики, плотность растворов после разложения шеелитового концентрата 1,15 кг/дм³. в этом случае объем растворов на 100 кг концентрата составит: 483,902/1,15≈420 дм³ (420 л).

Количество составляющих раствора следующее, г/л: 55440/420≈132 WО₃ (из Na₂WO₄); 44539/420≈106 Na₂CO₃; 100/420≈0,238 NaOH; 100/420≈0,238 Мо (из Na₂MoO₄); 2280/420≈5,43 SiО₂ (из Na₂SiO₃); 78/420≈0,186 Р (из Na₂HPO₄); 100/420≈0,238 As (из Na₂HAsO₄).

В кек переходят не разложившиеся соединения концентрата: CaCO₃, SnO₂, CuFeS₂, FeS₂; прочие, частично не разложившиеся соединения CaWO₄, SiО₂, Ca₃(PO₄)₂; прочие соды и образовавшиеся нерастворимые соединения по реакциям (I), (II), (IV) и (V) CaCO₃ и Fe(OH)₃.

Состав и количество, кг, образующегося по реакциям сухого кека следующее: 21,77 CaCO₃** (12,17 СаО, 9,6 СО₂); (I) – 23,86 CaCO₃ (13,36 СаО, 10,5 СО₂); (II) – 0,105 CaCO₃ (0,06 СаО, 0,045 СО₂); (IV) – 0,376 CaCO₃ (0,21 СаО, 0,166 СО₂); (V) – 0,14 Fe(OH)₃ (0,07 Fe, 0,04 H₂O и 0,03 О); 0,7 CaWO₄*** (0,56 WO₃, 0,14 СаО); 1,22 SiО₂***; 0,11 Ca₃(PO₄)₂*** (0,06 СаО, 0,022 Р и 0,028 О); 0,13 SnO₂ ** (0,1 Sn, 0,03 О); 0,29 CuFeS₂** (0,1 Cu, 0,09 Fe и 0,1 S); 1,3 FeS₂** (0,6 Fe, 0,7 S); 0,54 прочие концентрата; 2,27 прочие соды. Всего: 52,811 кг.

По данным практики, влажность кека составляет 20 %. Тогда количество влаги в кеке:

(52,811 + х) – х

100 - 20

кг.

Количество влажного кека 52,811 + 13,2 = 66,011 кг.

Количество влаги, содержащейся в кеке, рассчитано ранее.

Доля раствора, переходящего в кек, от общего количества кека будет: 13,2 · 100 / 483,902 = 2,7 %.

Состав и количество, кг, раствора, оставшегося в кеке: 70,34·0,027=1,89 Na₂WO₄ (0,4 Na₂O, 1,49 WО₃); 0,216·0,027=0,006 Na₂MoO₄ (0,003 Мо, 0,002 Na₂O и 0,001 О); 4,64·0,027=0,125 Na₂SiO₃ (0,063 Na₂O, 0,062 SiО₂); 0,357·0,027=0,009 Na₂HPO₄ (0,003 Na₂O, 0,001 H₂O, 0,002 Р и 0,003 О); 0,25·0,027=0,007 Na₂HAsO₄ (0,002 Na₂O, 0,001 H₂O, 0,003 As и 0,001 О); 0,1·0,027≈0,003 NaOH (0,002 Na₂O, 0,001 H₂O); 44,539·0,027=1,2 Na₂CO₃ (0,7 Na₂O, 0,5 CO₂); (321,46+40,0+2,0)·0,027=9,81 H₂O. Всего 13,2 кг.

*Избыточная. **Концентрата. ***Неразложившееся.
Состав и количество, кг, влажного кека: 46,111 CaCO₃ (25,8 СаО, 20,311 СО₂); 0,14 Fe(OH)₃ (0,07 Fe, 0,04 H₂O и 0,03 О); 0,7 CaWO₄ (0,56 WO₃, 0,14 СаО); 1,22 SiО₂; 0,11 Ca₃(PO₄)₂ (0,06 СаО, 0,022 Р и 0,028 О); 0,13 SnO₂ (0,1 Sn, 0,03 О); 0,29 CuFeS₂ (0,1 Cu, 0,09 Fe и 0,1 S); 1,3 FeS₂ (0,6 Fe, 0,7 S); 1,89 Na₂WO₄ (0,4 Na₂O, 1,49 WО₃); 0,006 Na₂MoO₄ (0,003 Мо, 0,002 Na₂O и 0,001 О); 0,125 Na₂SiO₃ (0,063 Na₂O, 0,062 SiО₂); 0,009 Na₂HPO₄ (0,003 Na₂O, 0,001 H₂O, 0,002 Р и 0,003 О); 0,007 Na₂HAsO₄ (0,002 Na₂O, 0,001 H₂O, 0,003 As и 0,001 О); 0,003 NaOH (0,002 Na₂O, 0,001 H₂O); 1,2 Na₂CO₃ (0,7 Na₂O, 0,5 CO₂); 9,81 H₂O; 2,81 прочие. Всего: 65,861 кг.

Содержание составляющих влажного кека следующее, %: (0,56 + 1,49) · 100 / 66,011 = 3,1 WO₃ (в том числе в составе* 1,49 х 100 / 66,011 = 2,25 Na₂WO₄); 0,003 · 100 / 66,011 = 0,005 Мо; 0,24 · 100 / 66,011 = 0,36 Р; 0,003 · 100 / 66,011 = 0,005 As; 0,1 · 100 / 66,011 = 0,15 Cu; 0,76 · 100 / 66,011 = 1,15 Fe; 0,8 · 100 / 66,011 = 1,21 S; 26,0 · 100 / 66,011 = 39,4СаО; 1,282 · 100 / 66,011 = 1,94 SiО₂; (20,311 + 0,5) · 100 / 66,011 = 31,6 СО₂; (0,4 + 0,002 + 0,063 + 0,003 + 0,002 + 0,002 + 0,7) · 100 / 66,011 = 1,79 Na₂O; (0,03 + 0,102 + 0,001 + 0,003 + 0,001) · 100 / 66,011 = 0,21 О; (9,81 + 0,04 + 0,001 + 0,001 + 0,001) · 100 / 66,011 = 15,1 H₂O; 2,81 · 100 / 66,011 = 4,26 прочие.

*Учитывается водорастворимая WO₃.

Таблица 1.