热镀锌渣真空蒸馏挥发规律的研究及应用.pdf

第3 2 卷第6 期 2 0 1 2 年1 2 月 矿 冶 工 程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E ⅪN G V 0 1 ．3 2 №6 D e c e m b e r2 0 1 2 热镀锌渣真空蒸馏挥发规律的研究及应用① 韩龙1 ’2 ，杨斌1 ”，戴永年1 ’2 1 ．昆明理工大学真空冶金国家工程实验室，云南昆明6 5 0 0 9 3 ；2 ．云南省有色金属真空冶金重点实验室．云南昆明6 5 0 0 9 3 摘要对热镀锌渣真空蒸馏的挥发规律进行了研究，考察了蒸馏温度、蒸馏时间及真空度对挥发速率及挥发物纯度的影响。在 工业试验中得到最佳的工艺条件为蒸馏温度11 7 3K ，炉内压力5 0 1 0 0P a ，蒸馏时间1 4h ，在此条件下可得到含锌量高于9 9 ．9 ％ 的金属锌，其直收率可达9 3 ．3 7 ％。 关键词热镀锌渣；真空蒸馏；挥发规律 中图分类号T F 8 0 3 ．4文献标识码B 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 6 0 0 7 1 0 3 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fV o l a t i l eR u l eo fV a c u u mD i s t i l l a t i o n o fH o tG a l v a n i z e dS c r a p H A NL o n 9 1 一，Y A N GB i n l ，_ ，D A IY o n g ．n i a n l 2 1 ．N a t i o n a lE n g i n e e r i n gL a b o r a t o r yy o rV a c u u mM e t a l l u r g y ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g 6 5 0 0 9 3 ，Y u n n a n ，C h i n a ；2 ．Y u n n a nP r o v i n c i a lK e yL a b o r a t o r yo fN o n f e r r o u sV a c u u mM e t a l l u r g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ， Y u n n a n ，C h i n a A b s t r a c t S t u d i e sw e r ec o n d u c t e do nv o l a t i l er u l e so fv a c u u md i s t i l l a t i o no fh o tg a l v a n i z e ds c r a pt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t s o fd i s t i l l a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt i m e ，a sw e l la sv a c u u md e g r e eo nt h ev o l a t i l er a t ea n dt h ep u r i t yo fv o l a t i l em a t t e r ．T h e o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n so b t a i n e df r o mi n d u s t r i a le x p e r i m e n tw e r ea sf o l l o w s a tat e m p e r a t u r eo f1 17 3K ，a f t e r 1 4h o u r so fd i s t i l l a t i o n ，w i t hf u r n a c ep r e s s u r eo f5 0 ～1 0 0P a ，z i n cm e t a lw i t hz i n cc o n t e n ta b o v e9 9 ．9 ％c a r lb e o b t a i n e dw i t had i r e c tr e c o v e r , r a t eo f9 3 ．3 7 ％。 K e yw o r d s h o tg a l v a n i z e ds c r a p ；v a c u u md i s t i l l a t i o n ；v o l a t i l er u l e 由于资源开采强度的不断提高及冶炼能力的过快 增长，一次资源已经不能满足需求，人们更多的关注再 生资源的利用。，热镀锌渣含锌量极高而成为重要的锌 二次资源，如何高效的回收其中的金属锌也成为相关 行业人员研究的热点。目前，从热镀锌渣中回收金属 锌的方法主要有电解法、真空蒸馏法、维尔兹法和化 学法‘2 1 等。真空冶金技术不仅有益于提高金属回收 率，有利于生产环境的改进，而且还能有效进行金属的 分离和提纯，大大降低作业温度，完成常压下难以完成 的一- ．一f f t ‘作业【2 - 3J 。与其它传统的有色金属冶金方法相 比，真空蒸馏法具有金属回收率高、能耗低、工艺过程 简单、对环境友好等优点，近年来得到了广泛应用。 1 实验研究 1 ．1 实验原料及设备 本实验研究所用热镀锌渣由国内某大型钢铁股份 公司提供，其典型化学组成 质量分数 为z n 舛．5 l ％， F e2 ．3 ％，A I1 ．8 6 ％，P b0 ．5 ％。 实验是在一台由真空室、加热器、控温测温系统、 真空获得和测量系统组成的小型真空炉上进行的。采 用麦氏真空计测量真空度，测量范围为1 ～6 5 0P a ；测 温系统为铂铑热电偶，控温系统由可控硅整流器完成。 1 ．2 实验原理 热镀锌渣的真空蒸馏主要是锌渣中杂质元素与主 体金属锌的分离j 。热镀锌渣中除锌以外，其他元素 皆为高沸点金属，锌与杂质元素的蒸气压也存在很大 差异，如图1 所示。锌的饱和蒸气压远远高于杂质元 素的饱和蒸气压，因而真空蒸馏分离时，锌将优先挥 发，F e 、A l 、P b 等元素留于固体残渣中。 1 ．3 实验方法 通过测定热镀锌渣在一定温度、时间和真空度下 的失重量来确定其挥发速率，讨论温度、时间和压强对 ①收稿日期2 0 1 2 - 0 6 - 0 7 基金项目真空冶金国家工程实验室重点学科基金云南省有色金属真宅冶金重点实验空运行基金 作者简介韩龙 1 9 7 9 一 ，男，湖北钟祥人，博士研究生．研究方向为真空冶金及材料。 万方数据 矿冶工程 第3 2 卷 温度吖K 图1热镀锌渣中主要元素饱和蒸气压 挥发速率的影响。实验过程中真空炉内的压强和温度 随时间的变化如图2 所示。 图2 真空炉内温度与压强随时间变化示意 a 炉内压强； b 炉内温度 通过实验测定热镀锌渣在升温和降温过程中的挥 发量，即在t 。和t 。时间段的挥发量，，。。以及在整个实 验过程中 t 。、t 、t ， 的挥发量m ，则可依据热镀锌渣 在恒温蒸馏时问段内的挥发量计算挥发速率∞ ∞ 等 等孚 1 ∞2 两2 ] ■厂 ‘1 ， 式中S 为蒸馏面积；t 为蒸馏时间。 2 实验结果及讨论 实验装料量为4 0g ，所用石墨坩埚的有效蒸馏面 积为7 ．0 6 5C I Y l 2 ，在不同实验条件下研究各因素对挥发 速率及挥发物纯度的影响。 2 ．1 蒸馏温度的影响 实验条件为炉内残压1 5P a ，蒸馏时问3 0m i n ，分 别在不同温度下进行了热镀锌渣挥发逸率的测定。根 据实验数据整理得到的结果见表1 。 由表1 可知，蒸馏时间恒定的条件下，热镀锌渣的 挥发速率随蒸馏温度的升高而增大。大量的锌以蒸气 形式挥发进入气相，随着锌在液相中含量的降低，锌在 熔体中的扩散速率逐步缓慢。此后再提高蒸馏温度， 挥发速率不会明显提高。 表1不同蒸馏温度下热镀锌渣的挥发速率 不同蒸馏温度下得到的挥发物的化学成分如表2 所示。 表2 挥发物化学成分 7 1 ／K 墨堕鱼量 重量坌鏊 』丝 F eA 1P b 由表2 可看出，随着蒸馏温度升高，得到的挥发物 中各杂质的含量也会相应增加，降低挥发物的纯度。 综合热镀锌渣的挥发率以及所得挥发物的纯度两 方面考虑，蒸馏温度选择在11 2 3 ～11 7 3K 之间较为 适宜。 2 ．2 蒸馏时间的影响 实验条件为炉内残压1 5P a ，蒸馏温度为11 7 3 K ，不同蒸馏时间下得到的实验数据整理结果见表3 。 表3 不同蒸馏时间下热镀锌渣的挥发速率 不同蒸馏时间下得到的挥发物的化学成分如表4 所示。 表4 挥发物化学成分 杂质含量 质量分数 ／％ t ／m l n F eA 1P b 从表3 和表4 的结果可知，蒸馏时间延长，锌的挥 发量逐渐增加，锌的挥发越彻底。同时蒸馏时间长，挥 万方数据 第6 期韩龙等热镀锌渣真空蒸馏挥发规律的研究及应用 7 3 发物中的杂质含量也随之增加。因此，综合锌的挥发 率及挥发物的化学成分两方面考虑，在蒸馏温度和炉 内残压确定的条件下，要达到较好的蒸馏效果，蒸馏时 间选择3 0m i n 较为适宜。 3 工业试验 工业试验所用设备如图3 所示。热镀锌渣加在蒸 发室内，挥发得到的锌蒸气冷凝为液态后由冷凝室的 出锌口放出。设备采用旋片式真空泵抽气，处理量为 2 ～3 吨／炉。 接磁 及控 蒸发 炉 热镀锌渣经真空蒸馏得到液态锌由冷凝室端放 出，高沸点的杂质元素则不挥发，以炉渣的形式在残留 物中存在。工业试验得到残留炉渣中各元素的含量 为Z n4 7 ．2 ％，F e3 8 ．2 ％，A 12 1 ．2 ％，P b0 ．0 3 ％。经 物料平衡计算可知，大部分的锌挥发进入冷凝室，而 F e 、A l 、P b 等则大都残留于炉渣中，但二者累加后仍有 部分金属损失。这是由于真空炉的炉膛均采用耐火砖 及耐火材料所筑，真空蒸馏时，液态金属进入到耐火材 料夹缝中，造成金属的损失。随着试验次数的增加，进 入耐火材料中的金属量逐渐减少，金属的直收率随之 增加。 3 ．2 经济技术指标 热镀锌渣经真空蒸馏产出金属锌和含F e 、A 1 及其 它元素的合金渣，在工业生产中取得良好效果。工业 化生产中达到的经济技术指标为①处理能力2 ．5 吨／炉；②金属锌的直收率大于8 9 ％；③处理lt 热镀 锌渣电耗小于16 0 0k W h ；④粗锌成分Z n 9 9 ．9 ％， F e 0 ．0 0 3 ％，A 1 0 ．0 0 3 ％。 图3 卧式真空炉示意 4 结语 3 ．1 试验结果 通过多次工业试验，得到了最佳的工艺条件为处 理量2 ．5 ‘热镀锌渣／炉，蒸馏温度11 7 3K 、蒸馏时间1 4h 、 炉内残压5 0 一1 0 0P a 。在此工艺条件下进行工业化生 产，生产中部分炉次得到的结果如表5 所示。 表5 工业化生产数据 表5 中的数据为随机抽取的部分炉次生产数据， 具有代表性。由表5 数据可知，金属锌的直收率在 8 9 ％以上，总电耗在37 8 0 ～40 2 0k w h 之间，折合每吨 热镀锌渣电耗为15 1 2 ～16 0 8k W h 。 1 真空蒸馏处理热镀锌渣工艺简单，设备占地面 积小，成本低，能够实现热镀锌渣的高效、综合回收。 此方法对环境友好，符合建设资源节约型、环境友好型 社会的要求。 2 工业化生产中控制蒸馏温度11 7 3K 、蒸馏时 间1 4h 、炉内压力5 0 1 0 0P a 。在此工艺条件下处理 热镀锌渣，金属锌的直收率可在8 9 ％以上，冷凝得到 的锌锭中含锌大于9 9 ．9 ％，含铁小于0 ．0 0 3 ％，含铝小 于0 ．0 0 3 ％。 参考文献 [ 1 ] 马春．热镀锌渣电解精炼制取纯锌[ J ] ．上海有色冶金，2 0 0 2 ， 2 3 2 7 9 8 4 ． [ 2 ] 戴永年，杨斌．有色金属材料的真空冶金[ M ] ．北京冶金工业 出版社，2 0 0 0 ． [ 3 ] 熊利芝，陈启元，尹周澜，等．真空碳热还原处理低品位氧化铅锌 矿热力学分析及实验研究[ J ] ．矿冶工程，2 0 0 9 4 6 4 6 6 ． [ 4 ] 刘永成，杨斌．热镀锌渣真空蒸馏回收锌[ J ] ．昆明理工大学 学报 理工版 。1 9 9 6 ．2 1 6 1 3 5 1 3 9 ． 万方数据